Лекция 6 Турбопередачи

6.1 Характеристика турбопередач

Турбопередачи применяются во многих силовых приводах, действующих в условиях переменного режима нагружения. Турбопередачи не вытесняют механические передачи, а дополняют их там, где это выгодно.

Схема турбопередачи изображена на рис. 6.1. Это лопастной насос и гидравлическая турбина, связанные замкнутым кругом циркуляции жидкости. Вал насоса является первичным валом гидравлической трансмиссии, а вал турбины – вторичным.

Главное свойство турбопередачи – то, что ее к.п.д. в значительной степени зависит от передаточного отношения и лишь при определенном значении достигает своего максимума. Эта особенность вытекает из известных свойств составных частей передачи – лопастного насоса и турбины.

Рисунок 6.1 – Схема турбопередачи

1 – вал двигателя; 2 – рабочее колесо центробежного насоса; 3 – соединительный трубопровод; 4 – реактор; 5 – рабочее колесо турбины; 6 – ведомый вал турбопередачи;

7 – спиральный подвод турбины; 8 – резервуар; 9 – отсасывающая труба; 10 – всасывающая труба насоса; 11 – спиральный отвод насоса.

Представим, что при неизменном расходе жид­кости в круге циркуляции перепад давления в тур­бине не зависит от частоты ее вращения. Таким свой­ством обладает, в частности, нормальная осевая турбина. Лопастной насос, прокачива­ющий жидкость через тур­бину как через постоянное гидравлическое сопроти­вление, работает в некото­ром

режиме. При этом потребляется мощность N1-(точка S), не зависящая от нагрузки на турбину и частоты её вращения. Поэтому кривая к. п. д. передачи повторяет некотором масштабе кривую изменения мощности iV₂, а линия коэф­фициента трансформации — линию изменения вращающего момента турбины (сравнить рис. 24.3, б ж в).

Рис. 6.2. Характеристики частей турбопередачи.

В действительности расход жидкости Q в круге циркуляции не сохраняется неизменным, а колеблется из-за непостоянства

перепада давления в турбине, а также в результате изменения угла направления потока а₁ при входе в рабочее колесо лопастного насоса. Вследствие колебания расхода жидкости характеристика турбины деформируется, сохраняя однако свой характер. Так, к. п. д. турбины, а следовательно, и к. п. д. всей передачи равен нулю при заторма­живании (и₂ = 0) и при полной разгрузке (М_г =0), а в интервале между п₂ = 0 и п₂ = п_2так достигает своего максимума. Положение максимума к. п. п. зависит от конструкции турбопередачи.

6.2. Турбомуфты

В турбомуфте рабочие колеса центробежного насоса и турбины предельно сближены, так как они заключены в общий корпус. Между ними в круге циркуляции нет никаких неподвижных лопаток, воспринимающих опорный крутящий момент.

Схема турбомуфты показана на рис. 6.3. При отсутствии на грузки на ведомом валу турбинные и насосные колеса вращаются с жидкостью синхронно, без относительного перемещения. С нагружением ведомого вала частота вращения турбины уменьшается, и появляется циркуляция жидкости. Скольжение муфты

Характеристики турбомуфты при полном ее наполнении жидкостью представлены на рисунке 6.4.

На внешней характеристике турбомуфты при n, = idem доста­точно построить две кривые зависимости - общего крутящего момента М ик п. д. от щ. Линия М в другом масштабе характери­зует также мощность на первичном валу N,. Мощность на вторичном валу при любом режиме вращения определяется по формуле

Безразмерная характеристика отличается от рассмотренной только" тем "что вместо М по оси ординат откладываются значе­ния коэффициента крутящего момента, а по оси абсцисс величины Если не учитывать момента трения в окружающей среде, можно считать, что к = 1, и тогда _П = »_в, г, т. е. кривая к. п. д. представляется прямой линией. При п„ приближающейся к п_у к п. д. турбомуфты теоретически стремится к единице.

Рис.6.3. Схема турбомуфты.

1- ведущий вал; 2 – ведомый вал; 3 – турбинное колесо; 4 – вращающейся кожух;

5 – насосное колесо.

Рис. 6.4. Характеристики турбомуфты при полном наполнении.

а – внешняя; б – универсальная.

Внутренняя полость турбомуфт бывает двух видов: с внутренним тором и без внутреннего тора.

В настоящее время преимущественно распространены турбо-муфты второго вида благодаря простоте их конструкции и большей мощности (при равных размерах).

Движение жидкости в турбомуфте без внутреннего тора при частичных наполнениях имеет некоторые особенности [2]. При s = О свободная поверх­ность жидкости располагается, как показано на рис. 6.5, а. С увеличением нагрузки (s ]> 0) частота вращения турбинного колеса уменьшается и возникает относительное движение, в результате которого происходит перераспределение жидкости между насосным и турбинным колесами. На жидкость теперь дей­ствуют центробежные силы, возникающие не только от вращения жидкости относительно оси турбомуфты, но тт в результате движения ее в меридиональных плоскостях так, как показано стрелками на рис. 6.5, б. В дальнейшем про­исходит расслоение между центростремительной и центробежной ветвями по­тока сначала в пределах турбинного колеса (рис. 6.5, в), а затем, когда центро­стремительная ветвь достигает внутреннего радиуса го полости, она входит в насосное колесо, так что жидкость образует кольцо, прижатое к чашам на­сосного и турбинного колес (рис. 6.5, г). В зоне перехода к этой кольцевой

В отличие от других турбомашин турбомуфты всегда изготов­ляют с плоскими радиальными лопатками (|3_1л = р₂₁ =*90°), но плоскости лопаток могут быть расположены по-разному. В связи

Рис. 6.5.. Формы потока в турбомуфте при частичном наполнении.

а — при s = 0; б — при s = 5 -f-10%; в — при s = 30 4- 35%; г—при s> 40 — 45%.

Рис. 6.6. Турбомуфта с порогом.

а — при малом скольжении; б — при большом сколь­жении.

Угол наклона лопаток в значительной степени влияет на харак­теристику муфты, а отсюда и на ее размеры. На режиме s = 0,03 муфта с лопатками, наклоненными вперед на 45°, передает момент в 2,5 раза больший (а при наклоне лопаток на 45° назад всего на 5% меньший) по сравнению с муфтой без наклона лопаток. На режиме s = 1 (турбина остановлена) соотношение моментов в трех указан­ных случаях 100 : 10 : 1 J2]. Это свойство турбомуфт важно для их использования в качестве гидродинамических тормозов буровых

лебедок (п₂ = 0), когда требуется большое сопротивление при спуске груза и очень малое при подъеме незагруженного крюка.

В зависимости от регулируемости турбомуфты подразделяются на две группы:

1) нерегулируемые, у которых любому - крутящему моменту соответствует единственное значение м₂, что неудобно там, где тре­буется изменение скорости ведомого вала при постоянной скорости ведущего;

2) регулируемые, характеристика которых зависит от положе­ния регулирующего органа (черпательной трубы, заслонки и др.)-