Модули_СЭУ / Раздел_03_Главные_передачи_06_11_10 / SEU_modul_3_2

СЭУ, Модуль 3.2., Чистяков А.Ю., 06.11.10

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Модуль 3.2.

3.2.1. Главные передачи. Гидравлические передачи

Гидравлическая передача представляет собой совокупность гидравлических механизмов, с помощью которых энергия враще­ния ведущего вала (вала двигателя) передается ведомому валу (валопроводу с движителем). В зависимости от принципа работы различают передачи гидродинамические и гидростатические.

В гидродинамической передаче энергия от ведущего вала к ве­домому передается за счет скоростного (динамического) напора циркулирующей рабочей жидкости (масла, воды, различных сме­сей). Гидродинамическая передача состоит из центробежного на­соса и гидротурбины, сближенных так, что их колеса образуют торообразную полость, заполняемую рабочей жидкостью. В зави­симости от конструкции и назначения гидродинамические передачи подразделяют на гидромуфты и гидротрансформаторы.

Гидромуфты применяют для передачи вращающего момента ве­дущего вала к ведомому без изменения величины и знака момента (К= 1).

Гидротрансформаторы предназначены для передачи вращаю­щего момента двигателя к движителю при изменении величины, а в ряде случаев и знака этого момента. Если при передаче вра­щающий момент должен изменяться только по величине, исполь­зуют гидротрансформатор переднего хода, а если одновременно должен изменяться и знак момента,— гидротрансформатор заднего хода. Если применить оба эти гидротрансформатора, получается гидрореверсивная передача.

Основное отличие гидротрансформатора от гидромуфты со­стоит в том, что у первого между колесами насоса и турбины уста­новлен неподвижный направляющий аппарат, жестко связанный с корпусом передачи. Путем придания соответствующей формы лопаткам направляющего аппарата можно существенно изменить момент количества движения рабочей жидкости перед поступле­нием ее на колесо турбины и таким образом изменить величину развиваемого турбиной вращающего момента. Если направляю­щий аппарат расположен между насосом и турбиной, то соответ­ствующим профилированием его лопаток можно изменить на­правление вращения турбины по отношению к насосу. Таким образом, направляющий аппарат определяет характеристики пере­дачи с гидротрансформаторами.

В гидростатической (объемной) передаче энергия вращения ведущего вала преобразуется в гидравлическом насосе объемного типа (ведущее звено) в гидростатическое давление рабочей жидко­сти (минерального масла или синтетической жидкости), которое по трубопроводу передается к гидравлическому двигателю (ведо­мое звено), где преобразуется в энергию вращения ведомого вала (движителя). В этом случае можно исключить из комплекса дви­гатель—валопровод—движитель значительную часть валопровода, заменив его магистральным трубопроводом рабочей жидкости.

С помощью гидростатической передачи энергия не только вра­щательного, но и других видов движения (возвратно-поступательного, возвратно-поворотного и т. п.) может передаваться от ве­дущего звена к ведомому. Гидростатическая передача входит в состав гидропривода различных судовых (и также несудовых) машин и механизмов.

Конструктивная схема гидромуфты представлена на рис. 3.2.1.,а. Колесо центробежного насоса 1 жестко закреплено на ведущем валу 5 двигателя. Для большей герметичности муфты колесо насоса с помощью болтов соединено с вращающимся кожухом 2, имеющим уплотнение по ведомому валу 4. Ко­лесо 3 гидротурбины насажено на ведомый вал 4. Колеса насоса и турбины имеют обычно плоские радиальные лопатки. Рабочая полость гидромуфты за­полняется рабочей жидкостью (как правило, минеральным маслом).

Рис. 3.2.1. Конструктивная схема (а) и характеристики (б) гидромуфты

Если гидромуфта заполнена жидкостью, то последняя под действием цент­робежных сил при вращении колеса насоса будет перемещаться вдоль лопа­ток от центра к периферии, приобретая кинетическую энергию. Затем жидкость поступает на лопатки гидротурбины, где кинетическая энергия жидкости пре­образуется в механическую работу вращения ведомого вала. Если из муфты выпустить рабочую жидкость, то ведомый вал 4 остановится (при работающем ведущем вале 5).

Гидромуфты применяют для эластичной связи между двигате­лем и движителем (двигателем и редуктором), фильтрации и демп­фирования крутильных колебаний в системе валопровода, а также для некоторого снижения частоты вращения, отключения и вклю­чения движителя при необходимости (время опорожнения гидро­муфты составляет примерно 3 с, время ее заполнения — около 7 с).

Поскольку между насосом и турбиной отсутствует какой-либо элемент, способный воспринять реакцию циркулирующей рабочей жидкости, вращающий момент в гидромуфте передается без из­менения величины и знака, т. е. и .

Жидкость, циркулирующая через насос и турбину, преодоле­вает сопротивление движению, вследствие чего теряется часть энергии; происходит скольжение колеса турбины () по отно­шению к колесу насоса () и мощность турбины на ведо­мом валу становится меньше мощности насоса на ведущем валу, т. е. .

Отношение

называется скольжением гидромуфты. При полном заполнении гидромуфты маслом () на номинальном режиме работы оно составляет 2—3 %.

Гидравлический КПД гидромуфты определяется зависимостью

;

следовательно,

; .

Для указанных условий . Потери на трение в под­шипниках и сальниках и потери на вентиляцию учитываются ме­ханическим КПД .

Значит, полный КПД гидромуфты будет .

Характеристики гидромуфты при различной степени наполнения жидкостью и постоянной частоте вращения дви­гателя приведены па рис. 3.2.1.,б. Точка соответствует номи­нальному режиму работы установки при целиком заполненной муфте () и является точкой пересечения номинальной харак­теристики гребного винта (кривая 1) с нагрузочной характери­стикой муфты (кривая 2), соответствующей номинальному значе­нию вращающего момента . С изменением наполнения муфты момент на ведомом валу и частота его вращения уменьшаются (точки ). Таким образом, за счет изме­нения можно регулировать скольжение и частоту враще­ния гребного винта в некоторых пределах.

Однако более выгодным и распространенным при эксплуата­ции судов является другой способ регулирования частоты враще­ния — изменением подачи топлива на двигатель. При этом в слу­чае изменения режимов работы по кубической винтовой характе­ристике КПД гидромуфты поддерживается постоянным.

Опыт эксплуатации установок с гидромуфтами показывает, что они устойчиво и экономично работают при ; в диапазоне значений КПД гидромуфты снижается незначительно (на 4—5%). При меньших степенях наполнения их работа, хотя и становится несколько неустойчивой, однако остается достаточно надежной при уменьшении до 3 % (но при этом КПД падает до 0,40-0,45).

При работе гидромуфты рабочая жидкость в ней нагревается вследствие потерь энергии. Для поддержания постоянной темпе­ратуры жидкости от нее нужно отводить тепловой поток

.

Это осуществляется путем частичной циркуляции жидкости через охладитель, прокачиваемый забортной водой, с помощью авто­номного насоса. В этом случае обеспечивается также поддержа­ние постоянного напора рабочей жидкости. При заклинивании гребного винта (, ) в охладителе нужно отводить теп­ловой поток, эквивалентный полной мощности двигателя .

Гидромуфты имеют следующие основные свойства:

- независи­мость вращения ведомого и ведущего валов,

- плавное трогание с места и плавный разгон,

- ограничение крутильных колебаний,

- бесшумность работы,

- надежность в эксплуатации,

- высокий КПД на номинальном режиме,

- простота автоматизации и управления.

Гидромуфты широко применяются в СЭУ. Наиболее часто они используются в ДУ, особенно в многомашинных, в сочетании с зубчатыми передачами, а иногда и прямыми передачами.

Большие гидромуфты чаще выполняют в виде отдельных агре­гатов с собственным фундаментом и подшипниками. Гидромуфты в составе дизель-редукторных агрегатов могут компоноваться в корпусе передачи, а также быть подвесными или полуподвесными (вне редуктора).

Устройство гидрозубчатой передачи, где в общем корпусе 1 размещены шестерни 11 суммирующего редуктора и гидромуфты, показано на рис. 3.2.2.. В этой передаче гидромуфты выполняют функцию упругого соединительно-разобщительного звена между дизелями и ведущими шестернями.

Рис. 3.2.2. Устройство гидрозубчатой передачи:

1 – корпус передачи; 2 – рычажная передача клапана заполнения; 3 – сливные отверстия; 4 – рычажная передача кольцевого клапана; 5 – вал управления; 6 - насосное колесо; 7 – кожух; 8 – турбинное колесо; 9 – кольцевой клапан; 10 – опорно-упорные подшипники; 11 – ведомая шестерня; 12 – ведущая шестерня

Отличие гидротрансформатора от гидромуфты, как отмечалось выше, в том, что он имеет неподвижный направляющий аппарат, который может быть расположен по ходу жидкости после насоса (перед турбиной) или перед ним (после турбины). В первом слу­чае может быть обеспечено обратное вращение турбинного ко­леса. Включение направляющего аппарата в контур циркуляции гидротрансформатора позволяет увеличивать момент количества движения рабочей жидкости, а значит, и момент на валу турбины в сравнении с моментом на валу насоса.

Гидротрансформаторы позволяют осуществлять реверс ведо­мого вала, т. е. валопровода. Это достигается либо применением двойного перемещаемого направляющего аппарата переднего и заднего хода (ПХ и ЗХ) в однополостном гидротрансформаторе, либо установкой отдельных гидротрансформаторов ПХ и ЗХ. Время изменения направления вращения вала с помощью однополостного трансформатора при работе установки на полный ход вперед составляет 8—10 с, до принятия полной нагрузки на заднем ходу 35 с.

Схема устройства реверсивной установки с двумя гидротранс­форматорами представлена на рис. 3.2.3.,а. Здесь для реверса с ПХ на ЗХ производятся опорожнение трансформатора ПХ и за­полнение трансформатора ЗХ. При реверсе с ЗХ на ПХ совершаются обратные действия. Практически опорожнение трансформа­тора можно обеспечить за 3 с, заполнение примерно за 7 с, общую

продолжительность реверса в течение 15—20 с. Трансформаторы могут быть расположены в одном корпусе.

Уравнение баланса энергии для гидротрансформатора:

,

где — полный (общий) КПД трансформатора; — его гид­равлический КПД; и — КПД, учитывающие объемные и механические потери в гидротрансформаторе. Отсюда получаем

,

где — коэффициент трансформации момента; для одноступенчатых гидротрансформаторов при и передаточном отношении на расчетном режиме.

Большая потеря энергии жидкости при движении в направ­ляющем аппарате, а также более высокие гидравлические и объемные потери в процессе циркуляции являются основными при­чинами низкого КПД гидротрансформаторов в сравнении с гидромуфтами. На расчетном режиме общий (полный) КПД гидро­трансформаторов переднего хода достигает 0,85—0,92, а заднего хода 0,65—0,70 (большие значения относятся к крупным гидропе­редачам, рассчитанным на мощности в несколько тысяч кВт и ра­ботающим на маловязких жидкостях — главным образом на воде).

Рис. 3.2.3. Схема устройства реверсивной установки с двумя гидротрансформа­торами (а) и их нагрузочно-скоростные характеристики (б):

1 — ведомый вал; 2 — турбинное колесо;

3 — направляющий аппарат насосного колеса ЗХ;

4 — направляющий аппарат турбинного колеса ЗХ;

5 — насосное колесо ЗХ; 6— на­сосное колесо ПХ;

7 — направляющий аппарат турбинного колеса ПХ;

8 — турбинное колесо ПХ; 9 — ведущий вал

На рис. 3.2.3.,б показаны примерная нагрузочно-скоростная ха­рактеристика и кривая изменения полного КПД гидротрансфор­матора. Зависимость характеризует момент на валу насоса при постоянной частоте его вращения, а кривая — вращающий момент на валу турбины. Как видно, при практически постоянном (а значит, постоянном моменте на валу двигателя) на валу турбины по мере уменьшения частоты вращения ве­домого вала возрастает. Точка характеризует нормальный ре­жим работы, при котором КПД гидротрансформатора достигает наибольшего значения.

Таким образом, гидротрансформаторы обеспечивают автома­тическое изменение в пределах от 0 до 1 в зависимости от нагрузки (момента) ведомого вала при практически постоянной частоте вращения первичного двигателя или при изменении ее в узком интер­вале, обусловливаемом саморегулируемостью рабочего процесса. Это важно для СЭУ с резко переменными нагрузками двигателей (например, для ледоколов).

В многоступенчатых гидротрансформаторах при соответствую­щем профилировании лопаток направляющих аппаратов переда­точное число на нормальном режиме работы может достигать 10 и 12. Если в СЭУ необходимо иметь больше этих значений (например, в установках с ВОД, паровыми и газовыми турби­нами), гидротрансформаторы используют в сочетании с зубчатой передачей.

Применение гидротрансформаторов в СЭУ позволяет обеспе­чить:

- редуцирование в диапазоне ;

- автоматическое изменение в широких пределах в зависимости от нагрузки (от сопротивления движению судна, например, при работе во льдах) при практически постоянной ГД;

- высокие тяговые характери­стики, обусловленные возрастанием момента на ведомом валу с уменьшением ;

- отсутствие жесткой связи между ведомой и ведущей частями гидропередачи, что исключает перегрузки дви­гателя и ударные воздействия винта, а также практически устра­няет взаимную передачу крутильных колебаний;

- высокие манев­ренные качества;

- низкий уровень шума передачи.

Затруднения в использовании гидротрансформаторов возни­кают при длительной их работе в режимах, отличающихся от рас­четного, в связи со сложностью отвода большого количества теплоты от рабочей жидкости (из-за относительно низкого КПД). Многие достоинства гидротрансформаторов, отмеченные выше, присущи и электрическим передачам постоянного тока. Однако гидротрансформаторы имеют меньшую массу, чем электропере­дачи.

Источники:

1. Артемов Г.А., Волошин В.П. и др., «Судовые энергетические установки», 1987

2. Болдырев О.Н., «Судовые энергетические установки», Часть III, Комбинированные и ядерные энергетические установки, 2007.

Тест по теме 3.2.

1. В каких случаях применяют гидромуфты

1	2	3	4
когда использование механического редуктора не представляется возможным	для передачи вращающего момента без изменения величины и знака момента	для передачи вращающего момента с изменением его величины	для передачи вращающего момента с изменением его знака

2. В каких случаях применяют гидротрансформаторы

1	2	3	4
когда использование механического редуктора не представляется возможным	для передачи вращающего момента без изменения величины и знака момента	для передачи вращающего момента с изменением его величины	для передачи вращающего момента с изменением его знака

3. Основное отличие гидротрансформатора от гидромуфты заключается в

1	2	3	4
наличии гидротурбины	наличии гидронасоса	наличии направляющего аппарата	наличии системы охлаждения

4.Какова величина скольжения гидромуфты

1	2	3	4
3-5%	2-3%	97-98%	92-96%

5. Каков гидравлический КПД муфты

1	2	3	4
3-5%	2-3%	97-98%	92-96%

6. Назовите основные преимущества гидромуфт

1	2	3	4
простота реверсирования	независимость вращения ведомого и ведущего валов	высокий КПД на частичных режимах	ограничение крутильных колебаний

7. Каков полный КПД гидротрансформаторов переднего хода на расчетном режиме

1	2	3	4
0,30-0,50	0,85-0,92	0,65-0,70	0,92-0,96

8. Назовите диапазон величин коэффициента трансформации момента для одноступенчатого гидротрансформатора на расчетном режиме

1	2	3	4
1,25-2,00	12-24	1,2-12	1,12-1,80

9. Назовите диапазон величин передаточного отношения для одноступенчатого гидротрансформатора на расчетном режиме

1	2	3	4
1,25-2,00	12-24	1,2-12	1,12-1,80

10. Назовите основные преимущества гидротрансформаторов

1	2	3	4
высокие маневренные качества	автоматическое изменение передаточного отношения в широких пределах в зависимости от нагрузки при практически постоянной частоте вращения ГД	высокий КПД при работе на частичных и нерасчетных режимах	отсутствие системы охлаждения

ОТВЕТЫ К ТЕСТУ

Вопрос 1	2
Вопрос 2	3, 4
Вопрос 3	3
Вопрос 4	2
Вопрос 5	3
Вопрос 6	2,4
Вопрос 7	2
Вопрос 8	4
Вопрос 9	1
Вопрос 10	1,2

8