3.3. Гидравлические передачи

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

Гидродинамическая передача представляет собой объединенные в одном агрегате центробежный насос, создающий скоростной напор циркулирующей рабочей жидкости (масло, вода, и т.п.), и гидравлическую турбину, воспринимающую, в основном, динамический напор жидкости, создаваемый центробежным насосом. Таким образом, жесткое соединение валов заменяется силовым замыканием через циркулирующую жидкость.

В зависимости от конструкции гидродинамические передачи подразделяются на гидравлические муфты (гидромуфты, рис. 3.11) и гидравлические трансформаторы (гидротрансформаторы, рис. 3.12). Первые выполняют только функцию механизма сцепления, а вторые - редуктор.

Гидромуфты передают вращающий момент без изменения величины и знака момента (К = 1).

Гидротрансформаторы предназначены для передачи вращающего момента с изменением его величины, а в ряде случаев и знака (К = var).

Гидравлическая муфта (рис. 3.11) представляет собой наиболее возможное сближение центробежного насоса и гидротурбины. Проточная часть турбины является продолжением проточной части насоса. При работе двигателя энергия от ведущего вала 1 передается на закрепленное на нем рабочее колесо насоса 3 с лопатками. Насосное колесо закручивает жидкость, преобразуя энергию двигателя в кинетическую энергию потока жидкости. Эту энергию жидкость передает на лопатки турбинного колеса 6, заставляя его вращаться. Вместе с турбинным колесом вращается ведомый вал 9, который связан с гребным валом. Направление движения жидкости в гидромуфте показано стрелками. Для предотвращения протекания жидкости через зазор между насосным и турбинным колесами предусмотрена чаша 5, которая соединена с насосным колесом и, охватывая турбинное колесо, центрируется в подшипнике 11. Рабочая жидкость подается питательным насосом через отверстие 8 и сливается через отверстие 7.

Для отвода теплоты, образующейся от трения жидкости о стенки муфты, а также от трения частиц самой жидкости, в чаше предусмотрено отверстие 4, через которое определенная часть жидкости постоянно вытекает и сливается в кожух 12. Отсюда жидкость направляется в холодильник и затем после фильтрации подается питательным насосом обратно в муфту.

Возникающие при работе муфты осевые усилия воспринимаются упорными подшипниками 2 и 10.

Частоты вращения насосного и турбинного колес не равны. Частота вращения турбинного колеса за счет скольжения на 2...3% меньше, чем частота вращения насосного колеса. Коэффициент полезного действия гидромуфты 97...98%.

Рис. 3.11. Гидравлическая муфта

Основное достоинство гидромуфты - это способность к скольжению, предотвращающая внезапную остановку главного двигателя при заклинивании гребного винта.

Гидравлический трансформатор (рис. 3.12) отличается от гидромуфты тем, что имеет неподвижный направляющий аппарат 4, представляющий собой лопастное колесо, жестко связанное с корпусом гидропередачи. При вращении ведущего вала 1 закрученный в насосном колесе 5 поток жидкости поступает на неподвижный направляющий аппарат, на лопатках которого возникает реактивный момент. Этот момент складывается с моментом на насосном колесе и передается на турбинное колесо 3. Если сопротивление движению судна повышается, то частота вращения гребного вала и вместе с ним ведомого вала 2 и турбинного колеса снижается, что приводит к увеличению реактивного момента. В этом случае крутящий момент на турбинном колесе, передаваемый гребному валу, будет увеличиваться по сравнению с крутящим моментом на валу двигателя. При уменьшении сопротивления частота вращения ведомого вала увеличивается, в связи с чем снижается реактивный момент и уменьшается суммарный момент на турбинном колесе.

Рис. 3.12. Схема гидравлического трансформатора

Таким образом, гидротрансформатор выполняет роль бесступенчатого редуктора, позволяя автоматически изменять передаточное число и одновременно крутящий момент на ведомом валу в зависимости от величины сопротивления движению судна.

Применение гидротрансформаторов дает ощутимый эффект на судах, осуществляющих буксировочные операции, и особенно на ледоколах при плавании во льдах. Однако коэффициент полезного действия гидротрансформаторов не превышает 65...80%.

Гидротрансформаторы могут быть многоступенчатым, т.е. с рядом турбинных колес в одной рабочей полости. Если применить два гидротрансформатора (переднего и заднего хода), то получается гидрореверсивная муфта.

Гидротрансформаторы обладают рядом достоинств - это:

- возможность изменения передаточного числа в широких пределах;

- отсутствие жесткой связи между ведущим и ведомым валами;

- высокие маневренные качества;

- низкий уровень шума и другие достоинства.

Гидростатическая передача (рис. 3.13) отличается тем, что энергия вращения ведущего вала преобразуется в гидростатическое давление рабочей жидкости (насосом объемного типа), которое по трубопроводу передается к гидравлическому двигателю, где преобразуется в энергию вращения ведомого вала.

Гидростатическая передача передает мощность дизеля винту через жидкость, циркулирующую в замкнутом объеме. В данном случае используется принцип вытеснения или замещения небольших объемов жидкости при больших рабочих давлениях. В этих передачах скорость движения жидкости сравнительно невелика (не превышает 10 м/с), поэтому в них величина потенциальной энергии (энергии статического давления) значительно больше, чем величина кинетической энергии (энергии скоростного напора).

Рис. 3.13.. Схема гидростатической передачи:

1 - ведущий вал; 2 - гидронасос; 3 - вспомогательный насос;

4 - клапан ограничителя давления (перепускной);

5 - гидромотор; 6 - ведомый вал

В гидростатических передачах гидравлическими машинами являются гидронасос и гидромотор, выполненные в виде поршневых или роторных машин, в которых изменение объема происходит принудительно. Работа происходит за счет высоких давлений жидкости при неизменных ее расходах.

Давление рабочей жидкости может составлять до 20 МПа, что определяет компактность и малую массу гидропривода. Насос переменной производительности обеспечивает хорошие тяговые свойства, КПД составляет 0,85...0,9, причем значение КПД сохраняется в широком диапазоне частоты вращения. Передача может иметь достаточно высокое передаточное число, что позволяет использовать ВОД (i = 1,2...12). Насосы и гидромоторы отличаются высокой надежностью.

Реверс гидромотора осуществляется поворотом специального золотника, меняющего направление движения рабочей жидкости. Продолжительность реверса не превышает 10 с. Достоинством гидростатических передач является то, что в этом случае из состава судового пропульсивного комплекса исключается длинный валопровод, так как он заменяется трубопроводом рабочей жидкости; передача проста в обслуживании.

Гидростатические передачи применяются в ГЭУ мощностью 1500…2000 кВт и более на судах, требующих частое маневрирование и буксировку (паромы, буксиры, катера, малые промысловые суда), а также для привода подруливающих устройств и активных рулей.

Гидростатические передачи не нашли широкого применения в качестве силовых передач на судах из-за различных технических трудностей: большие потери на трение, наличие утечек при высоких давлениях, технологическая и конструктивная сложность поддержания больших давлений при длительной эксплуатации, отсутствие производства надежных гибких соединений трубопроводов, рассчитанных на высокие давления.