福伊特R16K－550型液力偶合器调速特性分析

鄢传武，王章生

(华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030)

0 引言

德国福伊特公司生产的R16K－550型液力偶合器结构简单、维护简便、工作可靠性较高，具有较宽的调速范围(20% ～97%额定转速)和较高的效率(额定工况可达97%)，由于采用电动执行器来控制调速，所以很容易实现手动控制和自动控制。宁夏国电石嘴山电厂技术改造工程#1机组配置的3台电动给水泵均采用该类型液力偶合器进行调速，通过较长时间的运行，该液力偶合器工作稳定。

1 R16K－550型液力偶合器结构及工作原理

液力偶合器主要由泵轮、涡轮、主轴及外壳等构件组成。液力偶合器的泵轮和涡轮被外壳密闭，泵轮与电动机相连。当液力偶合器运行时，存在于液力偶合器腔体内的工作液体在泵轮的搅动下，沿泵轮叶片组组成的径向流道从泵轮的内侧流向外侧，并在出口处形成高压高速的油流冲向涡轮叶片组组成的流道，油流推动涡轮运转的同时在涡轮叶片组组成的流道中减速减压，通过出口处回油管返回至泵轮的进口处，从而实现油循环。在此过程中，泵轮将电动机输入的机械能转换为工作油的动能和压力能，而涡轮则将工作油的动能和和压力能转换为输出的机械能，实现了电动机到给水泵的动力传递。

该液力偶合器为前置齿轮增速型，即电动机的输出轴不是直接与泵轮轴相连，而是通过变速箱与泵轮相连，提高泵轮轴的转速(增速比Z2/Z1=134/33)，以满足涡轮输出转速的要求。不同类型的液力偶合器具有不同的工作腔型，图1为福伊特R16 K－550型液力偶合器的工作腔室形状及相关参数。

图1 福伊特R16K－550型液力偶合器工作腔型(扁桃形)

2 R16K－550型液力偶合器调速特性分析

根据力学的平衡原理，忽略液力偶合器外侧的鼓风和轴承等阻力扭矩的影响，液力偶合器的泵轮和涡轮之间是等力矩传输，即

式中:MB为泵轮的力矩;MT为涡轮的力矩。

由叶轮机械及流体力学相关原理可推导出叶轮力矩的表达式为

式中:ρ为流经叶轮介质的密度，kg/m3;qV为流经叶轮介质的体积流量，m3/s;ΔΓ为流经叶轮后的速度环量的增量，m2/s，该值与叶轮进、出口处的介质流动速度和叶轮半径有关。

由式(2)可知，改变工作介质的体积流量qV就可以改变叶轮的力矩。液力偶合器便是基于此理论，通过改变泵轮和涡轮工作腔中的循环油量，从而改变泵轮与涡轮间传递的力矩，进而改变涡轮输出转速，即改变给水泵转速。显然，控制液力偶合器工作油量的准确性和灵敏性成为提高液力偶合器性能的关键技术，但不同类型的液力偶合器调速控制系统可能会有所不同。液力偶合器一般通过控制进入工作腔内的油量或排出工作腔的油量来控制传输的扭矩，这种仅通过控制进口或出口流量来控制液力偶合器输出转速的控制系统在灵敏性上会显得不足;而R16K－550型液力偶合器是通过勺管来控制液力偶合器的泄油量和通过配流阀来控制进入液力偶合器工作腔的油量，即通过同时控制工作腔的进、出口油量的方法来控制调速，这种调速控制系统具有很高的灵敏度。

图2为R16K－550型液力偶合器的调速控制系统，图中配流阀控制液力偶合器的进油量。凸轮盘1可以操控配流阀，凸轮盘2则用来控制勺管位置，当驱动伺服机接受来自锅炉的负荷信号后，驱动固定了凸轮盘1和凸轮盘2的传动杆移动，从而控制进入液力偶合器的工作油量和泄油量。当锅炉负荷增加时，驱动伺服机的驱动凸轮盘2向其径向增大的方向移动，凸轮盘2将使勺管控制阀向A端移动，使进入勺管活塞上压力空间的润滑油增多，推动勺管活塞向下压力空间移动(即液力偶合器工作腔的泄油量减少)，勺管通过勺管标尺传动杆推动勺管标尺向B端移动(即勺管开度增大)，同时，凸轮盘1将沿着其向半径减小的方向移动，从而开大工作油控制阀，所以，进入液力偶合器的工作油量增加，泄油量减少，液力偶合器的涡轮增速。当凸轮盘2在驱动伺服机的驱动下向凸轮盘向半径减少的方向运动时，则上述移动方向相反。

图2 福伊特R16K－550型液力偶合器调速控制系统

3 R16K－550型液力偶合器调速性能测试

华电电力科学研究院在对国电石嘴山电厂2×330 MW技术改造工程#1机组A电动给水泵调试时，对福伊特R16K－550型液力偶合器进行了现场试验，测量得到了液力偶合器勺管开度、给水泵转速(液力偶合器输出转速)及给水泵流量等参数，见表1。

表1 液力偶合器勺管开度及对应的电泵转速和给水流量

图3 液力偶合器调试特性曲线

图3为液力偶合器的调速特性曲线，当勺管开度在20%以内时，液力偶合器的调速灵敏度偏高，由给水泵运行工况可知，给水泵在这个转速内处于手动控制，所以不会影响其调速性能;当勺管开度高于20%时，液力偶合器勺管开度与输出转速呈线性关系，但调速灵敏度有所下降，这对于调节给水泵出水流量非常有利。通过数据拟合，可得出液力偶合器的调速特性关系式为

式中:x为勺管开度，%;y为输出转速。

4 结束语

通过对R16K－550型液力偶合器多参数、变工况的试验，结合其调速控制系统，得出了该类型液力偶合器的调速特性曲线，对于促进我国液力偶合器设计和制造技术的发展具有一定的意义。

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