两种石油钻机用液力变矩器试验性能的分析

张卫丽 马保树 李雪松

（中国石油集团济柴动力总厂，济南250063）

两种石油钻机用液力变矩器试验性能的分析

张卫丽 马保树 李雪松

（中国石油集团济柴动力总厂，济南250063）

通过对两种液力变矩器进行性能试验，将性能参数、试验指标进行对比分析，验证了新研制的增容型液力变矩器，在不增加工作腔直径，仅改变泵轮、导轮叶片角度的情况下，整体性能较基本型液力变矩器有大幅提高，满足了设计要求。

液力变矩器 验对比 标分析

1 概述

液力变矩器是一种安装在动力机与工作机（如柴油机与钻井泵）之间，以矿物油为工作介质、将动力机的功率传递给工作机的柔性传动装置。与传统传动装置相比，具有减小甚至消除系统冲击、避免超载时动力机熄火、随外界负载变化自动调节输出转速和扭矩等优点。

液力变矩器传递功率的能力与工作腔直径的五次方成正比。欲提高液力变矩器的性能，一般通过加大工作腔直径来实现。我们的基本型液力变矩器是一种带充调阀，工作腔直径为900毫米的离心涡轮变矩器。在基本型液力变矩器的基础上，不增加工作腔直径，通过更换泵轮、涡轮、导轮，研制生产了一种新的增容型液力变矩器。

液力变矩器的性能特性可以通过设计计算得到，但由于在实际工况中，液流状态非常复杂，与理论设计计算结果有出入。为此，我们通过加载试验来验证新型液力变矩器的设计性能。

2 试验分析

2.1 试验台设备组成

试验台设备由1 000kW交流调频电机、输入扭矩仪、输入万向轴、液力变矩器、输出万向轴、分动箱（1:1）、输出扭矩仪、SL1900水利测功机等组成。见图1。

图1 试验台设备组成图

2.2 试验步骤

根据液力变矩器的具体使用工况，采用定转速试验方法，在输入转速为1000r/min时，对变矩器进行试验。

充调阀全开，此时，输出端空载，提高输入转速到选定值，待运转稳定后正式试验。将输出端逐次加载，使输出转速递减，逐次测量记录各试验参数，直到转速比降到最低。试验记录的参数有泵轮转速n1、涡轮转速n2、泵轮转矩M1、涡轮转矩M2、液力变矩器入口压力、油温等。

2.3 试验数据

2.3.1 作为对比的基本型液力变矩器

试验记录的基本型液力变矩器各参数如表1所示。

表1 基本型液力变矩器参数表

2.3.2 新设计的增容型液力变矩器

试验记录的增容型液力变矩器各参数如表2所示。

2.4 试验数据处理

特性数据：转速比i、变矩系数k、效率η和输入扭矩系数λB，按下列各式进行计算：

式中，n1为输入转速，r/min；n2为输出转速，r/min；M1为输入扭矩，kN·m；M2为输出扭矩，kN·m；ρ为工作介质密度，kg/m3；D为有效直径，m。

表2 增容型液力变矩器参数表

2.4.1 基本型液力变矩器

基本型液力变矩器的特性数据计算如表3所示。

表3 基本型液力变矩器的特性数据表

2.4.2 新设计的增容型液力变矩器

增容型液力变矩器的特性数据计算如表4所示。

2.5 绘制特性曲线

原始特性曲线坐标图中，横坐标代表i，纵坐标代表k、η、λB。

表4 增容型液力变矩器的特性数据表

外特性曲线坐标图中，横坐标代表n2，纵坐标代表M1、M2、η。

2.5.1 基本型液力变矩器

基本型液力变矩器的外特性曲线及原始特性曲线如图2、图3所示。

图2 基本型液力变矩器的外特性曲线图

图3 基本型液力变矩器的原始特性曲线图

2.5.2 增容型液力变矩器

增容型液力变矩器外特性曲线及原始特性曲线如图4、图5所示。

3 性能试验评价指标

通过性能试验，我们得到了两种变矩器的性能评价指标。

3.1 变矩性能

指液力变矩器在牵引工况时，改变由泵轮轴传至涡轮轴的扭矩值的能力。由于我们的试验台不能测量静扭矩，无法计算启动工况变矩比k0，因此，采用偶合器工况点（k=1时）的转速比iM作为评价指标。

图4 增容型液力变矩器的外特性曲线图

图5 增容型液力变矩器的原始特性曲线图

①基本型液力变矩器在试验确定输入转速，变矩系数k=1时，转速比约为0.62。

②增容型液力变矩器在试验确定输入转速，变矩系数k=1时，转速比约为0.70。

3.2 效率特性

（1）基本型液力变矩器最高效率为0.75。

（2）增容型液力变矩器最高效率达到0.93以上，高效区效率曲线较平直，高效范围较宽。

3.3 负荷特性

指液力变矩器传递动力装置负荷及液力变矩器反加于动力装置负荷的能力。常从能容性能和透穿性两方面进行评价。

（1）能容性能：指液力变矩器吸收动力装置能量的能力，用最大效率工况时的泵轮转矩系数来评价。

①基本型液力变矩器在最大效率工况时，泵轮扭矩系数为0.532。

②增容型液力变矩器在最大效率工况时，泵轮扭矩系数为0.540。

（2）透穿性能：指液力变矩器涡轮轴上的扭矩和转速变化时，泵轮轴上的扭矩和转速变化的程度，即表示外界阻力矩变化时，动力机工况变化的程度，常用透穿系数п=λB0/λBM评价。由于我们的试验台不能测量静扭矩，无法计算启动工况（i=0）时的泵轮扭矩系数λB0，所以我们只做定性比较。

①基本型液力变矩器当涡轮负荷由911N·m增大到4 748N·m，i减小时，泵轮上负荷由2424N.m增大到2631N·m，正透穿性不明显。

②增容型液力变矩器当涡轮负荷由2180N·m增大到5560N·m，i减小时，泵轮上负荷由2515N·m增大到2664N·m，正透穿性不明显。

4 结论

通过对比性能试验可以看出，新设计制造的增容型液力变矩器的变矩性能、效率特性、能容性能三个方面均好于基本型液力变矩器，验证了设计计算性能指标，达到了设计要求。

[1]国家经济贸易委员会.Y/T5141-2002,石油钻机用离心涡轮液力变矩器[S].

[2]朱经昌.液力变矩器的设计与计算[M].北京：国防工业出版社，1991.

Analysis of Test Performance of Two Types of Petroleum Drilling Machine with Hydraulic Torque Converter

ZHANG Weili, MA Baoshu, LI Xuesong
（CNPC Jichai Power Equipment Company，Jinan 250063）

B y the performance test of two types of fluid torque converter, the whole performance of new type have greatly improved and met the des ign requirements compare to the bas ic type, which, without increase working chamber diameter, onl y change the paddle angle of pump wheel an guide wheel.

fluid tor que converter, tes t comparison, index analysis