高速大功率液力傳動裝置及其調(diào)速運行經(jīng)濟性

李春生，董泳

(1.濟南柴油機動力總廠液力傳動設(shè)備廠，山東濟南 250306;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

工業(yè)生產(chǎn)中的一些重要部門使用的流體輸送機械，如熱電廠、聯(lián)合電廠、核電廠的鍋爐給水泵及鼓風(fēng)機，鋼鐵行業(yè)的煤粉輸運及除塵風(fēng)機，石化工業(yè)的離心泵及管道壓縮機、氫再循環(huán)壓縮機等，都在向高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展，目前單機功率已達到50 MW、轉(zhuǎn)速在20 000 r/min以上［1］。調(diào)速運行是滿足生產(chǎn)工藝流程工作機械參數(shù)調(diào)整的一種非常有效的方法，針對大功率負載的調(diào)速，可以收到更為顯著的節(jié)能效果。調(diào)速運行目前應(yīng)用廣泛的主要有液力調(diào)速和變頻調(diào)速兩種方式。近些年來，大功率電力與電子技術(shù)發(fā)展迅速，變頻器成為應(yīng)用廣泛的高技術(shù)產(chǎn)品，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期也在加快，在中小功率調(diào)速傳動應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢。雖然如此，液力傳動技術(shù)已有近百年的發(fā)展歷史，相對電氣傳動技術(shù)的迅速發(fā)展，不能說是技術(shù)已經(jīng)落伍，而是變得更加成熟，在高速大功率應(yīng)用領(lǐng)域，液力傳動近乎純機械式的動力傳輸仍然可以提供經(jīng)濟可靠的解決方案。

1 高速大功率液力傳動裝置

1.1 齒輪式調(diào)速型液力偶合器傳動裝置

常規(guī)結(jié)構(gòu)的調(diào)速型液力偶合器規(guī)格一般在3 000 r/min、6 000 kW以下。液力傳動元件泵輪輸入功率有如下的表達式:

式中:MB為泵輪輸入轉(zhuǎn)矩，N·m;

ωB為泵輪旋轉(zhuǎn)角速度，1/s，ωB=2πnB/60;

λMB為泵輪力矩系數(shù)，表征液力傳動元件能容的特征參數(shù)，1/［(r/min)2·m］;

ρ為工作液體密度，kg/m3;

nB為泵輪輸入轉(zhuǎn)速，r/min;

D為偶合器循環(huán)圓直徑，m。

由此可以看出，對于確定的偶合器腔型，提高液力偶合器的能容一方面可以加大偶合器的循環(huán)圓直徑，另一方面可以提高泵輪的輸入轉(zhuǎn)速。在偶合器結(jié)構(gòu)尺寸受到限制的條件下，提高泵輪的輸入轉(zhuǎn)速是一種行之有效的方法，也符合高速大功率工作機械傳動的發(fā)展趨勢。

與普通的調(diào)速型液力偶合器相比，齒輪式調(diào)速偶合器傳動裝置的核心部件——偶合器本身的結(jié)構(gòu)并無太大的區(qū)別，只是偶合器本體傳遞功率的密度更大了。泵輪輸入加裝增速齒輪，也使得高速運轉(zhuǎn)的設(shè)備適合于2極或4極鼠籠式電動機的轉(zhuǎn)速。

由于主要用于高速重載工作機械的動力傳輸，對系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件的承載能力、強度、工作穩(wěn)定性等提出了更高的要求。從圖1可以看出:齒輪式偶合器采用了穩(wěn)定性更好、承載能力更大的滑動軸承;偶合器工作油與設(shè)備的潤滑油自成獨立的循環(huán)冷卻回路;為了提高系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)時間，偶合器工作腔充液量的調(diào)節(jié)采用進出口調(diào)節(jié)的方式，導(dǎo)管的調(diào)節(jié)也采用了電液伺服機構(gòu)，而不是普通型號調(diào)速型偶合器上常用的電動執(zhí)行器驅(qū)動方式。所有這些措施，使得齒輪式調(diào)速型液力偶合器傳動裝置具有了一定的技術(shù)含量。

圖1 前增齒輪式調(diào)速型液力偶合器裝置［1］

為了獲得更高的輸出轉(zhuǎn)速，滿足負載工作轉(zhuǎn)速的要求，也有圖2所示的前增后增式的結(jié)構(gòu)。

圖2 前增后增齒輪式調(diào)速型液力偶合器裝置［1］

1.2 液力行星齒輪復(fù)合傳動裝置

液力變速行星齒輪是20世紀80年代后期德國VOITH(福伊特)公司開發(fā)研制的一種高效液力變速傳動裝置，它既保持了傳統(tǒng)的液力元件的傳動特點，又改善了液力元件低速運行傳動效率低的不足之處。裝置采用模塊化設(shè)計，把不同的流體動力元件和機械部件組合安裝在一起，用于特定的傳動調(diào)速場合，堪稱流體動力學(xué)與機械學(xué)的完美結(jié)合。福伊特公司產(chǎn)品代號為Vorecon?，英文名稱為 Hydrodynamic Variable Speed Planetary Gear(液力變速行星齒輪)。圖3所示為VOITH公司RWE型傳動裝置，其基本組成為可調(diào)式液力變矩器和行星齒輪傳動機構(gòu)，在60%～100%的調(diào)速范圍內(nèi)，可以保持較高的傳動效率。

圖3 液力行星齒輪復(fù)合傳動裝置［2］

Vorecon裝置的運行基于功率分流原理，見圖4，即大部分的功率直接通過主軸和行星齒輪以機械形式傳遞，只有工作機械有必要調(diào)速的一小部分功率通過液力變矩器疊加在旋轉(zhuǎn)的行星齒輪上。由于大部分功率都是以機械形式傳遞，整個裝置的效率可以超過95%。負載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由較小的那部分功率經(jīng)過液力變矩器實現(xiàn)，這也是它具有高調(diào)節(jié)效率的原因所在。

圖4 功率分流原理［2］

液力變速行星齒輪通過改變疊加轉(zhuǎn)速來控制其輸出轉(zhuǎn)速，最高的輸出轉(zhuǎn)速對應(yīng)最大的疊加轉(zhuǎn)速，疊加轉(zhuǎn)速降低或反轉(zhuǎn)將使得輸出轉(zhuǎn)速降低，而疊加轉(zhuǎn)速的變化則是通過調(diào)節(jié)液力變矩器內(nèi)部導(dǎo)葉開度來實現(xiàn)。

圖5所示為旋轉(zhuǎn)行星齒輪的圓周速度分布，也表明了行星齒輪系把分流的功率通過行星架疊加的功能。齒圈由驅(qū)動電機帶動定速旋轉(zhuǎn)，如果行星架的速度為0，太陽輪也是以某個定速旋轉(zhuǎn)，由于存在齒輪系的傳動比，太陽輪的轉(zhuǎn)速要高一些。行星架由變矩器的渦輪驅(qū)動，太陽輪被疊加上一個額外的速度。行星架可以不同的速度由正反兩個方向驅(qū)動，使行星齒輪系獲得連續(xù)變化的傳動比，從而使太陽輪獲得不同的輸出轉(zhuǎn)速。

圖5 行星齒輪及圓周速度分布

圖6給出的是Vorecon裝置與齒輪式調(diào)速型液力偶合器傳動效率的對比，調(diào)速型液力偶合器在額定工況附近具有較高的傳動效率 (實際負載工作于額定轉(zhuǎn)速附近)，而液力行星齒輪復(fù)合傳動裝置在較寬的負載變化范圍內(nèi)可以保持較高的傳動效率。

圖6 液力裝置傳動效率

圖7給出的是福伊特公司液力變速行星齒輪的另一種型號，與RWE型相比，除了液力變矩器以外，RW型產(chǎn)品還包含調(diào)速型液力偶合器以及內(nèi)置的離合器和液力制動裝置，集成了液力傳動中的三大主要元件，這種設(shè)計使裝置的轉(zhuǎn)速控制范圍擴大到了10% ～100%。

圖7 RW型液力行星齒輪復(fù)合傳動裝置［2］

圖8 新型的RWC-M-D型傳動裝置［2］

圖9 RWC-M-D與VFD傳動效率對比［2］

圖8所示為福伊特公司新近推出的雙液力變矩器的液力行星齒輪。此種新型的液力變速傳動裝置使得大功率液力調(diào)速在較低的負載工作轉(zhuǎn)速下的傳動效率與變頻傳動裝置 (VFD)相比不再成為“短板”，見圖9。

2 液力調(diào)速與變頻調(diào)速總體傳動效率對比

液力行星齒輪的傳動效率總體優(yōu)于調(diào)速型液力偶合器，以下僅對調(diào)速型液力偶合器和變頻器做出總體傳動效率的對比。

2.1 額定負荷工況

如圖10所示，額定負荷工況，考慮到調(diào)速型液力偶合器的滑差損失及冷卻水和油泵系統(tǒng)等輔助設(shè)備以及液力偶合器機械損失和容積損失，系統(tǒng)總體傳動效率為:

如圖11所示，同樣在額定負荷工況下，采用變頻器驅(qū)動的總體傳動效率:

圖11 變頻傳動系統(tǒng)總體布置與功率損失［3］

可以看出:工作于額定負荷工況附近，采用液力偶合器調(diào)速的總體傳動效率要高于采用變頻調(diào)速時的總體傳動效率。采用變頻方式的調(diào)速系統(tǒng)附加設(shè)備的功率損失影響了總體傳動效率。

2.2 部分負荷工況

圖12 電流型變頻調(diào)速電 動機的特性指標(biāo)［4］

由圖6可以看到:采用調(diào)速型液力偶合器在50%負荷的工況下，傳動效率不到80%，這與圖12所示電流型變頻器調(diào)速電機50%調(diào)速工況的傳動效率大體相當(dāng)。采用調(diào)速型液力偶合器方式，負載轉(zhuǎn)速調(diào)到額定轉(zhuǎn)速的50%，從后面偶合器調(diào)速節(jié)能的分析可以看到，此時的負荷為額定工況的1/8(12.5%)，對應(yīng)圖6中液力偶合器的傳動效率為50%左右，與采用變頻調(diào)速方式相比，確實偏低。

實際運行中，12.5%額定負荷工況應(yīng)該是不太常見的，特別是在大功率、大設(shè)備的工藝生產(chǎn)流程中，如此低的負荷調(diào)速運行則更為少見。從另一方面講，調(diào)速型液力偶合器主要應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速、大功率的調(diào)速場合，過多糾結(jié)于過低轉(zhuǎn)速 (對應(yīng)過低的負荷)的運行節(jié)能分析并沒有太大的實際意義。

在泵與風(fēng)機的變頻調(diào)速中采用較多是電流型變頻器［4］。變頻調(diào)速由于電機轉(zhuǎn)速的改變，電機低速運轉(zhuǎn)時功率因數(shù)降低較大。100%轉(zhuǎn)速比時功率因數(shù)約為0.9，50%轉(zhuǎn)速比時功率因數(shù)約為0.3，低速時無功損耗較大。應(yīng)用液力調(diào)速時，電機轉(zhuǎn)速不變，功率因數(shù)變化較小，總功率因數(shù)在100%轉(zhuǎn)速比時約為0.9，在50%轉(zhuǎn)速比時約為0.65［5］。

2.3 液力偶合器的調(diào)速節(jié)能

針對無背壓管路系統(tǒng)中一臺風(fēng)機的調(diào)速作以下簡要分析，設(shè)在額定工況下風(fēng)機的軸功率為P*。

變速調(diào)節(jié)，風(fēng)機管路特性曲線不變，風(fēng)機特性曲線變化，可近似認為變速前后的工況點為相似工況點，滿足比例定律，假定轉(zhuǎn)速下降到原額定轉(zhuǎn)速的50%，降速后風(fēng)機所需的軸功率為:

液力偶合器的調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比，當(dāng)轉(zhuǎn)速比iTB=0.5時，調(diào)速效率也等于50%，也就是說液力偶合器輸入的功率有一半為有效輸出功率，另一半要損失掉，因此原動機的輸出功率應(yīng)為:

可見電機功率不是減小到額定功率1/2的關(guān)系，而是更為顯著地減小。

針對葉片式泵與風(fēng)機的調(diào)速，隨著負載轉(zhuǎn)速的降低，也就是隨著液力偶合器轉(zhuǎn)速比的降低，液力偶合器的泵輪和渦輪所傳遞的功率也迅速減小。實際上，當(dāng)液力偶合器泵輪傳遞的功率與渦輪的輸出功率都變得較小時，滑差損失功率也變得較小。雖然隨著負載轉(zhuǎn)速的降低，偶合器的傳動效率在下降，但由渦輪驅(qū)動的負載本身的轉(zhuǎn)矩按照轉(zhuǎn)速的平方比例在下降，負載的功率按照轉(zhuǎn)速的三次方的比例在下降，偶合器的基本特性是泵輪輸入轉(zhuǎn)矩等于渦輪輸出轉(zhuǎn)矩，由此使得與偶合器泵輪直接相連的原動機輸出功率也會大大減小，而偶合器損失的功率占的是原動機減小后的功率比例，并非是對應(yīng)電動機額定轉(zhuǎn)速時的功率，雖然此時電動機仍然工作于額定轉(zhuǎn)速。調(diào)速后功率下降的直觀反應(yīng)是電動機工作電流的明顯降低。調(diào)速型液力偶合器效率、功率與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系見圖13，圖中為設(shè)計工況泵輪功率。

圖13 調(diào)速型液力偶合器效率、功率與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系

嚴格說節(jié)能效果除與調(diào)速裝置的效率有關(guān)之外，與采用什么調(diào)速裝置沒有直接影響，節(jié)能效果的大小與風(fēng)機水泵的運行機制有關(guān)［5］。長期在高轉(zhuǎn)速工況范圍運行，并且常用的調(diào)速運行范圍又在高轉(zhuǎn)速工作區(qū)域，采用調(diào)速型液力偶合器的方式節(jié)能效果應(yīng)該優(yōu)于采用變頻調(diào)速的方式，并且，采用液力偶合器調(diào)速，電機的功率因數(shù)始終高于變頻調(diào)速的電機，這也有利于電動機長期可靠地運行;在中小功率等級，負載調(diào)速范圍要求較寬，并且低速運行工況較為頻繁，采用變頻調(diào)速的方式則更合適一些。一方面，低速運行，偶合器確實存在較低傳動效率的固有特點，另外，價格上也不占優(yōu)勢。

對于恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速，由于偶合器的基本特性是輸入轉(zhuǎn)矩等于輸出轉(zhuǎn)矩，即使導(dǎo)管的調(diào)節(jié)使得負載轉(zhuǎn)速得以調(diào)整，對于恒定的泵輪輸入轉(zhuǎn)速，與額定工況相比，泵輪的功率并沒有發(fā)生變化，因此，談不上功率的節(jié)省。

3 設(shè)備成本與運行維護

3.1 設(shè)備成本

液力偶合器的核心部件為相當(dāng)于水泵葉輪的泵輪和相當(dāng)于水輪機轉(zhuǎn)輪的渦輪，變頻器的核心部件為大功率的電力晶體管 (GTR)、可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)、絕緣門級雙極型晶體管(IGBT)，兩類重要組成部件的材料、加工成本、技術(shù)含量自然不可同日而語。

從圖11可以看出，為了防止變頻器的諧波對外界設(shè)備的干擾及供電電源的污染，需要配置諧波濾波器和隔離變壓器，傳動系統(tǒng)同樣也要配置單獨的油循環(huán)及冷卻系統(tǒng)，變頻器系統(tǒng)的安裝場合需要配置空調(diào)，另外還需要提供改善功率因數(shù)的設(shè)備，從變頻器到電動機的電纜鋪設(shè)也有較為嚴格的要求。所有這些保障變頻器安全可靠工作的附加裝置也大大增加了變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件成本及安裝成本。由此可見，大功率的變頻器驅(qū)動系統(tǒng)的成本明顯高于調(diào)速型液力偶合器傳動裝置。另外，大功率變頻器的成本也比液力行星齒輪復(fù)合傳動裝置高出許多［3，6］。

3.2 運行與維護

液力調(diào)速是有百年歷史的成熟技術(shù)，使用可靠，通常平均無故障運行時間可達8 000 h，有的甚至達到3×104h以上，泵輪、渦輪等主要工作部件壽命可達20年以上，且可以反復(fù)維修使用［5］。福伊特官網(wǎng)資料中給出液力行星齒輪 (Vorecon)可靠性達到99.98%和MTBF約為48年的數(shù)據(jù)［6］。變頻調(diào)速由于應(yīng)用年限較短，缺少有關(guān)使用壽命的資料，但由于受電氣元件老化的影響，其壽命肯定不會比液力調(diào)速高。變頻調(diào)速的可靠性取決于電子元器件的技術(shù)和質(zhì)量。

從安裝使用角度來看，變頻器需安裝在環(huán)境較好的電氣控制室內(nèi)，對溫度、濕度、通風(fēng)等均有嚴格要求;液力調(diào)速對使用環(huán)境條件要求不高，可以在戶外、井下、炎熱、寒冷、粉塵、潮濕等條件下使用。相比大功率變頻傳動裝置，大功率的液力調(diào)速裝置也具有節(jié)省安裝空間的優(yōu)勢［3，6］。

從使用維護角度來看，變頻調(diào)速技術(shù)復(fù)雜，使用和維修均需高技術(shù)水平，主要元件尚需進口;液力調(diào)速技術(shù)簡單、使用方便、維修容易，不需要高技術(shù)水平的維護和操作，許多機械類元件國內(nèi)均能生產(chǎn)。

4 總結(jié)

(1)變頻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍寬、且經(jīng)常處于低負荷狀態(tài)下運行的場合，在中小功率、恒扭矩、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速上占明顯優(yōu)勢。

(2)液力調(diào)速技術(shù)成熟簡單、使用維護方便、使用壽命長，初始投資低、運行維護費用低，特別適合大功率高轉(zhuǎn)速葉片式流體輸送機械調(diào)速選用。

(3)液力變速行星齒輪是一類高效的傳動裝置，可以做到在較寬的調(diào)速范圍保持較高的傳動效率，同時也適應(yīng)多種負載 (包括恒扭矩)類型的調(diào)速與驅(qū)動。模塊化的各個組成部分都采用了實踐證明的成熟可靠技術(shù)，對于經(jīng)濟性和控制方面有更高要求的場合是一個很好的選擇。

【1】Voith Turbo.齒輪式調(diào)速偶合器［EB/OL］.［2002 －04］.http://resource.voith.com/vt/publications/downloads/227_c_cr269_zh.pdf.

【2】Voith Turbo.Efficient Control of Pumps and Compressors:Vorecon Variable Speed Planetary Gear［EB/OL］.［2013－ 09］.http://resource.voith.com/vt/publications/downloads/214_e_cr168_en_vorecon-variable-speed-planetarygear.pdf.

【3】Voith Turbo.Variable Speed Drive Technology:Guarantor for Economic and Efficient Boiler Feed Pump Drive Cperation［EB/OL］.［2009 － 04］.http://resource.voith.com/vt/publications/downloads/214_e_cr168_en_vorecon-variable-speed-planetary-gear.pdf

【4】吳民強.泵與風(fēng)機節(jié)能技術(shù)問答［M］.北京:中國電力出版社，1998.

【5】調(diào)速型液力偶合器與變頻器調(diào)速技術(shù)的比較［EB/OL］.［2010 －02 －21］.http://www.ourjx.com/bbs/simple/?t76587.html.

【6】Voith Turbo.Advanced Speed Control for Pumps and Compressors.Vorecon with Dual Torque Converter.［EB/OL］.［2013 － 09］.http://resource.voith.com/vt/publications/downloads/2073_e_cr442_en_voith-vorecon-with-dualtorque-converter.pdf.