МУФТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ
FLUID COUPLING

Изобретение относится к гидравлическим машинам, в частности к регулируемым гидродинамическим передачам, и может быть использовано для бесступенчатого изменения частоты вращения приводной машины при относительно постоянном числе оборотов двигателя.
Известна регулируемая гидродинамическая муфта (гидромуфта) с регулированием расхода жидкости на входе, оборудованная неподвижными черпательными трубками, установленными в пространстве между вращающимися наружным и внутренним кожухами. Оба кожуха соединены болтами с фланцем насосного колеса гидромуфты и вращаются вместе с ним. Турбина насажена на шпонке на ведомом валу. На периферии стенки внутреннего кожуха ввернуты три ниппеля (дросселя) с калиброванными отверстиями, через которые часть рабочей жидкости все время выбрасывается из круга циркуляции - рабочего объема, образуемого насосными и турбинными колесами. Черпательная трубка, загнутая против вращения, улавливает эту жидкость и, используя скоростной напор, подает ее через каналы коллектора в отдельный напорный бак. Из бака жидкость направляется обратно в гидромуфту, проходя через регулировочный вентиль. Промежуточные положения вентиля дадут различную степень заполнения рабочей полости, а следовательно, и различные числа оборотов ведомого вала (Гавриленко Б.А., Минин В.А. Гидродинамические муфты. - М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1959. - С.98-99).
Несмотря на простоту системы управления недостатками этой гидромуфты являются продолжительное время перехода с одного режима на другой и плохая управляемость на режимах, когда давление в рабочей полости распределяется так, что доступ жидкости из напорного бака прекращается несмотря на открытый регулировочный вентиль, в этом случае гидромуфта снижает число оборотов вместо повышения.
Прототипом предлагаемого изобретения выбрана одноопорная гидромуфта типа ST английской фирмы «Флюйдрайв Инжиниринг» (Гавриленко Б.А., Минин В.А., Рождественский С.Н. Гидравлический привод. - М.: Машиностроение, 1968. - С.222-225). Гидромуфта типа ST одноопорная, с дополнительным объемом и регулированием расхода жидкости на выходе.
Гидромуфта содержит: насосный и турбинный роторы; плиту; опору, выполненную заодно с коллектором, в который вмонтирована скользящая (прямоходная) черпательная трубка; питательный насос; теплообменник.
Насосный ротор включает в себя: насосное колесо с промежуточной цилиндрической частью, внутренним и наружным кожухами; полумуфту с фланцем, твердо посаженную на вал двигателя; упругий диск, соединенный с фланцем полумуфты и цилиндрической частью. Внутренний и наружный кожухи образуют пространство, называемое дополнительным объемом, в котором перемещается в пределах рабочего хода скользящая черпательная трубка.
Турбинный ротор включает колесо турбины, жестко посаженное на вал, передающее вращение приводной машине через механическую муфту.
К ступице внутреннего кожуха крепится кольцевая приемная камера для подаваемой из гидросистемы рабочей жидкости. Из приемной камеры жидкость через специальные отверстия в ступице внутреннего кожуха поступает в круг циркуляции - рабочий объем, образуемый лопаточной системой насосного и турбинного колес.
Насосный ротор опирается на шаровую опору, размещенную в полумуфте двигателя, и на расположенный в ступице внутреннего кожуха роликоподшипник, посаженный на вал турбины. Вал турбины установлен на шарикоподшипник, вмонтированный в цапфе со стороны фланца полумуфты двигателя, и на сферический роликоподшипник, установленный во внешней опоре гидромуфты.
Дополнительный объем сообщается с рабочим объемом гидромуфты через большие окна во внутреннем кожухе и с атмосферой через бесконтактное концевое уплотнение.
Диаметр концевого уплотнения находится выше внутреннего диаметра тора круга циркуляции.
Опора гидромуфты монтируется на плите, которая одновременно служит нижним сливным баком. Уровень жидкости в баке всегда ниже рабочего и дополнительного объема гидромуфты. Питательный насос с приводом от электродвигателя установлен на плите и подает жидкость через теплообменник во вращающуюся приемную камеру.
Теоретически подачу питательного насоса можно выбрать сколь угодно большой, что позволит быстро осуществить заполнение гидромуфты, а следовательно, и разгон вала турбины. Однако в целях повышения коэффициента полезного действия (к.п.д.) всей установки мощность питательного насоса ограничивают, выбирая величину подачи из расчета количества жидкости, требуемой для охлаждения гидромуфты.
Уровень жидкости в круге циркуляции совпадает с уровнем в дополнительном объеме. Изменяя уровень жидкости посредством изменения положения скользящей черпательной трубки, меняют и уровень жидкости в рабочем объеме, то есть его заполнение. При подъеме черпательной трубки на полную высоту рабочий объем будет опорожнен, это приведет к нулевому значению крутящего момента на турбинном валу, а при опускании трубки в нижнее положение заполнение гидромуфты будет наибольшим и соответственно приведет к режиму минимального скольжения и максимального крутящего момента на турбинном валу. При останове агрегата полость гидромуфты может опорожняться подъемом черпательной трубки на полную высоту.
Причинами, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, являются:
- большие габариты и масса гидромуфты, вызванные применением скользящей прямоходной черпательной трубки и выносного подшипника на турбине;
- сложность конструкции соединения ротора гидромуфты с валом двигателя с использованием упругого диска и сферической опоры;
- сниженная приемистость рабочего и дополнительного объемов;
- неплотность бесконтактного концевого уплотнения, через которое возможен выход горячих паров и капель рабочей жидкости в окружающую среду;
- ненадежная работа сферической опоры и установленного на ней шарикоподшипника ввиду отсутствия подвода смазки и теплосъема за счет смазывающей жидкости.
Предлагаемое изобретение направлено на развитие типоразмерного ряда и нормативной базы выпускаемых промышленностью гидромуфт (на расширение арсенала технических средств определенного назначения). Отметим, что сдерживающим фактором широкого внедрения энергосберегающих технологий на основе применения гидромуфт является ряд ограничений, связанных с размещением гидромуфт на действующих насосных, компрессорных станциях, в планировке которых не предусматривалась установка дополнительного оборудования. Так, осевые габариты выпускаемых промышленностью гидромуфт и соответственно необходимое расстояние между валами двигателя и приводной машины примерно равны активному диаметру турбинного и насосного колес гидромуфты. Это существенно больше осевых габаритов обычных механических муфт. Задачей изобретения является расширение возможности установки гидромуфт в габаритах эксплуатируемых агрегатов не меняя расположения двигателя и насоса, без реконструкции фундаментных оснований.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в развитии типоразмерного ряда выпускаемых промышленностью гидромуфт; в возможности регулировать крутящий момент в процессе работы гидромуфты без внешней опоры для турбинного ротора; обеспечиваются надежность и компактность ротора и гидромуфты в целом.
Технический результат достигается тем, что известная муфта гидродинамическая с регулированием расхода жидкости на выходе, с дополнительным объемом, содержащая: насосный ротор, включающий насосное колесо с промежуточной цилиндрической частью, внутренним и наружным кожухами; полумуфту с фланцем, посаженную на вал двигателя с фиксацией в окружном и осевом направлениях; турбинный ротор, включающий колесо турбины; коллектор; черпательную трубку; питательный насос; бак с рабочей жидкостью; теплообменник; при этом дополнительный объем сообщается с рабочим объемом через окна во внутреннем кожухе, к ступице внутреннего кожуха крепится кольцевая приемная камера, насосный ротор установлен на вал двигателя и имеет дополнительную подшипниковую опору, а вал турбины двухопорный, установлен на подшипниках качения и имеет место для посадки подшипника качения дополнительной опоры насосного ротора. Особенность предлагаемой конструкции заключается в том, что гидромуфта выполнена с установкой ротора турбины на вал двигателя и дополнительно содержит: пространство, сообщающее дополнительный объем с рабочим объемом помимо отверстий на периферии внутреннего кожуха; уплотнение вала приводной машины, установленное на переходнике коллектора; вторую черпаковую трубку, неподвижно установленную в коллекторе и отводящую рабочую жидкость из дополнительного объема с уровня, диаметр которого несколько больше диаметра контактных колец концевого торцового уплотнения; систему откачки из нижней точки дополнительного объема с самовсасывающим насосом и поворотной трубкой, установленной в коллекторе и управляемой механизмом поворота. При этом вал турбины выполнен полым, опирается на подшипники, установленные внутри полого вала, и имеет длину, не превышающую осевой размер установленных в сборе колес насоса и турбины, а также расстояния между торцами валов двигателя и приводной машины, при этом на внутренних поверхностях вала выполнены отверстия и каналы для подвода смазки к подшипникам. Выполнение полых валов известно, например, в конструкции пуско-предохранительных гидромуфт фирмы FLUDEX (V481SU01.94. Инструкция по монтажу и эксплуатации муфт системы FLUDEX). Однако в изобретении, кроме передачи крутящего момента и фиксации вращающихся деталей, полый вал обеспечивает демпфирование изгибных колебаний насосного ротора и имеет возможность свободно вращаться относительно установочных баз. Коллектор устанавливается на неподвижный корпус приводной машины через переходник, и имеется пространство между коллектором и корпусом приводной машины для установки на коллектор коммуникаций для подачи и отвода рабочей жидкости, для суфлирования - сообщения рабочего и дополнительного объемов со свободным от жидкости пространством бака через канал в верхней части коллектора; дополнительная подшипниковая опора насосного ротора размещена в ступице колеса насоса, при этом на опорную поверхность ступицы посажена и заштифтована втулка с гарантированным во время работы натягом; механическая муфта и цапфа вала приводной машины размещены в дополнительном объеме, при этом вал турбины используется как полумуфта, передающая вращение через шлицевое соединение на зубчатую обойму и далее на полумуфту приводной машины, для сборки зубчатая обойма выполнена полой, имеет для сборки размеры и возможность осевого смещения с охватом полумуфты вала приводной машины, освобождая пространство между валами двигателя и приводной машины для монтажа насосного и турбинного роторов; все подшипники охлаждаются специально подаваемой из коллектора через форсунки рабочей жидкостью, для этого к валу турбины герметично по фланцевому соединению крепится кольцевой сборник, из которого через отверстия и по каналам на внутренних поверхностях вала турбины жидкость попадает на подшипники вала турбины, кольцевой сборник также фиксирует зубчатую обойму механической муфты; окна на внутреннем кожухе выполнены в виде калиброванных отверстий на периферии кожуха, в качестве концевого уплотнения применено контактное уплотнение торцового типа, охлаждаемое подводимой через форсунки коллектора рабочей жидкостью, при этом рабочий ход подвижного элемента уплотнения компенсирует осевые люфты и тепловое расширение соответствующих частей двигателя и приводной машины; бак устанавливается независимо от расположения двигателя и приводной машины, а уровень рабочей жидкости в баке не доходит до канала суфлирования в коллекторе.
На фиг.1. показан продольный разрез гидромуфты; на фиг.2 - вид А на коллектор гидромуфты.
Муфта гидродинамическая содержит:
- насосный ротор, консольно установленный на вал двигателя через полумуфту 1, включающий: насосное колесо 2 с радиально расположенными лопатками, опорной поверхностью Б по внутреннему диаметру ступицы диска колеса и сквозными отверстиями Ж в диске колеса для подачи жидкости в межлопаточное пространство рабочей полости Е; внутренний 3 и наружный 4 кожухи; вращающиеся элементы торцового уплотнения 5;
- турбинный ротор, имеющий колесо 6 с радиально расположенными лопатками, подшипник качения 10 дополнительной опоры Б насосного ротора, полый вал 7, установленный на подшипники качения 8 и 9, опирающиеся на цапфу В полумуфты 1; при этом вал 7, цапфа вала М приводной машины, а также механическая муфта 20 расположены в дополнительном объеме Г;
- коллектор 11, в который вмонтированы: управляемая поворотная черпательная трубка 12 и коммуникация отвода рабочей жидкости; неповоротная (стационарная) черпательная трубка 13 и коммуникация отвода рабочей жидкости; торцовое уплотнение 14; поворотная трубка 15 и коммуникация для откачки рабочей жидкости из нижней точки дополнительного объема Г; коммуникация и форсунка 16 подачи рабочей жидкости в рабочий объем Е; коммуникации и форсунки 17 для смазки и охлаждения подшипников и контактных колец торцового уплотнения 14; коммуникации суфлирования - С, то есть сообщения свободного от жидкости рабочего объема Е и дополнительного объема Г с атмосферой через маслоуловители.
При этом внутренний кожух 3 имеет сквозные калиброванные отверстия Д на периферии проточной части, сообщающие дополнительный объем Г с рабочим объемом Е, а для подвода жидкости в рабочий объем Е предусмотрена кольцевая диафрагма 18 приемной камеры И, в которой поступившая из форсунки 16 жидкость равномерно распределяется по окружности и через отверстия Ж в диске насосного колеса 2 попадает в межлопаточное пространство рабочего объема Е. Часть калиброванных отверстий Д может глушиться.
Внутренние подшипники 8, 9 смазываются и охлаждаются специально подводимой жидкостью через отверстия и по каналам К на внутренних поверхностях турбинного вала 7 из кольцевого сборника 21, герметично закрепленного к валу 7, куда в свою очередь жидкость подается через форсунки 17.
На опорную поверхность Б ступицы может быть посажена с гарантированным во время работы натягом и заштифтована втулка.
Коллектор 11 устанавливается и крепится на неподвижный корпус Л приводной машины через переходник 19.
Длина турбинного вала 7 не превышает осевого размера установленных в сборе насосного колеса 2 и турбинного колеса 6, а также расстояния Н между торцами валов двигателя и приводной машины.
Для собираемости механическая муфта 20 выполнена разборной и съемной при установленных роторах 2 и 6.
Для облегчения сборки конструкцию ступицы В полумуфты 1 целесообразно упростить и выделить из нее отдельную деталь в виде переходника 22.
Муфта гидродинамическая работает следующим образом. Перед включением двигателя устанавливается положение черпательной трубки 12 и начинает подаваться рабочая жидкость через коммуникации и форсунки 17 для смазки подшипников и контактных колец торцового уплотнения 14, далее во время раскрутки вала двигателя рабочая жидкость начинает подаваться через форсунку 16 в приемную камеру И. Процесс заполнения дополнительного объема продолжается до того момента, когда уровень жидкости дойдет до черпательной трубки 12, через которую избыток жидкости начнет отводиться из дополнительного объема. Участвуя в передаче энергии от насосного колеса к турбинному, жидкость нагревается. Постоянный отвод нагретой жидкости из рабочего объема Е в дополнительный объем Г через калиброванные отверстия Ж и далее через черпательную трубку 12 на выход из гидромуфты обеспечивает требуемый с точки зрения работоспособности конструкции температурный режим.
От изменения степени заполнения рабочей полости Е зависит частота вращения выходного вала, и таким образом производится регулирование работы гидродинамической муфты. Количество и площадь отверстий Ж подобраны таким образом, что при работе гидродинамической муфты уровень - диаметр свободной поверхности вращающегося масла в дополнительном объеме Г, определяемый положением черпаковой трубки 12, был ниже уровня жидкости в рабочем объеме Е. Расположение отверстий Ж на большом радиусе обеспечивает подвод жидкости с большим центробежным давлением, позволяющим эффективно преодолевать возникающее в межлопаточных пространствах динамическое давление, особенно на режимах с большим скольжением, что обеспечивает более полное заполнение рабочего объема Е и соответственно стабильность и точность регулирования частоты вращения вала приводной машины.
Для предотвращения перехода уровня жидкости на диаметр ниже диаметра контактных колец торцового уплотнения 14 установлена стационарная черпательная трубка 13, отводящая избыток жидкости из дополнительного объема Г.
Применение стационарной черпательной трубки 13 позволит избежать нарушения герметичности торцового уплотнения 14, неустойчивой работы и дополнительных потерь от гидродинамического сопротивления при касании вращающейся жидкостью неподвижных поверхностей коллектора 11 и торцового уплотнения 14.
Осевой ход торцового уплотнения 14 компенсирует осевые люфты и тепловое расширение соответствующих частей двигателя и приводной машины.
Возникающие внутри гидродинамической муфты остаточные осевые усилия воспринимаются радиально-упорным подшипником 8, обладающим большей удельной грузоподъемностью, чем роликовый радиальный сферический подшипник прототипа, что позволяет гидродинамической муфте передавать большую мощность. Радиальный подшипник 10 является дополнительной опорой для консольно закрепленного на валу двигателя насосного ротора и обеспечивает жесткость ротора муфты в целом.
Исследования патентной и научно-технической литературы показали, что подобная совокупность существенных признаков (описанных формулой) является новой по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату. Заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из уровня техники.
Применение предлагаемого устройства позволяет достичь целого ряда преимуществ:
1. Конструкция устройства позволяет регулировать крутящий момент в процессе работы гидромуфты без внешней опоры для турбинного ротора, т.к. муфта несамонесущая, вращающиеся части установлены преимущественно на валу одной машины (двигателя или ВМ), а невращающиеся части - на корпусе другой машины. Это предполагает:
- осуществлять упрощенную схему монтажа оборудования, что является большим преимуществом при эксплуатации;
- осуществлять замену ранее используемых нерегулируемых муфт без демонтажа/монтажа машин (двигателя и приводной машины);
- осуществлять оперативный ремонт привода путем замены блока - насосное и турбинное колеса в муфте. Блок колес съемный и не требует дополнительной центровки.
2. Способ установки корпуса муфты гидродинамической регулируемой позволяет без изменений устанавливать его на разнотипные корпуса машин, меняя при этом только относительно простую по конфигурации деталь - цапфу.
3. Конструкция муфты гидродинамической регулируемой позволяет компенсировать значительные осевые смещения валов машин непосредственно в работе агрегата без дополнительной нагрузки радиально-упорного подшипника и без потери герметичности благодаря наличию торцового уплотнения с большим осевым ходом и шлицевой рессоры.
4. Подвод охлажденной жидкости в рабочую полость на участке верхнего радиуса с большим центробежным давлением позволяет эффективно преодолевать возникающее в рабочей полости динамическое давление на режимах с большим скольжением, что обеспечивает более полное заполнение рабочей полости и соответственно достаточную передаваемую мощность и точность регулирования частоты вращения выходного вала муфты гидродинамической регулируемой.
5. Черпаковая камера сообщается с рабочей полостью каналами отвода и отверстиями через дополнительную полость отвода, что предотвращает потери от гидродинамического сопротивления при касании вращающейся жидкостью в черпаковой камере неподвижных поверхностей.
6. Применение радиально-упорного подшипника, обладающего большой удельной грузоподъемностью, и расположение его в паре с радиальным подшипником между опорным и выходным валами позволяет обеспечить высокую точность установки его, насосного и турбинного колес, работу без перекосов, малую относительную скорость вращения его колец. Вследствие этого муфта гидродинамическая регулируемая может передавать значительные мощности, сопровождающиеся большими осевыми усилиями при сохранении высокого рабочего ресурса и надежности устройства в целом.