1. Принцип действия гидродинамического трансформатора

На рисунке 1, а изображена дистанционная гидродинамическая передача, состоящая из центробежного насоса, направляющего аппараты и турбины.

Передача энергии от вала насоса к валу турбины производится три помощи рабочей жидкости (воды или масла). При вращении вала насоса в его направляющем аппарате под действием центробежной силы создается напор жидкости. Под влиянием этого напора жидкость перемещается по верхней соединительной трубе, ускоряется в направляющем аппарате турбины и ударяется в ее лопатки.

На рисунке 1, в показана упрощенная схема взаимодействия жидкости с подвижной лопаткой турбины. Поток жидкости, движущийся со скоростью V, воздействует с силой Р на среднюю часть лопатки, отстоящую от оси вращения на расстоянии R. Турбина вращается с угловой скоростью ω, поэтому линейная скорость средней части ее лопатки равна u. Из теории гидромашин известно, что сила взаимодействия потока жидкости с подвижной плоскостью пропорциональна квадрату относительной скорости:

,

где ρ — плотность жидкости (масса в единице объема);

F — площадь поперечного сечения потока.

Таким образом, при постоянной абсолютной скорости V жидкости увеличение скорости движения лопатки турбины приведет к уменьшению величины силы Р. При этом крутящий момент на валу лопатки турбины, численно равный произведению силы Р на радиус R, также уменьшится. И наоборот: уменьшение скорости вращения лопатки турбины приведет к увеличению крутящего момента на ее валу.

Рассмотренный процесс позволяет понять важнейшее свойство дистанционной гидродинамической передачи: трансформацию (изменение при передаче) крутящего момента в ней. В зависимости от угловой скорости вращения турбины, крутящий момент на ее валу может быть больше, равен или меньше крутящего момента на валу насоса. Причем преобразование крутящего момента происходит плавно и без применения каких либо дополнительных регулирующих устройств (саморегулируемая передача).

Однако КПД такой передачи очень низкий из-за больших потерь энергии в сложных направляющих аппаратах и соединительных трубопроводах.

Как увеличить КПД передачи, сохранив способность трансформировать крутящий момент? Решение было найдено в 1902 г. немецким инженером Феттингером.

На рисунке 1, б приведена принципиальная схема одного из вариантов гидродинамических агрегатов Феттингера. В одном корпусе в непосредственной близости друг от друга соосно расположены два рабочих колеса: насосное и турбинное. Между ними находится неподвижный направляющий аппарат. Все полости внутри корпуса заполнены рабочей жидкостью. Такие агрегаты стали называться гидротрансформаторами. Следует помнить, что направляющий аппарат у них неподвижен.

Жидкость в гидротрансформаторе совершает сложное движение: она вращается вместе с лопатками насоса и турбины и перемещается по кругу циркуляции (указано стрелками) между лопатками.

Рисунок 1 - Принцип действия гидродинамического трансформатора:

а — дистанционная гидродинамическая передача; б — гидротрансформатор; в — взаимодействие струи жидкости с подвижной лопаткой; г — распределение крутящих моментов между колесами гидротрансформатора.

1 — насос; 2 — направляющий аппарат; 3 — турбина

Упрощенная схема взаимодействия жидкости с лопатками гидротрансформатора показана на рисунках б и г.

При вращении лопатки насоса с угловой скоростью ω жидкость давит на ее стенку с силой, создающей на валу насоса момент М. Перемещаясь в лопатки направляющего аппарата, она воздействует на них моментом М₃. Направляющий аппарат ускоряет поток жидкости на выходе и подает его на лопатки турбины так, что жидкость создает на валу турбины момент М₂. Вся система (насосное и турбинное колеса и направляющий аппарат с корпусом) находится в равновесии: колеса равномерно вращаются, корпус неподвижно установлен на какой-то станине. Следовательно, сумма моментов равна нулю. Отсюда для гидротрансформатора

М₂ = М₁ + М₃

Момент М₃ передается на корпус и уравновешивается реакциями опор корпуса о станину. Поэтому его называют реактивным, а направляющий аппарат гидротрансформатора — реактором.

Рабочий процесс гидротрансформатора оценивается внутренними и внешними параметрами. Внутренними параметрами являются расход и напор жидкости, внешними — крутящие моменты и угловые скорости ведущего и ведомого валов. Отношения моментов и угловых скоростей называются передаточными числами:

= — кинематическое передаточное число;

K = — силовое передаточное число

(коэффициент трансформации).

Значения передаточных чисел взаимосвязаны через величину КПД:

η = = = к .

Графическое изображение зависимости внешних параметров (крутящих моментов и КПД) от величины, обратной кинематическому передаточному числу, называется внешней характеристикой гидротрансформатора.

Характеристика может быть получена экспериментально на тормозном стенде при постоянной частоте вращения вала насоса. Общий вид характеристики, построенной по абсолютным и относительным значениям параметров, показан на рисунке 2. Здесь:

= 1/i

Величина момента насоса на рис. 2, б оценивается безразмерным коэффициентом момента.

Из характеристики видно, что уменьшение угловой скорости турбины вызывает интенсивное увеличение момента на ее валу. При этом крутящий момент насоса увеличивается, но незначительно. В результате коэффициент трансформации увеличивается и достигает максимального значения при i' = 0 (турбина неподвижна, а вал насоса вращается с прежней скоростью).

Рисунок 2 - Внешняя характеристика гидротрансформатора:

а — по абсолютным значениям параметров;

б—безразмерная.

Вид кривой или характеризует «прозрачность» гидротрансформатора. Если с увеличением момент нарастает, гидротрансформатор называется «прозрачным» (двигатель «видит», что нагрузка на ведомом валу увеличивается). Можно создать, соответствующим образом профилируя лопатки, совершенно «непрозрачный» гидротрансформатор, у которого график и будет изображаться горизонтальной линией.

КПД гидротрансформатора имеет наибольшее значение только при каких-то средних (их называют номинальными) оборотах турбины, интенсивно уменьшаясь как при снижении, так и при увеличении угловой скорости турбины.