7.3. Гидродинамические передачи

Гидродинамическими (ГПД) называются передачи, в которых главной составляющей энергии потока жидкости является кинетическая энергия. Главным элементом передачи является лопастной насос (рис. 7.5), в котором рабочим органом является лопастное колесо 2, на котором установлены профильные лопатки 5. Жидкость движется от подвода 1 насоса к отводу 4 в форме диффузора 3 со спиральной осью.

а) б)

Рис. 7.5. Центробежный насос:

а) - принципиальная схема; б) - условное изображение;

1 – подвод; 2 – лопастное колесо; 3 – диффузор; 4 – отвод

Особенностью лопастных насосов является тот факт, что вход и выход насоса не разделены, и вращение рабочего колеса происходит в неразделённом потоке жидкости. Поэтому насосы являются несамовсасывающими, и перед пуском должны быть заполнены жидкостью.

Параметры лопастных насосов, характеризующие их работу, делят на внешние и внутренние. К внешним параметрам относят:

- частота вращения вала насоса n, об/мин;

- крутящий момент на валу M, Нм;

- мощность на валу насоса , .

К внутренним параметрам относят:

- расход или подача Q, м³/с;

- давление р, Па;

- напор Н, м.

Напор насоса Н – это энергия, сообщаемая насосом единице веса жидкости, то есть это разность удельных энергий, которой обладает жидкость между входом и выходом насоса:

, (7.14)

где индекс н – сечение на выходе колеса;

индекс к – сечение на входе колеса.

Мощность потока жидкости на выходе насоса:

. (7.15)

Коэффициент полезного действия насоса:

. (7.16)

Потери мощности так же, как и для объёмных гидромашин, делят на объёмные ∆N_о, гидравлические ∆N_г и механические ∆N_м потери:

. (7.17)

Объёмные потери мощности ∆N_о определяются перетечками жидкости из напорной линии во всасывающую через зазоры, образованные рабочим колесом и внутренней поверхностью лопастного насоса. Гидравлические потери ∆N_г – это потери на трение в подводе, отводе насоса и каналах рабочего колеса. Механические потери ∆N_м определяются потерями на трение в подшипниках и в уплотнениях вала насоса. Эти потери составляют значительную часть подводимой мощности:

(7.18)

Для преобразования гидравлической энергии потока жидкости, направляемого от лопастного насоса, в механическую энергию вращения выходного вала, применяют гидротурбины. Структурная схема гидродинамической передачи (ГДП), включающая лопастной насос и гидротурбину, изображена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Принципиальная схема гидродинамической передачи:

1 - насосное колесо; 2 - турбинное колесо

Гидродинамические передачи состоят из расположенных соосно и максимально сближенных в общем корпусе рабочих органов лопастного насоса и гидравлической турбины – насосного и турбинного колеса. В насосе механическая энергия с параметрами M_н и n_н преобразуется в поток жидкости с параметрами Q_н и H_н. На турбинном колесе энергия этого потока преобразуется в механическую энергию M_т и n_т. На выходе из турбинного колеса поток жидкости с параметрами Q_т и H_т, проходя через реакторное колесо, снова попадает на вход насосного колеса.

Реакторное колесо необходимо для преобразования параметров гидравлической энергии с целью получения определённых характеристик гидродинамической передачи – крутящего момента M_т и частоты вращения n_т.

Основываясь на принципиальной схеме гидропередачи с помощью центробежного насоса и гидротурбины (рис. 7.7, а), немецкий учёный и инженер Г. Феттингер в 1902 году предложил устранить соединительный трубопровод 2, а насос 1, турбину 4 и направляющий элемент 3 (реактор) объединить в одном корпусе.

а) б)

Рис. 7.7. Схема гидродинамической передачи:

а) - гидропередача с помощью центробежного насоса и гидротурбины;

б) - принципиальная схема гидротрансформатора;

1 – лопастной насос центробежного типа; 2 – соединительный

трубопровод; 3 – направляющий элемент (реактор); 4 – гидротурбина;

5 – сливной патрубок; 6 – всасывающий патрубок; 7 – гидробак;

ПД – приводной двигатель

В таком устройстве рабочая жидкость, проходя последовательно через насосное колесо, реактор и турбинное колесо, обеспечивает не только передачу крутящего момента от вала насоса к валу турбины, но и его изменение. Изменение крутящего момента обусловлено тем, что жидкость, проходя через неподвижный реактор, изменяет момент количества движения, и соответственно, передаваемый крутящий момент. Такой гидроаппарат был назван гидродинамическим трансформатором (ГДТ). Уравнение моментов гидротрансформатора в общем случае:

. (7.19)

Для повышения экономичности из гидротрансформатора был изъят реактор. Так появилась новая гидродинамическая передача, которая получила название гидродинамической муфты (ГДМ). Гидромуфта передаёт крутящий момент от насосного колеса к турбинному без изменения крутящего момента:

. (7.20)