Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция № 4
Тема: Принцип работы и характеристики
гидротрансформатора
1. Рабочий цикл гидротрансформатора
В отличие от гидротурбины гидротрансформатор (ГДТ) имеет внешнюю опору (реактор) для восприятия реактивного крутящего момента и, следовательно передающий крутящий момент с изменением по величине, а в некоторых случаях и по знаку. Основными элементами гидродинамического трансформатора яв ляются три соосно установленных лопастных колеса − насос ное, турбинное и реактивное (реактор), а также корпус, под шипники и другие вспомогательные детали. На осевом разрезе гидротрансформатора (рис. 1, а) показаны насосное колесо Н, турбинное колесо Т, реактивное колесо (реактор) Р и кор пус гидротрансформатора К, а также муфта свободного хода М. Для более подробного рассмотрения рабочего процесса в гидротрансформа торе на рис. 1, б приведена условная развертка его колес и траектория движения между ними потока рабочей среды.
Насосное колесо Н приводится во вращение мо ментом М1 двигателя и воздействует лопатками на жидкость, заставляя ее не только вращаться вместе с ним, но и перемещаться вдоль лопаток по направлению от входа к выходу. Жидкость в межлопаточном пространстве насоса раскручивается с угловой скоростью ω1, и отбрасывается от оси вращения к периферии колеса − от точки 1 к точке 2. При этом поток жидкости приобретает кинетическую энергию и скорость в направлении вращения колеса. В окрестностях точки 2 поток жидкости пере мещается с насосного колеса на турбинное колесо Т. Поток жидкости выходит из рабочего колеса насоса по направлению абсолютной скорости υ2. Силовое воздействие потока на лопатки турбинного колеса складывается из двух сил: активной силы, с которой поток воздействует на рабочее колесо при входе в него, и реактивной силы, с которой поток воздействует на рабочее колесо турбины при выходе из него. Величина передаваемой потоком энергии и силового воздействия на лопатки турбинного колеса зависит от направления абсолютной скорости υ2 на выходе из насосного колеса.
Рис. 1. Схема конструкции и потоков в гидротрансформаторе:
а − осевой разрез; б − развертка лопастной системы; Н − насосное колесо; Т − турбинное колесо; Р − реактивное колесо (реактор); К − корпус; М − муфта свободного хода
В межлопаточном пространстве турбинного колеса жидкость воз действует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение с угловой скоростью ω2. При этом поток жидкости посте пенно теряет кинетическую энергию, полученную в насосном колесе, и движется от периферии к оси вращения (от точки 2′ к точке 3 (рис. 1, б). В окрестностях точки 3 поток жидкости уходит с турбинного колеса в реактор.
Дальше поток перемеща ется вдоль лопаток реактора от точки 3' до точки 1′. Для изучения характера физического влияния реактора на работу турбинного колеса рассмотрим кинематику движения потока жидкости между лопатками реактора и турбины, представленную на рис. 2.
При выходе из турбины поток «атакует» лопатки реактора. Поскольку реактор неподвижен, реакция струи жидкости от воздействия на реактор воспринимается турбиной.
Таким образом, направление реактивной силы на выходе из турбины соответствует направлению абсолютной скорости ν2т на выходе из колеса турбины.
Направление силы на входе в рабочее колесо тур- бины соответствует направ- лению абсолютной скорости на выходе из насосного ко- леса, что равносильно век- тору скорости потока на входе в турбину. Поэтому лопатки турбинного колеса делают выпуклыми в cто- рону направления вращения насосного колеса, а лопатки реактора − выпуклыми в обратную сторону. При такой форме лопаток на турбинном колесе от воз- действия потока жидкости возникает крутящий момент Мт, стремящийся вращать его в направлении вращения насосного колеса, а на реак-
торе момент Мр, стремящий- ся вращать реактор в проти-
воположном направлении (см. рис. 2). Поэтому крутящие моменты на насосном колесе и реакторе направлены в одну и ту же сторону и обеспечивают увеличение крутящего момента на турбинном колесе:
Мн + Мр = Мт.
Таким образом, реактор служит для изменения вращающего момента на гид ротрансформаторе, т.е. для получения на выходном валу вращающего момента М2, отличного от входного момента М1.
При разгоне автомобиля увеличивается скорость вращения турбины ωт и соответственно возрастает её окружная скорость u2т. Поэтому вектор абсолютной скорости потока меняет свое направление таким образом, что уменьшается силовое воздействие потока на реактор и турбину. Следовательно, при повышении ωт плавно и непрерывно уменьшаются моменты Мт и Мр.
Пройдя через межлопаточное простран ство неподвижного реактора, поток в окрестности точки 1 попадает на лопатки насосное колесо. Далее рабочий процесс повторяется с расходом Q.
2. Баланс моментов в гидродинамическом
трансформаторе
Рассмотрим совместную работу лопастных колес гидротранс форматора при следующих допущениях, близких к действительным условиям работы таких лопастных систем:
а) направление скорости υ потока в относительном движении за каждым из лопастных колес определено направлением выходных элементов лопастей;
б) в промежутках между лопастными колесами момент количества движения потока не изменяется (например, между турбинным колесом и реактором);
в) расход жидкости Q, протекающей в данный момент времени через все лопастные колеса, одинаков.
Момент количества движения потока жидкости в каждом колесе гидротрансформатора, как было показано выше (10.3), можно представить в следующем общем виде:
M = ρQ(υ2R2cosα2 − υ1R1cosα1) = ρQ(υu2R2 − υu1R1). (1)
В качестве примера выберем случай, когда реактор увеличивает момент количества движения потока, т. е. сообщает ему закрутку (υu2pR2p > υ ulpRlp).
Запишем уравнения между потоками жидкости и лопастными колесами ГДТ (рис.10.13) для установившегося движения в следующем виде:
− на насосном колесе:
Мн = ρQ(υuн2Rн2 − υuн1Rн1); (2)
− на турбинном колесе:
− Мт = ρQ(υuт2Rт2 − υuт1Rт1); (3)
− на реакторе: Мр = ρQ(υuр2Rр2 − υuр1Rр1). (4)
На реакторе момент может быть положительным или от рицательным в зависимости от режима ГДТ.
Лопастные колеса в ГДТ (в отличие от обычных гидромашин) расположены так, что рабочая жидкость течет последовательно по замкнутому контуру, лопастные колеса находятся в непосредственной близости друг от друга, длинные промежуточные каналы отсутствуют. В межколесных зазорах отсутствуют внешние силы воздействия на поток жидкости, и момент количества движения жидкости остается неизменным, поэтому для ГДТ можно записать следующие соот ношения:
υuн1Rн1 = υuр2Rр2; υuт1Rт1 = υuн2Rн2; υuр1Rр1 = υuт2Rт2. (5)
Следовательно, при протекании потока в ГДП входные усло вия каждого лопастного колеса определяются условиями выхода потока из предыдущего колеса.
С учетом выражений (10.15) для ГДТ имеем
Мн = ρQ(υuн2Rн2 − υuр2Rр2); 6)
− Мт = ρQ(υuт2Rт2 − υuн2Rн2); (7)
Мр = ρQ(υuр2Rр2 − υuт2Rт2), (8)
где Мр − момент, приложенный к реактору со стороны неподвижного корпуса.
После сложения левых и правых частей уравнения (при условии, что сумма вращающих моментов, действующих на колеса, равна нулю) получим основное уравнение гидротрансформатора
Мн ± Мр − Мт = 0 или Мт = Мн ± Мр, (10.19)
где Мн , Мт , Мр − вращающие моменты соответственно на насосном, тур бинном и реакторном колесе.
Учитывая, что коэффициент трансформации ГДТ
К = Мт / Мн = (Мн + Мр)/ Мн = 1 + Мр / Мн,
наличие момента Мр на реакторе обусловливает разницу моментов на насосном и турбинном колесах. При этом момент Мн принимают положительным, если он направлен в сторону вращения выходного вала, и отрицательным, если он направлен в противо положную сторону. Уравнение моментов не зависит от потерь на трение и справедливо как для идеальной, так и для реальной жид кости.
При работе ГДТ в приводе, например, автомобиля под действием нагрузки непрерывно изменяется скорость входного вала, что приво дит к изменению скорости выходного вала ГДТ. При этом, чем больше нагрузка на рабочем органе, тем меньше его скорость, и наоборот.
3. Внешняя характеристика ГДТ
Внешней характеристикой ГДТ называют зависимость внешних показателей (М, η и др.) от передаточного отношения при постоянных вязко сти и плотности рабочей жидкости, частоте вращения или крутя щем моменте входного звена.
Внешнюю характеристику (рис. 3) чаще всего представляют в виде зависимостей Мн, Мт и η от i при постоянных 1 и ρ. Рассмотрим характерные точки внешней характеристики ГДТ на тяговом режиме работы.
Точка 1 − режим холостого хода, когда нагрузка на выходном валу отсутствует Nт = 0; Мт = 0; η = 0.
Для современных ГДТ передаточное отношение холостого хода iх.х = 0,6 … 1,7 в отличие от ГДМ, для которых iх.х = 1.
Точка 2 – режим равенства моментов Мн = Мт; Мр = 0.
i = iK=1 ≈ 0,75.
а б
Рис. 3. Характеристики гидротрансформатора:
а – КПД гидротрансформатора; б – внешняя характеристика ГДТ
1 – Мт = 0; 2 – Мн = Мт; 3 – i = 1; 4 – = max; 5 – i = 0
В точке 2 меняется знак момента на реакторе: правее точки 2 Мт < Мн , левее – момент, развиваемый турбинным колесом, превосходит момент, сообщаемый двигателем насосному колесу, и гидротрансформатор работает как редуктор:
Мт > Мн; Мр > 0; К > 1.
В точке 2 у любого гидротрансформатора имеется режим работы, на котором реактор не воздействует на поток. Поэтому такой режим можно назвать режимом гидромуфты.
Точка 3 − режим синхронного вращения насос ного и турбинного колес: т = н; i = 1. Данный режим реализуется ГДТ с iх.х > 1. Режим имеет большое практическое значение для блокировки насосного и турбинного колес, так как при равенстве их скоростей обеспечивается плавное соединение входного и выходного валов ГДТ (двигателя и рабочего органа).
Точка 4 − оптимальный режим работы, характеризуется мак симальным значением КПД max и минимальными гидравлически ми потерями.
Точка 5 − стопорный режим: i = 0; = 0; Мн ≠ 0; Nт = 0; Nн = Nq, где Nq − мощность, расходуемая двигателем на тепловые потери.
Момент на турбинном колесе максимальный на стопорном режиме работы. Стопорный режим, на пример, соответствует троганию автомобиля с места и является теплонапряженным.
Полную внешнюю характеристику ГДТ, представленную на рис. 10.13, можно считать теоретической, так как она построена при допущении Q = const. На практике зависимость Q = f (i) опре деляется не только режимом работы ГДТ, но и его типом (конст рукцией лопастных колес). Реальные полные внешние характе ристики для наиболее часто применяющихся одноступенчатых ГДТ от теоретических отличаются.
4. Комплексные гидротрансформаторы
Комплексным называют ГДТ, который на некоторых переда точных отношениях может работать как гидродинамическая муфта. Комплексный гидродинамический трансформатор и его внешние характеристики представлены на рис. 10.14.
Для улучшения характеристик ГДТ реакторное колесо 2 уста навливают на обгонной муфте 1. КПД гидромуфты выше, чем ГДТ. Гидротрансформатор имеет максимальное значение КПД только на одном режиме (см. рис. 10.14, а). Если уменьшение КПД в зоне малых значений i допустимо, так как на этих режимах коэффициент трансформации К > 1, то уменьшение КПД в зоне больших значений (i > iК=1) является нежелательным, потому что на этих режимах ГДТ работает в благоприятных условиях благодаря низким значениям сопротивления (нагрузки).
В комплексном ГДТ увеличить КПД при i > i К=1 можно путем разблокирования жесткой связи реактора с корпусом. Реактор начинает свободно вращаться в потоке жидкости, не воспринимая реактивный момент, и ГДТ работает как ГДМ, КПД которой достаточно высок при больших передаточных от ношениях.
В большинстве комплексных ГДТ смена режимов ГДТ и ГДМ осуществляется автоматически в зависимости от условий работы передачи, при этом используется естественное свойство ГДТ из менять знак момента на реакторе при iк=1 (Мн = Мт). Для ГДТ момент Мт = Мн ± Мр.
В точке А (рис. 4, а) момент Мр = 0, левее точки А
Мр > 0, правее Мр < 0. Если реактор освободить от жесткой связи с корпусом, то при i < iк=1 он будет вращаться в на правлении, противоположном направлению вращения турбинного и насосного колес, а при i > iк=1 − в том же направлении, что насосное и турбинное колеса.
Слева от точки А КПД гидромуфты меньше КПД гидротрансформатора, а момент Мгдм больше момента Мн гдт, что при том же моменте сопротивления (для данного i = const) потребует бóльших затрат мощности двигателя. Поэтому предпочтительно и желательно, чтобы при i < iк=1 ГДТ работал на режиме трансформации момента (Мн < Мт; К > 1) и реактор был жестко связан с корпусом передачи.
Рис. 4 . Комплексный однореакторный гидротрансформатор:
а − характеристики гидротрансформатора: А − точка нулевого
момента на реакторе;
б − схема: 1 − ролик; 2 − обойма; 3 − реакторный вал; 4 − пружина;
Справа от точки А КПД гидромуфты больше КПД гидротрансформатора, а момент Мн = Мт = М меньше момента Мнгдт. На этих режимах освобождение реактора и обеспечение его свободного вращения в потоке жидкости является желательным, так как от двигателя отбирается малая мощность и в то же время увеличивается КПД передачи.
Когда момент на турбинном ко лесе больше, чем на насосном, направление вращающего мо мента на реакторе противоположно направлению вращения на сосного и турбинного колес. Реактор заблокирован и неподви жен. Происходит трансформация вращающего момента. При снижении внешней нагрузки увеличивается скорость вращения турбинного колеса, вращающий момент на его валу становится меньше, чем на валу насосного колеса, а на реакторе направление реактивного момента меняется на противополож ное. Обгонная муфта разблокируется, и реактор начинает вра щаться в сторону вращения насосного и турбинного колес. При этом ГДТ переходит в режим работы гидромуфты: реактор благодаря об гонной муфте вращается в ту же сторону, что и турбинное коле со. Преобразования вращающего момента в этом случае не про исходит. Таким образом, при i > iк=1 желательно, чтобы ГДТ работал без трансформации момента (Мн = Мт; К= 1) как ГДМ.
На практике для обеспечения автоматического заклинивания реактора относительно неподвижного корпуса при i < iк=1 и его освобождения применяют различные конструкции муфт свободного хода (МСХ). Конструкция одой из таких муфт приведена на рис. 4 и рис. 5.
Неподвижный, жестко закреплен ный полый реакторный вал 3 охваты- вается обоймой 2, жестко связанной с реактором. Обойма 2 имеет фигурные внутренние пазы с наклонными плоско- стями, взаимодействующими с роликами 1, которые поджимаются к наклонным плоскостям обоймы пружинами 4. При
действии на реактор положительного мо-
мента + Мр он с обоймой 2 стремится вращаться по часовой стрелке, и наклонные плоскости обоймы находят на ролики 1. Так как угол наклона плоскости меньше угла трения, происходит заклинивание ролика между обоймой и валом, и обойма с реактором не вращается. При этом ГДТ работает на режиме трансформации момента. При дей ствии на реактор отрицательного момента −Мр он с обоймой стре мится вращаться против часовой стрелки, и этому ничто не препятствует, так как наклонные плоскости обоймы стремятся отойти от роликов, и реактор вместе с обоймой может свободно вра щаться. При этом ГДТ работает без трансформации момента (как ГДМ).
На рис. 6 показаны внешние характеристики такого комплексного ГДТ.
Рис. 6. Внешние характеристики комплексного
однореакторного гидро трансформатора;
а − идеальная; б − реальная: iк=1 − передаточное отношение при коэффициенте трансформации К = 1.
Идеальная характеристика (рис. 6, а) построена в предположении, что момент сопротивления при вращении ре актора равен нулю, и при iк=1 < i < 1 Мн = Мт. В реальных условиях имеют место потери при вращении реактора (на дисковое трение, в подшипниках реактора и т.д.), и действительная характеристика комплексного ГДТ имеет вид, показанный на рис. 6, б (при iк=1< i < 1 момент Мт меньше Мн на величину потерь).
Момент сопротивления при вращении реактора опреде- ляется в зависимости от режима работы и находится в заштрихованной области. Вследствие этого КПД комплексного ГДТ на режмахГДМ будет несколько меньше КПД «чистой» ГДМ.
5. Гидравлическая схема подпитки и охлаждения
гидротрансформатора
Ввиду замкнутости относительно малого объема гидротрансформатора переход всей теряемой при трении мощности в теплоту рабочей жидкости вы зывает её нагрев. Поэтому гидротрансформаторы час то снабжаются проточной системой охлаждения.
На рис. 7 представлена схема объединенных систем охлаж дения и подпитки, часто размещаемых в одном корпусе с гидро трансформатором.
Основным элементом систе- мы является насос (Н), как правило, шестеренный, который подает через гидрораспреде ли- тель (Р) в ра бочую полость- гидротрансформатора охлажден ную и очищенную фильтрами (Ф1 и Ф2) рабочую жидкость в стык между входом в насосное колесо и выходом из реактора. В линии нагнетания уста навлива- ется устройство для измерения давления рабочей жидко сти, в данном случае манометр (М).
Для создания и поддержа-
yия на определенном уровне из-
быточного давления в рабочей полости гидротрансформатора установлен подпорный гидроклапан (КЗ). Сливаемая из гидротрансформатора рабочая жидкость поступает через охлаждающее устройство (ОХ) в гидробак (Б). Гидроклапан (К1) предохраняет систему от разрушения, гидроклапан К2 предо-храняет фильтроэлемент фильтра Ф2 от разрушения при его засо рении, а гидроклапан К4 защищает охлаждающее устройство от разрушения при его засорении.
В некоторых схемах для предотвращения опорожнения рабо чей полости гидротрансформатора при стоянке устанавливают об ратные клапаны (OKI и ОК2).
Система охлаждения и подпитки обеспечивает три важных ус ловия, без выполнения которых не может стабильно работать ни один гидротрансформатор: поддержание температуры рабочей жидкости в заданном диа пазоне; восполнение утечек рабочей жидкости из рабочей полости че рез имеющиеся зазоры; предотвращение появления кавитации в зонах рабочей полости с пониженным давлением, например на входе в насосное колесо.
Поддержание температуры рабочей жидкости в заданном диа пазоне зависит, главным образом, от объема рабочей жидкости в системе охлаждения и подпитки рабочей полости гидротранс форматора. Максимальная температура рабочей жидкости состав ляет не более 80 °С. Опыт эксплуатации показывает, что суммарный объем рабочей жидкости должен быть не менее минутной по дачи насоса системы подпитки и охлаждения. Утечки жидкости из рабочей полости гидротрансформатора вос полняются насосом за счет поступления жидкости из бака системы.
Явление кавитации возникает в местах повышенных скоростей и пониженных давлений в потоке и предотвращается создаваемым тем же насосом избыточного давления, которое зависит от места подвода и отвода рабочей жидкости и режима работы гидротранс форматора. Наиболее оптимальным по избыточному давлению ме стом подвода питания является вход в насосное колесо, а отвода − выход из турбинного колеса. Для получения наибольшей эффек тивности точки отвода и подвода должны быть разнесены друг от друга по окружности на угол > 90°.
Полное отсутствие жесткой связи между приводным и выход ным валами при передаче мощности способствует тому, что поток жидкости между насосным и турбинным колесами эффективно га сит пульсации момента, порождаемые внезапными изменениями момента нагрузки вследствие изменения сопротивления на рабо чих органах приводимого механизма. При этом изменяется частота вращение выходного вала и, следовательно, скольжение, а момент на входном валу меняется плавно и медленно. Причиной этого яв ляется инерционность потока, перестраивающегося с запаздыва нием по отношению к изменению внешних нагрузочных парамет ров.
В условиях работы автотранспортных средств требуется расширить диапазон передаваемых моментов с 1,5...2,5 до 12. Один гидротрансформатор не может этого обес печить, и поэтому в мобильных машинах (автомобилях и др.) нашли применение гид ромеханические передачи, состоящие из гидротрансформатора и механической коробки перемены передач.
6. Достоинства и недостатки гидродинамических
передач
Главными факторами, обусловливающими достоинства ГДМ, являются отсутствие жесткой связи между входным и выходным валами, так как передача мощности осуществляется через допол нительное, например жидкостное, звено, и возможность получе ния желаемых характеристик ГДМ вследствие сравнительной про стоты управления их рабочим процессом.
Основные достоинства ГДМ, благодаря которым повышаются производительность и надежность машин, следующие:
– предохранение двигателей от перегрузки;
– обеспечение работы двигателя в оптимальных режимах (на пример, предотвращение работы двигателя при малой частоте вращения вала с высокой нагрузкой);
– возможность пуска двигателя под нагрузкой (например, с включенной трансмиссией);
– возможность остановки (стопорения) рабочего органа машины под нагрузкой при работающем двигателе и включенной передаче;
– возможность быстрого разгона любых маховых масс при любой передаче;
– плавное трогание с места и повышение проходимости машин вследствие плавного приложения момента к колесам авто мобиля;
– ограничение динамических перегрузок и крутильных колеба ний;
– возможность глубокого бесступенчатого регулирования скоростей исполнительных механизмов вплоть до отрицательных;
– улучшенные тормозные характеристики при торможении дви гателем;
– возможность работы нескольких двигателей для привода одного механизма;
– высокий КПД на оптимальном режиме;
– высокая энергоемкость (коэффициент мощности) при доста точно большой частоте вращения;
– улучшение условий работы оператора и повышение производительности его труда.
К недостаткам ГДМ следует отнести следующее:
− зависимость КПД от ре жима работы и его уменьшение при отклонении от оптимального режима;
− повышенные расходы топлива;
− более высокая стоимость изготовления.
Преимущества и недостатки для различных дорожных условий и типов автомобилей сказываются в различной степени. Наиболее существенно преимущества ГМП проявляются при их использовании в легковых автомобилях и в городских условиях.
Контрольные вопросы
Что называют гидродинамической передачей?
Из каких гидромашин состоит гидродинамическая передача?
Какой принцип действия динамических гидромашин?
На какие виды делятся гидродинамические передачи?
В чем состоит различие между насосами и гидродвигателями?
Какие величины относят к основным параметрам гидромашин?
От чего зависит КПД насоса?
На какие виды делятся гидродинамические передачи?
Чем отличается гидромуфта от гидротрансформатора?
Что понимается под термином «скольжение» в работе ГДМ?
11. Как определяется момент количества движения?
12. Какая теорема лежит в основе принципа работы ГДП?
13. Что такое внешняя характеристика гидродинамических передач?
14. Какое назначение реактора в гидротрансформаторе?
15. Напишите уравнение баланса моментов насоса и турбины.
16. Назовите основные свойства гидродинамических передач.
17. В чем состоят преимущества комплексного гидротрансформатора над некомплексным?
PAGE \* MERGEFORMAT15