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摘要：該文結(jié)合基于液力傳動(dòng)理論、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)分析，對(duì)水介質(zhì)液力減速器的腔型充液進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)；針對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵制造及工藝控制，揭示其腔型的規(guī)律和特性，將理論計(jì)算與試制結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證產(chǎn)品安裝的正確性，確保水介質(zhì)液力減速器在水輪發(fā)電機(jī)組得到推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水介質(zhì)；液力減速器；中小水輪發(fā)電機(jī)組

0 引言

      隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要， 中小水輪發(fā)電機(jī)組及其機(jī)械設(shè)備向著高負(fù)荷和大功率方向發(fā)展，但與之配套的液力減速器受鑄造葉輪材料的強(qiáng)度要求、制造工藝和產(chǎn)品試驗(yàn)?zāi)芰Φ闹萍s， 當(dāng)?shù)搅巳~輪線速度的極限時(shí)， 已不能僅靠加大液力減速器葉輪的工作腔循環(huán)圓有效直徑的辦法提高傳遞功率。中小水輪發(fā)電機(jī)組及其機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)速容易超過(guò)工作速度值， 為滿足設(shè)備運(yùn)行要求可配套防飛逸裝置的要求， 基于液力傳動(dòng)理論、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)分析，對(duì)配套的水介質(zhì)液力減速器的腔型充液進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了水介質(zhì)液力減速器， 它比傳遞相同功率的液力減速器，徑向尺寸降低約13%，葉輪線速度降低約13%，滿足液力減速器葉輪常用鋁合金材料的強(qiáng)度要求，減除液力傳動(dòng)中軸向力的影響。

1 水介質(zhì)液力減速器的原理

      水介質(zhì)液力減速器是一種以清水為工作介質(zhì)，具有雙腔結(jié)構(gòu)，過(guò)轉(zhuǎn)速保護(hù)作用的液力元件。水介質(zhì)液力減速器的基本結(jié)構(gòu)由泵輪、渦輪、連接筒、輸入半聯(lián)軸節(jié)、輸入軸、固定軸等組成。泵輪和渦輪對(duì)稱布置，泵輪和渦輪內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的徑向葉片，組成工作腔。工作中，往工作腔充入工作液體時(shí)能產(chǎn)生阻力，同時(shí)能減除液力傳動(dòng)產(chǎn)生的軸向力。

      工作原理：中小水輪發(fā)電機(jī)組工作時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組通過(guò)輸入軸帶動(dòng)液力減速器渦輪旋轉(zhuǎn)， 液力減速器工作腔內(nèi)沒(méi)有充液，此時(shí)，水輪機(jī)處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組超過(guò)允許速度值， 即需要實(shí)行防飛逸控制，往液力減速器工作腔內(nèi)充入清水，此時(shí)旋轉(zhuǎn)的渦輪在固定泵輪葉片和工作液力間產(chǎn)生雙重柔性阻力作用，渦輪（輸入軸）轉(zhuǎn)速被迫減緩，使水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速降低至允許速度值，同時(shí)消除液力傳動(dòng)中產(chǎn)生的軸向力，繼續(xù)往液力減速器工作腔充入增量的清水， 水輪機(jī)減緩速度就增大， 使中小水輪發(fā)電機(jī)組達(dá)到防飛逸控制和緩降負(fù)荷停車。反之，當(dāng)中小水輪發(fā)電機(jī)組低于工作速度值時(shí)，減少往液力減速器工作腔充入清水量，液力減速器消耗的負(fù)荷減少，渦輪轉(zhuǎn)速提高，使中小水輪發(fā)電機(jī)組升高到工作速度。這樣，只有當(dāng)中小水輪發(fā)電機(jī)組超過(guò)允許速度值時(shí),就往液力減速器充入清水，于是中小水輪發(fā)電機(jī)組靠清水便柔性地實(shí)現(xiàn)防飛逸控制和緩降負(fù)荷停車。水介質(zhì)液力減速器是同一臺(tái)液力減速器采用兩套泵輪和渦輪組成雙工作腔， 使在工作腔循環(huán)圓有效直徑相同的情況下，結(jié)構(gòu)緊湊；減除液力傳動(dòng)中的軸向力，阻礙力矩增大1.75~2 倍，旋轉(zhuǎn)渦輪與固定泵輪獨(dú)立支承。

      水介質(zhì)液力減速器具有優(yōu)質(zhì)的防飛逸作用和良好的節(jié)能效果，與中小水輪發(fā)電機(jī)組配套使用時(shí)，起柔性制動(dòng)、防飛逸控制和緩降負(fù)荷停車等作用，保護(hù)中小水輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)。水介質(zhì)液力減速器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便，改善了勞動(dòng)環(huán)境，并具有顯著的節(jié)能效果，無(wú)需特殊維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)。

      水介質(zhì)液力減速器主要適用于中小水輪發(fā)電機(jī)組和其他需防飛逸控制的設(shè)備。

2 結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

      水介質(zhì)液力減速器其結(jié)構(gòu)（見圖1）主要由箱體、旋轉(zhuǎn)渦輪組件、固定泵輪組件、供水系統(tǒng)等部件組成。

      2.1 箱體

      箱體采用水平剖分為箱蓋、箱座兩部分。箱蓋和箱座采用焊接結(jié)構(gòu)件，承載能力好。

     2.2 旋轉(zhuǎn)渦輪組件

      旋轉(zhuǎn)渦輪組件由輸入軸和渦輪組成，主要包括：輸入軸、渦輪A、渦輪B、輸入半聯(lián)軸節(jié)等；渦輪從工作腔的清水中獲得阻力，形成阻力矩，阻力矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

      2.3 固定泵輪組件

       固定泵輪組件由固定軸和泵輪組成，主要包括：固定軸、泵輪A、泵輪B、連接筒等；泵輪對(duì)工作腔的清水中產(chǎn)生阻力，使渦輪產(chǎn)生阻力矩，阻力與渦輪轉(zhuǎn)速的平方成正比。

     2.4 供水系統(tǒng)

      供水系統(tǒng)由進(jìn)水口、進(jìn)水管、排水口組成。水介質(zhì)液力減速器的主要結(jié)構(gòu)采用兩套泵輪和渦輪，組成兩個(gè)工作腔，旋轉(zhuǎn)渦輪組件與中小水輪發(fā)電機(jī)組連接，充液時(shí)渦輪由于高速旋轉(zhuǎn)使工作液（清水）產(chǎn)生液體能（位能與動(dòng)能），固定泵輪組件對(duì)工作液產(chǎn)生阻礙作用，形成阻力，作用于渦輪，從而使渦輪產(chǎn)生阻力矩， 阻力矩的大小與工作液的密度、渦輪轉(zhuǎn)速的平方、工作腔循環(huán)圓有效直徑與形狀等有關(guān)。水介質(zhì)液力減速采用雙腔結(jié)構(gòu)減除液力傳動(dòng)中軸向力的影響，工作腔型根據(jù)中小水輪發(fā)電機(jī)組的要求進(jìn)行改進(jìn)， 具有泵輪力矩系數(shù)高，充液快速合理等特點(diǎn)。保證水介質(zhì)液力減速器制動(dòng)力矩合理，阻力曲線平滑，轉(zhuǎn)速控制簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。水介質(zhì)液力減速器能夠平衡軸向力，簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高了工作穩(wěn)定性，減少振動(dòng)源，提高中小水輪發(fā)電機(jī)組壽命和產(chǎn)品可靠性。

3 產(chǎn)品關(guān)鍵制造及工藝控制

     3.1 產(chǎn)品關(guān)鍵制造要點(diǎn)

      水介質(zhì)液力減速器的工作腔設(shè)計(jì)是該產(chǎn)品的重點(diǎn)和難點(diǎn)， 組成工作腔的零件泵輪和渦輪是關(guān)鍵制造要點(diǎn)。渦輪既要承受本身材料質(zhì)量以及工作液體因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力， 又要受工作液體溫度迅速升高產(chǎn)生的變形的影響， 對(duì)零件致密性和結(jié)構(gòu)提出了很高的要求。為滿足使用要求，通過(guò)選取不同的腔型與結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，取得合理的腔型和結(jié)構(gòu)，既保證產(chǎn)品的泵輪力矩系數(shù)，又保證強(qiáng)度和剛度，節(jié)省成本。渦輪經(jīng)鑄造成形、熱處理、機(jī)加工后進(jìn)行探傷檢查，噴丸處理和動(dòng)平衡，保證葉輪工作的可靠性和使用壽命。

       3.2 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)

      水介質(zhì)液力減速器采用先進(jìn)的樹脂砂鑄造成形工藝，提高產(chǎn)品的性能和外觀質(zhì)量。樹脂砂造型工藝的主要特點(diǎn)：

      （1）石英砂中不存在泥粉、水分，粒度均勻，透氣性好；

      （2）鑄型強(qiáng)度高，保證腔型的形狀及尺寸的精確度和完整性；

      （3）鑄型可噴涂涂料，提高鑄件光潔度。

      3.3 產(chǎn)品裝配要點(diǎn)

      水介質(zhì)液力減速器主要工作部件為旋轉(zhuǎn)渦輪組件和固定泵輪組件，其安裝要求如下：

      （1）把已連接好的渦輪、輸入軸用螺栓固定；

      （2）將a 組吊反轉(zhuǎn)，裝入輸入軸承座、輸入軸承等，用螺栓固定；

      （3）把泵輪A 與連接筒用螺栓固定；

      （4）把已連接好的泵輪B 輪與固定軸用螺栓固定；

      （5）將d 吊裝入輸出軸承座和軸承中，用螺栓固定，安裝在箱座中，并固定；

      （6）將b、c 吊裝在箱座上，調(diào)整泵輪與渦輪的端面間隙符合設(shè)計(jì)要求；

      連接好固定泵輪組件，檢查旋轉(zhuǎn)渦輪組件，應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，連接準(zhǔn)確。

      3.4 產(chǎn)品試機(jī)

      （1）檢查各機(jī)械、電氣連接是否正確、是否安全；

      （2）檢查中小水輪發(fā)電機(jī)組、水介質(zhì)液力減速器轉(zhuǎn)向是否相同；

      （3）檢查控制閥的動(dòng)作靈活性和準(zhǔn)確性；

      （4）打開進(jìn)水閥，進(jìn)水壓力大于0.20MPa，出水暢順；

      （5）起動(dòng)中小水輪發(fā)電機(jī)組，觀察水介質(zhì)液力減速器轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)無(wú)異常；

      （6）加大水輪機(jī)進(jìn)水閥門開度，使中小水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速。繼續(xù)加大進(jìn)水閥門開度直至進(jìn)水閥門最大開度， 同時(shí)接通水介質(zhì)液力減速器的進(jìn)水管，水介質(zhì)液力減速器充液并降低中小水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，其最高轉(zhuǎn)速不超過(guò)中小水輪發(fā)電機(jī)組工作轉(zhuǎn)速的110%~150%；

      （7）按試運(yùn)行要求進(jìn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性調(diào)節(jié)；

      （8）試車過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)符合要求，水介質(zhì)液力減速器及管路不得泄漏、滲漏現(xiàn)象。

      注意事項(xiàng)：排水口的位置應(yīng)安全可靠，并設(shè)有警示標(biāo)識(shí)。產(chǎn)品保護(hù)裝置處設(shè)警示標(biāo)識(shí)。

      3.5 產(chǎn)品工業(yè)運(yùn)行

      （1）檢查；

      （2）保持進(jìn)水閥打開狀態(tài)，供水壓力大于0.2MPa，出水暢順；

      （3）水介質(zhì)液力減速器輸入轉(zhuǎn)速與中小水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速同步；

      （4）當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速超過(guò)工作轉(zhuǎn)速時(shí)，接通水介質(zhì)液力減速器的進(jìn)水閥，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，使中小水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速降低至工作轉(zhuǎn)速；

      （5）停機(jī)時(shí)，接通進(jìn)水管，進(jìn)水閥調(diào)至最大；

      （6）關(guān)閉水輪機(jī)進(jìn)水閥門；

      （7）運(yùn)行過(guò)程中每隔一個(gè)周期應(yīng)測(cè)量并記錄水介質(zhì)液力減速器轉(zhuǎn)速，振動(dòng)，軸承溫度等參數(shù)；

      （8）每隔一年給軸承加注潤(rùn)滑脂。

4 結(jié)束語(yǔ)

      目前，水介質(zhì)液力減速器在中小水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用市場(chǎng)還在開發(fā)中，其控制技術(shù)還需在實(shí)踐過(guò)程中完善和提高。水介質(zhì)液力減速器在中小水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用，可以降低運(yùn)行費(fèi)用，減少水輪機(jī)進(jìn)水閥門磨損和保護(hù)高壓管道，保護(hù)中小水輪發(fā)電機(jī)組。