1-01 液力变扭器

液力变扭器工作原理
液力变扭器正常工作时，充满内腔的滑油将沿着 前图9－8所示的箭头方向作循环运动。通过这种 流动，可把启动启动机发出的扭矩，由泵轮传递 给涡轮。 由于泵轮实质上就是一台离心式油泵。当它接受 了由启动柴油机传来的外功后，就能够使工作液 体在泵轮中增压，随后把高压液流输送给位于其 后的径流式涡轮，去推动它作旋转运动。
液力变扭器工作原理
启动机的升速过程中，使用被启动机直接驱 动的注液泵，把工作液体逐渐注入到液力变 扭器的环形内腔中去。由于工作液体充满了 环形内腔，并在其中作连续的循环流动，就 可以通过泵轮把启动机发出的扭矩，经放大 传递给涡轮。
液力变扭器工作原理
当涡轮被高压液流冲击而刚开始旋转时，作用在涡 轮从动轴上的扭矩 Mn* 将最大。此后假如使启动机 的功率和转速保持恒定不变，那么，随着燃气轮机 主轴转速的不断升高，作用在从动轴上的扭矩就会 按图9-4中曲线Mn所示的规律逐渐减小，以适应燃 气轮机启动特性的需要。
启动扭矩与转速关系分析
假如将启动柴油机的输出轴与机组的主轴直接相 联，两者始终有相同的转速，那么启动机本身就 无法启动，更不可能用它带动燃气轮机加速了。 因此，在机组的启动过程中，为了使柴油机本身 能够先被启动并加速上去，就不能把启动柴油机 的输出轴与和燃气轮轴相连接的传动轴直接相联， 必须在这两根轴之间加装一个液力变扭器。
液力变扭器工作过程描述
当启动机启动成功，并达到一定转速后，注 液泵才能使液力变扭器的环形内腔充油，以 便使液力变扭器开始工作。液力变扭器中的 回油将直接排回主油箱。
说明
液力变扭器出口的正常油温是： (82.2～100)℃。 允许连续安全运行的最高油温是： （121.1)℃。 液力变扭器的进油压力通常在: (0.38～8.0) MPa 。 回油压力则会由于液力变扭器的转速或速比 的改变而发生某些变化。
公式解释
当启动柴油机的功率和转速（也就是工作液体流 进涡轮时的绝对速度C1）保持恒定不变时，由于 关系式（10-3）中的G 、C1u 、r1 和r2都是常数 项，因而作用在从动轴上的扭矩Mn的大小就应该 只取决于C2u值的大小和方向。 当从动的燃机主轴尚未开始旋转时，由于C2u = W2u ，其方向又与C1u相反，此时，由启动柴油机 传递给燃气轮机主轴的启动扭矩将最大。此后， 随着机组转速的升高，由于C2u值减小或转变方 向，就会使作用在燃气轮机主轴上的扭矩越来越 小。
液力变扭器工作原理
在机组刚开始启动时，液力变扭器中环形内腔的 工作液体已完全排尽，那么，当启动机带着泵轮 旋转时，燃气轮机的主轴将仍然处于静止不动。 这样，就可以保证机组在刚开始启动时，使启动 机的输出轴与机组的主轴脱离传动关系。工作液 体逐渐注入变扭器环形内腔。 因而，启动机本身很容易启动起来并加速上去。
公式解释
当涡轮开始旋转后，由于圆周速度u2逐渐增大， 这就会使工作流体流出涡轮时所具有的绝对速度 C2，逐渐从W2的位置开始朝着C2’的位置过渡。当 涡轮的转速越高（即u2越大）时，C2偏离W2的方 向越厉害。这正意味着：在绝对速度C1保持恒定 不变的情况下（当然C1u也就恒定不变了），随 着涡轮转速的升高，式（10-3）中的C2u值将从 “-W2u”开始逐渐变化到零，最后将由于C2u与C1u 同方向，而变为“+ C2’ ”。
液力变扭器工作的动力学原理
根据功率（ N）等于扭矩与角速度的乘积 N= Mn•ω （10-2） 综合以上两式得到，当工作液体的速度在涡轮中 发生变化时，在从动轴上产生的扭矩是 Mn = G（C1u•r1- C2uCr2） （10-3） 上面三个公式中各量的物理意义如下：
公式中的各物理量含义
G —单位时间内流过涡轮的工作液体的质量； C1u—工作液体流进涡轮时所具有的绝对速度C1在圆周速 度u1方向上的分量； u1 —涡轮叶片进口平均半径处的圆周速度； r1 —涡轮叶片进口处的平均半径； C2u—工作液体流出涡轮时所具有的绝对速度C2在圆周速 度u2方向上的分量； u2 —涡轮叶片出口平均半径处的圆周速度； r2 —涡轮叶片出口处的平均半径； P —工作液体在涡轮中产生的功率； Mn —工作液体在从动轴上产生的扭矩； ω —燃气轮机转子的角速度。
液 力 变 扭 器 结 构 示 意
液 力 变 扭 器 结 构 图 0
液 力 变 扭 器 图 1
液 力 变 扭 器 图 作旋转运动的泵轮2和涡轮4，以及固定不能旋转 的导向轮5。泵轮与液力变扭器的外壳连成一体， 并用柴油机的输出轴来驱动。涡轮是通过从动轴3 以及启动离合器，与辅助齿轮箱中机组主轴的传动 轴1相联的。导向轮固定在不动的套筒上。 液力变扭器装配成套后，泵轮、涡轮和导向轮互相 配合在一起，共同组成一个环形内腔，工作时透平 润滑油充满其中，作为传扭的工作液体。
液力变扭器（续）
图9－4给出了在机组的启动过程中，机组需 从外界接受的启动扭矩随转速变化的关系曲线。 可见，燃机负载特性要求启动机转速低时，扭 矩大，用以克服燃机巨大的静态扭矩，二者的负 载启动特性良好地匹配起来。
启 动 扭 矩 与 转 速 关 系
扭矩特性
启动扭矩与转速关系分析
如选择柴油机作为启动机，柴油机的工作特性并 不能保证柴油机在启动瞬间就能发出很大的扭矩。 因柴油机所能发出的功率（或扭矩）与单位时间 内吸入到气缸中去的空气量有密切关系。 只有柴油机本身被启动起来并增速到一定转速后， 才能向它增加喷油量，进而使柴油机的转速和功 率（或扭矩）递增上去。
分析速度三角形矢量关系
1）＝0，油透平未转动。C2u=W2u,，且反向。油透 平的输出扭矩最大，满足冲转需要； 2）对具体的透平，出口相对速度为常数，随转速上 升C2u减小，油透平扭矩减小； 3）随转速上升，C2u由负值增加到零； 4）转速再上升，C2u与C2u同向，差值变小； 5）直到某一转速，差值为零，输出扭矩为零； 可见，上述过程符合主机扭矩起动要求。
液力变扭器工作的动力学原理
当启动柴油机的功率和转速维持不变时，绝对速 度C1的大小和方向也应该恒定不变。此后，这 股工作液体将以相对速度W2流出涡轮，也就是 以绝对速度W2流出涡轮，然后进入导向轮。 从叶轮机械原理的欧拉方程可知，工作液体在涡 轮中产生的功率是： N = G（C1u•u1- C2u•u2）= G（C1u•r1- C2u•r2）ω （10-1）
液力变扭器（续）
为什麽加装液力变扭器？ 为什么不将启动柴油机的输出轴直接和燃气 轮机主轴相联的启动离合器联接，而非要在 两者之间增设一个液力变扭器呢？
液力变扭器（续）
理由： 1、这是因为在机组的启动过程中，启 动机的工作特性并不能与燃气轮机的启动特 性直接相匹配的缘故。 2、在燃气轮机启动的瞬间，机组尚处 于静止状态，如使燃气轮机的转子从开始旋 转并加速上去，就一定需要从外界输入一个 很大的启动扭矩Mn*。它需要变扭器提供。
液力变扭器工作的动力学原理
在燃气轮机的主轴还没有旋转之前，已把启动机 单独启动起来了，而且在比较短的时间内，使其 转速升高到额定转速附近。 在此过程中，将工作液体逐渐注入液力变扭器的 环形内腔，使液力变扭器开始工作。离心式泵轮 可以使高压的工作液体以一定的绝对速度C1， 冲向装在涡轮轮盘上的叶列，参见图9-7。
公式解释
从图 9-7 上不难发现：在绝对速度 C1 恒定不变的 情况下，工作液体流出涡轮时所具有的C2的大小 和方向，将会由于涡轮转速的变化而不断地改变。 很明显，当涡轮即将开始旋转时，也就是当燃气 轮机的转子刚要启动旋转的瞬间， C2应等于 W2, 由于C1u的方向与W2u的方向彼此相反，因而，当 时作用在从动轴上的扭矩应等于 Mn* = G( C1u•r1 + W2u•r2 ) (10-4)
液力变扭器
联接启动机和燃气轮机的装置
液力变扭器用“软性”的液力方式联接启动 机与燃气轮机转子，启动机借助液力变扭器 传递扭矩给燃气轮机主轴。 液力变扭器允许启动机与燃机间有不同的转 速。二者间转速差越大，所传递的扭矩就越 大。
启动机转速与输出功率之关系
转轴传递扭矩的分析 （A） 转轴扭矩计算式： M1=Ne/ 式中：M1→启动机输出扭矩； Ne→启动机输出功率； →启动机角速度。 由公式可见，功率不变，转速低输出扭矩大； 转速高，输出扭矩小。该特性适合作为负载的 燃气轮机转子的启动特性要求。
液力变扭器原理小结
以上就是为什么在启动机的输出轴与燃气轮 机的主轴之间必须加装液力变扭器的根本原 因。 当用柴油机或交流电动机作为启动机时，在 它们和燃气轮机主轴之间加装液力变扭器， 也能达到上述获得匹配的启动扭矩特性的目 的。
液力变扭器工作过程描述
液力变扭器环形内腔中的工作液体（润滑油） 由启动机驱动的注液泵直接从机组的主润滑 油箱中抽取。 启动过程注液泵的转速低时，抽吸滑油的能 力不够，因而首先必须依靠机组滑油系统中 的事故滑油泵或辅助滑油泵，为液力变扭器 中转动部件润滑提供少量的润滑油。
液力变扭器扭矩特性解释
为什么液力变扭器具有上述变换扭矩大小的特性 呢？ 我们从它的工作原理上来进行分析。图9-6和图 9-7给出了液力变扭器中三个工作叶轮的展开示 意图和工作原理图。
液力变扭器图示
油 泵 出 口 油 流 速
工作叶轮展开示意图
工作叶轮展开示意图的制取方法是： 假想地沿着环形内腔的外侧圆周轮廓线，把每 个工作叶轮上用来安装叶片的曲面外壳板，向同 一个方向展开成平面，这样，原先在环形内腔中 互相循环衔接的泵轮4、涡轮3和导向轮5，就可 以被展开成为三个彼此顺序排列的环形平面，如 图10-6所示。

液力变扭器的作用
液力变扭器为机组的启动解决以下两个问题： ① 在机组刚启动时，使柴油机的输出轴与机组 的主轴脱离传动关系，保证柴油机能够首先单独 启动起来； ② 当柴油机启动成功并加速到相当高的转速时， 柴油机能通过液力变扭器以较大的扭矩传送给燃 机主轴，使燃气轮机启动并加速上去。 为什麽液力变扭器能够实现上述功能哪？