注水系统液体粘性调速离合器的研制与应用

注水系统液体粘性调速离合器的研制与应用*

吴少路张宏文张兆华罗明英

（辽宁华孚石油高科技股份有限公司）

摘要分析了液体粘性调速离合器、液力偶合器和高压变频器的优、缺点，介绍了液体粘性调速离合器的原理和结构特点，提出了在大功率、高转速条件下解决旋转密封、合理润滑和转速控制的难题的方法。通过在辽河油田海一联合站的运行证明该产品节能效果明显，可以实现轻载起动和无级调速，自动化程度高，成本低，非常适合于油田注水系统的调速节能。

关键词液体粘性调速离合器注水系统水泵调速节能

引言

注水系统耗电量约占油田总用电量的33％～56％【1】，损失主要是由注水站内的泵管压差和注水管网的管阻、配水间及井口节流引起的。通过调速技术可以降低或消除泵管压差，有利于调度优化整个注水系统【2】。

注水系统常用的调速方法有高压变频调速和液力偶合器调速等。高压变频的优点是改造时安装、运行时切换比较方便，缺点是价格高，对电网有污染，高次谐波会对电机绝缘造成损害。从效率上看，液力偶合器效率不低于高压变频【3】，而液力偶合器的传动效率比液体粘性调速离合器低4%～5％, 且不能实现同步传动【4】。

液体粘性调速离合器是安装在主电机和大功率水泵、风机等之间，起调速、节能和轻载起动作用的机械设备，国外以美国Philadelphia Gear Corp.【5】和Twin Disc为代表。国内现有产品转速一般为1500r/min，功率较小，不适合注水系统。华孚公司产品的特点是高转速（最高3000r/min），大功率（最大4000kW）。

结构与工作原理

图1 液体粘性调速离合器主机的结构原理

1、主动轴

2、下箱体

3、上箱体

4、支撑盘

5、被动毂

6、被动摩擦片

7、主动摩擦片

8、被动盘

9、弹簧 10、活塞 11、涨圈 12、被动轴

1.主机结构

液体粘性调速离合器的主机结构原理见图1。

主动轴的左端有外齿，与具有内齿的主动摩擦片联接而同步旋转，主动摩擦片通过油膜

的剪切作用带动具有外齿的被动摩擦片，进而带动具有内齿的被动毂旋转，被动毂通过被动

盘带动被动轴旋转。

2.工作原理

根据牛顿内摩擦定律，活塞左端受控制油压力的作用克服弹簧力而右移，使主、被动摩

擦片间的间隙减小，输出转速增大。当控制油压力减小时活塞左移，间隙增大，输出转速减小。由于注水泵的转速可在主电机起动后逐步增加，因而可以起到轻载起动的作用。

润滑油的作用是向摩擦片之间充分供油形成工作油膜，并将所生成的热量带走。控制油

通过给油缸不同压力实现注水泵的无级调速。

3.主要技术参数

华孚公司研制的产品有YL－4、YL－8、YL－10、YL－16四种型号，额定扭矩分别为4000、8000、10000、16000N.m，额定转速3000r/min，调速范围额定转速的30％～100％。

关键技术

1.旋转密封

控制油进入到被动轴处有一个旋转密封结构，线速度达24m/s，设计密封压力2.0MPa。国内外在这里通常采用涨圈密封，涨圈材料一般采用Cu-Cr-Mo合金铸铁，表面进行锰磷镀。但是实践表明，在上述高线速度和高压条件下，涨圈磨损很快，磨损面为涨圈的端面。改用TMC作为涨圈的材料后，寿命有所提高；最后采用充填聚四氟乙烯，并把一道涨圈密封的结

构改为三道（见图1件11），涨圈上的通油槽面积由里向外依次减少，使三道涨圈平均承受

油压，取得了良好效果。

2.摩擦片合理润滑

如图1所示，在设计主动轴出油孔时，首先要保证所有摩擦片在分离状态时都能得到

润滑油，其次，出油孔不能都一样大，更不能把出油孔设计成出油槽，否则会造成前面的摩

擦片得油多，后面得摩擦片得油少，造成部分摩擦片烧毁。以YL－8型离合器为例，16个

出油孔由前到后分别为6个φ3.5，6个φ4和4个φ4.5。

3.转速控制

国内外普遍采用电液比例技术来调节输出转速，但是电液比例溢流阀对润滑油的清洁度

要求很高，油中稍有脏物便易使之失灵。改进后的设计通过一个3kW变频器来改变控制油泵

的转速，从而达到调节控制油压力的目的，转速调节的可靠性得到明显提高。

现场应用

辽河油田金马公司海一联合站1＃泵型号为DF140-150×11，额定转速2980r/min，额定

功率1250kW。由于注水量频繁变化，造成大量能源浪费在出口阀门上。安装YL－8型液体

粘性调速离合器后，转速根据需要控制在2200r/min到2980r/min之间，主电机起动时的冲

击明显降低，出口闸门完全打开。

金马公司通过对比上一年度的实际注水量和用电量得出结论，注水单耗由7.26 kW.h/m3下降到5.97 kW.h/m3,节电率达17.7%。全年节电165万度，节约注水成本80万元。该套装置自2004年5月正式投产后平稳运行至今。

结论

应用液体粘性调速离合器对油田注水泵进行调速具有以下特点：

1．节能效果明显，注水泵出口闸门可以完全打开，降低了注水泵的运行负荷。

2．可以轻载启动，减小了主电机启动电流对电网的冲击时间。

3．相对于高压变频调速，对电网和环境无污染，成本低。

4．可以实现无级调速，自动化程度高。

参考文献

1 丰国斌. 油田注水系统节能. 石油规划设计，1996，7（2）：7～9

2 贾光政，常玉连，邹龙庆等. 油田大型注水系统调速节能技术. 大庆石油学院学报，2000，24（1）：58～62

3 刘应诚. 调速型液力偶合器运行效率分析. 重庆工业高等专科学校学报，1999，14（Z1）：162～164

4 魏宸官，赵家象. 液体粘性传动技术. 北京：国防工业出版社，1996：198～199

5 Zuckowsky Mark. New mill drive system gives a boost to big grinding jobs. Eng Mining Jv . Feb 1973 ，80～84

作者简介：吴少路，高级工程师，生于1967年，1989年毕业于东北大学机械设计专业，1992年在东北大学获工学硕士学位，现从事石油机械研究工作。地址：（124013）辽宁省盘锦市兴隆台开发区。电话（0427）2885128。

Wu Shaolu(Liaoning Huafu Petroleum High-tech Co., Ltd, Panjin),Zhang Hongwen, Zhang Zhaohua, et al. Application of hydroviscous drive (HVD) in water-flooding system.

Advantages and disadvantages of hydroviscous drive (HVD), fluid coupling and high voltage inverter are analyzed. Based on the introduction of the principle and structure of HVD, feasible measures are proposed to solve the problems of: the rotary sealing under the condition of large power and high rotating speed, reasonable lubricating, and the controlling of rotary speed. The use of HVD in water-flooding system in Liaohe Oilfield shows that the energy-saving effect is remarkable, soft-start and stepless speed regulating can be easily realized, and with the high automation degree and the low cost, HVD are especially suitable for water-flooding system in oilfield to regulate the speed of pump, and to save energy.

Key words: hydroviscous drive (HVD), water-flooding system, pump,

speed-regulating, energy-saving

z本产品已获得国家实用新型专利，专利号：ZL200420070796.x。该项目2005年获辽宁省科技进步二等奖。