高速大功率液力传动装置及其调速运行经济性

李春生，董泳

(1.济南柴油机动力总厂液力传动设备厂，山东济南 250306;2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

工业生产中的一些重要部门使用的流体输送机械，如热电厂、联合电厂、核电厂的锅炉给水泵及鼓风机，钢铁行业的煤粉输运及除尘风机，石化工业的离心泵及管道压缩机、氢再循环压缩机等，都在向高参数、大容量的方向发展，目前单机功率已达到50 MW、转速在20 000 r/min以上［1］。调速运行是满足生产工艺流程工作机械参数调整的一种非常有效的方法，针对大功率负载的调速，可以收到更为显著的节能效果。调速运行目前应用广泛的主要有液力调速和变频调速两种方式。近些年来，大功率电力与电子技术发展迅速，变频器成为应用广泛的高技术产品，产品更新换代的周期也在加快，在中小功率调速传动应用中占有明显的优势。虽然如此，液力传动技术已有近百年的发展历史，相对电气传动技术的迅速发展，不能说是技术已经落伍，而是变得更加成熟，在高速大功率应用领域，液力传动近乎纯机械式的动力传输仍然可以提供经济可靠的解决方案。

1 高速大功率液力传动装置

1.1 齿轮式调速型液力偶合器传动装置

常规结构的调速型液力偶合器规格一般在3 000 r/min、6 000 kW以下。液力传动元件泵轮输入功率有如下的表达式:

式中:MB为泵轮输入转矩，N·m;

ωB为泵轮旋转角速度，1/s，ωB=2πnB/60;

λMB为泵轮力矩系数，表征液力传动元件能容的特征参数，1/［(r/min)2·m］;

ρ为工作液体密度，kg/m3;

nB为泵轮输入转速，r/min;

D为偶合器循环圆直径，m。

由此可以看出，对于确定的偶合器腔型，提高液力偶合器的能容一方面可以加大偶合器的循环圆直径，另一方面可以提高泵轮的输入转速。在偶合器结构尺寸受到限制的条件下，提高泵轮的输入转速是一种行之有效的方法，也符合高速大功率工作机械传动的发展趋势。

与普通的调速型液力偶合器相比，齿轮式调速偶合器传动装置的核心部件——偶合器本身的结构并无太大的区别，只是偶合器本体传递功率的密度更大了。泵轮输入加装增速齿轮，也使得高速运转的设备适合于2极或4极鼠笼式电动机的转速。

由于主要用于高速重载工作机械的动力传输，对系统关键组成部件的承载能力、强度、工作稳定性等提出了更高的要求。从图1可以看出:齿轮式偶合器采用了稳定性更好、承载能力更大的滑动轴承;偶合器工作油与设备的润滑油自成独立的循环冷却回路;为了提高系统的控制精度与响应时间，偶合器工作腔充液量的调节采用进出口调节的方式，导管的调节也采用了电液伺服机构，而不是普通型号调速型偶合器上常用的电动执行器驱动方式。所有这些措施，使得齿轮式调速型液力偶合器传动装置具有了一定的技术含量。

图1 前增齿轮式调速型液力偶合器装置［1］

为了获得更高的输出转速，满足负载工作转速的要求，也有图2所示的前增后增式的结构。

图2 前增后增齿轮式调速型液力偶合器装置［1］

1.2 液力行星齿轮复合传动装置

液力变速行星齿轮是20世纪80年代后期德国VOITH(福伊特)公司开发研制的一种高效液力变速传动装置，它既保持了传统的液力元件的传动特点，又改善了液力元件低速运行传动效率低的不足之处。装置采用模块化设计，把不同的流体动力元件和机械部件组合安装在一起，用于特定的传动调速场合，堪称流体动力学与机械学的完美结合。福伊特公司产品代号为Vorecon®，英文名称为 Hydrodynamic Variable Speed Planetary Gear(液力变速行星齿轮)。图3所示为VOITH公司RWE型传动装置，其基本组成为可调式液力变矩器和行星齿轮传动机构，在60%～100%的调速范围内，可以保持较高的传动效率。

图3 液力行星齿轮复合传动装置［2］

Vorecon装置的运行基于功率分流原理，见图4，即大部分的功率直接通过主轴和行星齿轮以机械形式传递，只有工作机械有必要调速的一小部分功率通过液力变矩器叠加在旋转的行星齿轮上。由于大部分功率都是以机械形式传递，整个装置的效率可以超过95%。负载转速的调节由较小的那部分功率经过液力变矩器实现，这也是它具有高调节效率的原因所在。

图4 功率分流原理［2］

液力变速行星齿轮通过改变叠加转速来控制其输出转速，最高的输出转速对应最大的叠加转速，叠加转速降低或反转将使得输出转速降低，而叠加转速的变化则是通过调节液力变矩器内部导叶开度来实现。

图5所示为旋转行星齿轮的圆周速度分布，也表明了行星齿轮系把分流的功率通过行星架叠加的功能。齿圈由驱动电机带动定速旋转，如果行星架的速度为0，太阳轮也是以某个定速旋转，由于存在齿轮系的传动比，太阳轮的转速要高一些。行星架由变矩器的涡轮驱动，太阳轮被叠加上一个额外的速度。行星架可以不同的速度由正反两个方向驱动，使行星齿轮系获得连续变化的传动比，从而使太阳轮获得不同的输出转速。

图5 行星齿轮及圆周速度分布

图6给出的是Vorecon装置与齿轮式调速型液力偶合器传动效率的对比，调速型液力偶合器在额定工况附近具有较高的传动效率 (实际负载工作于额定转速附近)，而液力行星齿轮复合传动装置在较宽的负载变化范围内可以保持较高的传动效率。

图6 液力装置传动效率

图7给出的是福伊特公司液力变速行星齿轮的另一种型号，与RWE型相比，除了液力变矩器以外，RW型产品还包含调速型液力偶合器以及内置的离合器和液力制动装置，集成了液力传动中的三大主要元件，这种设计使装置的转速控制范围扩大到了10% ～100%。

图7 RW型液力行星齿轮复合传动装置［2］

图8 新型的RWC-M-D型传动装置［2］

图9 RWC-M-D与VFD传动效率对比［2］

图8所示为福伊特公司新近推出的双液力变矩器的液力行星齿轮。此种新型的液力变速传动装置使得大功率液力调速在较低的负载工作转速下的传动效率与变频传动装置 (VFD)相比不再成为“短板”，见图9。

2 液力调速与变频调速总体传动效率对比

液力行星齿轮的传动效率总体优于调速型液力偶合器，以下仅对调速型液力偶合器和变频器做出总体传动效率的对比。

2.1 额定负荷工况

如图10所示，额定负荷工况，考虑到调速型液力偶合器的滑差损失及冷却水和油泵系统等辅助设备以及液力偶合器机械损失和容积损失，系统总体传动效率为:

如图11所示，同样在额定负荷工况下，采用变频器驱动的总体传动效率:

图11 变频传动系统总体布置与功率损失［3］

可以看出:工作于额定负荷工况附近，采用液力偶合器调速的总体传动效率要高于采用变频调速时的总体传动效率。采用变频方式的调速系统附加设备的功率损失影响了总体传动效率。

2.2 部分负荷工况

图12 电流型变频调速电 动机的特性指标［4］

由图6可以看到:采用调速型液力偶合器在50%负荷的工况下，传动效率不到80%，这与图12所示电流型变频器调速电机50%调速工况的传动效率大体相当。采用调速型液力偶合器方式，负载转速调到额定转速的50%，从后面偶合器调速节能的分析可以看到，此时的负荷为额定工况的1/8(12.5%)，对应图6中液力偶合器的传动效率为50%左右，与采用变频调速方式相比，确实偏低。

实际运行中，12.5%额定负荷工况应该是不太常见的，特别是在大功率、大设备的工艺生产流程中，如此低的负荷调速运行则更为少见。从另一方面讲，调速型液力偶合器主要应用于高转速、大功率的调速场合，过多纠结于过低转速 (对应过低的负荷)的运行节能分析并没有太大的实际意义。

在泵与风机的变频调速中采用较多是电流型变频器［4］。变频调速由于电机转速的改变，电机低速运转时功率因数降低较大。100%转速比时功率因数约为0.9，50%转速比时功率因数约为0.3，低速时无功损耗较大。应用液力调速时，电机转速不变，功率因数变化较小，总功率因数在100%转速比时约为0.9，在50%转速比时约为0.65［5］。

2.3 液力偶合器的调速节能

针对无背压管路系统中一台风机的调速作以下简要分析，设在额定工况下风机的轴功率为P*。

变速调节，风机管路特性曲线不变，风机特性曲线变化，可近似认为变速前后的工况点为相似工况点，满足比例定律，假定转速下降到原额定转速的50%，降速后风机所需的轴功率为:

液力偶合器的调速效率等于转速比，当转速比iTB=0.5时，调速效率也等于50%，也就是说液力偶合器输入的功率有一半为有效输出功率，另一半要损失掉，因此原动机的输出功率应为:

可见电机功率不是减小到额定功率1/2的关系，而是更为显著地减小。

针对叶片式泵与风机的调速，随着负载转速的降低，也就是随着液力偶合器转速比的降低，液力偶合器的泵轮和涡轮所传递的功率也迅速减小。实际上，当液力偶合器泵轮传递的功率与涡轮的输出功率都变得较小时，滑差损失功率也变得较小。虽然随着负载转速的降低，偶合器的传动效率在下降，但由涡轮驱动的负载本身的转矩按照转速的平方比例在下降，负载的功率按照转速的三次方的比例在下降，偶合器的基本特性是泵轮输入转矩等于涡轮输出转矩，由此使得与偶合器泵轮直接相连的原动机输出功率也会大大减小，而偶合器损失的功率占的是原动机减小后的功率比例，并非是对应电动机额定转速时的功率，虽然此时电动机仍然工作于额定转速。调速后功率下降的直观反应是电动机工作电流的明显降低。调速型液力偶合器效率、功率与转速比的关系见图13，图中为设计工况泵轮功率。

图13 调速型液力偶合器效率、功率与转速比的关系

严格说节能效果除与调速装置的效率有关之外，与采用什么调速装置没有直接影响，节能效果的大小与风机水泵的运行机制有关［5］。长期在高转速工况范围运行，并且常用的调速运行范围又在高转速工作区域，采用调速型液力偶合器的方式节能效果应该优于采用变频调速的方式，并且，采用液力偶合器调速，电机的功率因数始终高于变频调速的电机，这也有利于电动机长期可靠地运行;在中小功率等级，负载调速范围要求较宽，并且低速运行工况较为频繁，采用变频调速的方式则更合适一些。一方面，低速运行，偶合器确实存在较低传动效率的固有特点，另外，价格上也不占优势。

对于恒转矩负载的调速，由于偶合器的基本特性是输入转矩等于输出转矩，即使导管的调节使得负载转速得以调整，对于恒定的泵轮输入转速，与额定工况相比，泵轮的功率并没有发生变化，因此，谈不上功率的节省。

3 设备成本与运行维护

3.1 设备成本

液力偶合器的核心部件为相当于水泵叶轮的泵轮和相当于水轮机转轮的涡轮，变频器的核心部件为大功率的电力晶体管 (GTR)、可关断晶闸管 (GTO)、场效应晶体管 (MOSFET)、绝缘门级双极型晶体管(IGBT)，两类重要组成部件的材料、加工成本、技术含量自然不可同日而语。

从图11可以看出，为了防止变频器的谐波对外界设备的干扰及供电电源的污染，需要配置谐波滤波器和隔离变压器，传动系统同样也要配置单独的油循环及冷却系统，变频器系统的安装场合需要配置空调，另外还需要提供改善功率因数的设备，从变频器到电动机的电缆铺设也有较为严格的要求。所有这些保障变频器安全可靠工作的附加装置也大大增加了变频调速系统的硬件成本及安装成本。由此可见，大功率的变频器驱动系统的成本明显高于调速型液力偶合器传动装置。另外，大功率变频器的成本也比液力行星齿轮复合传动装置高出许多［3，6］。

3.2 运行与维护

液力调速是有百年历史的成熟技术，使用可靠，通常平均无故障运行时间可达8 000 h，有的甚至达到3×104h以上，泵轮、涡轮等主要工作部件寿命可达20年以上，且可以反复维修使用［5］。福伊特官网资料中给出液力行星齿轮 (Vorecon)可靠性达到99.98%和MTBF约为48年的数据［6］。变频调速由于应用年限较短，缺少有关使用寿命的资料，但由于受电气元件老化的影响，其寿命肯定不会比液力调速高。变频调速的可靠性取决于电子元器件的技术和质量。

从安装使用角度来看，变频器需安装在环境较好的电气控制室内，对温度、湿度、通风等均有严格要求;液力调速对使用环境条件要求不高，可以在户外、井下、炎热、寒冷、粉尘、潮湿等条件下使用。相比大功率变频传动装置，大功率的液力调速装置也具有节省安装空间的优势［3，6］。

从使用维护角度来看，变频调速技术复杂，使用和维修均需高技术水平，主要元件尚需进口;液力调速技术简单、使用方便、维修容易，不需要高技术水平的维护和操作，许多机械类元件国内均能生产。

4 总结

(1)变频调速方式适用于调速范围宽、且经常处于低负荷状态下运行的场合，在中小功率、恒扭矩、低转速的调速上占明显优势。

(2)液力调速技术成熟简单、使用维护方便、使用寿命长，初始投资低、运行维护费用低，特别适合大功率高转速叶片式流体输送机械调速选用。

(3)液力变速行星齿轮是一类高效的传动装置，可以做到在较宽的调速范围保持较高的传动效率，同时也适应多种负载 (包括恒扭矩)类型的调速与驱动。模块化的各个组成部分都采用了实践证明的成熟可靠技术，对于经济性和控制方面有更高要求的场合是一个很好的选择。

【1】Voith Turbo.齿轮式调速偶合器［EB/OL］.［2002 －04］.http://resource.voith.com/vt/publications/downloads/227_c_cr269_zh.pdf.

【2】Voith Turbo.Efficient Control of Pumps and Compressors:Vorecon Variable Speed Planetary Gear［EB/OL］.［2013－ 09］.http://resource.voith.com/vt/publications/downloads/214_e_cr168_en_vorecon-variable-speed-planetarygear.pdf.

【3】Voith Turbo.Variable Speed Drive Technology:Guarantor for Economic and Efficient Boiler Feed Pump Drive Cperation［EB/OL］.［2009 － 04］.http://resource.voith.com/vt/publications/downloads/214_e_cr168_en_vorecon-variable-speed-planetary-gear.pdf

【4】吴民强.泵与风机节能技术问答［M］.北京:中国电力出版社，1998.

【5】调速型液力偶合器与变频器调速技术的比较［EB/OL］.［2010 －02 －21］.http://www.ourjx.com/bbs/simple/?t76587.html.

【6】Voith Turbo.Advanced Speed Control for Pumps and Compressors.Vorecon with Dual Torque Converter.［EB/OL］.［2013 － 09］.http://resource.voith.com/vt/publications/downloads/2073_e_cr442_en_voith-vorecon-with-dualtorque-converter.pdf.