高速大功率液力傳動裝置及其調速運行經濟性

李春生，董泳

(1.濟南柴油機動力總廠液力傳動設備廠，山東濟南 250306;2.哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150001)

工業生產中的一些重要部門使用的流體輸送機械，如熱電廠、聯合電廠、核電廠的鍋爐給水泵及鼓風機，鋼鐵行業的煤粉輸運及除塵風機，石化工業的離心泵及管道壓縮機、氫再循環壓縮機等，都在向高參數、大容量的方向發展，目前單機功率已達到50 MW、轉速在20 000 r/min以上［1］。調速運行是滿足生產工藝流程工作機械參數調整的一種非常有效的方法，針對大功率負載的調速，可以收到更為顯著的節能效果。調速運行目前應用廣泛的主要有液力調速和變頻調速兩種方式。近些年來，大功率電力與電子技術發展迅速，變頻器成為應用廣泛的高技術產品，產品更新換代的周期也在加快，在中小功率調速傳動應用中占有明顯的優勢。雖然如此，液力傳動技術已有近百年的發展歷史，相對電氣傳動技術的迅速發展，不能說是技術已經落伍，而是變得更加成熟，在高速大功率應用領域，液力傳動近乎純機械式的動力傳輸仍然可以提供經濟可靠的解決方案。

1 高速大功率液力傳動裝置

1.1 齒輪式調速型液力偶合器傳動裝置

常規結構的調速型液力偶合器規格一般在3 000 r/min、6 000 kW以下。液力傳動元件泵輪輸入功率有如下的表達式:

式中:MB為泵輪輸入轉矩，N·m;

ωB為泵輪旋轉角速度，1/s，ωB=2πnB/60;

λMB為泵輪力矩系數，表征液力傳動元件能容的特征參數，1/［(r/min)2·m］;

ρ為工作液體密度，kg/m3;

nB為泵輪輸入轉速，r/min;

D為偶合器循環圓直徑，m。

由此可以看出，對于確定的偶合器腔型，提高液力偶合器的能容一方面可以加大偶合器的循環圓直徑，另一方面可以提高泵輪的輸入轉速。在偶合器結構尺寸受到限制的條件下，提高泵輪的輸入轉速是一種行之有效的方法，也符合高速大功率工作機械傳動的發展趨勢。

與普通的調速型液力偶合器相比，齒輪式調速偶合器傳動裝置的核心部件——偶合器本身的結構并無太大的區別，只是偶合器本體傳遞功率的密度更大了。泵輪輸入加裝增速齒輪，也使得高速運轉的設備適合于2極或4極鼠籠式電動機的轉速。

由于主要用于高速重載工作機械的動力傳輸，對系統關鍵組成部件的承載能力、強度、工作穩定性等提出了更高的要求。從圖1可以看出:齒輪式偶合器采用了穩定性更好、承載能力更大的滑動軸承;偶合器工作油與設備的潤滑油自成獨立的循環冷卻回路;為了提高系統的控制精度與響應時間，偶合器工作腔充液量的調節采用進出口調節的方式，導管的調節也采用了電液伺服機構，而不是普通型號調速型偶合器上常用的電動執行器驅動方式。所有這些措施，使得齒輪式調速型液力偶合器傳動裝置具有了一定的技術含量。

圖1 前增齒輪式調速型液力偶合器裝置［1］

為了獲得更高的輸出轉速，滿足負載工作轉速的要求，也有圖2所示的前增后增式的結構。

圖2 前增后增齒輪式調速型液力偶合器裝置［1］

1.2 液力行星齒輪復合傳動裝置

液力變速行星齒輪是20世紀80年代后期德國VOITH(福伊特)公司開發研制的一種高效液力變速傳動裝置，它既保持了傳統的液力元件的傳動特點，又改善了液力元件低速運行傳動效率低的不足之處。裝置采用模塊化設計，把不同的流體動力元件和機械部件組合安裝在一起，用于特定的傳動調速場合，堪稱流體動力學與機械學的完美結合。福伊特公司產品代號為Vorecon?，英文名稱為 Hydrodynamic Variable Speed Planetary Gear(液力變速行星齒輪)。圖3所示為VOITH公司RWE型傳動裝置，其基本組成為可調式液力變矩器和行星齒輪傳動機構，在60%～100%的調速范圍內，可以保持較高的傳動效率。

圖3 液力行星齒輪復合傳動裝置［2］

Vorecon裝置的運行基于功率分流原理，見圖4，即大部分的功率直接通過主軸和行星齒輪以機械形式傳遞，只有工作機械有必要調速的一小部分功率通過液力變矩器疊加在旋轉的行星齒輪上。由于大部分功率都是以機械形式傳遞，整個裝置的效率可以超過95%。負載轉速的調節由較小的那部分功率經過液力變矩器實現，這也是它具有高調節效率的原因所在。

圖4 功率分流原理［2］

液力變速行星齒輪通過改變疊加轉速來控制其輸出轉速，最高的輸出轉速對應最大的疊加轉速，疊加轉速降低或反轉將使得輸出轉速降低，而疊加轉速的變化則是通過調節液力變矩器內部導葉開度來實現。

圖5所示為旋轉行星齒輪的圓周速度分布，也表明了行星齒輪系把分流的功率通過行星架疊加的功能。齒圈由驅動電機帶動定速旋轉，如果行星架的速度為0，太陽輪也是以某個定速旋轉，由于存在齒輪系的傳動比，太陽輪的轉速要高一些。行星架由變矩器的渦輪驅動，太陽輪被疊加上一個額外的速度。行星架可以不同的速度由正反兩個方向驅動，使行星齒輪系獲得連續變化的傳動比，從而使太陽輪獲得不同的輸出轉速。

圖5 行星齒輪及圓周速度分布

圖6給出的是Vorecon裝置與齒輪式調速型液力偶合器傳動效率的對比，調速型液力偶合器在額定工況附近具有較高的傳動效率 (實際負載工作于額定轉速附近)，而液力行星齒輪復合傳動裝置在較寬的負載變化范圍內可以保持較高的傳動效率。

圖6 液力裝置傳動效率

圖7給出的是福伊特公司液力變速行星齒輪的另一種型號，與RWE型相比，除了液力變矩器以外，RW型產品還包含調速型液力偶合器以及內置的離合器和液力制動裝置，集成了液力傳動中的三大主要元件，這種設計使裝置的轉速控制范圍擴大到了10% ～100%。

圖7 RW型液力行星齒輪復合傳動裝置［2］

圖8 新型的RWC-M-D型傳動裝置［2］

圖9 RWC-M-D與VFD傳動效率對比［2］

圖8所示為福伊特公司新近推出的雙液力變矩器的液力行星齒輪。此種新型的液力變速傳動裝置使得大功率液力調速在較低的負載工作轉速下的傳動效率與變頻傳動裝置 (VFD)相比不再成為“短板”，見圖9。

2 液力調速與變頻調速總體傳動效率對比

液力行星齒輪的傳動效率總體優于調速型液力偶合器，以下僅對調速型液力偶合器和變頻器做出總體傳動效率的對比。

2.1 額定負荷工況

如圖10所示，額定負荷工況，考慮到調速型液力偶合器的滑差損失及冷卻水和油泵系統等輔助設備以及液力偶合器機械損失和容積損失，系統總體傳動效率為:

如圖11所示，同樣在額定負荷工況下，采用變頻器驅動的總體傳動效率:

圖11 變頻傳動系統總體布置與功率損失［3］

可以看出:工作于額定負荷工況附近，采用液力偶合器調速的總體傳動效率要高于采用變頻調速時的總體傳動效率。采用變頻方式的調速系統附加設備的功率損失影響了總體傳動效率。

2.2 部分負荷工況

圖12 電流型變頻調速電 動機的特性指標［4］

由圖6可以看到:采用調速型液力偶合器在50%負荷的工況下，傳動效率不到80%，這與圖12所示電流型變頻器調速電機50%調速工況的傳動效率大體相當。采用調速型液力偶合器方式，負載轉速調到額定轉速的50%，從后面偶合器調速節能的分析可以看到，此時的負荷為額定工況的1/8(12.5%)，對應圖6中液力偶合器的傳動效率為50%左右，與采用變頻調速方式相比，確實偏低。

實際運行中，12.5%額定負荷工況應該是不太常見的，特別是在大功率、大設備的工藝生產流程中，如此低的負荷調速運行則更為少見。從另一方面講，調速型液力偶合器主要應用于高轉速、大功率的調速場合，過多糾結于過低轉速 (對應過低的負荷)的運行節能分析并沒有太大的實際意義。

在泵與風機的變頻調速中采用較多是電流型變頻器［4］。變頻調速由于電機轉速的改變，電機低速運轉時功率因數降低較大。100%轉速比時功率因數約為0.9，50%轉速比時功率因數約為0.3，低速時無功損耗較大。應用液力調速時，電機轉速不變，功率因數變化較小，總功率因數在100%轉速比時約為0.9，在50%轉速比時約為0.65［5］。

2.3 液力偶合器的調速節能

針對無背壓管路系統中一臺風機的調速作以下簡要分析，設在額定工況下風機的軸功率為P*。

變速調節，風機管路特性曲線不變，風機特性曲線變化，可近似認為變速前后的工況點為相似工況點，滿足比例定律，假定轉速下降到原額定轉速的50%，降速后風機所需的軸功率為:

液力偶合器的調速效率等于轉速比，當轉速比iTB=0.5時，調速效率也等于50%，也就是說液力偶合器輸入的功率有一半為有效輸出功率，另一半要損失掉，因此原動機的輸出功率應為:

可見電機功率不是減小到額定功率1/2的關系，而是更為顯著地減小。

針對葉片式泵與風機的調速，隨著負載轉速的降低，也就是隨著液力偶合器轉速比的降低，液力偶合器的泵輪和渦輪所傳遞的功率也迅速減小。實際上，當液力偶合器泵輪傳遞的功率與渦輪的輸出功率都變得較小時，滑差損失功率也變得較小。雖然隨著負載轉速的降低，偶合器的傳動效率在下降，但由渦輪驅動的負載本身的轉矩按照轉速的平方比例在下降，負載的功率按照轉速的三次方的比例在下降，偶合器的基本特性是泵輪輸入轉矩等于渦輪輸出轉矩，由此使得與偶合器泵輪直接相連的原動機輸出功率也會大大減小，而偶合器損失的功率占的是原動機減小后的功率比例，并非是對應電動機額定轉速時的功率，雖然此時電動機仍然工作于額定轉速。調速后功率下降的直觀反應是電動機工作電流的明顯降低。調速型液力偶合器效率、功率與轉速比的關系見圖13，圖中為設計工況泵輪功率。

圖13 調速型液力偶合器效率、功率與轉速比的關系

嚴格說節能效果除與調速裝置的效率有關之外，與采用什么調速裝置沒有直接影響，節能效果的大小與風機水泵的運行機制有關［5］。長期在高轉速工況范圍運行，并且常用的調速運行范圍又在高轉速工作區域，采用調速型液力偶合器的方式節能效果應該優于采用變頻調速的方式，并且，采用液力偶合器調速，電機的功率因數始終高于變頻調速的電機，這也有利于電動機長期可靠地運行;在中小功率等級，負載調速范圍要求較寬，并且低速運行工況較為頻繁，采用變頻調速的方式則更合適一些。一方面，低速運行，偶合器確實存在較低傳動效率的固有特點，另外，價格上也不占優勢。

對于恒轉矩負載的調速，由于偶合器的基本特性是輸入轉矩等于輸出轉矩，即使導管的調節使得負載轉速得以調整，對于恒定的泵輪輸入轉速，與額定工況相比，泵輪的功率并沒有發生變化，因此，談不上功率的節省。

3 設備成本與運行維護

3.1 設備成本

液力偶合器的核心部件為相當于水泵葉輪的泵輪和相當于水輪機轉輪的渦輪，變頻器的核心部件為大功率的電力晶體管 (GTR)、可關斷晶閘管 (GTO)、場效應晶體管 (MOSFET)、絕緣門級雙極型晶體管(IGBT)，兩類重要組成部件的材料、加工成本、技術含量自然不可同日而語。

從圖11可以看出，為了防止變頻器的諧波對外界設備的干擾及供電電源的污染，需要配置諧波濾波器和隔離變壓器，傳動系統同樣也要配置單獨的油循環及冷卻系統，變頻器系統的安裝場合需要配置空調，另外還需要提供改善功率因數的設備，從變頻器到電動機的電纜鋪設也有較為嚴格的要求。所有這些保障變頻器安全可靠工作的附加裝置也大大增加了變頻調速系統的硬件成本及安裝成本。由此可見，大功率的變頻器驅動系統的成本明顯高于調速型液力偶合器傳動裝置。另外，大功率變頻器的成本也比液力行星齒輪復合傳動裝置高出許多［3，6］。

3.2 運行與維護

液力調速是有百年歷史的成熟技術，使用可靠，通常平均無故障運行時間可達8 000 h，有的甚至達到3×104h以上，泵輪、渦輪等主要工作部件壽命可達20年以上，且可以反復維修使用［5］。福伊特官網資料中給出液力行星齒輪 (Vorecon)可靠性達到99.98%和MTBF約為48年的數據［6］。變頻調速由于應用年限較短，缺少有關使用壽命的資料，但由于受電氣元件老化的影響，其壽命肯定不會比液力調速高。變頻調速的可靠性取決于電子元器件的技術和質量。

從安裝使用角度來看，變頻器需安裝在環境較好的電氣控制室內，對溫度、濕度、通風等均有嚴格要求;液力調速對使用環境條件要求不高，可以在戶外、井下、炎熱、寒冷、粉塵、潮濕等條件下使用。相比大功率變頻傳動裝置，大功率的液力調速裝置也具有節省安裝空間的優勢［3，6］。

從使用維護角度來看，變頻調速技術復雜，使用和維修均需高技術水平，主要元件尚需進口;液力調速技術簡單、使用方便、維修容易，不需要高技術水平的維護和操作，許多機械類元件國內均能生產。

4 總結

(1)變頻調速方式適用于調速范圍寬、且經常處于低負荷狀態下運行的場合，在中小功率、恒扭矩、低轉速的調速上占明顯優勢。

(2)液力調速技術成熟簡單、使用維護方便、使用壽命長，初始投資低、運行維護費用低，特別適合大功率高轉速葉片式流體輸送機械調速選用。

(3)液力變速行星齒輪是一類高效的傳動裝置，可以做到在較寬的調速范圍保持較高的傳動效率，同時也適應多種負載 (包括恒扭矩)類型的調速與驅動。模塊化的各個組成部分都采用了實踐證明的成熟可靠技術，對于經濟性和控制方面有更高要求的場合是一個很好的選擇。

【1】Voith Turbo.齒輪式調速偶合器［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】吳民強.泵與風機節能技術問答［M］.北京:中國電力出版社，1998.

【5】調速型液力偶合器與變頻器調速技術的比較［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.