李春生，董 泳

(1.中国石油集团 济南柴油机动力总厂液力传动事业部，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)

0 引言

液力传动的应用与发展已有百年的历史，诸多的优良传动品质与特点，如能容大、功率质量比大、高可靠性、自动适应性，隔离衰减扭振、良好地过载保护与大惯性负载的启动性能等，已为广大用户所熟知与认可。

目前用于负载调速的液力传动装置主要有调速型液力偶合器和可调式液力变矩器。调速型液力偶合器采用外部手段调节工作腔中的充液量，改变偶合器的输出特性，达到调节工作机械转速的目的。在电站锅炉给水泵、钢厂煤粉输运风机、石化工业泵与压缩机的传动与调速方面有着非常广泛的应用。

液力元件传递的功率与泵轮输入转速的三次方、循环圆直径的五次方成正比，因此提高泵轮输入转速可大幅增加传动功率并减小体积，图1是齿轮增速式调速型液力偶合器，目前单机传递功率可以达到60 MW、转速20 000 r/min以上［1－4］。

液力偶合器调速技术成熟简单，使用维护方便、工作寿命长，初始投资低、运行维护费用低。但调速型液力偶合器装置传动效率等于转速比，在额定工况转速附近效率很高，而在较低负荷工况传动效率明显降低，因此不大适合调速范围要求较大的大功率调速的应用。

图1 齿轮式调速型液力偶合器传动装置［1］

导叶可调节式液力变矩器可通过调节可调导轮的叶片角来改变输出特性，图2为结构简图，特性曲线如图3所示。

从液力变矩器的特性曲线可以看出，涡轮输出转矩在制动工况时最大，随着转速比的增大，涡轮输出力矩单调下降，近似一条等功率曲线。可调式液力变矩器可应用于恒转矩的场合［5］，如容积式的往复泵(化肥厂的甲胺泵等)、螺杆泵、压缩机，还有混合搅拌机(如化工行业中的反应釜)、挤压机、石油钻机(绞车、钻井泵的驱动)等。对于恒转矩类的负载，虽然随着转速的降低，负载转矩近似不变，导叶开度减小泵轮转矩下降，泵轮输入功率减小，因此在低转速下效率要高于偶合器。

图2 导叶可调式液力变矩器［5］1－输入轴;2－泵轮;3－涡轮;4－输出轴;5－可调导叶; 6－导叶调节机构;7－齿轮泵;8－安全阀;9－油箱

德国福伊特公司的导叶可调式液力变矩器的一个重要应用场合是联合电厂燃气轮机启动［6－10］，通过设置不同的导叶开度，获得不同的输出特性，满足启动过程变化的速度与力矩特性的要求。导叶可调离心涡轮液力变矩器正反转工况特性还适合某些特殊负载工况的应用，如石油钻机驱动中替代电磁涡流刹车实现下钻制动功能［11］。

图3 导叶可调式液力变矩器原始特性

导叶可调式液力变矩器的最高效率一般不会超过90%，随着负荷的减小效率还会下降，虽然在低转速下效率高于偶合器，但还是比较低，用于大功率调速不占优势。

随着工业技术的发展与人们节能减排意识的逐渐深入，在大功率的应用场合，对于动力传输设备的传动效率提出了更高的要求。调速控制是目前应用非常广泛的节能运行方式，而传统的调速型液力偶合器、可调式液力变矩器都存在效率方面的局限，由此促使液力行业更加重视高效液力变速与传动装置的应用与开发。

1 液力变速行星齿轮复合传动装置

液力机械传动的效率很高，采用可调式液力元件即可实现调速。液力变矩器的效率曲线是抛物线形状，高效范围有限，要在增速、减速、恒速传动中获得高效，需要液力变矩器和行星齿轮结构参数之间的合理匹配。

1.1 增速调速传动

图4所示为福伊特公司的RWE型液力行星齿轮传动装置，其基本组成为导叶可调式液力变矩器和行星变速箱，在60%～100%的调速范围内，可以保持较高的传动效率。

液力变速行星齿轮的运行基于功率分流原理，即大部分的功率直接通过主轴和行星齿轮以机械传动方式传递，只有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，整个装置的最高效率可以超过95%。

图4 RWE型液力行星齿轮传动装置［12］A－导叶可调式液力变矩器;B－固定的行星齿轮;C－旋转的行星齿轮;D－工作油循环

图5给出分流各功率随相对输出转速的变化曲线。差动轮系太阳轮的输出功率(P3)相当于传输给工作机械的功率，这个功率包含齿圈传递的功率(P1)和行星架传递的功率(P2)。旋转行星齿轮的齿圈通过主输入轴直接与驱动电机相连，以恒定转速运转;接近75%的主电机功率通过差动齿轮系高效地传递给工作机械;旋转行星齿轮行星架的功率(P2)则通过液力变矩器传递。在高转速工作区域，只有大约25%的传递功率从液力变矩器分流到行星架，也只有这部分功率受液力变矩器工作效率的影响，计算工况变矩器的效率可以达到89%，也就是说，在液力变矩器中的损失功率占变矩器分流功率的11%左右，相对于整个传递功率，比例则更小一些。图5中P2负功率表明的是在较低的装置输出转速情况下，液力变矩器工作于反转制动工况，液力变矩器的涡轮吸收外部功率。

图6给出的是液力变速行星齿轮与齿轮式调速型偶合器传动效率的对比，齿轮式调速型偶合器只有在额定工况附近才具有较高的传动效率，而液力行星齿轮在较宽的负荷变化范围内可以保持较高的传动效率。

图6 液力装置传动效率对比［13］

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，包含调速型液力偶合器，以及内置的摩擦离合器和充液量可调的液力制动器，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%至100%。

液力变速行星齿轮弥补了调速型液力偶合器低速比或者低负荷工况效率偏低的不足之处，在机组60%～100%的负载率变化范围内具有与变频传动可比拟的总体传动效率，这一点，齿轮式调速型液力偶合器是做不到的。在负荷变化并不是十分大的场合，液力行星齿轮的总体优势还是非常明显的，是能够与高压变频器抗衡的大功率调速装置。国内此类产品目前处于空白，认知程度也不是很高，具有一定的应用及发展空间。这类传动装置重点应用在海上钻井平台、天然气管道、原油和流体输送管道、石油精炼厂、石化厂和其他工业设备中，应用环境对设备运行的经济性及可靠性具有很高的要求。具体应用领域有:

图7 RW型液力行星齿轮传动装置［13］A－调速型液力偶合器;B－摩擦离合器;C－可调式液力变矩器;D－变充液量液力制动器;E－固定的行星齿轮;F－旋转的行星齿轮

(1)能源工业:电站锅炉给水泵，鼓风机等;

(2)石油和天然气、化工行业:管线压缩机，工艺压缩机，制冷压缩机，氢再循环压缩机，液化天然气(LNG)原料气体压缩机，液化天然气(LNG)闪蒸气体压缩机等;

(3)其他工业:压缩机、泵和风机的驱动。

1.2 减速调速传动

RWE..AB是福伊特液力行星齿轮中用于低速传动的一种型号，转速调节范围60%～100%，配备的液力制动器可使大惯性的工作机械在停止运转时能够快速停机，图8是其原理简图。

图8 RWE..AB型液力行星齿轮传动装置

大功率液力变速行星齿轮减速传动，可用工业普通的4极或6极定速电动机，而不必考虑选用昂贵的、大功率多极低速电机配置高压变频器。

减速液力行星齿轮传动在火电厂的磨煤机上已有成熟应用。其他行业，如化工领域PVC生产线上的聚合釜、化肥厂柱塞式甲胺泵，石油矿场钻机设备，液化天然气往复式压缩机等低速工作机械，也可探讨采用液力行星齿轮替代可调式液力变矩器、调速型液力偶合器作为调速驱动装置。

1.3 恒速控制

福伊特公司于2003年提出“风电液力驱动”的概念，2006年研制成功液力恒速控制装置应用于DeWind公司的 D8.2风力机，装置命名为“Win-Drive”，实现了与常规燃油、燃气或燃煤电厂相似的直接并网发电方式。WinDrive装置的基本组成为一台行星变速箱和一台导叶可调式液力变矩器，仍然是一类典型的液力变速行星齿轮复合传动装置［14］。

图9 用于大型风力发电系统的液力行星齿轮传动装置

图10给出采用WindRive装置的风力发电系统原理，此种风力发电系统，可调式液力变矩器的主要功能是配合行星齿轮系，适应不断变化的风轮转速，利用分流的小部分功率实现变化的风轮转速到同步发电机转速的恒定输入，从而保证发电机输出电压与频率的稳定而不必附加其他大功率逆变装置。

图10 应用液力变速行星齿轮的风力发电系统原理简图

对于采用液力变速行星齿轮的风力发电系统具有如图11所示的组成部件的运动关系，图11中的液力变矩器“B”代表泵轮;“T”代表涡轮;“D”表示导轮。

根据图11的原理图，通过运动方程关系的建立与推导，可以得出变化的风轮转速到恒定的发电机输入转速、涡轮输出转速与风轮转速的匹配关系。

图11 风电液力恒速控制系统传动关系

式中 nG(nB)——太阳轮的转速，也是液力变矩器

的泵轮和发电机的输入转速/r·min－1;

nT——液力变矩器涡轮输出转速/r·min－1;

nR——风轮转速/r·min－1;

α1——差动轮系传动比;

α2——行星轮系传动比;

α3——增速箱传动比。

风轮通过增速装置驱动行星架旋转，太阳轮驱动液力变矩器的泵轮和发电机，通过液力变矩器涡轮输出转速的调节，使齿圈转速按某一规律响应风轮转速的变化，即可达到使发电机转速恒定输入的目的。

对于图11中的差动轮系传动机构，三个构件与它们相联的三个轴上的转矩存在如下关系。

式中 MB——液力变矩器泵轮输入转矩;

MG——发电机输入轴转矩;

－MT——液力变矩器涡轮输出转矩;

MR——风轮转矩。

根据式(2)中的转矩比例关系，可以得到液力变矩器涡轮的输出转矩。

由式(1)可得涡轮输出转速。

变矩器涡轮输出转矩与风轮转矩是标准的比例关系，而涡轮转速与风轮转速的关系则是一条负斜率直线的关系，即随着风轮转速的增大，风轮转矩增大，而液力变矩器涡轮输出转速则是降低的，涡轮输出转矩也是增大的。液力变矩器适应风轮工作的这种特征正是液力变矩器本身自动适应性的体现。

图12 WinDrive装置工作特性［14］

作为流体机械，液力变矩器的输出特性与风轮转子转矩—转速特性相吻合，因此，将两者配合起来使用是非常理想的。同时也不难理解，在图12所示的WinDrive工作特性曲线中，在常见的装置输入转速(对应变化的风轮输入转速)变化范围(n2～nmean)内，可调式液力变矩器工作在某一固定导叶开度附近即可满足系统工作要求，并保持较高的传动效率。

WinDrive装置已经进入商业化运行阶段，兰州电机公司(LEC)也于2011年引进采用WinDrive技术的风力发电机组［14］。WinDrive装置在新能源开发中的应用，为传统的液力传动技术拓宽应用领域开辟了新的方向。

2 结论

(1)调速型液力偶合器和单独的液力变矩器都难以满足用户在更宽的负荷变化范围内保持节能高效的运行要求。

(2)液力变速行星齿轮可以满足工业生产大多数应用场合高效传动的要求，同时也适应多种负载(包括恒转矩)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。

(3)液力行星齿轮应用于大型风力发电系统，仍然是基于功率分流的原理，从而获得较高的传动效率。兆瓦级的风机，几百千瓦以上的分流功率，对于液力传动尚属于低功率的等级，液力传动的明显优势依旧得以发挥。

［1］Voith Turbo.齿轮式调速偶合器［EB/OL］.［2002－04］.Cr269 Chin，1000 MSW，Voith Turbo GmbH＆Co.KG Variable speed drives，http://www.voithturbo.com.

［2］孙龙林，何仁.汽车无级变速(CVT)技术的发展概况与未来趋势［J］.世界汽车，2001(2):4－6.

［3］液力传动对汽车使用性能的研究［J］.内燃机，2005 (5):17－20.

［4］黎明，何玉林，李成武，等.风电机组新型传动系统协同控制仿真研究与分析［J］.机械设计，2008，25(3):36－40.

［5］孙广春，刘士宏，张文海.变频调速型液力偶合器电动给水泵在200 MW汽轮机组上的应用［J］.变频器世界，2011(11):82－86.

［6］Voith Turbo.Hydrodynamic Torque Converter Type EL［EB/OL］.［2006－06］.Cr208en，aikWF，Voith Turbo GmbH＆Co.KG Variable speed drives，http://www.voithturbo.com.

［7］鲁冬林，冯柯，陈海松，等.ZL50装载机换挡冲击故障分析与排除［J］.建筑机械化，2004，25(11):34－35.

［8］黄安华.如何正确使用自动变速器油［J］.汽车维修，2001(8):56－57.

［9］任宁宁.AT驱动带式输送机仿真研究［D］.济南:山东大学，2010.

［10］Voith Turbo.Voith Torque Converter starting system for gas turbine［EB/OL］.［2002－07］.Cr228en，MSW/WA.http://www.voithturbo.com.

［11］Voith turbo.Annual Report.WinDrive Prototype Test Run for First Customer in China［EB/OL］.Crailsheim，Germany:Voith Turbo Wind GmbH＆Co.KG，2010.12.

［12］徐菊清.YBT900液力变矩器反转制动在F320钻机上应用的探讨［J］.石油机械，1990，18(10):21－25.

［13］Voith Turbo.Vorecon——Variable－speed Planetary Gear［EB/OL］.［2007－09］.Cr168en，SvG.－SDL/SVG.http://www.voithturbo.com/variable－speed.

［14］Voith Turbo.WinDrive®—the Innovative Drive Concept for Wind Energy Plants［EB/OL］.Voithstr.174564 Crailsheim，Germany:Voith Turbo Wind GmbH ＆ Co.KG，2004.http://www.voithturbo.com/sys/php/docdb_stream.php?pk=1768.

［15］Voith Turbo.Project Report 2010［EB/OL］.Voithstr.174564 Crailsheim，Germany:Voith Turbo Wind GmbH＆Co.KG，2010.http://www.voithturbo.com/media/Projektreport_ BARD_Zwischenbericht_en.pdf.