Энергосберегающие гидромуфты Voith Turbo

Основным резервом энергосбережения на тепловых электростанциях и водоканалах является уменьшение энергозатрат на собственные нужды путем регулирования производительности насосных установок. Чаще всего насосы на электростанциях управляются следующими способами: дроссельная заслонка, постоянный расход, циклическая система, двигатели постоянного тока, гидромуфты.

При этом регулируемые гидромуфты являются самым надежным устройством для оперативного изменения частоты вращения электроприводных центробежных нагнетателей (питательных и сетевых насосов, вентиляторов, компрессоров) при переменных нагрузках. При снижении нагрузки гидромуфта уменьшает частоту вращения насоса, что существенно улучшает его работу и продляет срок службы. Особенно экономично применение регулируемых гидромуфт в приводе центробежных лопастных машин. Глубина регулирования скорости в этом случае достигает соотношения 5:1.

Гидромуфты Voith Turbo, Германия – надежные компактные устройства, объединяющие в себе центробежный насос и рабочую машину. Регулируемая турбомуфта представляет собой гидродинамическую муфту, которая осуществляет передачу поступающей от двигателя энергии за счет динамических сил потока жидкости, циркулирующего в замкнутой рабочей полости между колесом насоса на ведущем (первичном) валу и аналогичным колесом турбины на ведомом (вторичном) валу. Т.е. крутящий (вращающий) момент двигателя преобразуется насосным колесом в гидродинамическую энергию рабочей жидкости, которая далее передается на рабочую машину, преобразованная в механическую энергию с помощью турбинного колеса.

Для обеспечения гидродинамической передачи энергии на электростанциях устанавливаются гидромуфты приводов вентиляторов и питательных насосов. Гидродинамическая муфта защищает систему привода от повреждений как в номинальных, так и в предельных условиях эксплуатации. Применение гидромуфт повышает надежность системы, обеспечивает значительную экономию, позволяет сделать управление машинами более эффективным и обеспечить непрерывный производственный процесс.

Виды гидромуфт

• гидромуфты с постоянным заполнением, обеспечивающие плавную передачу крутящего момента;
• гидромуфты с переменным заполнением, позволяющие регулировать передаваемую мощность и число оборотов исполнительного механизма.

Рабочие элементы и принцип действия гидромуфты

Рабочими элементами гидромуфты являются колесо центробежного насоса и колесо турбины, размещенные в общем корпусе и предельно сближенные. Рабочее колесо центробежного насоса расположено на ведущем валу (электродвигателя). Колесо турбины закреплено на ведомом валу (насоса), соосном с ведущим валом. При вращении ведущего вала рабочая жидкость, находящаяся в каналах колеса насоса, получает приращение механической энергии и передает ее лопастям колеса турбины. При выходе из колеса турбины рабочая жидкость вновь попадает во всасывающие отверстия колеса насоса и цикл повторяется. Основным способом регулирования частоты вращения ведомого вала является изменение наполнения рабочего пространства колес гидромуфты рабочей жидкостью.

Принцип действия гидродинамической передачи позволяет легко и плавно регулировать скорость управляемых машин. В то же время, гидравлические муфты ограничивают крутящий момент, обеспечивают распределение нагрузки и затухание крутильных колебаний.

У регулируемой турбомуфты уровень наполнения рабочей жидкостью может изменяться и регулироваться в процессе работы в диапазоне от 0% до 100%, тем самым обеспечивая точную и бесступенчатую регулировку скорости рабочей машины. Диапазон регулирования зависит от нагружающих характеристик (коэффициент отношения крутящего момента к частоте вращения).

Гидравлические потери в гидромуфте увеличиваются с уменьшением передаточного числа, что является недостатком гидравлических муфт. Кроме того, гидромуфты конструктивно более сложны, чем насосы. Однако по сравнению с применением метода дросселирования, основанном на перекрытии потока жидкости на входе или выходе из насоса или использования дополнительного гидравлического сопротивления, позволяют достигать экономии электроэнергии в среднем в размере 10% – 20% от объема потребления.

Возможности и основные цели применения гидродинамических муфт Voith Turbo

• плавное ускорение тяжелых масс;
• разгруженный (плавный) пуск двигателя и его разгон;
• возможность регулирования времени разгона;
• ограничение крутящего момента при пуске;
• защита от перегрузки двигателя и рабочей машины;
• эффективное демпфирование нагрузки и колебаний на многодвигательных приводах;
• возможность применения в качестве рабочей жидкости масла или воды.

Преимущества гидромуфт Voith Turbo (Фойт Турбо)

• компактная установка;
• регулировка скорости;
• возможность обеспечения маслоснабжения всего агрегата;
• стандартный электромотор;
• стандартные соединительные муфты;
• встроенная маслосистема;
• возможность установки как в помещении, так за его пределами
• межсервисный интервал – 8 лет;
• наработка на отказ – 154000 ч;
• простое обслуживание без привлечения сторонних специалистов;
• длительный срок службы;
• обеспеченность запчастями на весь срок службы.

Применение регулируемых гидромуфт Voith Turbo для энергетики

• питательные и сетевые центробежные насосы для ТЭЦ;
• насосы для городского водоснабжения;
• центробежные газовые компрессоры;
• вентиляторы, дымососы и воздуходувки.

Муфта типа SVTL представляет собой исполнение с собственными опорами валов, заключенное в туннельный корпус. Вращающиеся части опираются в закрытом, маслонепроницаемом корпусе. Главный двигатель и рабочая машина соединены с регулируемой турбомуфтой соединительными муфтами. Емкость для масла встроена в корпус, масляный насос приводится через вспомогательный отбор мощности от входного вала. Валы опираются на подшипники качения, подшипники смазываются маслом под давлением.
Муфты типа SVNL, VNLG представляют собой исполнение с собственными подшипниковыми опорами, заключенное в горизонтально разделенный корпус. Вращающиеся части опираются в закрытом со всех сторон, маслонепроницаемом корпусе. Главный двигатель и рабочая машина соединены с регулируемой турбомуфтой соединительными муфтами. Емкость для масла встроена в корпус, в качестве масляного насоса применяется центробежный насос, у некоторых исполнений – шестеренный насос, приводимый через вспомогательный отбор мощности от входного вала. Муфты типа SVNL оснащены антифрикционными подшипниками и SVNLG – подшипниками скольжения (втулками). На рисунке – регулируемая турбомуфта типа SVNL в приводе циркуляционного насоса.
Муфта типа SVL представляет собой исполнение с собственными опорами опираниеми валов и высокой мощностью. Входной и выходной валы опираются независимо друг от друга в литом корпусе. Главный двигатель и рабочая машина соединены с регулируемой турбомуфтой соединительными муфтами. Емкость для масла прифланцована к корпусу снизу. Имеются два контура циркуляции: рабочего и смазочного масла, оба контура снабжаются от механически приводимых насосов. Клапан регулировки циркуляции регулирует количество циркулирующего масла и обеспечивает тем самым экономию энергии. На рисунке – регулируемая турбомуфта типа 562 SVL в приводе для насоса сырой нефти/морской промысел.
В турбомуфте типа SVTW в качестве рабочей жидкости применяется вода вместо масла. В этой муфте сочетается новая концепция с зарекомендовавшей себя на практике технологией. Муфта прифланцовывается непосредственно к двигателю, благодаря чему обеспечивается компактность конструкции и простой монтаж. Муфты этого типа можно приобрести как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении. К областям применения этого типа относятся приводы насосов в системах орошения, коммунальном водоснабжении и системах сточных вод. При этом закачиваемая вода может использоваться в качестве рабочей жидкости. На рисунке – регулируемая муфта для воды SVTW в горизонтальном исполнении, прифланцованная к электродвигателю.

Справочная информация

В пусковых режимах электродвигатель насоса разгоняется вхолостую при полностью опорожненной гидромуфте. Кроме того, опорожнением гидромуфты насос всегда может быть отключен от двигателя. Мощность N2 на валу центробежного насоса пропорциональна кубу частоты его вращения. 
   N2= λ n23, n2 - текущая частота вращения вала насоса, равная частоте вращения турбины гидромуфты, где 
   λ –коэффициент пропорциональности, равный λ =Nн / n13; 
   Nн- номинальная (заданная) мощность насоса.
   n1-номинальная частота вращения насоса при допущении, что частота вращения асинхронного электродвигателя постоянна. 
   N1- мощность на валу насоса гидромуфты N1 = λ n23/ i (i = n2 / n1). 
   Потери мощности в гидромуфте равны: N1- N2= Nн · n23 / n13·i ─ Nн· n23 / n13= Nн (i2 –i3).
Значение i, при котором потери мощности в гидромуфте максимальны, определяется из равенства нулю 1-й производной уравнения потерь: 
   d(N1- N2) /di =0; Nн(2i- 3i)=0. i= 2/3 ≈0,667, что соответствует скольжению S =(1─ i)·100 %= (1─ 0,667).100% ≈ 33,3%. 
   Максимальные потери мощности составляют: 
  (N1 – N2)max = Nн (i2─ i3) = Nн· (0,6672─0.6673) ≈ 0,148 Nн. 
   Максимальные потери мощности в гидромуфте равны 14,8% от номинальной мощности.

Первые гидромуфты были спроектированы в начале XX века. Это уникальные изобретения инженера Г. Фëттингера, первого изобретателя гидропередачи, предложившего отказаться от использования реактора в турботрансформаторе (им же самим изобретенном) при реализации равенства моментов на насосе и турбине для передачи энергии с высоким КПД. Таким образом, в итоге появился второй тип гидродинамической передачи – турбомуфта, состоящая из двух, соосно расположенных друг напротив друга, лопастных колес, одно из которых соединено с вращающейся крышкой. Уникальные изобретения Г. Фëттингера фактически базируются на фундаментальной теории движения жидкости. В частности расчет теоретического значения крутящего момента гидромуфты связан с турбинным  уравнением Эйлера.
Согласно этому уравнению напор H, развиваемый насосным колесом центробежного типа, равен:
   H= ω1 /g ∙ (r1U1 ─  r2U2),  ω1= (π∙ n1)/30, где:
   ω1, n1 – угловая скорость и частота вращения насосного колеса, соответственно,
   r1,  r2    – соответственно наибольший и наименьший радиус циркуляционного потока,
   U1, U2 – соответственно линейная скорость на выходе и входе  колеса,
   g  ─ ускорение силы тяжести.

Момент турбомуфты определяется из формулы
   Мг= N / ω1= 1 / ω1∙( Q∙ ρ∙ g ∙ H ), где :     (1)
   N - мощность,
   Q - расход жидкости в каналах колес турбомуфты,
   Ρ - плотность жидкости.
Подставив в уравнение (1) значение напора, получим  формулу для теоретического значения момента турбомуфты:
   Мг = Q∙ ρ (r1U1 ─  r2U2)
Уравнение момента относится в равной мере как к насосному колесу (насосу), так и к турбинному колесу (турбине), т.е. 
   Мн (М1) = ─ Мт (М2).                                                           
КПД турбомуфты  η  определяется как отношение 
   η =   М2∙n2 / М1∙ n1.  
   Т. к. М2 = М1, то η = n2 / n1= i.
Это значит, что КПД равен передаточному отношению. Как правило, в виду имеется КПД при номинальном моменте турбомуфты.
Принимая во внимание связь турбинного уравнения Эйлера с основами теории гидродинамических передач, становится понятным появление термина турбомуфта, которую позднее чаще стали именовать как гидромуфта или, более корректно, гидродинамическая муфта.