Гидротурбопередачи предназначены для эластичной передачи вращающего момента от ведущего вала к ведомому путем преобразования энергии.
Гидротурбопередача состоит из центробежного насоса, закрепленного на ведущем валу, и гидравлической турбины – на ведомом валу.
Рабочим телом является вода или масло. В процессе работы передачи происходит преобразование динамического (скоростного) напора. Вся эта совокупность и определила название — гидротурбопередача.
По назначению и устройству гидротурбопередачи подразде¬ляются на гидротурбомуфты и гидротурботрансформаторы.
Гидротурбомуфты предназначены для передачи вращающего момента без изменения числа оборотов. Но ведомый вал вращается с числом оборотов на 2—4% меньшим, чем ведущий. Это отставание вращения принято называть скольжением, и оно обеспечивается установкой осевого зазора между колесами насоса и турбины.
По форме рабочих лопастей подразделяют нормальные и специальные гидротурбомуфты. У первых рабочие лопасти прямые и одинаковые как в насосе, так и в турбине, но количество лопастей разное. Специальные гидротурбомуфты имеют изогнутые лопасти и применяются в тех случаях, когда необходимо изготовить передачи с небольшим наружным диаметром.
На судах гидротурбомуфты применяются давно, но в основном только в качестве эластичной связи главных двигателей с гребным валом и в реверсивных устройствах. Гидротурбомуфты используются в редукторных передачах на теплоходах типа «Андижан», на учебно-производственных судах «Зенит», «Горизонт» и «Меридиан» и в комбинированных паромашинных установках с турбиной отработанного пара на судах типа «Донбасс» и др.
Применение гидротурбомуфт на этих судах вызвано тем, что ДВС и паровая турбина имеют довольно жесткие рабочие характеристики и не допускают неравномерного вращения вала и винта за счет внешних условий. Зубчатая редукторная передача также жесткая. Поэтому, чтобы ослабить влияние неравномерности вращения гребного вала (или, например, задевания винта в плавании на мелководье и в ледовых условиях) и обеспечить наилучшие условия работы ДВС и паровой турбины в редукторных передачах применяются гидротурбомуфты.
Довольно интересна и заманчива, хотя и не нова, идея использования гидротурбомуфт в реверсивных редукторных передачах, например, в судовых паротурбинных установках. Применение таких редукторов позволит отказаться от примене¬ния турбин заднего хода и устранит ряд известных трудностей и неудобств, связанных с использованием этих турбин.
В стационарных установках гидротурбомуфты используются широко для привода крупных металлорежущих станков, центробежных насосов, дымососов и вентиляторов. С помощью гидротурбомуфты можно в широком диапазоне регулировать число оборотов ведомого вала и величину передаваемого момента при достаточно высоком к. п. д. С учетом этого, а также с использованием опыта стационарной энергетики значительный интерес представляет навешивание судовых насосов на вспомогательные механизмы с приводом через гидротурбомуфты.
Прежде всего такие предпосылки есть для навешивания питательных насосов на вспомогательные турбогенераторы.
Гидротурботрансформаторы предназначены для передачи вращающего момента с изменением числа оборотов ведомого вала. Обязательный узел гидротурботрансформатора — направляющий аппарат.
Первый тип центробежной гидропередачи в виде гидротурботрансформатора был разработан проф. Фетингером еще в 1903—1907 гг. для привода гребного вала одного из морских судов. Однако после этого и до настоящего времени применение гидротурботрансформаторов на судах очень ограничено, и причиной этого можно считать довольно низкий к. п. д. по сравнению с зубчатыми редукторными передачами.
Конструкции гидротурбопередач
Нормальная нереверсивная гидротурбомуфта приведена на рис. 35.
Основу ведущего ротора, соединенного с валом двигателя, составляет колесо центробежного насоса с межлопастными каналами постоянного сечения. Каналы образованы прямыми лопастями и центральным полукольцом. Колесо насоса соединено с косозубым венцом и кольцом, образуя корпус гидротурбомуфты. С внешней стороны колесо насоса охватывается кольцом, имеющим возможность осевого передвижения и перекрывающим выпускные каналы корпуса колеса. Эти каналы служат для выпуска жидкости из гидротурбомуфты при выводе ее из действия.
Основу ведомого ротора составляет колесо гидротурбины, закрепленное на ведомом валу при помощи шпонки и гайки и одинаковое по устройству с колесом насоса.
Пустотелая цапфа ведущего ротора имеет внутри сквозное сверление для заполнения через него гидротурбомуфты рабочим маслом перед пуском. Скользящее кольцо при этом перекрывает выпускные каналы.
Вращение вала двигателя при работе муфты передается колесу насоса через косозубый венец. При своем вращении колесо насоса засасывает рабочее масло с центра и нагнетает его на колесо гидротурбины. Некоторое количество масла переливается в корпус муфты через зазор между колесом насоса и колесом турбины. В результате этого на турбину поступает меньше масла, энергия его оказывается меньше, чем выдает колесо насоса, и ведомый вал вращается с несколько меньшим числом оборотов. Жесткого соединения между валами нет и, если ведомый вал будет испытывать затормаживания вращения при работе, они не передадутся на рабочий вал и двигатель. Зазор между колесами выполняет роль как бы предохранительного устройства, и избыточная энергия, создаваемая насосом в виде перетекающего масла через зазор, не будет приводить к перегрузкам и неравномерностям в работе двигателя.
Отдав избыточную энергию в гидротурбине, рабочее масло опять засасывается насосом и нагнетается в турбину. В постоянности и непрерывности описанного процесса и заключается работа гидротурбомуфты.
При длительной работе гидротурбомуфты рабочее масло нагревается. Поэтому предусматривается циркуляционная масляная система с собственным маслоохладителем, прокачиваемым забортной водой.
Прекращение действия гидротурбомуфты производится выпуском рабочего масла из нее через выпускные каналы насоса, открываемые вручную или автоматически осевым перемещением скользящего кольца.
Гидротурбомуфты применяются в качестве составной части зубчатого редуктора главных двигателей на судах и в качестве соединительной части в механизмах с навешенными устройствами.
Нереверсивный гидротурботрансформатор приведен на рис. 36.
Принцип действия гидротурботрансформатора одинаков с принципом действия гидротурбомуфты. Но основное отличие его от гидротурбомуфты составляет обязательное применение направляющего аппарата.
Рабочее масло из насоса подается в направляющий лопаточный аппарат с суживающимися межлопастными каналами к выходу. Скорость масла увеличивается при истечении через каналы и увеличивается динамический напор его. Момент количества движения масла возрастает и оказывается большим на ведомом валу.
Скорость вращения вала определяется отношением подведенной мощности к вращающему моменту. И раз мощности на ведущем и ведомом валу почти равны, то число оборотов ведомого вала будет меньше.
Таким образом, в результате применения направляющего аппарата и выполнения гидротурбины с большим внешним диаметром, чем внешний диаметр колеса, насоса, достигается понижение числа оборотов ведомого вала.
Гидротурботрансформаторы изготавливаются реверсивными и нереверсивными с постоянным понижением числа оборотов и с передаточным отношением до 12.
