一种新型的无级调速装置的开发和研究
第 23卷第 1期
2008年 1月
热 能 动 力 工 程
JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER
Vo1．23．No．1
Jan．，2008
文章编号 ：1001一加60(2o08)0l一0037—04
一 种新 型 的无级调 速 装置的开 发和研 究
袁 斌 ，陈 宁 ，徐 军民 ，邱敏 秀
(1．浙江科技学院 机械与汽车工程学院 ，浙江 杭州 310023；
2．浙江大学 流体传动及控制 国家重点实验室 ，浙 江 杭州 310027)
摘 要 ：介绍 了液 体粘性 调速 离合 器(HVD)的基 本 工作 原
理 ，对 HVD整机 结构 、液压 系统 进行 了设计 ，对加 工出的原
型样机进行 了试验研 究，并基 于试验 结果 对 HVD设计过 程
中应关注的几个关键技术 问题进行 了探讨。研究表 明：依 据
本文提 出的设计结构及液 阻、散 热、传 动介质 、弹 簧刚度 、活
塞有效面积 等 系统 参数 的合 理 配置 方 法 ，进 行 开 发 的 400
kW 级液 体粘性调速 离舍 器，能够实现额 定转速 1 500 r／min、
速 比 0、15 1的 无级 调 速 ，满 足 火力 发 电 企 业 的 工 程 实 际需
要 。
关 键 词 ：调速离合器 ；液体粘 胜传动 ；无级调速 ；开发 ；研究
中图分类号 ：TK223．7；TH137．3 文献标识码 ：A
引 言
风机和水泵作为通用机械 ，其耗电量极其大 ，尤
其在火力发电行业 ，锅炉给水泵和煤粉送风机耗 电
量约 占全部厂 用 电量 的 82％?，达 到总发 电量 的
4％～6％。 目前 ，国内火力发电企业在风机和水 泵
的使用中普遍存在一些 问题 ，例如，在很多场合采用
挡板或阀门来调节风量或水量 ，节流损失非常大 ；少
数企业采用液力偶合器 、电机变频调速等方法，对风
机和水泵进行无级调速 ，虽然能够大幅度 降低节流
损失 ，但仍然存在诸如设备改造投入巨大 、环境适应
性差或无法实现低转速大扭矩输 出等弊端_2]。
液体粘性调速离合器作为一种新型的调速机构 ，
在实际的工业应用中安装于动力源(如电动机)与负
载装置(如风机)之间 ，不仅能够实现对负载装置进行
无级调速(调速 比 0．15～1，且低速时不影响带载能
力)，同时还兼具普通湿式离合器 的功能，因而能够很
好地解决上述火力发电企业遇到的问题。针对此 ，本
科研小组与山东聊城某火力发 电厂合作，共 同设计、
研发了400 kW 功率等级的液体粘性调速离合器。经
试验研究 ，完全能够满足企业的实际工业需要。
1 基本工作原理[2]
液体粘性调速离合器的工作是基于牛顿 内摩擦
定律而建立 ，其工作原理如图 I所示 ：在两块平行放
置的平板之间 ，充满厚度为 的粘性液体 膜；当下
板保持 固定 ，上板以速度 平行于下板水平运动时，
则板间流体受到剪切 ，粘附在下板表面上流体分子
的速度为零 ，粘附在上板表面上 流体分子的速度为
，其间速度梯度 为一斜线。此 时为 了保 持上板恒
定的运动速度 ，则所需要 的力 ，与板 的面积 A和
速度梯度 v／8的乘积成正比，即 ：
F 0cAv／8
r= F／A = ／
液体粘性调速离合器利用 圆盘油膜工作时 ，经
过计算 ，可得到所能传递的转矩l_2j：
1 1
丁= 1 ( l一 2)去( 一r4)
式中： 一流体 的动力粘度 ，Pa·s； 一油膜厚度 ，m；
丁一转矩 ，N·m；n一圆盘油膜数 ； 一主动 片角速
度，rad／s； 2一被 动片角速度 ，rod／s；／'2一 圆盘油膜
外半径 ，m；／'1一 圆盘油膜内半径 ，m。
收稿 日期 ：2007—08一吣； 修订 日期 ：2007—09—04
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(50475106)；浙江省教育厅基金 资助项 目(20061474)
作者简介 ：袁 斌 (1974一)，男 ，浙江桐庐人 ，浙江科技学院讲师 ．
图 1 牛顿 内摩擦定律
十 ．'、
一程一 j_工j_ 一力一 一热一
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· 38 · 热 能 动 力 工 程 2008正
由此可见 ，液体粘性调速离合器所传递扭矩与
流体动力粘度 和主动轴与被动轴之间 的转速差
(CO1一∞2)成正比，与油膜厚度 成反 比。只要结构
和各参数选取合理，可以设计出传递较大功率 的液
体粘性传动装置。
2 液体粘II生调速离合装置结构设计
液体粘性调速离合器 由主机 、油膜系统 、电液控
制系统等主要部分组成。
2．1 液体粘性调速离合器主机设计
液体粘性调速离合器主机由主动部件 、被动部
件、液压缸、润滑密封部件和支承部件组成 ，如 图 2
所示。当需要系统进行无级调速时，动力 由主动轴
经过花键传至主动摩擦片，通过油膜剪切作用将动
力传至被动摩擦片 ，然后经花键传至被动轴及连接
的负载 ；当系统需要完成离合器功能时，主、被动摩
擦片被完全脱开至足够大的距离 ，油膜将无法生成 ，
系统失去带载能力。
图 2 液体 粘性调 速 离合 器主机
控制油通过 主动轴上 的进油孔进入主机左腔。
当负载需增速时，提高控制油的压力 ，推动活塞 向右
运动，压紧主动麽擦片和被动摩擦片，减小油膜的厚
度 ，从而提高输出转速 ；负载需减速时，降低控制油
的压力 ，在回复弹簧的作用下 ，活塞 向左运动 ，使主、
被动摩擦片间油膜厚度增大，进而实现输 出转速的
降低 ；负载需要脱离驱动时，切断控制油供给 ，使油
压降为零 ，在回复弹簧的作用下 ，主 、被动摩擦片完
全脱开 ，油膜 破裂 ，丧失 驱动 能力 。控 制油 阻尼孑L的
作用是给系统添加适 当的阻尼 ，以使控制油压在稳
定工作状态下保持恒定。
润滑和冷却油从被动轴上的油孔进入，通过被
动轴和被动摩擦片连接花键之间的间隙进入主、被
动摩擦片间，形成油膜传递扭矩 ，并从泄油孔回到油
箱 ，同时带走系统产生的热量。
2．2 液压系统设计
2．2．1 液压控 制 系统
由液压泵 、溢流阀、换 向阀、手动转速调节 阀和
电液比例转速调节阀等组成 ，如 图 3所示。正常工
作时，液压控制系统是通过液压固定 阻尼与电液 比
例转速调节阀的可变阻尼组成 c型液压半桥 ，来控
制液压缸的左腔压力。根据工作机不 同转速 的要
求 ，为液压缸提供所需压力 ，传递不 同的转矩和转
速 ，从而实现工作机的无级调速的目的。
图 3 液压 系统 简图
在电液比例转速调节 阀出现故 障的情况下 ，为
了保证系统仍能正常工作 ，配置了手动转速调节阀。
手动转速调节阀和电液 比例转速调节阀之间通过换
向阀进行切换 。
2．2．2 润滑 和冷却 系统
主要 由冷却器和溢流阀组成。润滑和冷却系统
的压力比较低 ，溢流阀起安全阀作用 ，常闭。
3 试验研究及分析
按照上述设计方法 ，对加工出400 kW 功率级液
体粘性调速离合器的样机(额定转速 1 500 r／min，调
速比0．15～1)进行 了试验研 究。针对 火力发电企
业的功能性能要求 ，这次试验的 目的主要有两个 ：一
是测试样 机 的调速 性 能 ；二 是测 试 样 机 的转 速 开环
控制稳定性。
图 4为液体粘性离合器试验装置。原动机为直
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第 1期 袁 斌 ，等：一种新型的无级调速装置的开发和研究 ．39 ．
流电动机 ，可以根据试验的要求调节转速。离合器
的前后装有转速转矩仪 ，可 以分别测出离合器的输
入轴和输出轴 的转速 、转矩。输出负载为水力测功
器 ，其功率与转速的三次方成正比。
图4 液体粘性 离合器的试验装置
3．1 试验结果
图 5为输出转速与转矩 的关系特性试验 曲线 ，
从试验结果看 ，输出转速与转矩基本呈线性关 系。
图7为离合器开环调速特性 曲线 ，证 明样机系统实
现了无级调速 的功能。图 5和图 6表 明，样机的功
能和性能很好地达到了企业的预期期望。
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图 5 输 出转速 与转 矩 的关 系特 性
控制油压力 ／MPa
图6 液体粘性 离合器开环调逮特性
目前 ，该样机在山东聊城某火力发电厂煤粉送
风机上 已经投入使用 l0个多月 ，每天连续 24 h工
作不停机 ，未发生任何故障。与该企业内同型号未
采用调速装置的煤粉送风机相 比，本样机 已为企业
节省电力 28．612×lo4kwh，节能效果显著。
3．2 在设计 中值得探讨的几个技术问题
3．2．1 液 阻 的 影 响
试验研究发现 ：液阻孔 (如图 2所示 )的大小将
直接影响到调速离合器的动态特性。将阻尼孔直径
从 0．6 mlTl调到 2 mlTl，进行了一系列的试验 ，发现 ：
阻尼孔越小 ，离合器的动态响应越慢 ，输出转速达到
稳态值所需时问越长 ，但同时系统的超调越小 ，振荡
越小；反之，阻尼孔变大时 ，系统响应灵敏，但同时动
态超调大 ，系统振荡幅度明显变大 ；当阻尼孔径超过
一 定范围时 ，液压系统难以建立控制油压 ，离合器将
无法进行控制。试验结果表 明：阻尼孔径 为 0．8～
1．2 n-lln时离合器具有最优动态调速特性。
3．2．2 调 速 离合 器 的 散 热 问题
调速离合器主机的散热是由系统提供 的冷却油
来实现的。冷却油通过开在被动轴上的油道 ，进入
润滑油腔 ，通过两端摩擦 片内花键与轴上外花键之
间的缝隙进入各摩擦片 ，然后 流回油箱。离合器功
率等级高 ，拥有多片摩擦片 ，发热较大 ，容易产生热
量积累 ，从而导致润滑油温升过高并丧失带载能力 ，
因此 ，必须对离合器采用强制冷却 以阻止上述润滑
油温升过高现象 的发生。试 验表 明，强制水冷是合
理的方案。此外 ，由于冷却油本身压力不高 ，容易导
致多片摩擦片中靠 中间的数片难以补充足够的冷却
油 ，在某些特殊工况下 ，无法及时散热 ，容易造成摩
擦 片的烧伤 、变形失效。试验证明，当离合器的功率
损失最大 ，即调速比为 0．67时 ，损失功率达到额定
功率的 14％左 右 ，此时发热量最大 ；当调速 比超过
0．96时 ，摩擦片 间距变得非常小 ，由于摩擦片 自身
的粗糙度、形位公差等几何 因素 ，部分油膜被刺穿 ，
摩擦片问将 由液体摩擦变为液 固混合摩擦 ，此时系
统也会严重发热；在上述两种工况下最容易发生摩
擦 片烧伤故障。因此 ，实际应用中，应使调速离合器
尽量避免在上述工 况下长时问工作 ；如果必须要在
上述工况下长时间工作 ，建议适当增大润滑和冷却
系统的供油压力和流量 。
3．2．3 离合 器的调速 范 围
为了提高调速离合器的可控性 ，必须增大离合
器的调速范围。试验证 明，适当减小液压缸活塞 的
有效作用面积 ，同时增大弹簧的刚度 ，能够很好地提
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· 40· 热 能 动 力 工 程 2008年
高控制压力的可控范围，从而使调速离合器的调速
比达 到 0．15～1。
3．2．4 润滑 油的 问题
调速离合器所传递 的扭矩与润滑油的动力粘度
成正 比。试验发现 ，当使用某些种类、牌号润滑油
时，即使离合器稳态工作，其控制压力、负载均保持
不变 ，但是其输 出转速也会小幅下降，其原因是润滑
油随着温度的上升 ，其动力粘度将减小 ，从而带载能
力减小。因此 ，选用动力粘度适合 、粘温特性优良的
润滑油 ，有助于系统获得优 良的稳态性能。通过试
验比较 ，推荐使用 6号或 8号液力传动油。
3．2．5 转速稳 定 问题
试验过程中，出现转速波动和不稳定问题 。主
要原因是由于油液清洁度不高 ，造成液压缸左腔的
阻尼孔发生堵塞 ，或造成液压控制系统中某 阀芯的
卡涩，从而引起控制油压的不稳定 ，最终导致输出转
速的不稳定 。由此可见油液的清洁度对于系统性能
极其重要。推荐液压控制油路 中使用过滤精度为
10舯 或以下的滤油器。
4 结 论
液体粘性调速离合器作为一种新型调速装置 ，
具有传动效率高 、动态响应快 、结构简单以及无级调
速等特点 ，具有广泛 的工程应用前景。在设计过程
中，合 理考虑 液阻、散热 、弹簧刚度 、液压缸有效面
积、传动介质等系统参数 ，对提高液体粘性调速离合
器的性能具有重要意义。
(1)液阻对于液体粘性调速离合器的动态性能
影响重大。试验证明：阻尼孔径为 O．8 1．2 1／lln时
离合器具有最优动态调速特性。
(2)液体粘性调速离合器运行时发热较大，宜
采用强制水冷防止传动介质温升过大。使用时，避
免使离合器长期工作在速 比为 0．96 1．0的工况 ，
以防止摩擦片烧伤。
(3)在结构设计时，尽可能减小液压缸活塞的
有效作用面积 ，并增大弹簧的刚度 ，能够使调速离合
器的调速比达到 0．15 1。
(4)推荐选用 6号和 8号液力传动油作为液体
粘性调速离合器 的传动介质 ，并采用过滤精度不大
于 10肿 的滤油器 ，以保证系统转速的稳定性。
参考文献 ：
[1] 肖兴和．液体粘性凋速离合器及其在火电厂的应用 [J]．热力发
电，2000，29(5)：52—54．
[2] 陈 宁 ．液体粘性传动(rtvo)技术 的研究 [D]．杭州 ：浙江大学 ，
2003．
(编 辑 滨 )
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丰技术改造 丰
矗{·}_{·}_{·}_{·}_{·}I，；
汽轮 机 高压 缸的现 代化 改造
((Teru：oaneprerrtKa>>2007年 4月号介绍 了应用合乎现代要 求的技术解决办法和现代的计算方法对 T一100
— 12．8型汽轮 机进 行改 造的 两个方案 。
目前，许多著名的公司(ABB Siemens，west．inghouse等)都在高压汽缸 中应用反动式叶片装置。应用它们
可以提高通流部分的经济性 ，但是 同时必须抵 消增加的轴向力并保证级 内转子和静子之 间以及在转子端部
有效 和 可靠的 密封。
应用通流部分最佳设计方法并引入叶片装置合理程度的规格化 ，制定高压缸改造的两个方案。
虽然这两个方案有着原则的区别，但在它们中具有下列相同的技术解决办法：
具有单列调节级的蒸汽分配；用于抵消反动式叶片装置附加轴向力的发达的平衡活塞；临界转速超过 3 000
r／min的装配好的鼓式转子；在汽缸的反动式部分 内装有导向叶片的焊接座 圈；在工作叶片和导向叶片处装有
减振垫圈的整铣围带；马刀形(弯扭联合)导向叶片；具有蜂窝状垫圈的围带上方多节流的轴径式密封。
在 高压缸的两个方案 中也应用了保证在运行过程 中保持 密封效果和使汽轮机达到必要机动性的技术解
决 办 法 。
具有新的焊接壳体的高压缸的强度特性、机动特性和效率均高于具有原始结构铸造壳体的高压缸。
所以，在 T一100—1．28型汽轮机高压缸改造时，应 用反动式叶片装置结合合乎现代要求的技 术解决办
法，允许汽缸达到高的经济性和足够的可靠性。
(吉桂明 供稿)
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