Čo sú hydraulické spojky a ako fungujú vo fluidných energetických systémoch?

Úvod

Predstavte si, že sa pokúšate naštartovať masívny priemyselný dopravný pás alebo lodnú vrtuľu tak, že narazíte mechanickou spojkou. Náhly otras by pravdepodobne prerušil prevody, poškodil motalebo a vytvoril nepríjemný zážitok pre kohokoľvek nablízku. Toto je miesto, kde hydraulické spojky – známe aj ako kvapalinové spojky – poskytujú elegantné riešenie. Namiesto pevného kontaktu kov na kov tieto chytré zariadenia nepoužívajú nič iné ako kvapalinu na hladký a efektívny prenos energie z jedného rotujúceho hriadeľa na druhý.

Hydraulické spojky sa používajú už viac ako storočie a pochádzajú z práce nemeckého inžiniera Hermanna Föttingera, ktorý si tento koncept patentoval v roku 1905. Dnes ich nájdete všade od automatickej prevodovky vo vašom aute po masívne priemyselné stroje, lodné pohonné systémy a dokonca aj dieselové lokomotívy. Ale napriek ich rozšírenému používaniu veľa ľudí úplne nerozumie tomu, čo sú alebo ako fungujú.

Čo je to hydraulická spojka?

Definícia a základný koncept

A hydraulická spojka - nazývaný aj a kvapalinová spojka or hydrodynamická väzba — je zariadenie, ktoré prenáša rotačnú mechanickú silu z jedného hriadeľa na druhý pomocou kvapaliny, zvyčajne oleja, ako prenosového média. Na rozdiel od mechanickej spojky, ktorá používa trecie platne alebo prevodovky, ktorá používa do seba zapadajúce zuby, má hydraulická spojka žiadne priame mechanické spojenie medzi vstupným a výstupným hriadeľom . Namiesto toho prúdi sila kinetickou energiou tekutiny.

Pojem „hydraulická spojka“ môže v skutočnosti odkazovať na dve odlišné kategórie zariadení a pochopenie tohto rozdielu je dôležité. Podľa Britannica existujú dva hlavné typy hydraulických prenosových systémov:

Tento článok sa zameriava na hydrokinetické kvapalinové spojky , ktoré sa používajú na rotačný prenos sily. Hydrostatické systémy (hydraulické čerpadlá a motory) sú úplne odlišnou technológiou, aj keď sa tiež nazývajú „hydraulické“.

Tri hlavné zložky

Jednoduchá kvapalinová spojka pozostáva z troch primárnych komponentov plus hydraulickej kvapaliny, ktorá plní pracovnú komoru:

Bývanie (Shell) – Toto je vonkajší plášť, ktorý obsahuje kvapalinu a dve turbíny. Musí mať olejotesné tesnenia okolo hnacích hriadeľov, aby sa zabránilo úniku. Kryt tiež slúži ako fyzické spojenie medzi vstupným hriadeľom a obežným kolesom čerpadla.

Čerpadlo (obežné koleso) – Táto súčiastka podobná ventilátoru je spojená priamo so vstupným hriadeľom, ktorý pochádza z hlavného motora (elektromotor, spaľovací motor alebo parná turbína). Keď sa hnací stroj otáča, čerpadlo sa s ním otáča presne rovnakou rýchlosťou. Čerpadlo obsahuje radiálne lopatky – zvyčajne ich je 20 až 40 – ktoré tlačia a usmerňujú kvapalinu.

Turbína (bežec) – Tento druhý ventilátorovitý komponent smeruje k čerpadlu a je pripojený k výstupnému hriadeľu, ktorý poháňa náklad (ako je dopravník, čerpadlo alebo prevodovka vozidla). Turbína nie je mechanicky spojená s čerpadlom; dotýka sa len tekutiny, ktorú naň pumpa vrhá.

Rozdiel od meničov krútiaceho momentu

Stojí za zmienku, že hydraulická spojka je nie to isté ako menič krútiaceho momentu, aj keď sa často zamieňajú. Základná kvapalinová spojka prenáša krútiaci moment bez jeho násobenia – výstupný krútiaci moment sa rovná vstupnému krútiacemu momentu (mínus menšie straty). Naproti tomu menič krútiaceho momentu obsahuje ďalší komponent nazývaný a stator ktorý presmeruje tok kvapaliny na skutočné znásobenie krútiaceho momentu pri nízkych otáčkach . V automobilových aplikáciách meniče krútiaceho momentu vo veľkej miere nahradili jednoduché kvapalinové spojky od konca 40-tych rokov, pretože poskytujú lepší výkon pri nízkych otáčkach. Kvapalinové spojky však zostávajú široko používané v priemyselných prostrediach, kde nie je potrebné násobenie krútiaceho momentu.

Ako funguje hydraulická spojka?

Föttingerov princíp

Každá moderná hydraulická spojka funguje na tzv Föttingerov princíp , pomenovaný po nemeckom inžinierovi , ktorý si tento koncept prvýkrát patentoval v roku 1905 . Princíp je zdanlivo jednoduchý: čerpadlo urýchľuje tekutinu smerom von a pohybujúca sa tekutina potom narazí na turbínu, čo spôsobí jej rotáciu. Kvapalina sa potom vráti do čerpadla, aby sa cyklus zopakoval.

Predstavte si to ako dva ventilátory stojace oproti sebe vo vnútri zapečateného puzdra naplneného olejom. Ak zapnete jeden ventilátor (čerpadlo), jeho lopatky tlačia olej. Pohybujúci sa olej potom narazí na lopatky druhého ventilátora (turbíny), čo spôsobí jeho roztočenie. Druhý ventilátor nie je spojený s prvým žiadnym pevným článkom – iba pohybujúcou sa tekutinou. To je podstata hydrodynamického prenosu sily.

Krok za krokom: Cyklus prenosu energie

Pozrime sa presne na to, čo sa deje vo vnútri hydraulickej spojky počas bežnej prevádzky.

Krok 1 – Primárny motor roztočí čerpadlo

Motor alebo elektromotor otáča vstupný hriadeľ, ktorý je spojený s obežným kolesom čerpadla. Keď sa čerpadlo otáča, jeho radiálne lopatky zachytávajú hydraulickú kvapalinu (zvyčajne olej) vo vnútri krytu spojky. Lopatky sú naklonené tak, že vrhajú kvapalinu smerom von a tangenciálne, podobne ako odstredivé čerpadlo.

Krok 2 – Tekutina získava kinetickú energiu

Čerpadlo udeľuje kvapaline lineárny a rotačný pohyb smerom von. Keď sa kvapalina pohybuje od stredu čerpadla smerom k vonkajšiemu okraju, získava významnú kinetickú energiu. Čím rýchlejšie sa čerpadlo točí, tým viac energie tekutina absorbuje. Vzťah je úmerný druhej mocnine vstupných otáčok: prenášaný krútiaci moment sa zvyšuje s druhou mocninou vstupných otáčok, zatiaľ čo prenášaný výkon rastie s druhou mocninou vstupných otáčok.

Krok 3 – Kvapalina zasiahne lopatky turbíny

Energizovaná kvapalina je smerovaná tvarom čerpadla smerom k turbíne (bežec). Pretože čerpadlo a turbína sú oproti sebe s malou medzerou medzi nimi, kvapalina vystreľuje cez túto medzeru a naráža na lopatky turbíny. Sila tohto nárazu prenáša moment hybnosti z tekutiny na turbínu, čo spôsobuje jej rotáciu v rovnakým smerom ako čerpadlo.

Krok 4 – Kvapalina sa vracia do pumpy

Po odovzdaní väčšiny energie turbíne prúdi kvapalina späť do stredu spojky a znovu vstupuje do čerpadla. Vznikne tak súvislý toroidný vzor prúdenia — kvapalina cirkuluje okolo dráhy v tvare šišky (torus) vo vnútri spojky. Pokiaľ sa čerpadlo stále otáča, kvapalina neustále cirkuluje a prenáša krútiaci moment.

Krok 5 – Krútiaci moment sa privádza do záťaže

Turbína je spojená s výstupným hriadeľom, ktorý poháňa záťaž. Keď sa turbína otáča, otáča výstupný hriadeľ, čím dodáva mechanickú energiu každému pripojenému stroju – či už je to dopravný pás, obežné koleso čerpadla, prevodovka vozidla alebo lodná vrtuľa.

Dráha toku tekutiny (toroidná cirkulácia)

Pohyb tekutiny vo vnútri hydraulickej spojky sleduje fascinujúcu toroidnú dráhu (v tvare šišky). Tento pohyb má dve zložky:

• Kruhový tok – Kvapalina sa otáča okolo osi otáčania po obvode spojky.
• Meridiálny tok – Kvapalina sa pohybuje z čerpadla do turbíny a späť, čím sa vytvára recyklačná slučka.

Keď sa vstupný a výstupný hriadeľ otáčajú rovnakou rýchlosťou, nedochádza k žiadnemu čistému toku z jednej turbíny do druhej – kvapalina sa jednoducho otáča na mieste. Ale keď existuje a rozdiel v rýchlosti medzi čerpadlom a turbínou (ktorá vždy existuje pod zaťažením) prúdi kvapalina energicky z čerpadla do turbíny a prenáša krútiaci moment.

Kľúčové prevádzkové charakteristiky

Slip – nevyhnutný rozdiel v rýchlosti

Jednou z najdôležitejších vlastností akejkoľvek kvapalinovej spojky je sklzu . Sklz je rozdiel v rýchlosti otáčania medzi vstupným hriadeľom (čerpadlo) a výstupným hriadeľom (turbína), vyjadrený v percentách.

Tekutinová spojka nemôže vyvinúť výstupný krútiaci moment, keď sú vstupné a výstupné uhlové rýchlosti rovnaké . To znamená, že pri zaťažení sa turbína musí otáčať vždy o niečo pomalšie ako čerpadlo. V správne navrhnutej hydraulickej spojke za normálnych podmienok zaťaženia je rýchlosť hnaného hriadeľa asi o 3 percentá menej než rýchlosť hnacieho hriadeľa . Pre menšie spojky sa sklz môže pohybovať od 1,5 % (veľké pohonné jednotky) do 6 % (malé pohonné jednotky).

Prečo záleží na šmyku? Pretože sklz predstavuje stratenú energiu. Sila, ktorá sa neprenáša na výstupný hriadeľ, sa rozptýli ako teplo v kvapaline v dôsledku vnútorného trenia a turbulencie. To je dôvod, prečo kvapalinové spojky nie sú 100% účinné - typická účinnosť sa pohybuje od 95% do 98%. Stratená energia ohrieva hydraulickú kvapalinu, a preto mnohé kvapalinové spojky vyžadujú chladiace systémy alebo sú navrhnuté tak, aby účinne odvádzali teplo.

Rýchlosť zastavenia

Ďalšou kritickou charakteristikou je pádová rýchlosť . Toto je definované ako najvyššia rýchlosť, pri ktorej sa môže čerpadlo otáčať, keď je výstupná turbína zablokovaná (nemôže sa pohybovať) a je aplikovaný plný vstupný krútiaci moment. V podmienkach zastavenia sa všetok výkon motora pri tejto rýchlosti premení na teplo v kvapalinovej spojke. Dlhodobá prevádzka pri zastavení môže poškodiť spojku, tesnenia a kvapalinu.

Rýchlosť zastavenia je obzvlášť dôležitá v automobilových aplikáciách. Keď vás zastaví na semafore so zaradenou automatickou prevodovkou, menič krútiaceho momentu (ktorý sa vyvinul z kvapalinovej spojky) je v stave čiastočného zastavenia. Motor beží na voľnobeh a kvapalinová spojka rozptyľuje malé množstvo energie ako teplo.

Scoop Control pre variabilnú rýchlosť

Jednou z najcennejších vlastností priemyselných kvapalinových spojok je schopnosť meniť výstupnú rýchlosť bez zmeny vstupnej rýchlosti. To sa dosiahne pomocou a ovládanie naberačky systém .

Lopatka je nerotujúca rúrka, ktorá vstupuje do rotačnej spojky cez centrálny náboj. Pohybom tejto naberačky – buď jej otáčaním alebo vysúvaním – môže operátor odobrať tekutinu z pracovnej komory a vrátiť ju do externého zásobníka. Menej tekutiny v spojke znamená menší prenos krútiaceho momentu a tým aj nižšie otáčky výstupného hriadeľa. Keď je potrebná vyššia rýchlosť, kvapalina sa čerpá späť do spojky.

To umožňuje plynulá regulácia otáčok veľkých strojov, ako sú napájacie čerpadlá kotlov, ventilátory a dopravníky. Elektromotor môže bežať konštantnou, efektívnou rýchlosťou, pričom výstupná rýchlosť sa plynule nastavuje podľa potreby.

Typy hydraulických spojok

Spojky s konštantnou náplňou

Najzákladnejším typom hydraulickej spojky je konštantná náplň spojka. Ako už názov napovedá, tieto spojky obsahujú pevný objem tekutiny, ktorý zostáva po celý čas v pracovnej komore. Sú jednoduché, spoľahlivé a vyžadujú minimálnu údržbu.

Spojky s konštantným plnením poskytujú:

• Plynulé zrýchlenie bez otrasov
• Ochrana proti preťaženiu (ak sa záťaž zasekne, spojka skĺzne namiesto zastavenia motora)
• Tlmenie torzných vibrácií

Bežne sa vyskytujú v priemyselných aplikáciách, ako sú dopravníky, drviče, ventilátory a čerpadlá. Séria Transfluid K je príkladom spojky s konštantným plnením, ktorá je k dispozícii pre elektrické aj dieselové aplikácie.

Spojky oneskoreného plnenia

A spojka oneskoreného plnenia (tiež známa ako spojka so stupňovitým okruhom) pridáva nádrž, ktorá zadržiava časť tekutiny, keď výstupný hriadeľ stojí alebo sa pomaly otáča. To znižuje odpor na vstupnom hriadeli počas štartovania, čo má dve výhody:

• Nižšia spotreba paliva keď motor beží na voľnobeh
• Znížené „tečenie“ v automobilových aplikáciách (tendencia vozidla pohybovať sa dopredu pri zaradenom prevodovom stupni s motorom na voľnobehu)

Akonáhle sa výstupný hriadeľ začne otáčať, odstredivá sila vyvrhne tekutinu von zo zásobníka a späť do hlavnej pracovnej komory, čím sa obnoví plná schopnosť prenosu výkonu.

Spojky s variabilným plnením (riadené lopatkou).

Ako je opísané vyššie, spojky s premenlivým plnením používajú naberaciu trubicu na riadenie množstva tekutiny v pracovnej komore počas prevádzky spojky. To umožňuje plynulé, plynulé riadenie rýchlosti poháňaného zariadenia. Používajú sa v aplikáciách vyžadujúcich variabilnú výstupnú rýchlosť, ako napríklad:

• Pohony napájacieho čerpadla kotla v elektrárňach
• Veľké pohony ventilátorov a ventilátorov
• Námorné pohonné systémy
• Odstredivé pohony kompresorov

Aplikácie hydraulických spojok

Priemyselné stroje

Kvapalinové spojky sa vo veľkej miere používajú v priemyselných aplikáciách zahŕňajúcich rotačný výkon, najmä tam, kde sú štarty s vysokou zotrvačnosťou alebo konštantné cyklické zaťaženie. Bežné príklady zahŕňajú:

• Dopravníky – Hladký rozbeh zabraňuje poškodeniu remeňa a rozsypaniu materiálu
• Drviče a drviče – Chráni motor, ak sa drvič zasekne o nerozbitný materiál
• Odstredivé čerpadlá – Umožňuje spustenie motora bez zaťaženia a potom postupne uvedie čerpadlo na otáčky
• Ventilátory a dúchadlá - Poskytuje variabilnú reguláciu rýchlosti pre úsporu energie
• Miešačky a rozvlákňovače – Absorbuje nárazové zaťaženie nepravidelných materiálov

Námorný pohon

Lode a člny používajú kvapalinové spojky medzi dieselovým motorom a hriadeľom vrtule. Kvapalinová spojka poskytuje v tomto náročnom prostredí niekoľko výhod:

• Umožňuje štart motora a voľnobeh bez otáčania vrtule
• Tlmí torzné vibrácie od motora
• Poskytuje hladký záber bez nárazov pri použití energie
• Chráni hnacie ústrojenstvo, ak vrtuľa narazí na úlomky

Železničná doprava

Dieselové lokomotívy a dieselové motorové jednotky (DMU) často používajú kvapalinové spojky ako súčasť svojich systémov prenosu energie. Výrobcovia ako Voith vyrábajú turboprevodovky, ktoré kombinujú kvapalinové spojky a meniče krútiaceho momentu pre koľajové aplikácie. Spoločnosť Self-Changing Gears vyrobila poloautomatické prevodovky pre British Rail, ktoré používali kvapalinové spojky.

Automobilový priemysel (historický)

V automobilových aplikáciách je čerpadlo zvyčajne pripojené k zotrvačníku motora (plášť spojky môže byť dokonca súčasťou samotného zotrvačníka) a turbína je pripojená k vstupnému hriadeľu prevodovky. Správanie kvapalinovej spojky silne pripomína správanie mechanickej spojky poháňajúcej manuálnu prevodovku – pri zvyšovaní otáčok motora sa krútiaci moment plynule prenáša na prevodovku.

Najznámejšia automobilová aplikácia bola Kvapalinový zotrvačník Daimler , používaná v spojení s predvoličovou prevodovkou Wilson. Daimler ich používal v celej svojej škále luxusných áut až do prechodu na automatické prevodovky v roku 1958 Majestic. General Motors tiež použil kvapalinovú spojku v Hydramatické prevodovka, predstavená v roku 1939 ako prvá plne automatická prevodovka v sériovo vyrábanom automobile.

Dnes hydrodynamický menič krútiaceho momentu vo veľkej miere nahradil jednoduchú kvapalinovú spojku v osobných automobiloch, pretože meniče krútiaceho momentu poskytujú násobenie krútiaceho momentu pri nízkych rýchlostiach, čím zlepšujú zrýchlenie zo zastavenia.

letectva

Kvapalinové spojky našli využitie aj v letectve. Najvýraznejší príklad bol v Turbo-zmesový piestový motor Wright , používané na lietadlách ako Lockheed Constellation a Douglas DC-7. Tri turbíny na rekuperáciu energie odobrali približne 20 percent energie (asi 500 konských síl) z výfukových plynov motora. Pomocou troch kvapalinových spojok a ozubenia sa výkon tejto vysokorýchlostnej turbíny s nízkym krútiacim momentom premenil na výstup s nízkou rýchlosťou a vysokým krútiacim momentom na pohon vrtule.

Výhody a obmedzenia

Výhody hydraulických spojok

Obmedzenia a úvahy

Inherentný sklz – Kvapalinová spojka nemôže dosiahnuť 100% účinnosť, pretože na prenos krútiaceho momentu je potrebný sklz. Časť energie sa vždy stratí ako teplo.

Tvorba tepla – Pri zablokovaní alebo silnom šmyku vzniká značné teplo. Veľké spojky môžu vyžadovať externé chladenie.

Nižšia účinnosť ako tuhé spojky – Z dôvodu vnútorných dynamických strát kvapalín majú hydrodynamické prevody tendenciu mať nižšiu účinnosť prevodu ako pevne spojené prevody, ako sú remeňové pohony alebo prevodovky.

Údržba tekutín – Hydraulická kvapalina časom degraduje a musí sa pravidelne vymieňať. Viskozita kvapaliny ovplyvňuje výkon a nesprávna kvapalina môže spôsobiť prehriatie.

Nie je vhodný na presnú synchronizáciu rýchlosti – Ak sa vstupné a výstupné hriadele musia otáčať presne rovnakou rýchlosťou, nemožno použiť kvapalinovú spojku, pretože sklz je neoddeliteľnou súčasťou jej činnosti.

Často kladené otázky (FAQ)

Q1: Aký je rozdiel medzi hydraulickou spojkou a meničom krútiaceho momentu?

Základná hydraulická spojka prenáša krútiaci moment bez násobenia – výstupný krútiaci moment sa rovná vstupnému krútiacemu momentu (mínus straty). Menič krútiaceho momentu obsahuje dodatočný komponent nazývaný stator, ktorý presmeruje tok tekutiny, čo umožňuje výstupný krútiaci moment znásobené pri nízkych rýchlostiach. Vďaka tomu sú meniče krútiaceho momentu lepšie pre automobilové aplikácie, kde je potrebný vysoký rozbehový krútiaci moment.

Q2: Môže hydraulická spojka dosiahnuť 100% účinnosť?

Nie. Kvapalinová spojka nemôže vyvinúť výstupný krútiaci moment, keď sú vstupné a výstupné otáčky rovnaké, takže je vždy potrebný určitý sklz. Pri normálnej prevádzke je účinnosť zvyčajne 95–98 %.

Q3: Aký typ kvapaliny sa používa v hydraulickej spojke?

Väčšina hydraulických spojok používa kvapaliny s nízkou viskozitou, ako sú viacstupňové motorové oleje alebo kvapaliny pre automatické prevodovky (ATF). Zvýšenie hustoty kvapaliny zvyšuje krútiaci moment, ktorý môže byť prenášaný pri danej vstupnej rýchlosti. Pre aplikácie, kde výkon musí zostať stabilný pri zmenách teploty, sa uprednostňuje kvapalina s vysokým indexom viskozity. Niektoré spojky sú dostupné aj pre vodnú prevádzku.

Q4: Ako ovládate rýchlosť hydraulickej spojky?

V spojke s variabilným plnením (riadenou lopatkou) odoberá nerotujúca naberacia trubica tekutinu z pracovnej komory, keď je spojka v prevádzke. Menej kvapaliny znamená menší prenos krútiaceho momentu a nižšie výstupné otáčky. Ovládaním polohy lopatky je možné plynule nastaviť výstupnú rýchlosť od nuly po takmer vstupnú rýchlosť.

Q5: Čo sa stane, ak hydraulická spojka vyschne?

Ak kvapalinová spojka funguje bez dostatočného množstva kvapaliny, nebude schopná preniesť požadovaný krútiaci moment. Čo je kritickejšie, obmedzený objem kvapaliny sa rýchlo prehreje, čo často spôsobí poškodenie tesnení, ložísk a krytu.

Q6: Používajú sa hydraulické spojky stále v moderných automobiloch?

Jednoduché kvapalinové spojky boli v osobných automobiloch z veľkej časti nahradené meničmi krútiaceho momentu. Niektoré moderné automatické prevodovky však stále používajú princípy kvapalinovej spojky a termín "kvapalinová spojka" sa niekedy v bežnej konverzácii používa zameniteľne s "meničom krútiaceho momentu".

Otázka 7: Prečo sa moja kvapalinová spojka zahrieva?

Vytváranie tepla je normálne, pretože energia stratená pri šmyku sa rozptýli ako teplo. Nadmerné teplo však naznačuje príliš veľký sklz, ktorý môže byť spôsobený preťažením, nízkou hladinou kvapaliny, nesprávnym typom kvapaliny alebo nefunkčným chladiacim systémom.

Q8: Ako dlho vydrží hydraulická spojka?

Pretože medzi čerpadlom a turbínou nedochádza k mechanickému kontaktu, kvapalinové spojky sú mimoriadne odolné. Hlavnými komponentmi opotrebovania sú tesnenia a ložiská. Pri správnej údržbe a výmene tekutín môžu priemyselné kvapalinové spojky vydržať desaťročia. $