摘要：该文结合基于液力传动理论、机械产品设计及关键技术分析，对水介质液力减速器的腔型充液进行参数化设计和优化设计；针对产品关键制造及工艺控制，揭示其腔型的规律和特性，将理论计算与试制结构进行对比，从而验证产品安装的正确性，确保水介质液力减速器在水轮发电机组得到推广应用。

关键词：水介质；液力减速器；中小水轮发电机组

0 引言

      随着科技进步和经济发展的需要， 中小水轮发电机组及其机械设备向着高负荷和大功率方向发展，但与之配套的液力减速器受铸造叶轮材料的强度要求、制造工艺和产品试验能力的制约， 当到了叶轮线速度的极限时， 已不能仅靠加大液力减速器叶轮的工作腔循环圆有效直径的办法提高传递功率。中小水轮发电机组及其机械设备转速容易超过工作速度值， 为满足设备运行要求可配套防飞逸装置的要求， 基于液力传动理论、产品设计及关键技术分析，对配套的水介质液力减速器的腔型充液进行参数化设计和优化设计，开发了水介质液力减速器， 它比传递相同功率的液力减速器，径向尺寸降低约13%，叶轮线速度降低约13%，满足液力减速器叶轮常用铝合金材料的强度要求，减除液力传动中轴向力的影响。

1 水介质液力减速器的原理

      水介质液力减速器是一种以清水为工作介质，具有双腔结构，过转速保护作用的液力元件。水介质液力减速器的基本结构由泵轮、涡轮、连接筒、输入半联轴节、输入轴、固定轴等组成。泵轮和涡轮对称布置，泵轮和涡轮内设置一定数量的径向叶片，组成工作腔。工作中，往工作腔充入工作液体时能产生阻力，同时能减除液力传动产生的轴向力。

      工作原理：中小水轮发电机组工作时，水轮发电机组通过输入轴带动液力减速器涡轮旋转， 液力减速器工作腔内没有充液，此时，水轮机处于正常工作状态。当水轮发电机组超过允许速度值， 即需要实行防飞逸控制，往液力减速器工作腔内充入清水，此时旋转的涡轮在固定泵轮叶片和工作液力间产生双重柔性阻力作用，涡轮（输入轴）转速被迫减缓，使水轮机的转速降低至允许速度值，同时消除液力传动中产生的轴向力，继续往液力减速器工作腔充入增量的清水， 水轮机减缓速度就增大， 使中小水轮发电机组达到防飞逸控制和缓降负荷停车。反之，当中小水轮发电机组低于工作速度值时，减少往液力减速器工作腔充入清水量，液力减速器消耗的负荷减少，涡轮转速提高，使中小水轮发电机组升高到工作速度。这样，只有当中小水轮发电机组超过允许速度值时,就往液力减速器充入清水，于是中小水轮发电机组靠清水便柔性地实现防飞逸控制和缓降负荷停车。水介质液力减速器是同一台液力减速器采用两套泵轮和涡轮组成双工作腔， 使在工作腔循环圆有效直径相同的情况下，结构紧凑；减除液力传动中的轴向力，阻碍力矩增大1.75~2 倍，旋转涡轮与固定泵轮独立支承。

      水介质液力减速器具有优质的防飞逸作用和良好的节能效果，与中小水轮发电机组配套使用时，起柔性制动、防飞逸控制和缓降负荷停车等作用，保护中小水轮发电机组系统。水介质液力减速器可以实现自动控制，操作简便，改善了劳动环境，并具有显著的节能效果，无需特殊维护，使用寿命长。

      水介质液力减速器主要适用于中小水轮发电机组和其他需防飞逸控制的设备。

2 结构及关键技术

      水介质液力减速器其结构（见图1）主要由箱体、旋转涡轮组件、固定泵轮组件、供水系统等部件组成。

      2.1 箱体

      箱体采用水平剖分为箱盖、箱座两部分。箱盖和箱座采用焊接结构件，承载能力好。

     2.2 旋转涡轮组件

      旋转涡轮组件由输入轴和涡轮组成，主要包括：输入轴、涡轮A、涡轮B、输入半联轴节等；涡轮从工作腔的清水中获得阻力，形成阻力矩，阻力矩与转速的平方成正比。

      2.3 固定泵轮组件

       固定泵轮组件由固定轴和泵轮组成，主要包括：固定轴、泵轮A、泵轮B、连接筒等；泵轮对工作腔的清水中产生阻力，使涡轮产生阻力矩，阻力与涡轮转速的平方成正比。

     2.4 供水系统

      供水系统由进水口、进水管、排水口组成。水介质液力减速器的主要结构采用两套泵轮和涡轮，组成两个工作腔，旋转涡轮组件与中小水轮发电机组连接，充液时涡轮由于高速旋转使工作液（清水）产生液体能（位能与动能），固定泵轮组件对工作液产生阻碍作用，形成阻力，作用于涡轮，从而使涡轮产生阻力矩， 阻力矩的大小与工作液的密度、涡轮转速的平方、工作腔循环圆有效直径与形状等有关。水介质液力减速采用双腔结构减除液力传动中轴向力的影响，工作腔型根据中小水轮发电机组的要求进行改进， 具有泵轮力矩系数高，充液快速合理等特点。保证水介质液力减速器制动力矩合理，阻力曲线平滑，转速控制简便等优点。水介质液力减速器能够平衡轴向力，简化产品结构，提高了工作稳定性，减少振动源，提高中小水轮发电机组寿命和产品可靠性。

3 产品关键制造及工艺控制

     3.1 产品关键制造要点

      水介质液力减速器的工作腔设计是该产品的重点和难点， 组成工作腔的零件泵轮和涡轮是关键制造要点。涡轮既要承受本身材料质量以及工作液体因高速旋转产生的离心力， 又要受工作液体温度迅速升高产生的变形的影响， 对零件致密性和结构提出了很高的要求。为满足使用要求，通过选取不同的腔型与结构进行有限元计算分析，取得合理的腔型和结构，既保证产品的泵轮力矩系数，又保证强度和刚度，节省成本。涡轮经铸造成形、热处理、机加工后进行探伤检查，喷丸处理和动平衡，保证叶轮工作的可靠性和使用寿命。

       3.2 产品工艺特点

      水介质液力减速器采用先进的树脂砂铸造成形工艺，提高产品的性能和外观质量。树脂砂造型工艺的主要特点：

      （1）石英砂中不存在泥粉、水分，粒度均匀，透气性好；

      （2）铸型强度高，保证腔型的形状及尺寸的精确度和完整性；

      （3）铸型可喷涂涂料，提高铸件光洁度。

      3.3 产品装配要点

      水介质液力减速器主要工作部件为旋转涡轮组件和固定泵轮组件，其安装要求如下：

      （1）把已连接好的涡轮、输入轴用螺栓固定；

      （2）将a 组吊反转，装入输入轴承座、输入轴承等，用螺栓固定；

      （3）把泵轮A 与连接筒用螺栓固定；

      （4）把已连接好的泵轮B 轮与固定轴用螺栓固定；

      （5）将d 吊装入输出轴承座和轴承中，用螺栓固定，安装在箱座中，并固定；

      （6）将b、c 吊装在箱座上，调整泵轮与涡轮的端面间隙符合设计要求；

      连接好固定泵轮组件，检查旋转涡轮组件，应转动灵活，连接准确。

      3.4 产品试机

      （1）检查各机械、电气连接是否正确、是否安全；

      （2）检查中小水轮发电机组、水介质液力减速器转向是否相同；

      （3）检查控制阀的动作灵活性和准确性；

      （4）打开进水阀，进水压力大于0.20MPa，出水畅顺；

      （5）起动中小水轮发电机组，观察水介质液力减速器转动应无异常；

      （6）加大水轮机进水阀门开度，使中小水轮发电机组转速达到工作转速。继续加大进水阀门开度直至进水阀门最大开度， 同时接通水介质液力减速器的进水管，水介质液力减速器充液并降低中小水轮发电机组转速，其最高转速不超过中小水轮发电机组工作转速的110%~150%；

      （7）按试运行要求进行转速稳定性调节；

      （8）试车过程中各项参数应符合要求，水介质液力减速器及管路不得泄漏、渗漏现象。

      注意事项：排水口的位置应安全可靠，并设有警示标识。产品保护装置处设警示标识。

      3.5 产品工业运行

      （1）检查；

      （2）保持进水阀打开状态，供水压力大于0.2MPa，出水畅顺；

      （3）水介质液力减速器输入转速与中小水轮发电机组转速同步；

      （4）当输入转速超过工作转速时，接通水介质液力减速器的进水阀，调节进水量，使中小水轮发电机组转速降低至工作转速；

      （5）停机时，接通进水管，进水阀调至最大；

      （6）关闭水轮机进水阀门；

      （7）运行过程中每隔一个周期应测量并记录水介质液力减速器转速，振动，轴承温度等参数；

      （8）每隔一年给轴承加注润滑脂。

4 结束语

      目前，水介质液力减速器在中小水轮发电机组的应用市场还在开发中，其控制技术还需在实践过程中完善和提高。水介质液力减速器在中小水轮机发电机组的应用，可以降低运行费用，减少水轮机进水阀门磨损和保护高压管道，保护中小水轮发电机组。