調(diào)速型液力耦合器工作油溫超標(biāo)原因分析與對策

孫治忠 許明鵬 史萬敬

(金川集團股份有限公司化工廠)

大型二氧化硫鼓風(fēng)機是冶煉煙氣制酸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。金川集團股份有限公司化工廠300kt/a制酸系統(tǒng)二氧化硫鼓風(fēng)機采用西門子公司的SFO14型風(fēng)機。由于冶煉系統(tǒng)煙氣波動大，制酸系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍較大，設(shè)計時該風(fēng)機配套了WOITH公司的調(diào)速型液力耦合器，以適應(yīng)冶煉煙氣的頻繁調(diào)節(jié)。但在實際運行中調(diào)速型液力耦合器工作油溫高，尤其夏季運行時油溫接近報警值運行，甚至多次發(fā)生工作油溫高跳車的事故。而長期高油溫運行會減少設(shè)備和油脂的使用壽命。針對該問題，筆者從滑差損失特性和風(fēng)機入口氣體負沖角的對流損失兩方面進行了分析，有效解決了工作油溫高的問題。

1 滑差損失對工作油溫的影響

液力耦合器是以液體為工作介質(zhì)實現(xiàn)動力傳遞的一種液力聯(lián)軸器。驅(qū)動輪稱為泵輪，被驅(qū)動輪稱為渦輪。泵輪和渦輪組成一個可使液體循環(huán)流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上,渦輪裝在輸出軸上，動力機(內(nèi)燃機及電動機等)帶動輸入軸旋轉(zhuǎn)時，液體被離心式泵輪甩出。這種高速液體進入渦輪后即推動渦輪旋轉(zhuǎn)，將從輸入軸獲得的能量傳遞給輸出軸，最后液體返回泵輪，形成周而復(fù)始的流動(圖1)。

圖1 調(diào)速型液力耦合器示意圖

液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體驅(qū)動，工作構(gòu)件間不存在剛性聯(lián)接，可消除沖擊和振動。液力耦合器輸出扭矩等于輸入扭矩減去摩擦力矩，故輸出扭矩恒小于輸入扭矩，輸出轉(zhuǎn)速恒低于輸入轉(zhuǎn)速，兩者之間的轉(zhuǎn)速差帶來的功率損失稱為轉(zhuǎn)差損失，也叫滑差損失。兩軸的轉(zhuǎn)速差隨載荷的增大而增加，一般液力耦合器正常工況的轉(zhuǎn)速比在0.95以上時可獲得較高的效率。

設(shè)泵輪轉(zhuǎn)速為N1，渦輪轉(zhuǎn)速為N2，則轉(zhuǎn)速差S=N1-N2，速比v=N2/N1，泵輪輸入功率P1=(P2N1)/N2，計算滑差損失功率ΔP=P2×(N1-N2)/N2。根據(jù)相似原理電機額定功率與輸出轉(zhuǎn)速的三次方成正比，電機額定功率下的轉(zhuǎn)速為泵輪轉(zhuǎn)速，因此P2=P×(N2/N1)3，將v=N2/N1代入求解得：ΔP=P×(v2-v3)。進行微分計算得出當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速是輸入轉(zhuǎn)速的2/3時，液力耦合器滑差損失功率最大，工作油溫最高。

300kt/a制酸系統(tǒng)中的二氧化硫鼓風(fēng)機最大設(shè)計流量為16.5萬Nm3/h，總裝機容量為5 500kW，配套液力耦合器輸入轉(zhuǎn)速為4 697r/min，最大輸出轉(zhuǎn)速為4 557 r/min，最大負荷時滑差率2.9%。在實際運行過程中工作油溫居高不下，夏季最高溫時工作油溫110℃(120℃報警)，長期高溫運行導(dǎo)致泵輪、渦輪內(nèi)部油脂碳化，影響風(fēng)機整體性能和壽命。

由于液力耦合器內(nèi)部工作油為單獨循環(huán)回路，所有工作油均通過工作油冷卻器進行降溫、循環(huán)，在不考慮設(shè)備散熱損失和靜壓損失的情況下，可近似的將工作油冷卻器所帶走的熱量看作是滑差損失產(chǎn)生的熱量，根據(jù)Q=SAΔt計算實際的滑差發(fā)熱量，其中S為傳熱系數(shù)，A為換熱面積，得出表1數(shù)據(jù)。

表1 SFO14型風(fēng)機2013年的部分運行參數(shù)

分析表1數(shù)據(jù)可知：風(fēng)機在70%～97%負荷區(qū)域運行時，液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速偏低(30%～67%)，與風(fēng)機設(shè)計負荷不匹配，也就是說在一定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機實際負荷高于設(shè)計工況點的負荷；當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速約為輸入轉(zhuǎn)速的2/3時，滑差損失產(chǎn)生的熱量最大，損失功率為 512kW，損失率高達10%。

一般來講液力耦合器在設(shè)計時會將最大滑差損失考慮在內(nèi)，但該風(fēng)機工作油溫過高，甚至多次發(fā)生油溫高跳車的事故，其主要原因為液力耦合器選型過大，造成實際負荷高于設(shè)計負荷，勺管室內(nèi)部循環(huán)油量不足，多余的熱量沒有被帶走，熱量集聚促使油溫升高。

2 風(fēng)機入口氣體沖角對耦合器滑差損失的影響

離心風(fēng)機在設(shè)計時一般要保證設(shè)計工況點的氣體進口角度與葉輪進口安裝角一致，當(dāng)風(fēng)機工況運行點偏離設(shè)計工況點時，進口氣體與葉輪安裝角發(fā)生偏離，氣體進口角大于葉輪安裝角為正沖角，小于安裝角時為負沖角，無論是正沖角還是負沖角都會降低風(fēng)機運行性能。圖2為風(fēng)機入口速度三角形的簡化圖。

為便于計算，假設(shè)氣體在風(fēng)機葉輪中沒有流動損失和機械摩擦損失，設(shè)氣體入口流量為Q(m3/s)，氣體密度為ρ(kg/m3)，氣體入口處半徑為R，則正沖角時氣體在葉輪入口處的動量矩為：

M1=Qρcu1R

負沖角時入口動量矩為：

M2=Qρcu2R

分析圖2可知，正沖角時氣體在葉輪中絕對速度的圓周徑向分量(cu1=c1×cosα) 要大于負沖角時的圓周徑向分量(cu2=c2×cosα)，正沖角時氣體渦流發(fā)生在吸力面，也就是葉輪的非工作面，負沖角時渦流發(fā)生在葉輪的壓力面，也就是工作面，因此，正沖角時的對流損失要小于負沖角的對流損失。

當(dāng)風(fēng)機實際工況流量低于設(shè)計工況流量時，氣體進入葉輪產(chǎn)生正沖角，此時氣體圓周方向的有效分量被降低，對流損失比無沖角時增大，風(fēng)機同等負荷情況下葉輪做功增加，所需軸功率增大，風(fēng)機的性能曲線被偏移。

當(dāng)風(fēng)機實際工況流量高于設(shè)計工況流量時，氣體進入葉輪產(chǎn)生負沖角，此時氣體圓周方向的有效分量被降低，但降低幅度高于正沖角時的幅度，同等負荷下對流損失增大，風(fēng)機的性能曲線更大幅度地向大流量方向偏移。同時，液力耦合器在一定輸出轉(zhuǎn)速下功率損耗增加，工作油溫升高，當(dāng)熱量不能被工作油循環(huán)帶走時，風(fēng)機會發(fā)生油溫高跳車的事故。

圖2 正、負沖角下氣體入口速度三角形

3 原因分析

結(jié)合滑差損失的分析和葉輪氣體沖角的分析可知， SFO14型風(fēng)機配套調(diào)速型液力耦合器的工作油溫過高的原因為：

a. 風(fēng)機實際負荷與液力耦合器轉(zhuǎn)速不匹配。液力耦合器選型過大，導(dǎo)致風(fēng)機的實際運行負荷高于設(shè)計工況點的負荷，負荷增加則所需的液力耦合器輸出功率增大。也就是說，在一定轉(zhuǎn)速下，由于風(fēng)機的負荷增大，輸出功率增大，但勺管室內(nèi)部循環(huán)油量不變，熱量不能及時被工作油帶走，工作油溫升高。

b. 液力耦合器選型過大。風(fēng)機的實際運行負荷高于設(shè)計負荷，氣體進入葉輪形成負沖角，而負沖角的渦流形成于葉輪工作面，沖擊損失較大，導(dǎo)致風(fēng)機軸功率進一步增加，所需液力耦合器輸出功率更大，風(fēng)機的性能曲線向大流量方向偏移。也就是說，一定負荷下，由于氣體對流損失增大，風(fēng)機流量和揚程降低，在勺管室內(nèi)部循環(huán)油量不變的情況下，風(fēng)機輸出轉(zhuǎn)速降低，液力耦合器速比降低，滑差損失增大。

4 應(yīng)對策略

由于液力耦合器工作油溫高的原因是耦合器選型過大導(dǎo)致風(fēng)機負荷與轉(zhuǎn)速不匹配，實際流量高于設(shè)計流量，致使勺管室內(nèi)部循環(huán)油量不足，實際流量大于設(shè)計流量又導(dǎo)致了氣體進口形成負沖角，進一步促使了工作油溫的升高，可以通過以下方式解決：

a. 重新設(shè)計液力耦合器。將耦合器內(nèi)部增速齒輪組進行改造，降低耦合器輸出轉(zhuǎn)速(輸出功率)，使風(fēng)機負荷和轉(zhuǎn)速相匹配，以增加原負荷下勺管室內(nèi)部的循環(huán)油量，多余的滑差損失熱量能及時被循環(huán)油帶走。當(dāng)風(fēng)機負荷和液力耦合器相匹配時，氣體進口沖擊損失被減弱或消失，工作油溫降低，同時電機運行電流也隨之降低。

b. 消除氣體進口的負沖角。在進口安裝入口導(dǎo)葉，可使入口氣體在進入葉輪前產(chǎn)生與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同的預(yù)旋轉(zhuǎn)，以補償進口速度三角形中的圓周方向分量，使進口速度三角形與設(shè)計工況下的速度三角形相似，從而提高入口氣體的動量矩，降低液力耦合器在原負荷下的輸出功率，降低工作油溫。入口導(dǎo)葉對進口速度三角形的補償作用如圖3所示。

由圖3可以看出，入口導(dǎo)葉的預(yù)旋作用使氣體提前旋轉(zhuǎn)，在進入葉輪后相對于無預(yù)旋轉(zhuǎn)可增加一個cu1的徑向分量，以抵消氣體在偏離設(shè)計工況點運行的沖角。且增加入口導(dǎo)葉配置的投資僅是液力耦合器改型的20%。

圖3 入口氣體速度三角形

對SFO14型風(fēng)機加裝了入口導(dǎo)葉配置，根據(jù)滑差損失原理，重新研究了耦合器調(diào)速控制和入口導(dǎo)葉控制的聯(lián)合控制方式。SFO14型風(fēng)機配套的液力耦合器輸入轉(zhuǎn)速為4 697r/min，最大滑差損失發(fā)生在3 131r/min，為避開該滑差損失位置，將液力耦合器最低轉(zhuǎn)速控制在3 500r/min，通過入口導(dǎo)葉進行流量調(diào)節(jié)，隨著入口導(dǎo)葉開度逐漸增加，輸出功率逐漸增大，輸出轉(zhuǎn)速將逐步減小，此時需要繼續(xù)調(diào)節(jié)勺管位置，始終保持液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速為3 500r/min，通過這種調(diào)節(jié)方式，不但避開了耦合器最大滑差損失位置，并降低了原負荷下的輸出功率。加裝入口導(dǎo)葉后風(fēng)機運行參數(shù)見表2。

表2 加裝入口導(dǎo)葉后風(fēng)機運行參數(shù)

對照比較表2和表1數(shù)據(jù)得出，安裝入口導(dǎo)葉后，風(fēng)機液力耦合器的工作油溫大幅度下降，(最大降幅40℃)，電機電流在相似負荷下下降了45A，工作油冷卻器的進出口油溫差下降，不但降低了工作油溫和工作油冷卻器的負擔(dān)，同時降低了電機功率。加裝入口導(dǎo)葉前后在風(fēng)機相似風(fēng)量16.3萬Nm3/h和16.1萬Nm3/h負荷下，風(fēng)機液力耦合器的滑差損失功率大幅度下降(幅度達到219kW)，耦合器滑差損失率約為5%。

5 結(jié)束語

在使用調(diào)速型液力耦合器時常會碰到工作油溫高的問題，筆者雖然分析了耦合器選型過大帶來的入口氣體的沖角問題和設(shè)計流量與設(shè)計轉(zhuǎn)速的匹配問題，但這只是其中一類原因，另外，當(dāng)設(shè)計工況點的溫度、濕度及濃度等工藝條件變化時，依然會引起風(fēng)機性能曲線的偏移，造成實際工況點與設(shè)計工況點偏移，對風(fēng)機的穩(wěn)定運行帶來不利。為了避免在調(diào)速型液力耦合器使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)工作油溫高的問題，在設(shè)計時盡量將速度控制與入口導(dǎo)葉控制相結(jié)合，入口導(dǎo)葉在改變風(fēng)機性能曲線方面有很強的適應(yīng)性，再加上耦合器的眾多優(yōu)點，既能實現(xiàn)與實際工況點的匹配，同時又減少了功率消耗。