ГИДРОТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1996 года по МПК F16H41/26 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в гидромеханических трансмиссиях транспортных средств.

Известен гидротрансформатор, содержащий симметрично расположенные насосное и турбинное колеса и колесо реактора, расположенное между ними в нижней части круга циркуляции и снабженное входными каналами на выпуклых сторонах лопаток, сообщающимися с транзитными отверстиями, выполненными с торцов лопаток (см. описание изобретения к а.с. СССР N 1346889 А1 опубл. 23.10.87, Бюл. N 39). Указанное изобретение в данной заявке принято за прототип.

Реализация гидротрансформатора-прототипа в металле и его экспериментальное исследование на предприятии-заявителе показало, что благодаря прокачке масла через входные каналы на выпуклых сторонах лопаток колеса реактора максимальный коэффициент трансформации (при остановленном турбинном колесе) повышается с 3,2 до 5,5. Более чем на 10% повышается КПД на малых передаточных отношениях. Однако справа от максимума КПД наблюдается некоторое снижение КПД вследствие расширения объема вихревой зоны на вогнутой стороне лопатки, обусловленное наличием каналов-стоков на выпуклых сторонах лопаток.

Предложение по данной заявке устраняет указанный недостаток прототипа. Это достигается тем, что входные каналы, сообщающиеся с транзитными отверстиями, выполнены и на вогнутых сторонах лопаток, при этом входные каналы выполнены в виде единой щели по всей высоте лопатки, а в транзитные отверстия установлены поворотные пустотелые гильзы с двумя рядами отверстий, каждый из которых в соответствующих крайних положениях гильзы выполнены с возможностью совмещения со щелью либо на выпуклой, либо на вогнутой стороне лопатки, причем каждая гильза снабжена плоским флажком, жестко связанным с ней и введенным в круг циркуляции между турбинным и реакторным колесами.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется фиг. 1-4. На фиг.1 представлена конструктивная схема гидротрансформатора; на фиг.2 лопатка колеса реактора и относительное положение в ней гильзы и флажка, устанавливающееся на передаточных отношениях от трогания до максимального КПД; на фиг.3 относительное положение лопатки, гильзы и флажка, устанавливающееся в диапазоне передаточных отношений от максимума КПД до режимов гидромуфты; на фиг.4 кривые КПД исходного гидротрансформатора без входных каналов в лопатках с входными каналами на выпуклой стороне лопаток колеса реактора (прототип) и предлагаемого гидротрансформатора.

Гидротрансформатор (фиг. 1) содержит симметрично расположенные насосное 1, турбинное 2 и колесо реактора 3, расположенное между ними в нижней части круга циркуляции и снабженное входными каналами на выпуклых и вогнутых сторонах лопаток (фиг.2 и 3: поз.4 лопатка, 5 входной канал на выпуклой стороне, 6 входной канал на вогнутой стороне), выполненными в виде единой щели по всей высоте лопатки. В транзитное отверстие в лопатке установлена поворотная пустотелая гильза 7 с двумя рядами отверстий и жестко связанным с ней флажком 8. Угол поворота гильзы 7 ограничивается торцoм 9 обода колеса реактора, в который упирается флажок при его ходе влево (фиг.2) и вправо (фиг.3), что обеспечивает возможность совмещения отверстий с входными каналами. Транзитное отверстие, в которое выходит внутренняя полость гильзы, соединено с выходным каналом подпитки 10. Входной канал подпитки 11 подводит масло к насосному колесу 1.

Гидротрансформатор работает следующим образом. Включением внешнего насоса подпитки, которым снабжается каждый гидротрансформатор, производится заполнение рабочей полости и прокачка по контуру: входной подпиточный канал 11 насосное колесо 1 турбинное колесо 2 входные каналы на вогнутых и выпуклых сторонах лопаток реактора и отверстия в гильзах выходной подпиточный канал 10. Одновременным включением приводного двигателя сообщается вращательное движение насосному колесу 1.

Практически на транспортной машине подпиточный насос и насосное колесо гидротрансформатора связаны с двигателем и получают вращение сразу после его пуска. При включенной в коробке передач нейтрали гидротрансформатор оказывается в режиме холостого хода и при наличии муфты свободного хода 12 все его колеса (насос, турбина, реактор) вращаются практически с одинаковой угловой скоростью. Подталкивающее действие вращающейся массы жидкости на колесо реактора, без которого оно остановилось бы от сил трения, переводит флажки в положение, показанное на фиг.3. Отверстия в гильзе 7 совмещаются со щелью на вогнутой стороне лопатки, куда и устремляется прокачиваемое масло. При включении передачи для осуществления движения транспортной машины турбина гидротрансформатора на какое-то время останавливается и выдает поток жидкости на лопатки колеса реактора в направлении, показанном стрелкой на фиг.2. Под воздействием этого потока колесо реактора заклинивается на муфте свободного хода, а флажки переводятся в другое крайнее положение, в результате чего гильза начинает принимать прокачиваемое масло со стороны выпуклой поверхности лопатки. Вихревая зона над выпуклой поверхностью подавляется, ударная потеря энергии в колесе реактора не возникает, коэффициент трансформации (и КПД после страгивания гидротрансформатора) повышается.

По мере увеличения скорости движения машины и частоты вращения турбинного колеса поток жидкости, подводимый к неподвижному колесу реактора изменяет направление (стрелка на фиг.3) и снова переводит флажок в другое крайнее положение, дающее возможность маслу проходить через входные каналы на вогнутой поверхности лопатки. Появившаяся переносная скорость в направлении к вогнутой поверхности лопатки не дает развиться около нее вихревой зоне, неизбежно возникающей на обычных лопатках. Это устраняет ударные потери и повышает КПД на передаточных отношениях от максимума КПД до точки перехода на режиме гидромуфты.

Кривые КПД гидротрансформатора в зависимости от передаточного отношения i n_т/n_н, где n_н, n_т частоты вращения насосного и турбинного колес, показаны на фиг. 4. Сплошной линии соответствует КПД исходного гидротрансформатора, пунктирной этого же гидротрансформатора, но с входными каналами на выпуклой стороне лопаток колеса реактора (прототип). Штрихпунктирной линией показана кривая КПД предлагаемого гидротрансформатора. Повышение КПД достигается не только в левой зоне характеристики, но и справа от максимума исходного КПД, что расширяет диапазон работы с преобразованием крутящего момента.

Расчетное исследование внешних характеристик гидротрансформатора показало, что при наличии механизма управления обтеканием реакторных лопаток общее расширение диапазона передаточных отношений при приемлемом значении КПД (85% ) достаточно для перехода с 4-скоростной гидромеханической трансмиссии на 3-скоростную, что упрощает ее конструкцию и управление переключением передач.

При описании работы гидротрансформатора предполагалось, что флажки, введенные в круг циркуляции, не будут влиять на рабочий процесс в гидротрансформаторе помимо их основного назначения. Ввиду малости площади флажка, занимаемой им в меридиональной проекции круга циркуляции, по-видимому, это так и будет при экспериментальном исследовании подобного гидротрансформатора. Однако теоретически флажки будут порождать вихревой след, что может снизить общий положительный эффект повышения КПД, возникающей от флажков потерей энергии. Чтобы избежать этого, предлагается флажки располагать на границе круга циркуляции (см. фиг.5), а на ободе турбинного колеса изнутри круга циркуляции параллельно плоскости турбинной лопатки сделать один или несколько пазов 13.

Такой паз будет представлять собой дополнительный минитурбинный канал, ориентированный как и основной канал на выходе турбинного колеса, и он будет отбирать небольшой расход жидкости, менее 0,01% для управления флажками. В этом случае дополнительная потеря энергии станет неощутимой, т.е. близкой к нулю по отношению к энергии на насосном колесе гидротрансформатора.

Использование: в гидромеханических трансмиссиях транспортных средств. Сущность изобретения: входные каналы 5, 6 колеса реактора выполнены в виде единой щели по всей высоте лопатки 4 как на выпуклой, так и на вогнутой ее сторонах. В транзитных отверстиях, сообщающихся с входными каналами, установлены пустотелые гильзы 7 с двумя рядами отверстий, каждый из которых в соответствующих крайних положениях гильзы сообщаются со щелью либо на выпуклой, либо на выгнутой стороне лопатки. Каждая гильза соединена с плоским флажком 8, введенным в круг циркуляции между турбинным и резисторными колесами, 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гидротрансформатор, содержащий симметрично расположенные насосные и турбинные колеса и колесо реактора, расположенное между ними в нижней части круга циркуляции и снабженное входными каналами на выпуклых сторонах лопаток, сообщающимися с транзитными отверстиями, выполненными с торцов лопаток, отличающийся тем, что входные каналы, сообщающиеся с транзитными отверстиями, выполнены и на вогнутых сторонах лопаток, при этом входные каналы выполнены в виде единой щели по всей высоте лопатки, а в транзитные отверстия установлены поворотные пустотелые гильзы с двумя рядами отверстий, каждый из которых в соответствующих крайних положениях гильзы выполнен с возможностью совмещения со щелью либо на выпуклой, либо на вогнутой стороне лопатки, причем каждая гильза снабжена плоским флажком, жестко связанным с ней и введенным в круг циркуляции между турбинным и реакторным колесами. 2. Гидротрансформатор по п.1, отличающийся тем, что флажок расположен на границе круга циркуляции, а на ободе турбинного колеса внутри круга циркуляции параллельно плоскости турбинной лопатки выполнен по меньшей мере один паз.