Зачем нужно третье колесо
Гидротрансформатор передаёт мощность от насосного колеса к турбинному через поток жидкости. Третье колесо, реактор или направляющий аппарат, изменяет направление возвращающегося потока. Реакция его опоры позволяет получить на турбине момент больше момента насосного колеса в части диапазона скоростей. Увеличение момента сопровождается меньшей частотой вращения ведомого вала и потерями, поэтому оно не означает увеличения мощности или КПД выше единицы.
В распространённой автомобильной конструкции реактор соединён с опорой через муфту свободного хода. В режиме преобразования момента он воспринимает реакцию, а при подходящем изменении потока может вращаться свободно: агрегат приближается к режиму гидромуфты. Промышленные трансформаторы могут иметь направляющий аппарат иной конструкции, включая регулируемые лопатки. Эти устройства нельзя описывать одним обязательным алгоритмом перехода; рабочую характеристику определяет выбранная модель.
Три отношения для одной рабочей точки
| Показатель | Формула | Смысл |
|---|---|---|
| Отношение скоростей | i = nт/nп | Замедление турбины относительно насоса |
| Коэффициент момента | K = Tт/Tп | Преобразование момента |
| КПД по валам | η = K·i | Отношение выходной мощности к входной |
| Потери мощности | Pп−Pт | Тепловая нагрузка и прочие потери |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Здесь T — крутящий момент в Н·м, n — частота вращения в одинаковых единицах. Если n задана в мин⁻¹, мощность P = T·2πn/60 получается в ваттах. Все отношения должны относиться к одной рабочей точке и одним границам агрегата. Нельзя сочетать максимальный коэффициент момента при остановленной турбине с отношением скоростей из другого режима: такой расчёт способен дать физически невозможный КПД.
Условный пример мощности
Пусть насос имеет Tп = 200 Н·м и nп = 2000 мин⁻¹, турбина — Tт = 320 Н·м и nт = 1000 мин⁻¹. Коэффициент момента равен 1,6, отношение скоростей — 0,5. Поэтому η = 1,6·0,5 = 0,8, или 80 %. Входная мощность составляет 41,89 кВт, выходная — 33,51 кВт, разность — 8,38 кВт. Турбинный момент больше входного, но выходная мощность меньше: это согласуется с энергетическим балансом.
Если в отдельном условном режиме турбина остановлена, nт = 0 и её выходная мощность равна нулю независимо от ненулевого момента. При ненулевой входной мощности КПД по валам равен нулю. Режим остановленной турбины создаёт значительное тепловыделение и ограничивается документацией изготовителя; численный пример не определяет допустимое время такого режима. Величина реактивного момента также требует согласованного выбора знаков и учёта опоры.
Характеристика, блокировка и подбор
Для подбора используют характеристику K(i), КПД и нагрузочную способность при заданных оборотах насоса. Совместная точка с двигателем определяет скорость разгона и пусковой момент; инерция нагрузки и частота повторений определяют тепловой цикл. В агрегатах с блокировочной муфтой часть режимов передаёт мощность механически, уменьшая гидродинамическое скольжение. Это дополнительная конструктивная функция, а не свойство любого трансформатора. Общий КПД привода включает потери коробки, подшипников и вспомогательных систем.
Давление подпитки, свойства жидкости и охлаждение обеспечивают работоспособность контура, но не заменяют характеристику момента. Различают циркуляцию в рабочих колёсах и внешний поток через теплообменник. При проверке данных сверяют момент, частоты и мощность в одной точке; значение K·i больше единицы в обычном установившемся режиме указывает на несовместимые данные, единицы или границы измерения.
Первичные источники
- Voith: Hydrodynamic torque converters — Насос, турбина, направляющее колесо и варианты регулируемого аппарата.
- Allison: Torque Converter — Применение преобразования момента в автомобильной автоматической трансмиссии.