Co jsou hydraulické spojky a jak fungují v systémech fluidní energie?

Úvod

Představte si, že se pokoušíte nastartovat masivní průmyslový pásový dopravník nebo lodní šroub tím, že stlačíte mechanickou spojku. Náhlý otřes by pravděpodobně praskl převody, poškodil motnebo a vytvořil nepříjemný zážitek pro kohokoli poblíž. Zde představují elegantní řešení hydraulické spojky – známé také jako kapalinové spojky. Namísto tuhého kontaktu kov na kov tato chytrá zařízení nepoužívají nic jiného než kapalinu k hladkému a efektivnímu přenosu energie z jedné rotující hřídele na druhou.

Hydraulické spojky se používají již více než století a pocházejí z práce německého inženýra Hermanna Föttingera, který si tento koncept nechal patentovat v roce 1905. Dnes je najdete všude od automatické převodovky ve vašem autě po masivní průmyslové stroje, lodní pohonné systémy a dokonce i dieselové lokomotivy. Ale navzdory jejich rozšířenému používání mnoho lidí plně nerozumí tomu, co jsou nebo jak fungují.

Co je to hydraulická spojka?

Definice a základní koncept

A hydraulická spojka - nazývaný také a kapalinová spojka or hydrodynamická spojka — je zařízení, které přenáší rotační mechanickou sílu z jednoho hřídele na druhý pomocí kapaliny, obvykle oleje, jako přenosového média. Na rozdíl od mechanické spojky, která používá třecí lamely, nebo převodovky, která používá do sebe zapadající zuby, má hydraulická spojka žádné přímé mechanické spojení mezi vstupní a výstupní hřídelí . Místo toho proudí energie kinetickou energií tekutiny.

Termín „hydraulická spojka“ může ve skutečnosti odkazovat na dvě různé kategorie zařízení a pochopení tohoto rozdílu je důležité. Podle Britannica existují dva hlavní typy hydraulických přenosových systémů:

Tento článek se zaměřuje na hydrokinetické kapalinové spojky , které se používají pro přenos rotační síly. Hydrostatické systémy (hydraulická čerpadla a motory) jsou zcela odlišnou technologií, přestože se jim také říká „hydraulické“.

Tři hlavní komponenty

Jednoduchá kapalinová spojka se skládá ze tří primárních součástí a hydraulické kapaliny, která plní pracovní komoru:

bydlení (shell) – Toto je vnější plášť, který obsahuje kapalinu a dvě turbíny. Musí mít olejotěsná těsnění kolem hnacích hřídelů, aby se zabránilo únikům. Skříň také slouží jako fyzické spojení mezi vstupní hřídelí a oběžným kolem čerpadla.

Čerpadlo (oběžné kolo) – Tato vějířovitá součástka je připojena přímo ke vstupní hřídeli, která pochází z hlavního pohonu (elektromotor, spalovací motor nebo parní turbína). Když se hnací motor otáčí, čerpadlo se otáčí s ním přesně stejnou rychlostí. Čerpadlo obsahuje radiální lopatky – obvykle 20 až 40 z nich – které tlačí a usměrňují kapalinu.

Turbína (běžec) – Tato druhá vějířovitá součástka směřuje k čerpadlu a je připojena k výstupnímu hřídeli, který pohání zátěž (jako je dopravník, čerpadlo nebo převodovka vozidla). Turbína není mechanicky spojena s čerpadlem; dotýká se pouze kapaliny, kterou na něj pumpa vrhá.

Rozdíl od měničů točivého momentu

Stojí za zmínku, že hydraulická spojka je ne totéž jako měnič točivého momentu, i když se často zaměňují. Základní kapalinová spojka přenáší krouticí moment, aniž by jej násobil – výstupní krouticí moment se rovná vstupnímu krouticímu momentu (minus drobné ztráty). Naproti tomu měnič točivého momentu obsahuje další součást zvanou a stator který přesměrovává tok kapaliny na skutečné znásobení točivého momentu při nízkých otáčkách. V automobilových aplikacích měniče točivého momentu od konce 40. let z velké části nahradily jednoduché kapalinové spojky, protože poskytují lepší výkon při nízkých otáčkách. Kapalinové spojky však zůstávají široce používány v průmyslových zařízeních, kde není vyžadováno násobení točivého momentu.

Jak funguje hydraulická spojka?

Föttingerův princip

Každá moderní hydraulická spojka funguje na tzv Föttingerův princip , pojmenované po německém inženýrovi , který si tento koncept nechal poprvé patentovat v roce 1905 . Princip je zdánlivě jednoduchý: čerpadlo urychluje tekutinu směrem ven a tato pohybující se tekutina pak narazí na turbínu a způsobí její rotaci. Kapalina se poté vrátí do čerpadla, aby se cyklus opakoval.

Představte si to jako dva ventilátory stojící proti sobě uvnitř uzavřeného pouzdra naplněného olejem. Pokud zapnete jeden ventilátor (čerpadlo), jeho lopatky tlačí olej. Pohybující se olej pak narazí na lopatky druhého ventilátoru (turbíny) a způsobí jeho roztočení. Druhý ventilátor není spojen s prvním žádným pevným článkem – pouze pohybující se kapalinou. To je podstata hydrodynamického přenosu výkonu.

Krok za krokem: Cyklus přenosu energie

Pojďme si projít přesně to, co se děje uvnitř hydraulické spojky během normálního provozu.

Krok 1 – Primární pohon roztočí pumpu

Motor nebo elektromotor otáčí vstupní hřídel, která je spojena s oběžným kolem čerpadla. Jak se čerpadlo otáčí, jeho radiální lopatky zachycují hydraulickou kapalinu (obvykle olej) uvnitř pouzdra spojky. Lopatky jsou nakloněny tak, že vrhají tekutinu směrem ven a tangenciálně, podobně jako u odstředivého čerpadla.

Krok 2 – Tekutina získává kinetickou energii

Čerpadlo uděluje tekutině jak lineární pohyb směrem ven, tak rotační pohyb. Jak se kapalina pohybuje od středu čerpadla směrem k vnějšímu okraji, získává významnou kinetickou energii. Čím rychleji se čerpadlo otáčí, tím více energie kapalina absorbuje. Vztah je úměrný druhé mocnině vstupních otáček: přenášený točivý moment roste s druhou mocninou vstupních otáček, zatímco přenášený výkon roste s třetí mocninou vstupních otáček.

Krok 3 – Na lopatky turbíny zasáhne tekutina

Nabuzená kapalina je směrována tvarem čerpadla směrem k turbíně (běžce). Protože čerpadlo a turbína stojí proti sobě s malou mezerou mezi nimi, kapalina vystřeluje přes tuto mezeru a naráží na lopatky turbíny. Síla tohoto nárazu přenáší moment hybnosti z kapaliny na turbínu, což způsobuje její rotaci v turbíně stejným směrem jako čerpadlo.

Krok 4 – Kapalina se vrací do čerpadla

Poté, co předá většinu své energie turbíně, kapalina proudí zpět do středu spojky a znovu vstupuje do čerpadla. Tím vznikne spojitý toroidní vzor proudění —tekutina cirkuluje po dráze ve tvaru koblihy (torus) uvnitř spojky . Dokud se čerpadlo stále otáčí, kapalina stále cirkuluje a přenáší točivý moment.

Krok 5 – Kroutící moment je dodáván do zátěže

Turbína je spojena s výstupním hřídelem, který pohání zátěž. Jak se turbína otáčí, otáčí výstupní hřídel a dodává mechanickou energii jakémukoli připojenému stroji – ať už je to pásový dopravník, oběžné kolo čerpadla, převodovka vozidla nebo lodní šroub.

Dráha toku tekutiny (toroidální cirkulace)

Pohyb tekutiny uvnitř hydraulické spojky sleduje fascinující toroidní dráhu (ve tvaru koblihy). Tento pohyb má dvě složky:

• Kruhové proudění – Kapalina se otáčí kolem osy otáčení po obvodu spojky.
• Meridiální proudění – Kapalina se pohybuje z čerpadla do turbíny a zpět a vytváří recyklační smyčku.

Když se vstupní a výstupní hřídel otáčejí stejnou rychlostí, nedochází k žádnému čistému toku z jedné turbíny do druhé – kapalina se jednoduše otáčí na místě. Ale když tam je rozdíl v rychlosti mezi čerpadlem a turbínou (která vždy existuje pod zatížením) proudí kapalina energicky z čerpadla do turbíny a přenáší točivý moment .

Klíčové provozní vlastnosti

Skluz – nevyhnutelný rozdíl v rychlosti

Jednou z nejdůležitějších vlastností jakékoli kapalinové spojky je uklouznout . Skluz je rozdíl v otáčkách mezi vstupním hřídelem (čerpadlo) a výstupním hřídelem (turbína), vyjádřený v procentech.

Tekutinová spojka nemůže vyvinout výstupní točivý moment, když jsou vstupní a výstupní úhlové rychlosti identické . To znamená, že při zatížení se turbína musí vždy otáčet o něco pomaleji než čerpadlo. Ve správně navržené hydraulické spojce za normálních podmínek zatížení je rychlost hnaného hřídele asi o 3 procenta méně než otáčky hnacího hřídele . U menších spojek se skluz může pohybovat od 1,5 % (velké pohonné jednotky) do 6 % (malé pohonné jednotky).

Proč na skluzu záleží? Protože uklouznutí představuje ztracenou energii. Síla, která není přenášena na výstupní hřídel, se v důsledku vnitřního tření a turbulence rozptýlí jako teplo v kapalině. To je důvod, proč kapalinové spojky nejsou 100% účinné – typická účinnost se pohybuje od 95 % do 98 %. Ztracená energie ohřívá hydraulickou kapalinu, a proto mnoho kapalinových spojek vyžaduje chladicí systémy nebo jsou navrženy tak, aby účinně odváděly teplo.

Rychlost zastavení

Další kritickou vlastností je pádová rychlost . Ta je definována jako nejvyšší rychlost, při které se může čerpadlo otáčet, když je výstupní turbína zablokována (nemůže se pohybovat) a je aplikován plný vstupní točivý moment. Za podmínek zastavení se veškerý výkon motoru při těchto otáčkách přemění na teplo v kapalinové spojce. Delší provoz při zastavení může poškodit spojku, těsnění a kapalinu.

Rychlost zastavení je zvláště důležitá v automobilových aplikacích. Když vás zastaví na semaforu se zařazenou automatickou převodovkou, měnič točivého momentu (který se vyvinul z kapalinové spojky) je ve stavu částečného zastavení. Motor běží na volnoběh a kapalinová spojka rozptyluje malé množství energie jako teplo.

Scoop Control pro variabilní rychlost

Jednou z nejcennějších vlastností průmyslových kapalinových spojek je schopnost měnit výstupní rychlost bez změny vstupní rychlosti. Toho je dosaženo pomocí a ovládání lopatky systém .

Lopatka je nerotující potrubí, které vstupuje do rotující spojky přes centrální náboj. Pohybem této lopatky – buď jejím otáčením nebo jejím vysouváním – může operátor odstranit tekutinu z pracovní komory a vrátit ji do externího zásobníku. Méně kapaliny ve spojce znamená menší přenos točivého momentu a tím i nižší otáčky výstupního hřídele. Když je potřeba vyšší rychlost, kapalina se čerpá zpět do spojky.

To umožňuje plynulá regulace otáček velkých strojů, jako jsou napájecí čerpadla kotlů, ventilátory a dopravníky. Elektromotor může běžet konstantní efektivní rychlostí, zatímco výstupní rychlost se plynule upravuje podle potřeby.

Typy hydraulických spojek

Konstantní výplňové spojky

Nejzákladnějším typem hydraulické spojky je konstantní-plnit spojka. Jak název napovídá, tyto spojky obsahují pevný objem kapaliny, který zůstává po celou dobu v pracovní komoře. Jsou jednoduché, spolehlivé a vyžadují minimální údržbu.

Spojky s konstantním plněním poskytují:

• Plynulé zrychlení bez otřesů
• Ochrana proti přetížení (pokud se zátěž zasekne, spojka místo zastavení motoru prokluzuje)
• Tlumení torzních vibrací

Ty se běžně vyskytují v průmyslových aplikacích, jako jsou dopravníky, drtiče, ventilátory a čerpadla. Řada Transfluid K je příkladem spojky s konstantním plněním, která je k dispozici pro elektrické i dieselové aplikace.

Spojky se zpožděním plnění

A spojka se zpožděním plnění (také známá jako spojka se stupňovitým okruhem) přidává nádrž, která zadržuje část tekutiny, když výstupní hřídel stojí nebo se otáčí pomalu. To snižuje odpor na vstupním hřídeli během spouštění, což má dvě výhody:

• Nižší spotřeba paliva když motor běží na volnoběh
• Snížené „tečení“ v automobilových aplikacích (tendence vozidla pohybovat se vpřed při zařazeném rychlostním stupni s motorem na volnoběh)

Jakmile se výstupní hřídel začne otáčet, odstředivá síla vyvrhne tekutinu ze zásobníku a zpět do hlavní pracovní komory, čímž se obnoví plná schopnost přenosu výkonu.

Spojky s proměnným plněním (ovládané lopatkou).

Jak je popsáno výše, spojky s proměnným plněním používají naběrací trubici k ovládání množství tekutiny v pracovní komoře, když je spojka v provozu. To umožňuje plynulé, plynulé řízení rychlosti poháněného zařízení. Používají se v aplikacích vyžadujících variabilní výstupní rychlost, jako jsou:

• Pohony napájecích čerpadel kotlů v elektrárnách
• Velké pohony ventilátorů a dmychadel
• Námořní pohonné systémy
• Pohony odstředivých kompresorů

Aplikace hydraulických spojek

Průmyslové stroje

Kapalinové spojky jsou široce používány v průmyslových aplikacích zahrnujících rotační výkon, zejména tam, kde jsou starty s vysokou setrvačností nebo konstantní cyklické zatížení. Mezi běžné příklady patří:

• Dopravníky – Hladký rozběh zabraňuje poškození řemene a rozlití materiálu
• Drtiče a drtiče – Chrání motor, když se drtič zasekne o nerozbitný materiál
• Odstředivá čerpadla – Umožňuje spuštění motoru bez zátěže a poté postupné zrychlení čerpadla
• Ventilátory a dmychadla – Poskytuje plynulou regulaci rychlosti pro úsporu energie
• Míchačky a rozvlákňovače – Absorbuje rázová zatížení od nepravidelných materiálů

Námořní pohon

Lodě a čluny používají kapalinové spojky mezi dieselovým motorem a hřídelí vrtule. Kapalinová spojka poskytuje v tomto náročném prostředí několik výhod:

• Umožňuje start motoru a volnoběh bez otáčení vrtule
• Tlumí torzní vibrace od motoru
• Poskytuje hladký záběr bez otřesů při použití napájení
• Chrání hnací ústrojí, pokud vrtule narazí na úlomky

Železniční doprava

Dieselové lokomotivy a dieselové vícejednotky (DMU) často používají kapalinové spojky jako součást svých systémů přenosu energie. Výrobci jako Voith vyrábějí turbopřevodovky, které kombinují kapalinové spojky a měniče točivého momentu pro kolejové aplikace. Společnost Self-Changing Gears vyrobila poloautomatické převodovky pro British Rail, které používaly kapalinové spojky.

Automobilový průmysl (historický)

V automobilových aplikacích je čerpadlo obvykle připojeno k setrvačníku motoru (skříň spojky může být dokonce součástí samotného setrvačníku) a turbína je připojena ke vstupnímu hřídeli převodovky. Chování kapalinové spojky silně připomíná chování mechanické spojky pohánějící manuální převodovku – jak se otáčky motoru zvyšují, točivý moment se plynule přenáší na převodovku.

Nejznámější automobilovou aplikací byla Kapalinový setrvačník Daimler , používaný ve spojení s předvoličovou převodovkou Wilson. Daimler je používal v celé řadě luxusních vozů až do přechodu na automatické převodovky s modelem Majestic z roku 1958. General Motors také používal kapalinovou spojku v Hydramatické převodovka, představená v roce 1939 jako první plně automatická převodovka v sériově vyráběném automobilu.

Dnes hydrodynamický měnič točivého momentu do značné míry nahradil jednoduchou kapalinovou spojku v osobních automobilech, protože měniče točivého momentu poskytují násobení točivého momentu při nízkých rychlostech a zlepšují akceleraci ze zastavení.

letectví

Kapalinové spojky našly uplatnění také v letectví. Nejvýraznějším příkladem byl v Wright turbo-směsný pístový motor , používaný na letadlech jako Lockheed Constellation a Douglas DC-7. Tři turbíny s rekuperací energie odebíraly přibližně 20 procent energie (asi 500 koňských sil) z výfukových plynů motoru. Pomocí tří kapalinových spojek a převodů byl výkon této vysokorychlostní turbíny s nízkým točivým momentem převeden na výstup s nízkými otáčkami a vysokým točivým momentem pro pohon vrtule.

Výhody a omezení

Výhody hydraulických spojek

Omezení a úvahy

Inherentní skluz – Kapalinová spojka nemůže dosáhnout 100% účinnosti, protože pro přenos točivého momentu je nutný prokluz. Část energie se vždy ztrácí jako teplo.

Tvorba tepla – Při zablokování nebo silném skluzu vzniká značné teplo. Velké spojky mohou vyžadovat externí chlazení.

Nižší účinnost než u pevných spojek – Kvůli vnitřním ztrátám dynamiky kapalin mají hydrodynamické převodovky tendenci mít nižší účinnost převodů než převodovky pevně spojené, jako jsou řemenové pohony nebo převodovky.

Údržba kapalin – Hydraulická kapalina časem degraduje a musí být pravidelně vyměňována. Viskozita kapaliny ovlivňuje výkon a nesprávná kapalina může způsobit přehřátí.

Není vhodné pro přesnou synchronizaci rychlosti – Pokud se vstupní a výstupní hřídele musí otáčet přesně stejnou rychlostí, nelze použít kapalinovou spojku, protože prokluz je vlastní její činnosti.

Často kladené otázky (FAQ)

Q1: Jaký je rozdíl mezi hydraulickou spojkou a měničem momentu?

Základní hydraulická spojka přenáší točivý moment bez násobení – výstupní moment se rovná vstupnímu momentu (minus ztráty). Měnič točivého momentu obsahuje další součást zvanou stator, která přesměrovává tok kapaliny a umožňuje tak výstupní točivý moment znásobené při nízkých rychlostech. Díky tomu jsou měniče točivého momentu lepší pro automobilové aplikace, kde je potřeba vysoký rozběhový moment.

Q2: Může hydraulická spojka dosáhnout 100% účinnosti?

Ne. Kapalinová spojka nemůže vyvinout výstupní točivý moment, když jsou vstupní a výstupní otáčky stejné, takže je vždy vyžadován určitý prokluz. Za normálního provozu je účinnost typicky 95–98 %.

Q3: Jaký typ kapaliny se používá v hydraulické spojce?

Většina hydraulických spojek používá kapaliny s nízkou viskozitou, jako jsou vícestupňové motorové oleje nebo kapaliny pro automatické převodovky (ATF). Zvýšení hustoty kapaliny zvyšuje točivý moment, který lze přenést při dané vstupní rychlosti. Pro aplikace, kde výkon musí zůstat stabilní při změnách teploty, je preferována kapalina s vysokým viskozitním indexem. Některé spojky jsou k dispozici i pro vodní provoz.

Q4: Jak ovládáte rychlost hydraulické spojky?

U spojky s proměnným plněním (řízená lopatkou) odebírá nerotující naběrací trubka tekutinu z pracovní komory, když je spojka v provozu. Méně kapaliny znamená menší přenos točivého momentu a nižší výstupní otáčky. Ovládáním polohy lopatky lze plynule nastavit výstupní rychlost od nuly až po téměř vstupní rychlost.

Q5: Co se stane, když hydraulická spojka vyschne?

Pokud kapalinová spojka funguje bez dostatečného množství kapaliny, nebude schopna přenést požadovaný krouticí moment. Ještě důležitější je, že omezený objem kapaliny se rychle přehřeje, což často způsobí poškození těsnění, ložisek a skříně.

Q6: Používají se hydraulické spojky stále v moderních autech?

Jednoduché kapalinové spojky byly u osobních automobilů z velké části nahrazeny měniči točivého momentu. Některé moderní automatické převodovky však stále používají principy tekutinové spojky a termín „kapalinová spojka“ se někdy v běžné konverzaci používá zaměnitelně s „měničem točivého momentu“.

Q7: Proč se moje kapalinová spojka zahřívá?

Vyvíjení tepla je normální, protože energie ztracená prokluzem se rozptýlí jako teplo. Nadměrné teplo však ukazuje na příliš velké prokluzování, které může být způsobeno přetížením, nízkou hladinou kapaliny, nesprávným typem kapaliny nebo nefunkčním chladicím systémem.

Q8: Jak dlouho vydrží hydraulická spojka?

Protože mezi čerpadlem a turbínou nedochází k žádnému mechanickému kontaktu, jsou kapalinové spojky extrémně odolné. Primárními součástmi opotřebení jsou těsnění a ložiska. Při správné údržbě a výměně kapalin mohou průmyslové kapalinové spojky vydržet desítky let. $