摘要：該文結合基于液力傳動理論、機械產品設計及關鍵技術分析，對水介質液力減速器的腔型充液進行參數化設計和優化設計；針對產品關鍵制造及工藝控制，揭示其腔型的規律和特性，將理論計算與試制結構進行對比，從而驗證產品安裝的正確性，確保水介質液力減速器在水輪發電機組得到推廣應用。
關鍵詞：水介質；液力減速器；中小水輪發電機組
0 引言
隨著科技進步和經濟發展的需要， 中小水輪發電機組及其機械設備向著高負荷和大功率方向發展，但與之配套的液力減速器受鑄造葉輪材料的強度要求、制造工藝和產品試驗能力的制約， 當到了葉輪線速度的極限時， 已不能僅靠加大液力減速器葉輪的工作腔循環圓有效直徑的辦法提高傳遞功率。中小水輪發電機組及其機械設備轉速容易超過工作速度值， 為滿足設備運行要求可配套防飛逸裝置的要求， 基于液力傳動理論、產品設計及關鍵技術分析，對配套的水介質液力減速器的腔型充液進行參數化設計和優化設計，開發了水介質液力減速器， 它比傳遞相同功率的液力減速器，徑向尺寸降低約13%，葉輪線速度降低約13%，滿足液力減速器葉輪常用鋁合金材料的強度要求，減除液力傳動中軸向力的影響。
1 水介質液力減速器的原理
水介質液力減速器是一種以清水為工作介質，具有雙腔結構，過轉速保護作用的液力元件。水介質液力減速器的基本結構由泵輪、渦輪、連接筒、輸入半聯軸節、輸入軸、固定軸等組成。泵輪和渦輪對稱布置，泵輪和渦輪內設置一定數量的徑向葉片，組成工作腔。工作中，往工作腔充入工作液體時能產生阻力，同時能減除液力傳動產生的軸向力。
工作原理：中小水輪發電機組工作時，水輪發電機組通過輸入軸帶動液力減速器渦輪旋轉， 液力減速器工作腔內沒有充液，此時，水輪機處于正常工作狀態。當水輪發電機組超過允許速度值， 即需要實行防飛逸控制，往液力減速器工作腔內充入清水，此時旋轉的渦輪在固定泵輪葉片和工作液力間產生雙重柔性阻力作用，渦輪（輸入軸）轉速被迫減緩，使水輪機的轉速降低至允許速度值，同時消除液力傳動中產生的軸向力，繼續往液力減速器工作腔充入增量的清水， 水輪機減緩速度就增大， 使中小水輪發電機組達到防飛逸控制和緩降負荷停車。反之，當中小水輪發電機組低于工作速度值時，減少往液力減速器工作腔充入清水量，液力減速器消耗的負荷減少，渦輪轉速提高，使中小水輪發電機組升高到工作速度。這樣，只有當中小水輪發電機組超過允許速度值時,就往液力減速器充入清水，于是中小水輪發電機組靠清水便柔性地實現防飛逸控制和緩降負荷停車。水介質液力減速器是同一臺液力減速器采用兩套泵輪和渦輪組成雙工作腔， 使在工作腔循環圓有效直徑相同的情況下，結構緊湊；減除液力傳動中的軸向力，阻礙力矩增大1.75~2 倍，旋轉渦輪與固定泵輪獨立支承。
水介質液力減速器具有優質的防飛逸作用和良好的節能效果，與中小水輪發電機組配套使用時，起柔性制動、防飛逸控制和緩降負荷停車等作用，保護中小水輪發電機組系統。水介質液力減速器可以實現自動控制，操作簡便，改善了勞動環境，并具有顯著的節能效果，無需特殊維護，使用壽命長。
水介質液力減速器主要適用于中小水輪發電機組和其他需防飛逸控制的設備。
2 結構及關鍵技術
水介質液力減速器其結構（見圖1）主要由箱體、旋轉渦輪組件、固定泵輪組件、供水系統等部件組成。
2.1 箱體
箱體采用水平剖分為箱蓋、箱座兩部分。箱蓋和箱座采用焊接結構件，承載能力好。
2.2 旋轉渦輪組件
旋轉渦輪組件由輸入軸和渦輪組成，主要包括：輸入軸、渦輪A、渦輪B、輸入半聯軸節等；渦輪從工作腔的清水中獲得阻力，形成阻力矩，阻力矩與轉速的平方成正比。
2.3 固定泵輪組件
固定泵輪組件由固定軸和泵輪組成，主要包括：固定軸、泵輪A、泵輪B、連接筒等；泵輪對工作腔的清水中產生阻力，使渦輪產生阻力矩，阻力與渦輪轉速的平方成正比。
2.4 供水系統
供水系統由進水口、進水管、排水口組成。水介質液力減速器的主要結構采用兩套泵輪和渦輪，組成兩個工作腔，旋轉渦輪組件與中小水輪發電機組連接，充液時渦輪由于高速旋轉使工作液（清水）產生液體能（位能與動能），固定泵輪組件對工作液產生阻礙作用，形成阻力，作用于渦輪，從而使渦輪產生阻力矩， 阻力矩的大小與工作液的密度、渦輪轉速的平方、工作腔循環圓有效直徑與形狀等有關。水介質液力減速采用雙腔結構減除液力傳動中軸向力的影響，工作腔型根據中小水輪發電機組的要求進行改進， 具有泵輪力矩系數高，充液快速合理等特點。保證水介質液力減速器制動力矩合理，阻力曲線平滑，轉速控制簡便等優點。水介質液力減速器能夠平衡軸向力，簡化產品結構，提高了工作穩定性，減少振動源，提高中小水輪發電機組壽命和產品可靠性。
3 產品關鍵制造及工藝控制
3.1 產品關鍵制造要點
水介質液力減速器的工作腔設計是該產品的重點和難點， 組成工作腔的零件泵輪和渦輪是關鍵制造要點。渦輪既要承受本身材料質量以及工作液體因高速旋轉產生的離心力， 又要受工作液體溫度迅速升高產生的變形的影響， 對零件致密性和結構提出了很高的要求。為滿足使用要求，通過選取不同的腔型與結構進行有限元計算分析，取得合理的腔型和結構，既保證產品的泵輪力矩系數，又保證強度和剛度，節省成本。渦輪經鑄造成形、熱處理、機加工后進行探傷檢查，噴丸處理和動平衡，保證葉輪工作的可靠性和使用壽命。
3.2 產品工藝特點
水介質液力減速器采用先進的樹脂砂鑄造成形工藝，提高產品的性能和外觀質量。樹脂砂造型工藝的主要特點：
（1）石英砂中不存在泥粉、水分，粒度均勻，透氣性好；
（2）鑄型強度高，保證腔型的形狀及尺寸的精確度和完整性；
（3）鑄型可噴涂涂料，提高鑄件光潔度。
3.3 產品裝配要點
水介質液力減速器主要工作部件為旋轉渦輪組件和固定泵輪組件，其安裝要求如下：
（1）把已連接好的渦輪、輸入軸用螺栓固定；
（2）將a 組吊反轉，裝入輸入軸承座、輸入軸承等，用螺栓固定；
（3）把泵輪A 與連接筒用螺栓固定；
（4）把已連接好的泵輪B 輪與固定軸用螺栓固定；
（5）將d 吊裝入輸出軸承座和軸承中，用螺栓固定，安裝在箱座中，并固定；
（6）將b、c 吊裝在箱座上，調整泵輪與渦輪的端面間隙符合設計要求；
連接好固定泵輪組件，檢查旋轉渦輪組件，應轉動靈活，連接準確。
3.4 產品試機
（1）檢查各機械、電氣連接是否正確、是否安全；
（2）檢查中小水輪發電機組、水介質液力減速器轉向是否相同；
（3）檢查控制閥的動作靈活性和準確性；
（4）打開進水閥，進水壓力大于0.20MPa，出水暢順；
（5）起動中小水輪發電機組，觀察水介質液力減速器轉動應無異常；
（6）加大水輪機進水閥門開度，使中小水輪發電機組轉速達到工作轉速。繼續加大進水閥門開度直至進水閥門最大開度， 同時接通水介質液力減速器的進水管，水介質液力減速器充液并降低中小水輪發電機組轉速，其最高轉速不超過中小水輪發電機組工作轉速的110%~150%；
（7）按試運行要求進行轉速穩定性調節；
（8）試車過程中各項參數應符合要求，水介質液力減速器及管路不得泄漏、滲漏現象。
注意事項：排水口的位置應安全可靠，并設有警示標識。產品保護裝置處設警示標識。
3.5 產品工業運行
（1）檢查；
（2）保持進水閥打開狀態，供水壓力大于0.2MPa，出水暢順；
（3）水介質液力減速器輸入轉速與中小水輪發電機組轉速同步；
（4）當輸入轉速超過工作轉速時，接通水介質液力減速器的進水閥，調節進水量，使中小水輪發電機組轉速降低至工作轉速；
（5）停機時，接通進水管，進水閥調至最大；
（6）關閉水輪機進水閥門；
（7）運行過程中每隔一個周期應測量并記錄水介質液力減速器轉速，振動，軸承溫度等參數；
（8）每隔一年給軸承加注潤滑脂。
4 結束語
目前，水介質液力減速器在中小水輪發電機組的應用市場還在開發中，其控制技術還需在實踐過程中完善和提高。水介質液力減速器在中小水輪機發電機組的應用，可以降低運行費用，減少水輪機進水閥門磨損和保護高壓管道，保護中小水輪發電機組。
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