CN113339080B - 一种汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，涉及驱动耦合技术领域，包括输入轴、输出轴、啮合齿轮、调速装置和齿轮组件；所述调速装置包括主动轴和从动轴，所述从动轴嵌套于所述主动轴外侧，所述主动轴和从动轴上分别套设有主动盘和被动盘，所述主动盘位于所述被动盘的外围；若干个所述卫星齿轮啮合内侧与所述中心齿轮啮合，若干个所述卫星齿轮啮合外侧与所述齿轮圈啮合；所述主动轴直接与所述齿轮圈同轴连接；所述从动轴通过啮合齿轮与所述卫星齿轮架啮合；所述输入轴通过离合器与所述主动轴连接，所述中心齿轮套设于所述输出轴上。由于采用了主、从动轴嵌套设计，省去了两对传动齿轮使得装置的动力传动效率有所提高。

Description

一种汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置

技术领域

本发明属于动力驱动技术领域，特别涉及大容量汽轮发电机组水泵和风机的驱动装置。

背景技术

汽轮发电机组中水泵、风机等是其重要的辅助设备，关系到主给水、主凝结水、锅炉烟 风的升压、输送过程是否能高效低耗、安全可靠的完成。随着汽轮发电机组的向高参数、大 容量方向发展，其水泵、风机等辅机的功率也越来越大，因此不但需要大功率的驱动动力设 备，而且对两者之间的驱动耦合装置的要求也越来越高。希望这种装置既要安全可靠、低耗 节能，又要结构简单、操作方便。

目前现有技术中水泵、风机的驱动动力主要有电动机驱动、小型汽轮机驱动和主汽轮机 直接驱动。由于采用小汽轮机作为动力设备需要配置调节、润滑、凝汽等一系列辅助系统， 因此存在投资大、系统复杂的问题，因此除了不得已，一般均采用电动机作为动力设备或者 直接采用主汽轮机主轴直接驱动。但由于电动机和主汽轮机都是定速运转，因此都存在针对 不同工况和负荷进行调速的问题。

汽轮发电机组系统中的水泵和风机与其驱动设备的连接必须配置有可靠的耦合装置并具 有调速功能，以适应机组不同工况和负荷的运行，从而达到节能降耗的目的。目前这种耦合 和调速装置主要有液力耦合器、永磁调速器和调频器等三种，虽然都具有调速功能，但都有 一些难以克服的缺点。对于液力耦合器，因为需配置一套复杂的工作油系统，造成结构复杂， 日常维护工作量大、成本高，安全性差，同时，因为无减振效果，因而故障率高，可靠性差。 对于变频调速器，虽然优点突出，但是它对公共电网产生的谐波干扰问题不容忽视，同时， 随着驱动功率的增加，变频器价格昂贵，因而在大功率水泵和风机应用上受到了限制。目前 也在汽轮发电机组上应用的永磁调速器虽然能克服液力耦合器和调频器的缺点，但其最大的 问题是它的传递功率的调速范围有限，随着机组及其辅机的功率越来越大，永磁调速器的应 用也受到了限制。

汽轮发电机组水泵与风机的驱动耦合装置与本发明最接近的实现方案有两种。具体为， 其中一个技术方案为液力耦合器方案(见胡念苏主编的《汽轮机设备系统及运行》，中国电 力出版社，P306页图10-10)，其可实现对大功率水泵和风机的无级调速，但是由于需要配 置一套复杂的工作油系统(见胡念苏主编的《汽轮机设备系统及运行》，中国电力出版社， P309页图10-11)，使之具有成本高，维护量大、故障率高，可靠性差的问题。同时，随着 功率增大，其初投资增加很快。另一技术方案是永磁调速器耦合方案(如图6、图7)，由于克服了液力耦合器的缺点，近年来逐步应用到汽轮发电机组的凝结水泵的驱动装置上。但是， 永磁调速器若采用空气冷却其功率范围仅限制在1000kW以内，即使采用水冷其功率范围也 只能在4000kW以内，因此，难以适应更大功率的场合。

总之，对于大功率的水泵、风机等工作设备，虽然目前常规使用的是永磁调速器，液力 耦合器等，但是单独使用永磁调速器，其传递功率，调速范围受到很大限制，而使用液力耦 合则需要配置庞大复杂的工作油，润滑油系统，致使整个驱动耦合装置价格昂贵，运行维护 工作量大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种大容量汽轮发电机组水泵和风机驱动耦合装置， 采用直接驱动与永磁调速机构相结合的技术，既充分发挥了永磁调速机构的优势，又有效克 服了永磁调速机构功率和调速范围的限制。即使对于驱动功率不是很大的场合，采用本发明 的装置后由于调速器传递的功率只占整个功率的一小部分，也会减低设备费用，简化调速器 的冷却方式。

针对上述液力耦合器和永磁调速器耦合的一个共同的特点，即动力设备的全部功率均通 过耦合装置传递到输出端。本发明提出了一种大功率水泵/风机驱动耦合装置，该装置采用直 接驱动与永磁调速机构相结合的技术，既充分发挥了永磁调速机构的优势，又有效克服了永 磁调速机构功率和调速范围的限制。

具体技术方案如下：一种汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，包括输入轴、输 出轴、啮合齿轮、调速装置、制动离合器和齿轮组件；所述调速装置包括主动轴和从动轴， 所述从动轴嵌套于所述主动轴外侧，所述主动轴和从动轴上分别套设有主动盘和被动盘，所 述主动盘位于所述被动盘的外围；

所述齿轮组件包括中心齿轮、若干个卫星齿轮、齿轮圈和卫星齿轮架，若干个所述卫星 齿轮固定在所述卫星齿轮架上，若干个所述卫星齿轮啮合内侧与所述中心齿轮啮合，若干个 所述卫星齿轮啮合外侧与所述齿轮圈啮合；所述主动轴与所述齿轮圈同轴连接；

所述从动轴通过啮合齿轮与所述卫星齿轮架啮合；

所述输入轴通过制动离合器与所述主动轴连接，所述中心齿轮套设于所述输出轴上。

优选地，所述制动离合器安装在所述主动轴远离输出轴的一侧，所述制动离合器包括离 合器主动盘和离合器从动盘，所述离合器主动盘与所述离合器主动盘适配。

优选地，还包括外壳，包括前机壳和轴承架，所述前机壳和轴承架构成空腔结构，所述 主动轴和所述从动轴安装在空腔结构内，所述制动离合器位于所述前机壳内。

优选地，还包括第一轴承，所述输入轴与所述主动轴通过第一轴承连接。

优选地，还包括第二轴承，所述卫星齿轮架与所述轴承架通过第二轴承连接。

优选地，还包括第三轴承，所述输出轴与所述轴承架通过第三轴承连接。

优选地，还包括第四轴承，所述啮合齿轮与所述轴承架通过第四轴承连接。

优选地，所述被动盘上设置有线圈绕组，所述被动盘和线圈绕组构成绕组转子，所述主 动盘上安装有永磁体，所述主动盘和永磁体构成永磁转子，所述永磁转子位于所述线圈绕组 外围。

优选地，还包括电刷和控制装置，所述电刷安装在所述从动轴上，所述线圈绕组通过电 刷和电缆与控制装置连接，控制装置控制线圈绕组的电流。

优选地，设输入轴转速为ω₁，主动轴转速为ω₂，从动轴转速为ω₃，齿轮圈转速为ω₄， 卫星齿轮架转速为ω₅，中心齿轮转速为ω₆，输出轴转速为ω₇；

则ω₁＝ω₂＝ω₄

ω₃＝ω₅

ω₇＝ω₆＝(1+α)ω₅-αω₄

其中α＝ω₄/ω₆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的耦合装置中磁漩涡绕组式调速器与卫星齿轮箱结合，驱动设备动力的 一部分被分离到调速器变化速度和力矩，驱动设备动力的主要部分直接传递到齿轮箱的齿轮 圈，两部分动力在齿轮材料箱通过卫星齿轮和中心齿轮进行合成，最后变速后的动力又经输 出轴输出到工作设备。由于调速器只承担30％左右的动力，因此整个驱动耦合装置所能传递 的功率要远大于单独调速器、耦合器。

(2)本发明装置由于调速器采用了主、从动轴嵌套设计，因而不但省去了两对传动齿轮 使得装置的动力传动效率有所提高，同时，也使得装置结构紧凑，体积和占用空间显著减小。

(3)本发明驱动耦合装置采用卫星齿轮机构后，相对于单独的调速器、耦合器，具有较 大的传动比和调速范围。而且，通过选择适当的齿轮圈和中心齿轮的齿轮比即可获得所需要 的调速范围。

(4)因为具有较大的传递功率和调速范围，因此本发明的装置可用于汽轮发电机组中常 规单独使用的调速器和耦合器所不能胜任的场合，如作为功率较大，调速范围较大的水泵、 风机等设备的驱动耦合装置。

(5)在驱动耦合装置中设置了具有制动功能的离合器，完全克服了常规液力耦合器、调 速器的局限，是其对所传递动力的驱动设备和工作设备的适应大为增强。

附图说明

图1是本发明提供的驱动耦合装置的结构示意图；

图2是本发明提供的调速器采用嵌套结构前驱动耦合装置的原理图；

图3是本发明提供的驱动耦合装置动力的分离与合成原理；

图4是本发明提供的调速器采用嵌套结构后的驱动耦合装置原理图；

图5是本发明提供的齿轮组件结构示意图；

图6是现有技术提供的永磁调速器耦合装置结构示意图；

图7是现有技术提供的永磁调速器耦合原理示意图。

附图标记如下：

1-输入轴；2-主动齿轮；3-从动齿轮；4-主动盘；5-永磁体；6-线圈绕组；7-电刷；8-第 一轴承；9-主动齿轮；10-从动齿轮；11-第二轴承；12-第三轴承；13-齿轮圈；14-卫星齿轮； 15-中心齿轮；16-第四轴承；19-输出轴；20-卫星齿轮架；21-啮合齿轮；22-主动轴；23-从动 轴；24-电缆(去控制装置)；25-制动离合器；26-前机壳；27-轴承架；28-离合器主动盘； 29-离合器从动盘；A-调速装置(调速器)；B-齿轮组件(齿轮箱)；30-电机；31-导体转子； 32-气隙；33-永磁转子-34-执行器；35-调节机构；36-负载。

具体实施方式

如图2和图3所示，其中输入轴1直接与齿轮组件的齿轮圈13连接，用于传递动力设备的主要动力(70～80％)，从输入轴引出部分动力(20-30％)进入调速器A进行调速。调 速器输出转速变化后的动力并通过齿轮传递到卫星齿轮架14，从而两部分动力在卫星齿轮箱合并通过中心齿15轮从输出轴19输出。

(1)调速装置A(调速器A)

如图4所示，调速器采用磁漩涡绕组式结构，包括主动轴22和从动轴23两个轴，其上 分别装有主动盘和被动盘，其中主动盘4上装有永磁体5，永磁体与主动盘构成永磁转子。 被动盘上有线圈绕组6，线圈绕组6与被动盘一起构成绕组转子。

动力设备的动力输入轴带动装有永磁体的主动盘旋转并产生旋转磁场，从动盘上的绕组 切割旋转磁场磁力线产生感应电流，进而产生感应磁场。该感应磁场与旋转磁场相互作用传 递转矩使从动盘也产生旋转。线圈绕组6通过电刷7和电缆24与控制装置连接，控制装置通 过控制绕组转子的电流大小控制其传递转矩的大小以适应转速要求，实现调速功能，同时控 制装置还可接通或关断绕组可使调速器具有离合功能。

(2)调速器A的结构优化

如图4所示，本发明为了使启动耦合装置结构紧凑，缩小体积，将调速器的主动轴22和 从动轴23设计成嵌套结构形式，使调速器主动轴22直接进入齿轮组件B(齿轮箱B)的齿 轮圈13的同时能够使调速器的从动轴能通过啮合齿轮与卫星齿轮架啮合。

(3)齿轮组件B(卫星齿轮箱B)

卫星齿轮箱B的作用是将调速器主动轴22的动力与经过变速后由从动轴23传递来的动 力进行合成。齿轮组件B由齿轮圈13，4个卫星齿轮14，中心齿轮15，卫星齿轮架20等组成。相对于调速器A主动轴22，从动轴23的转速已经有了变化，因此动力合成后的输出转 速也有了相应的变化。

根据理论计算，动力设备输入轴1的转速ω₁,主动轴转速为ω₂，从动轴转速为ω₃，齿 轮圈转速为ω₄，卫星齿轮架转速为ω₅，中心齿轮转速为ω₆，启动耦合装置后输出轴转速为ω₇：

则ω₁＝ω₂＝ω₄

ω₃＝ω₅

ω₇＝ω₆＝(1+α)ω₅-αω₄

其中α＝ω₄/ω₆。

这种动力合成机构具有体积小、重量轻、结构紧凑，传递功率大、承载能力高、运动平 稳的特点，尤其是传动比大，只要适当选择配齿方案，便可得到很大的传动比。另外它的传 动效率也较高，可以达到98～99％。

(4)带制动的离合器装置

为了适应不同的动力和工作设备，本发明装置还配置了具有制动功能的离合器，组成了 一个完整的驱动耦合系统。

当驱动设备或工作设备转子的转动惯量较大时，其轴颈直径可能较大，而驱动耦合装置轴 颈相对较小，由于可能发生电气事故中的重合闸和120°误并列两种工况，很可能造成装置输 入端轴颈强度的安全裕量不足而发生断裂的事故。为此，系统中设置离合器来降低驱动端事 故状态下的扭矩。离合器是以径向方式在输入端联轴器上布置，因此轴端之间的距离不会产 生变化，对轴向推力也不会有影响。离合器的滑动角度取决于电气事故工况造成的负载以及 所实现的滑动扭矩。滑动扭矩为1.8×额定扭矩，如在三相短路时会导致79°的滑动角，在重 合闸时会导致136°的滑动角(120°相位偏移)。因电气事故发生概率很小，所以摩擦离合器 的实时滑动次数很少，离合器可以承受这几个滑动周期而没有任何问题。

当水泵等工作设备因故障需在线检修时，若驱动设备不能停机(如汽轮机作为驱动设备 时)，驱动耦合装置需要让给给在设备平稳的降到零转速，否则无法确保其正常检修过程的 安全。传统调速型液力偶合器本身无法满足这一要求，因为即使将液力偶合器工作腔室内的 工作油完全排空，也会由于泵轮和涡轮之间鼓风的作用，工作设备仍会存在一个较低的转速， 此时无法对给水泵进行不停主机检修。本装置由于增设了制动功能，在需要检修时，可通过 制动装置将离合器的被动盘的转速降到零，由此使工作设备即时停止转动。

具体地，如图1和图4所示，本发明提供了一种汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合 装置，包括输入轴1、输出轴19、啮合齿轮21、调速装置A和齿轮组件B；

所述调速装置A包括主动轴22和从动轴23，所述从动轴23嵌套于所述主动轴22外侧， 所述主动轴22和从动轴23上分别套设有主动盘4和被动盘，所述主动盘4位于所述被动盘 的外围；

其中，所述被动盘上设置有线圈绕组6，所述被动盘和线圈绕组构成绕组转子，所述主 动盘4上安装有永磁体5，所述主动盘4和永磁体5构成永磁转子，所述永磁转子位于所述 线圈绕组6外围。

所述齿轮组件B包括中心齿轮15、若干个卫星齿轮14、齿轮圈13和卫星齿轮架20，若 干个所述卫星齿轮14固定在所述卫星齿轮架20上，若干个所述卫星齿轮14啮合内侧与所述 中心齿轮15啮合，若干个所述卫星齿轮14啮合外侧与所述齿轮圈13啮合；

所述主动轴22与所述齿轮圈13同轴连接；所述从动轴23通过啮合齿轮21与所述卫星 齿轮架20啮合；所述输入轴1与所述主动轴22通过离合器25连接，所述中心齿轮15套设于所述输出轴19上。

其中，本发明提供的动力设备的转速之间的关系如下：

设输入轴转速为ω₁，主动轴转速为ω₂，从动轴转速为ω₃，齿轮圈转速为ω₄，卫星齿 轮架转速为ω₅，中心齿轮转速为ω₆，输出轴转速为ω₇；

则ω₁＝ω₂＝ω₄

ω₃＝ω₅

ω₇＝ω₆＝(1+α)ω₅-αω4

其中α＝ω₄/ω₆。

其中，本发明提供的驱动耦合装置还包括电刷7和控制装置，所述电刷7安装在所述从 动轴23上，所述线圈绕组6通过电刷7和电缆24与控制装置连接，控制装置控制线圈绕组 的电流。

其中，本发明提供的驱动耦合装置还包括制动离合器25，所述制动离合器25安装在所 述主动轴22远离输出轴19的一侧，所述制动离合器25包括离合器主动盘28和离合器从动 盘29，所述离合器主动盘28与所述离合器主动盘29适配。

具体地，本发明提供的驱动耦合装置还包括外壳，包括前机壳26和轴承架27，所述前 机壳26和轴承架27构成空腔结构，所述主动轴22和所述从动轴23安装在空腔结构内，所述制动离合器25位于所述前机壳26内。

本发明提供的驱动耦合装置还包括第一轴承8、第二轴承11、第三轴承12和第四轴承 16，所述输入轴1通过第一轴承8与所述制动离合器25连接。所述卫星齿轮架20与所述轴承架27通过第二轴承11连接。所述输出轴19与所述轴承架27通过第三轴承12连接。所述 啮合齿轮21与所述轴承架27通过第四轴承16连接。

上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本 发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范 围内。

Claims (8)

1.一种汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，其特征在于，包括输入轴、输出轴、啮合齿轮、调速装置、制动离合器和齿轮组件；

所述调速装置包括主动轴和从动轴，所述从动轴嵌套于所述主动轴外侧，所述主动轴和从动轴上分别套设有主动盘和被动盘，所述主动盘位于所述被动盘的外围；所述被动盘上设置有线圈绕组，所述被动盘和线圈绕组构成绕组转子，所述主动盘上安装有永磁体，所述主动盘和永磁体构成永磁转子，所述永磁转子位于所述线圈绕组外围；

所述调速装置还包括电刷和控制装置，所述电刷安装在所述从动轴上，所述线圈绕组通过电刷和电缆与控制装置连接，控制装置控制线圈绕组的电流；

所述齿轮组件包括中心齿轮、若干个卫星齿轮、齿轮圈和卫星齿轮架，若干个所述卫星齿轮固定在所述卫星齿轮架上，若干个所述卫星齿轮啮合内侧与所述中心齿轮啮合，若干个所述卫星齿轮啮合外侧与所述齿轮圈啮合；所述主动轴与所述齿轮圈同轴连接；

所述从动轴通过啮合齿轮与所述卫星齿轮架啮合；

所述输入轴通过制动离合器与所述主动轴连接，所述中心齿轮套设于所述输出轴上。

2.如权利要求1所述的汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，其特征在于，所述制动离合器安装在所述主动轴远离输出轴的一侧，所述制动离合器包括离合器主动盘和离合器从动盘，所述离合器主动盘与所述离合器从动盘适配。

3.如权利要求2所述的汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，其特征在于，还包括外壳，包括前机壳和轴承架，所述前机壳和轴承架构成空腔结构，所述主动轴和所述从动轴安装在空腔结构内，所述制动离合器位于所述前机壳内。

4.如权利要求2所述的汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，其特征在于，还包括第一轴承，所述输入轴与所述主动轴通过第一轴承分别与离合器主动盘和离合器从动盘连接。

5.如权利要求3所述的汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，其特征在于，还包括第二轴承，所述卫星齿轮架与所述轴承架通过第二轴承连接。

6.如权利要求3所述的汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，其特征在于，还包括第三轴承，所述输出轴与所述轴承架通过第三轴承连接。

7.如权利要求3所述的汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，其特征在于，还包括第四轴承，所述啮合齿轮与所述轴承架通过第四轴承连接。

8.如权利要求1所述的汽轮发电机组大功率水泵/风机驱动耦合装置，其特征在于，设输入轴转速为ω₁，主动轴转速为ω₂，从动轴转速为ω₃，齿轮圈转速为ω₄，卫星齿轮架转速为ω5，中心齿轮转速为ω6，输出轴转速为ω₇；

则ω₁ =ω₂ =ω₄

ω₃=ω₅

ω₇=ω₆ =(1+α)ω₅ -αω₄

其中 α=ω₄/ω₆。

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