专利名称：一种用于大功率流体机械的节能调速方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于节能调速技术领域，具体涉及一种应用于大功率流体机械驱动的 节能调速方法及装置。
技术背景泵与风机是一种把机械能转化为流体的势能和动能的动力设备，广泛用于石化、电力、水泥、煤炭、冶金等行业，约占全国能源消耗30%。我国火力发电厂 既是电力生产单位，也是电能消耗大户，其泵与风机的耗电量一般约占发电总量 的5%—10%，因此关于这类设备节能降耗研究具有重大意义。在电力行业中，由于各级电网发电量和社会用电量(即负荷)存在着瞬时平 衡性，而用电量随社会需求和季节、昼夜不同而变化，火力发电厂必须随时调整 发电量，因此，与其相关的水、风、煤的消耗量也必然变化，必须对泵与风机的 流量进行调节。同理，石化、水泥、冶金等行业因负荷的变化也必须对泵与风机 的流量进行调节。泵与风机的流量调节主要是节流调节和变速调节。节流调节传统而简单，就 是用关小阀门开度以改变系统阻力特性曲线的办法来调节流量。这种调节方式人 为的改变了系统阻力特性曲线，提高了系统的压头，造成了大量的节流损失。而 变速调节是在系统阻力曲线不变的情况下，通过改变泵与风机的运行曲线达到所 需的流量和压力，使泵和风机始终处于高效率工作区,减少附加阻力损耗，达到较 好节能效果。基于此特点，大功率泵与风机流量调节主张以变速调节全面取代传 统节流调节，成为近年来节能降耗积极推广的重要方法。目前，国内外调速方法主要有变频电机调速和液力调速，它们的共同特点都
是全功率调速。变频调速在中小功率的工况下应用较多，调速范围大，效率高， 但在大功率的情况下，由于受到技术、成本和可靠性的影响，应用较少。液力调速通常是利用液粘离合器或液力偶合器来进行输出转速的调整，在大功率设备中 应用广泛，成本相对较低，但其调速原理决定了其不可避免的功率损失，效率与 调速比成线性下降，特别是当转差率大时效率低，存在较大的功率损失，其节能 效果受到一定制约。 发明内容本发明针对现有大功率流体机械进行流量调节时，节流调节损耗大、变速调 节技术不全面的缺点，提供了一种用于大功率流体机械的节能调速方法及装置。本发明所述方法和装置是基于行星轮系具备功率(转速)合成和分解的特性， 通过构建差动轮系实现分功率变速传递，结合节流调节，实现流体机械的流量调 节和节能。系统主功率通过差动轮系以机械传动形式传递，分功率通过调速装置 叠加到差动轮系上实现输出转速的调节，以分功率调速实现全功率调速的需求。一种用于大功率流体机械的节能调速装置，其特征在于，所述装置由变级差动轮系、分功率调速单元、节流调节单元和带锁止变速箱组成；所述变级差动轮 系中，齿圈7的内齿和行星轮8的外齿相啮合，齿圈7的外齿与滑移齿轮5可变级啮 合，行星轮8的内齿与太阳轮9啮合，滑移齿轮5和滑移齿轮控制器4连接；主电机 l的输出轴通过第一联轴器2与变级差动轮系的主输入轴3连接，通过滑移齿轮5传 递到齿圈7构成差动轮系主功率输入；所述分功率调速单元中，由副电机21驱动 液力调速装置20，实现分功率调速输入；所述带锁止变速箱由轴锁止器17与变速 器18组成，分功率调速单元通过第二联轴器19与变速器18相连，分功率调速单元 的输出经带锁止变速箱的变速器18由副输入轴16驱动行星架6构成差动轮系分功 率输入；两路功率输入经变级差动轮系合成后，太阳轮9作为动力合成输出，由
输出轴14通过第三联轴器13与流体机械10相连，实现功率合成和转速合成，并实
现变速输出；在流体机械10上安装由管路节流阀11和节流阀控制器12组成的节流 调节单元。
所述流体机械1 O包括泵与风机。
所述滑移齿轮5包括两级变速和多级齿轮变速啮合。
所述分功率调速单元包括以下实现方式采用副电机21与液力调速装置20组 成分功率输入及调速、主电机1分流部分功率与液力调速装置20组成分功率输入 及调速或变频电机进行功率输入及调速。
所述滑移齿轮控制器4、节流阀控制器12、轴锁止器17和分功率调速单元均 由控制单元15控制工作。
本发明还提供了一种用于大功率流体机械的节能调速方法，其特征在于，包 括以下步骤
(1) 将管路节流阀ll调整至最大开度，滑移齿轮5与齿圈7外齿中齿数最少 的齿轮啮合开，分功率调速单元处于输出转矩最小位置，启动主电机l;
(2) 将分功率调速单元设置为最高转速输出，使系统处于额定功率工况；
(3) 对流体机械10进行调速，分以下几个阶段进行
a. 降速调节分功率调速单元采用副电机与液力调速装置组成或主电机l分流 部分功率与液力调速装置组成形式，流体机械10工作需要降低流量时，控制单元 15向液力调速装置20发出指令，分功率调速单元输出转速下降，经变级差动轮系 合成后系统输出转速相应下降，流体机械10输出流量相应下降；
b. 节流调节当分功率调速单元输出转速降为O时，控制单元15向轴锁止器17 发出指令，将变速器18锁止，同时断开分功率调速单元；控制单元15向节流阀控 制器12发出指令，控制管路节流阀ll的开度，流体机械10输出流量相应继续下降; C.降速后再节流调节管路节流阀ll开度达到预设值，控制单元15向滑移齿 轮控制器4发出指令，移动滑移齿轮5调整传动比关系；控制单元15向节流阀控制 器12发出指令，节流阀控制器12控制管路节流阀11开度调整至最大，此时保持流 体机械10输出流量不变；控制单元15向节流阀控制器12发出指令，控制管路节流 阀11的开度，流体机械10输出流量相应继续下降；d.节流后降速调节管路节流阀ll开度达到预设值，控制单元15向轴锁止器 12发出指令，变速器13解除锁止，同时启动分功率调速单元；控制单元15向节流 阀控制器12发出指令，节流阀控制器12控制管路节流阀11开度调整至最大；控制单元15向液力调速装置20发出指令，分功率调速单元输出反向转速，经变级差动 轮系合成后系统输出转速相应获得下降，流体机械10输出流量相应继续下降。所述对流体机械10的调速过程还为a. 降速调节分功率调速单元采用变频电机形式，流体机械10工作需要降低 流量时，控制单元15向分功率调速单元发出指令，分功率调速单元输出转速下降，经变级差动轮系合成后系统输出转速相应下降，流体机械10输出流量相应下降；b. 反向增速调节当分功率调速单元输出转速为O时，控制单元15向分功率调速单元发出指令，分功率调速单元输出转速反向增速，经变级差动轮系合成后系统输出转速相应下降，流体机械10输出流量相应继续下降；C.节流调节当分功率调速单元输出转速反向增速达额定转速时，控制单元15向滑移齿轮控制器4发出指令，移动滑移齿轮5调整传动比关系；控制单元15向 轴锁止器17发出指令，将变速器18锁止，同时断开分功率调速单元；控制单元15 向节流阀控制器12发出指令，控制管路节流阀ll的开度，流体机械10输出流量相 应继续下降，实现低转速条件下的节流调节。 所述方法的调节方向可逆。
本发明的有益效果为所述调速装置解决了变频电机不能应用到大功率调速 的问题，可通过技术相对成熟、成本相对较低、可靠性更高的中小功率变频电机 满足大功率设备的变速需求，同时，结合变速调节和管路节流调节，将进一步降 低电机的输出功率而达到节能的效果，为降低液力调速装置在调速过程中不可避 免的功率损失提供了解决办法；本发明可用于泵和风机的流量调节，具有造价低、 可靠性高、节能效果好的特点。
图1为本发明所述节能调速装置结构示意图2为液力调速装置工作功率与流体机械转速比的关系示意图3为分功率液力调速与节流调节配合过程示意图。
图中标号
l-主电机；2-第一联轴器；3-主输入轴；4-滑移齿轮控制器；5-滑移齿轮； 6-行星架；7-齿圈；8-行星轮；9-太阳轮；10-流体机械；ll-管路节流阀；
12-节流阀控制器；13-第三联轴器；14-输出轴；15-控制单元；16-副输入轴；
17-轴锁止器；18-变速器；19-第二联轴器；20-液力调速装置；21-副电机。
具体实施例方式
本发明提供了一种用于大功率流体机械的节能调速方法及装置，下面通过附 图说明和具体实施方式
对本发明做进一步说明。
本发明所述方法和装置是基于行星轮系具备功率(转速)合成和分解的特性， 通过构建差动轮系实现分功率变速传递，结合节流调节，实现流体机械的流量调 节和节能。系统主功率通过差动轮系以机械传动形式传递，分功率通过调速装置 叠加到差动轮系上实现输出转速的调节，以分功率调速实现全功率调速的需求。
图2为液力调速装置工作功率与流体机械转速比的关系示意图。其中P为
电机的输出功率，W为泵的轴功率，AiV为系统的损失功率。可见随着转速下降， 系统损失功率認与泵的实际需要的轴功率相比，比重越来越大。而损失功率直 接原因就是液力调速装置为调速方式必然出现的自身能量消耗，是不可避免的。图3为分功率液力调速与节流调节配合过程示意图。基于分功率合成调速原 理，结合调速和管路节流将进一步降低电机的输出功率而达到节能的效果，为降 低液力调速装置在调速过程中的功率损失提供了解决办法。根据泵与风机工况， 确定其常用转速工作区域及分布，确定几个关键点实行如下调节如转速下降到 1位置后还需减少流量，则保持输出转速不变的同时切断液力调速装置，则因液 力调速装置自身能耗消失而致使电机输出功率从原P曲线1位置降至N曲线l'位 置，流量下降的需要则通过节流调节，其能耗曲线为l';当通过节流调节运行到 2位置时，调整传动系统主功率输入传动比，以机械传动方式降低泵或风机输入转速，则电机输出功率从原P曲线2位置降至N曲线2'位置致使能耗下降，流量下降的需要则进一步通过节流调节实现，其能耗曲线为2'.-3;依此类推，可获得能耗曲线为1-1'-2-2'-3-3'-4等等，其节能效果优于节流调节和全功率变速 调节方法。图l为本发明所述大功率泵与风机的节能调速装置结构示意图。所述装置由 变级差动轮系、分功率调速单元、节流调节单元和带锁止变速箱组成，流体机械 IO使用泵与风机；所述变级差动轮系中，齿圈7的内齿和行星轮8的外齿相啮合， 齿圈7的外齿与滑移齿轮5可变级啮合，行星轮8的内齿与太阳轮9啮合，滑移齿轮 5和滑移齿轮控制器4连接；主电机1的输出轴通过第一联轴器2与变级差动轮系的 主输入轴3连接，通过滑移齿轮5传递到齿圈7构成差动轮系主功率输入；所述分 功率调速单元中，由副电机21驱动液力调速装置20，实现分功率调速输入；所述 带锁止变速箱由轴锁止器17与变速器18组成，分功率调速单元通过第二联轴器19与变速器18相连，分功率调速单元的输出经带锁止变速箱的变速器18由副输入轴 16驱动行星架6构成差动轮系分功率输入；两路功率输入经变级差动轮系合成后，
太阳轮9作为动力合成输出，输出轴14通过第三联轴器13与泵与风机的主轴相连， 实现功率合成和转速合成，并实现变速输出；在泵与风机的输出端上安装由管路 节流阀11和节流阀控制器12组成的节流调节单元。其中，滑移齿轮控制器4、节 流阀控制器12、轴锁止器17和分功率调速单元均由控制单元15控制工作。
分功率调速单元除上述用副电机与液力调速装置组成分功率输入及调速外， 还包括两种实现方式d采用变频电机进行功率输入及调速；2)主电机l分流
部分功率与液力调速装置组成分功率输入及调速。
当分功率调速单元采用副电机与液力调速装置组成分功率输入及调速或主 电机l分流部分功率与液力调速装置组成分功率输入及调速的实现方式时，按照 以下步骤对泵与风机的流量进行调节
(1) 将管路节流阀ll调整至最大开度，滑移齿轮5与齿圈7的外齿中齿数最 少的齿轮啮合(附图l位置)，分功率调速单元处于输出转矩最小位置，启动主电 机l;
(2) 将分功率调速单元设置为最高转速输出，使系统处于额定功率工况；
(3) 对流体机械10进行流量调节，分以下几个阶段进行
a. 降速调节分功率调速单元采用副电机与液力调速装置组成或主电机l分流 部分功率与液力调速装置组成形式，流体机械10工作需要降低流量时，控制单元 15向液力调速装置20发出指令，分功率调速单元输出转速下降，经变级差动轮系 合成后系统输出转速相应下降，流体机械10输出流量相应下降；
b. 节流调节当分功率调速单元输出转速降为O时，控制单元15向轴锁止器17 发出指令，将变速器18锁止，同时断开分功率调速单元；控制单元15向节流阀控
制器12发出指令，控制管路节流阀ll的开度，流体机械10输出流量相应继续下降;C.降速后再节流调节管路节流阀ll开度达到预设值，控制单元15向滑移齿 轮控制器4发出指令，移动滑移齿轮5 (如附图l向左移动)调整传动比关系；控 制单元15向节流阀控制器12发出指令，节流阀控制器12控制管路节流阀11开度调 整至最大，此时保持流体机械10输出流量不变；控制单元15向节流阀控制器12发 出指令，控制管路节流阀ll的开度，流体机械10输出流量相应继续下降；d.节流后降速调节管路节流阀ll开度达到预设值，控制单元15向轴锁止器12发出指令，变速器13解除锁止，同时启动分功率调速单元；控制单元15向节流阀控制器12发出指令，节流阀控制器12控制管路节流阀11开度调整至最大；控制单元15向液力调速装置20发出指令，分功率调速单元输出反向转速，经变级差动 轮系合成后系统输出转速相应获得下降，流体机械10输出流量相应继续下降。当分功率调速单元14采用变频电机进行分功率输入及调速的实现方式时，按 照以下步骤对泵与风机的流量进行调节a. 降速调节分功率调速单元采用变频电机形式，流体机械10工作需要降低 流量时，控制单元15向分功率调速单元发出指令，分功率调速单元输出转速下降，经变级差动轮系合成后系统输出转速相应下降，流体机械10输出流量相应下降；b. 反向增速调节当分功率调速单元输出转速为O时，控制单元15向分功率调速单元发出指令，分功率调速单元输出转速反向增速，经变级差动轮系合成后系统输出转速相应下降，流体机械10输出流量相应继续下降；C.节流调节当分功率调速单元输出转速反向增速达额定转速时，控制单元15向滑移齿轮控制器4发出指令，移动滑移齿轮5 (如附图l向左移动)调整传动 比关系；控制单元15向轴锁止器17发出指令，将变速器18锁止，同时断开分功率 调速单元；控制单元15向节流阀控制器12发出指令，控制管路节流阀ll的开度，
流体机械10输出流量相应继续下降，实现低转速条件下的节流调节。 所述流量调节方法的调节方向均可逆。
权利要求
1. 一种用于大功率流体机械的节能调速装置，其特征在于，所述装置由变级差动轮系、分功率调速单元、节流调节单元和带锁止变速箱组成；所述变级差动轮系中，齿圈(7)的内齿和行星轮(8)的外齿相啮合，齿圈(7)的外齿与滑移齿轮(5)可变级啮合，行星轮(8)的内齿与太阳轮(9)啮合，滑移齿轮(5)和滑移齿轮控制器(4)连接；主电机(1)的输出轴通过第一联轴器(2)与变级差动轮系的主输入轴(3)连接，通过滑移齿轮(5)传递到齿圈(7)构成差动轮系主功率输入；所述分功率调速单元中，由副电机(21)驱动液力调速装置(20)，实现分功率调速输入；所述带锁止变速箱由轴锁止器(17)与变速器(18)组成，分功率调速单元通过第二联轴器(19)与变速器(18)相连，分功率调速单元的输出经带锁止变速箱的变速器(18)由副输入轴(16)驱动行星架(6)构成差动轮系分功率输入；两路功率输入经变级差动轮系合成后，太阳轮(9)作为动力合成输出，由输出轴(14)通过第三联轴器(13)与流体机械(10)相连，实现功率合成和转速合成，并实现变速输出；在流体机械(10)上安装由管路节流阀(11)和节流阀控制器(12)组成的节流调节单元。
2. 根据权利要求l所述的一种用于大功率流体机械的节能调速装置，其特征 在于，所述流体机械(10)包括泵与风机。
3. 根据权利要求l所述的一种用于大功率流体机械的节能调速装置，其特征 在于，所述滑移齿轮(5)包括两级变速和多级齿轮变速啮合。
4. 根据权利要求l所述的一种用于大功率流体机械的节能调速装置，其特征 在于，所述分功率调速单元包括以下实现方式采用副电机(21)与液力调速装 置(20)组成分功率输入及调速、主电机(1)分流部分功率与液力调速装置(20) 组成分功率输入及调速或变频电机进行功率输入及调速。
5. 根据权利要求l所述的一种用于大功率流体机械的节能调速装置，其特征在于，所述滑移齿轮控制器(4)、节流阀控制器(12)、轴锁止器(17)和分功 率调速单元均由控制单元(15)控制工作。
6. —种用于大功率流体机械的节能调速方法，其特征在于，包括以下步骤:(1) 将管路节流阀(11)调整至最大开度，滑移齿轮(5)与齿圈(7)外齿中齿数最少的齿轮啮合开，分功率调速单元处于输出转矩最小位置，启动主电机(1);(2) 将分功率调速单元设置为最高转速输出，使系统处于额定功率工况；(3) 对流体机械(10)进行调速，分以下几个阶段进行a. 降速调节分功率调速单元采用副电机与液力调速装置组成或主电机(1) 分流部分功率与液力调速装置组成形式，流体机械(10)工作需要降低流量时， 控制单元(15)向液力调速装置(20)发出指令，分功率调速单元输出转速下降， 经变级差动轮系合成后系统输出转速相应下降，流体机械(10)输出流量相应下 降；b. 节流调节当分功率调速单元输出转速降为O时，控制单元(15)向轴锁止器(17)发出指令，将变速器(18)锁止，同时断开分功率调速单元；控制单元(15)向节流阀控制器(12)发出指令，控制管路节流阀(11)的开度，流体机 械(10)输出流量相应继续下降；C.降速后再节流调节管路节流阀(11)开度达到预设值，控制单元(15) 向滑移齿轮控制器(4)发出指令，移动滑移齿轮(5)调整传动比关系；控制单元(15)向节流阀控制器(12)发出指令，节流阀控制器(12)控制管路节流阀(11)开度调整至最大，此时保持流体机械(10)输出流量不变；控制单元(15)向节流阀控制器(12)发出指令，控制管路节流阀(11)的开度，流体机械(10)输出流量相应继续下降；d.节流后降速调节管路节流阀(11)开度达到预设值，控制单元(15)向 轴锁止器(12)发出指令，变速器(13)解除锁止，同时启动分功率调速单元；控制单元(15)向节流阀控制器(12)发出指令，节流阀控制器(12)控制管路 节流阀(11)开度调整至最大；控制单元(15)向液力调速装置(20)发出指令， 分功率调速单元输出反向转速，经变级差动轮系合成后系统输出转速相应获得下 降，流体机械(10)输出流量相应继续下降。
7. 根据权利要求6所述的一种用于大功率流体机械的节能调速方法，其特征 在于，所述对流体机械(10)的调速过程还为a. 降速调节分功率调速单元采用变频电机形式，流体机械(10)工作需要 降低流量时，控制单元(15)向分功率调速单元发出指令，分功率调速单元输出 转速下降，经变级差动轮系合成后系统输出转速相应下降，流体机械(10)输出 流量相应下降；b. 反向增速调节当分功率调速单元输出转速为O时，控制单元(15)向分功率调速单元发出指令，分功率调速单元输出转速反向增速，经变级差动轮系合成后系统输出转速相应下降，流体机械(10)输出流量相应继续下降；C.节流调节当分功率调速单元输出转速反向增速达额定转速时，控制单元 (15)向滑移齿轮控制器(4)发出指令，移动滑移齿轮(5)调整传动比关系； 控制单元(15)向轴锁止器(17)发出指令，将变速器(18)锁止，同时断开分 功率调速单元；控制单元(15)向节流阀控制器(12)发出指令，控制管路节流 阀(11)的开度，流体机械(10)输出流量相应继续下降，实现低转速条件下的 节流调节。
8. 根据权利要求6所述的一种用于大功率流体机械的节能调速方法，其特征 在于，所述方法的调节方向可逆。
全文摘要
本发明属于节能调速技术领域，具体涉及一种应用于大功率流体机械流量调节的节能调速方法及装置。所述装置基于行星轮系具备功率(转速)合成和分解的特性，构建合理的差动轮系实现分功率传递；系统主功率通过差动轮系以机械传动形式高效传递，分功率通过调速装置叠加到差动轮系上实现输出转速的调节，以小功率调速实现全功率调速的需求。解决了变频电机不能应用到大功率调速的问题，同时，结合变速调节和管路节流调节，将进一步降低电机的输出功率而达到节能的效果，为降低液力调速装置在调速过程中不可避免的功率损失提供了解决办法；可用于泵和风机的流量调节，具有造价低、可靠性高、节能效果好的特点。
文档编号F16H3/44GK101398007SQ200810225970
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者宫本文, 林 李, 磊 王, 王志超, 芮晓明 申请人:华北电力大学