HYZ750-2B 液力偶合器冷卻系統(tǒng)改造的研究與應(yīng)用

冉 建，余建勇，毛建偉

（川西鉆探公司，四川成都 610051）

0 引言

川西鉆探公司有10 個(gè)鉆井隊(duì)使用HYZ750-2B 液力偶合器共計(jì)30 臺(tái)，均采用柴油機(jī)與偶合器聯(lián)合水冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱。液力偶合器的液力油利用柴油機(jī)的冷卻水來冷卻，冷卻效果差，液力油油溫經(jīng)常高達(dá)110 ℃，嚴(yán)重影響液力偶合器動(dòng)力輸出，同時(shí)也增加了柴油機(jī)的散熱負(fù)荷，影響柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 改造原因分析

改造前，HYZ750-2B 液力偶合器采用柴油機(jī)與偶合器聯(lián)合水冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱（（圖1））。利用12V190 柴油機(jī)的低溫循環(huán)水來冷卻其液力傳動(dòng)油，主要存在以下兩個(gè)問題。

圖1 聯(lián)合水冷系統(tǒng)原理

（1）因190 系列柴油機(jī)一般采用半開式葉輪水泵，在中冷水系統(tǒng)中串聯(lián)偶合器的散熱器后，增加了循環(huán)水系統(tǒng)阻力，引起中冷水系統(tǒng)的流量減少，導(dǎo)致柴油機(jī)散熱效果下降。

（2）經(jīng)過偶合器的冷卻水溫度較高，對(duì)柴油機(jī)的中冷器、機(jī)油冷卻器冷卻效果不好，增加了柴油機(jī)的散熱負(fù)荷，影響柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。液力偶合器的液力油利用柴油機(jī)的冷卻水來冷卻，冷卻效果很差，液力油油溫經(jīng)常高達(dá)110 ℃，嚴(yán)重影響液力偶合器動(dòng)力輸出，甚至無法使用。

經(jīng)計(jì)算，柴油機(jī)自身的冷卻水很難同時(shí)滿足對(duì)柴油機(jī)本身及HYZ720-2B 液力偶合器的降溫需要。

冷卻水循環(huán)量Vw可由式（1）求得：

式中 Vw——冷卻水循環(huán)量，L/s

γw——水的比重，可近似取γw=1000 kg/m3

cw——水的比熱，可近似取cw=4.187 kJ/（kg·℃）

柴油機(jī)燃油所發(fā)出的熱量只有35%～45%轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Ч?，?0%～30%的熱量被冷卻水帶走，25%～40%的熱量被廢氣帶走。也就是說，冷卻柴油機(jī)本身就需要水泵的循環(huán)量為（G12V190PZLG-3的標(biāo)定功率為810 kW），則Vw1=Qw1/Δtw1γw1cw1=13.4 L/s。

根據(jù)偶合器大小及原散熱器估算其散熱量約為130 kW，那么所需冷卻水的循環(huán)量VW2=QW2/ΔtW2γW2cW2=3.5（L/s）。

所需冷卻水循環(huán)總量VW=VW1+VW2=16.9 L/s。

但是12V190 柴油機(jī)的半開式葉輪離心泵排量?jī)H為1000 L/min、即16.7 L/s，小于所需冷卻水循環(huán)總量16.9 L/s。

2 獨(dú)立風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 散熱器

（1）偶合器所需冷卻空氣流量Vf=QW/Δtaγacpηf=17 667 m3/h，取風(fēng)機(jī)空氣流量Qf=18 000 m3/h。

（2）風(fēng)機(jī)大小確定。根據(jù)油散芯子迎風(fēng)尺寸及油散結(jié)構(gòu)，并參考風(fēng)機(jī)廠家提供資料，確定風(fēng)機(jī)葉輪直徑600 mm，風(fēng)筒直徑為630 mm。

（3）風(fēng)機(jī)風(fēng)速v=Qf/S=16.04 m/s。

（4）風(fēng)壓P=v2×1600=161 Pa。

2.2 防爆電機(jī)

（1）功率。單位時(shí)間重量流量為5.64 kg/s，則功率P 為1.49 kW，取系數(shù)1.5，則電機(jī)功率約2.2 kW。

（2）轉(zhuǎn)速。根據(jù)葉片角度、直徑、風(fēng)量、風(fēng)速、電機(jī)功率最終確定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1460 r/min。

2.3 提高風(fēng)扇冷卻效率的措施

一直以來，通過風(fēng)扇來加強(qiáng)通風(fēng)、強(qiáng)化冷卻的方法效率不高，一般不超過35%，浪費(fèi)較大。而影響冷卻風(fēng)扇效率的主要因素包含機(jī)械效率、液力效率和容積效率，其中容積效率最容易得到改善。

（1）安裝護(hù)風(fēng)罩可提高風(fēng)扇的風(fēng)壓和風(fēng)量，引導(dǎo)氣流均勻流過散熱器芯部，避免氣流回流或渦流出現(xiàn)，從而提高冷卻效率。

（2）盡量減少護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇扇葉的徑向間隙，因氣流高速通過風(fēng)扇扇葉時(shí)，扇葉前后存在壓差，通過扇葉后的氣流會(huì)通過此間隙回流，從而降低冷卻效率。

3 冷卻系統(tǒng)的改造

3.1 獨(dú)立風(fēng)冷系統(tǒng)聯(lián)接與安裝

為減少工作量，減少對(duì)偶合器本體的改變或破壞，新設(shè)計(jì)的獨(dú)立風(fēng)冷系統(tǒng)可安裝在改造前水冷散熱器的位置。將獨(dú)立風(fēng)冷系統(tǒng)放在偶合器上，并確認(rèn)與四周機(jī)件無干涉后緊固底座螺栓，最后將偶合器的出油口、進(jìn)油口和風(fēng)冷油冷器的進(jìn)油口、出油口用高壓軟管連接，形成循環(huán)的油道。

3.2 柴油機(jī)低溫循環(huán)系統(tǒng)的恢復(fù)

HYZ750-2B 液力偶合器的散熱器進(jìn)出口是串接在190 柴油機(jī)“低溫循環(huán)系統(tǒng)”回路上中冷器出水口和機(jī)油冷卻器進(jìn)水口之間的（圖2）。如果進(jìn)行改造，拆除偶合器的散熱器之后，第一要?jiǎng)?wù)就是連接好柴油機(jī)中冷器與機(jī)油冷卻器，恢復(fù)190 柴油機(jī)的“低溫循環(huán)系統(tǒng)”，保證柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。連接過程務(wù)必做到無滲漏、少彎道，減小水道摩阻，減輕低溫水泵的負(fù)荷。

圖2 偶合器與柴油機(jī)冷卻水通道的聯(lián)結(jié)示意

4 應(yīng)用效果

先后將兩個(gè)隊(duì)共6 臺(tái)HYZ750-2B 液力偶合器液力油聯(lián)合水冷系統(tǒng)改造為獨(dú)立風(fēng)冷系統(tǒng)后進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，液力油油溫控制在60～70 ℃（環(huán)境溫度35 ℃），既保障了液力偶合器的使用和動(dòng)力輸出，也減小了柴油機(jī)的散熱負(fù)荷，工況運(yùn)轉(zhuǎn)更好、更合理（圖3）。

圖3 改造后的偶合器現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行

5 結(jié)束語

通過改造，液力偶合器冷卻效果得到了較大的改善，減少了故障的發(fā)生，提高了可靠性，保障了它的正常使用和動(dòng)力輸出，同時(shí)也減小了柴油機(jī)的散熱負(fù)荷，工況運(yùn)轉(zhuǎn)更好、更合理。為降低獨(dú)立風(fēng)冷系統(tǒng)能耗，未來可以通過加裝油溫感應(yīng)器來控制風(fēng)扇電路的通斷，讓油溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)才啟動(dòng)風(fēng)扇開始降溫，這樣在冬天或輕負(fù)荷偶合器的油溫不太高時(shí)，獨(dú)立風(fēng)冷系統(tǒng)就不會(huì)啟動(dòng)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。