变压器效率（共4篇）
变压器效率 篇1
变压器的效率是指变压器输出功率P2和输入功率P1的百分比, 用@表示即@= (P2/P1) ×100%, 输入功率P1包括输出功率P2、铁损PC和铜损PT, 即P1=P2+PC+PT, 所以变压器的效率@=[P2/ (P2+PC+PT) ]×100%, 输出功率P2与负载功率因数cos和负载系数￡有关, ￡=S1/S2式中S1为变压器的实际负载, S2为变压器的额定负载。因为变压器是一种静止的设备, 没有机械损耗, 所以效率很高, 一般都在95%以上。当负载功率因数cos∮一定时, 效率随负载电流变化的曲线如图所示。从图中可以看出, 效率@随负载的增加从零增加到极大值, 而后稍微降低。这是因为负载过大时, 由于二次电流较大, 故铜损也随之增大的缘故, 由计算可以证明, 当铁损和铜损相等时, 变压器可在额定负载下即￡=1时达到效率的极大植, 因为最大效率的条件为下式:Po=￡2Pd, 式中Pd为变压器的短路损耗, Po为变压器的空载损耗。当Po、￡和Pd三者的关系满足该公式时, 变压器即可取得最大效率。由上式不难看出, 当￡=S1/S2=1时, 必有Po=Pd, 即铁损=铜损时, 变压器可在满载下取得最大效率。
平常变压器均设计成Po/Pd=1/3左右, 即￡= (Po/Pd) 1/2= (1/3) 1/2=0.6左右, 也就是说希望最大效率出现在负载为额定容量的60%左右。这是因为考虑到变压器不可能一年四季整日整夜都满载运行, 所以使￡=0.6左右达到最大效率更为经济些。如图的曲线就是当Po/Pd=1/3时的效率曲线。由图可见￡=0.6时效率最大。
例如:有一台100千伏安、10/0.4千伏的变压器, 空载损耗Po=0.6千瓦, 短路损耗Pd=2.4千瓦, 感性负载cos∮=0.8, 当变压器P2=20千瓦和P2=80千瓦时, 效率各是多少?
当变压器负载P2=20千瓦时, 负荷系数￡=S1/S2= (P2/cos∮) /S2= (40/0.8) /100=0.5, 变压器的铜损PT=￡2Pd= (1/2) 1/2×2.4=0.6千瓦。
变压器的效率@=[P2/ (P2+PC+PT) ]×100%=40/ (40+0.6+0.6) =97.1%。
当变压器负载P2=80千瓦时, 负荷系数￡=S1/S2= (P2/cos∮) /S2= (80/0.8) /100=1, 变压器的铜损PT=￡2Pd= (1) 1/2×2.4=2.4千瓦。
变压器的效率@=[P2/ (P2+PC+PT) ]×100%=80/ (80+0.6+2.4) =96.4%, 由此可见变压器的负载为1/2时比满载时的效率高。
变压器效率 篇2
关键词：配电变压器,经济技术分析,节能增效
由于浮法玻璃工艺的特殊性, 在电气工程设计中, 合理选择配电变压器的容量是一个重要的环节。项目报批时, 每标准重量箱平板玻璃的单位耗电量是一个重要的经济指标。选择最佳运行方式和负载的优化调整, 在保证安全供电的条件下最大限度地降低变压器运行自身的损耗并提高电源侧的功率因数, 其实质就是在技术、经济条件允许下的变压器的节电运行。通过多年的浮法玻璃生产线电气设计和运行实践, 从变压器损耗的电能中去挖掘节电潜能, 是节约能源, 降低成本的重要途径。
1 变压器的单位负荷损耗
变压器的损耗主要有空载损耗和负载损耗。一般情况下, 空载损耗可认为是固定不变的, 而负载损耗则与负荷系数的平方成正比。当变压器在某一负荷系数下运行的负载损耗和空载损耗相等时, 则变压器的效率最高, 此时的负荷系数称之为经济负荷系数βj, 如式 (1) 所示。这表明1台变压器的负荷系数在βj时效率比其他任何负荷系数时的效率都高。
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式中, βj为经济负荷系数;P0为变压器空载损耗 (kW) ;Pk为变压器负载损耗 (kW) ;α为损耗比, 为Pk/P0。
玻璃工厂配电系统配有数台电力变压器, 它的负荷在一个窑期内甚至在1 d之内是经常变化的。这样, 若在其他负荷系数下的效率及损耗又将如何?下面以A表示变压器单位负荷的损耗, 如式 (2) 所示为每1 kVA负荷所引起变压器本身的损耗 (kW) 。
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式中, A为变压器单位负荷损耗 (kW/kVA) ;Se为变压器单位额定容量 (kVA) ;β为变压器负荷系数, 为负荷与其额定容量之比S/Se。
单位负荷损耗A是变压器负荷系数β的连续函数, 故在式 (1) 所表达的βj下单位负荷损耗最小。单位负荷损耗越小, 变压器的效率越高。这样用单位负载损耗来分析, 比用效率分析更直观更简单。
2 变压器运行时的经济性
以任一负荷下的单位负荷损耗A与经济负荷系数下的单位负荷损耗Aj相比, 其比值B即可反映某一负荷系数下的A值为Aj之倍数, 并求得增加的相对值的百分数, 以此来判断变压器运行时的经济性。
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由于P0=β2jPk及Pk/P0=α代入上式, 化简后得式 (3) , B值与损耗比α及负荷系数β有关。
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在某一范围内, 有2个负荷系数β1、β2与之相对应, β1、β2与α有式 (4) 所示之关系βd。
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B-β关系表 (见表1) 中列出了损耗比α为3~7时按式 (3) 、式 (4) 求得的B-β关系值。由表可知低于βd时, 单位负荷损耗及B值急剧上升, 效率相应急剧下降。所以βd称之为最低负荷系数。变压器如长期在低于βd的负荷系数下运行是不经济的, 对变压器的利用率也是很低的, 应尽量避免。
在变压器容量选择得过大时, 这种情况就会较多出现。相对于经济负荷系数而言, 损耗比大的变压器在低负荷运行中单位负荷损耗的增加较少, 而损耗比小的变压器在高负荷时单位负荷损耗增加较少。通常损耗比α是已知值, 即可求得一台变压器在不同负荷下的B值。由B值可以判断运行时的经济性, 如掌握一些典型的日负荷曲线, 更可得出实际结论。赋予不同的B值, 从式 (3) 可以求得β1、β2 2个负荷系数。由式 (4) 可得与满负荷β=1时单位负荷损耗相等时的负荷系数。
对一台变压器来说, 经济运行是指其负荷系数尽可能接近经济负荷系数, 即B值尽可能接近1。由于负荷的特性及生产班次等原因, 变压器的负荷在1 d之内并不保持恒定不变, 如仅为降低变压器运行时的损耗而调节负荷使之在接近β1下运行, 而又不增加因此而引起的附加负荷是难于做到的, 也是没有必要的。
式 (1) 、式 (3) 所表达的βj与B是α的函数。当α为3时βj为0.58, β=0.7时B为1.01;当α为6时βj为0.41, β=0.7时B值为1.15。α增大了一倍, 而βj减少了0.17, B值增加了0.14。β在某一范围内B值变化不是很大, 而且比βj时的B值增加不多。因此, 可以引入经济负荷区的概念。B值具体为若干, 变压器负荷相应在β1~β2范围内是属于经济运行范围, 这是可以讨论的。设计认为在变动负荷情况下, B值为1.1及以下时, 相应的负荷系数固然属于经济运行范围内, 如B≤1.25时也可以认为符合经济性。
在浮法玻璃生产工艺玻璃工厂电气工程设计中主要选用有:油浸式及树脂浇注干式2大类变压器。油浸式的基本系列为S9型, 其损耗比为5.2~6.2 (S9型) , 浇注干式变压器损耗比约在3~5之间。
根据以上分析, 在玻璃厂设计中选择配电变压器负荷系数在0.3~0.75, 运行时的单位负荷损耗不超过最低值的25%。
3 具体分析
在浙江玻璃厂浮法二线改造工程中, 供配电存在不合理现象。供电基本情况:从外部110 kV区域变引两路35 kV电压线路到该厂总变电所, 厂总变设2台600 kVA、35/10 kV变压器, 分列运行, 互有联络。以10 kV电压供到玻璃厂浮法1、2线设置的5个10/0.4 kV变电所, 13台变压器。全厂总装机容量~10 000 kVA, 生产线烤窑时 (不考虑2条线同时烤窑) 最大计算负荷~8 000 kVA, 正常生产使用负荷~3 800 kVA。由于浮法玻璃工艺的特殊性, 2台变压器必须同时运行, 互为备用, 故35/10 kV变压器常年负荷率在40%以下运行, 因此35 kV主变压器的容量远远大于使用电负荷, 空载损耗比非常不合理, 存在着用电的巨大浪费, 直接制约工厂的生产成本, 一般产品电耗占总能耗的16%, 可见降低电耗是降低成本的重要途径。
对浙江玻璃厂浮法二线改造工程进行优化电气设计, 推出变压器经济运行计算理论, 进行准确地分析并提出配电系统改进方案, 首先取消总变电所2台6 000 kVA、35/10 kV主变压器, 以35 kV线路直供5个分变电所的13台35/0.4 kV变压器, 通过优化接线系统, 在生产线烤窑时13台变压器同时投运, 正常生产调整为8台变压器同时运行。调整负载损耗和空载损耗近似相等的方式, 将一种损耗最小的方式投入运行。大大地降低设备投资费用及按容量收取的基本电费。由于全厂变压器采用经济运行方式, 通过理论上分析计算, 每年节约有功电量~100 000 kW·h、无功电量~80 000 kWh, 综合电量超过150 000 kW·h, 实现经济效益60余万元。
实现多台变压器的经济运行, 效益是非常明显的, 潜力也很大, 特别是无功电量的节约更为显著, 因此开展变压器的运行经济性既可节约电容器补偿的投资, 又可降低供电系统的线损。
4 结 语
变压器效率 篇3
关键词：自耦变压器,差动保护,电流回路
0 引言
在电力系统运行过程中,变压器主要发挥着变换电压的作用,通过对电功率的传输和电能的分配来架起电厂、电网和用户之间的桥梁[1]。大型变电站中常使用的自耦变由于受到线圈阻抗大、试验升流器容量的限制,现场只能在套管CT二次接线盒进行二次通流试验,以及通过点极性的方法来单独检验某个CT二次回路的完整性[1]。
而对于主变压器本体套管CT的二次电流回路检查,还是停留在本体端子盒二次升流、使用容量足够的电池配合精度高的电流指针表进行安装后的极性检查。而且,在进行主变压器套管CT安装好以后要进行极性检查,试验人员还需要系好安全带爬到主变套管头进行引接线,增加了登高作业的风险。更有甚,除了高压试验在安装前进行过套管CT的变比检查外,在安装好变压器及二次回路接线完成后没有再进行过一次升流试验,致使主变压器注油循环后会对内部绕组产生影响。为减少现场高空作业、减轻工作人员的劳动强度,必须提高主变压器电流回路检查的效率及正确性、完整性[2]。本文结合工程实践,探讨在大型变电站中提高500 kV自耦变压器电流差动回路检查效率的方法。
1 大型变电站中检验主变压器电流差动回路的现状
1.1 试验未能查出二次开路并造成严重事故
广西500 kV邕州变电站曾经发生过新装#1主变压器某个套管CT在本体接线盒二次开路未检查出来的事故,造成了主变压器运行一段时间后由于开路的二次绕组产生高电压,将套管CT绝缘层烧毁,导致主变套管漏油的严重事故。
1.2 试验未能发现极性是否相同
电流互感器的极性指的是某一时刻一次侧极性与二次侧某一端极性相同[2]。广东500 kV罗洞变电站在更换#2主变压器B相复装后,由于是不同厂家的设备,试验人员通过铭牌发现低压侧套管的极性与其他两相相反.
1.3 试验未能检验接线方式并留下安全隐患
目前,对于主变本体套管CT的二次电流回路检查,还是停留在本体端子盒二次升流、使用容量足够的电池配合精度高的电流指针表进行安装后的极性检查。除了高压试验在安装前进行过套管CT的变比检查外,在安装好变压器及二次回路接线完成后没有再进行过一次升流试验。安装变压器的施工人员,按图纸施工后,如何对自耦变压器低压侧接成三角形,即1 1点钟接线方式的检查,只能通过厂家出厂铭牌和设计的蓝图,在送电前缺乏有效的检查手段来检验这个11点钟接线是否正确,为启动试运行留下隐患。
成因分析:由于主变压器差动保护回路复杂,涉及多个开关CT、套管CT的二次回路,所以其接线方式存在不统一,现场工作人员常常按照常规方案,使用笨重的仪器,需要移动多次进行升流,未能完整地进行调试检查;而且涉及多处高空作业,导致一整套CT检查完成,包括升流,需要花费2d左右的时间。
2 分析原因
依据上述调查,从“人、机、料、法、环”5个方面进行分析,找出了全部原因(如图1所示)。
2.1 导致可能出现的问题
CT极性接反;CT变比用错;CT二次回路接线错误;低压侧三角形接线组别错误;高中低三侧CT不能同时对比,造成保护有差流。
2.2 导致出现问题的原因
在实际的改扩建站中,常常由于交叉作业,一次导线在安装好后就很少拆除,否则又需要吊车,人员高空作业,存在作业风险,增加了劳动强度,如果接住一次导线,由于是运行变电站,强烈的感应电又会对主变压器套管CT极性检查造成干扰。这样造成了测量耗时长,试验人员劳累。
观察中发现,即使在地势平坦的地方也需要重复搬运多次,更换位置,而且绝缘杆连着升流线换位,过于笨重,这大大地增加了试验员的劳动量,费时费力。如果对于主变压器套管使用点极性的方法还需要爬到套管头接线,增加了高处作业的危险。
通过分析不难看出,在对主变压器电压差动回路检查试验中,造成效率低下是由于升流设备笨重,且改扩建站中感应电对极性检查有一定的影响。因此,如何能够运用科学的方法提高500 kV自耦变压器电流差动回路检查效率成为我们最大的目标[4]。
3 试验对策实施
3.1 试验前电流的科学准确计算
变压器差动保护是各侧CT二次电流的差流,所以差流是差动保护带负荷测试的重要内容[3]。
以广西玉林500 kV美林变电站#1主变压器作为试验参考。
型号为单相自耦无励磁调压电力变压器;计算变压器各测一次电流[4]:;额定电压为525/kV/(230/±2×2.5%) kV/36.75 kV;单相额定容量:高压侧334 MVA;中压侧334 MVA;低压侧80 MVA;接线组别:Yna0d11;V1-2%=13.81%,V1-3%=57.13%,V2-3%=39.41%;铭牌短路阻抗:三相平均值。
变压器铭牌上给出的短路电压百分数为Vs%,是变压器通过额定电流时在阻抗上产生电压降的百分数,对于大容量变压器,其绕组的电阻比电抗小得多,可以近似认为VX%=Vs%。通过对比计算,将电压加在中压侧比较合理。
3.2 主变差动电流回路幅值理论计算
将380 V电压加到中压侧分析各侧产生的理论短路电流。
电压加于中压侧开关后端,母线刀闸拉开;高压侧刀合闸,开关合闸,刀闸合闸;低压侧开关合闸、刀闸合闸,低压侧母线地刀合闸。自耦变中性点接地。各个开关CT及主变压器套管CT的一次P1端图中标注“*”侧。所有CT的二次绕组抽头电流从同名端S1引出。自耦变压器结构图如图2所示。
各侧短路阻抗电压计算:
归算到中压侧(VN=230 kV)的各侧等值电抗计算(以下均为单相计算)。
电源加在中压侧时的主变压器等效电路图如图3所示。
在中压侧加入三相对称的220 V交流电压,计算各侧短路电流(不考虑变压器励磁涌流影响):
由于磁感应,高压侧、低压侧的实际电流计算如下:
由于低压侧电流为三角形接法,内部为环流:
根据基尔霍夫电流定律KCL,公共绕组流过的电流如下:
最终,从试验接线到完成数据测量收集工作大大缩短,从原来的48 h减至3.5 h,达到了试验预期的目的。
4 结语
通过测量的数据与理论计算的大小,以及六角图的分析,可以保证所涉及的电流回路无开路现象,且极性正确,排除了在启动试运行和今后运行维护可能存在的隐患[5]。角度的对比分析可以检查出大型自耦变接线组别的正确性,科学地验证了电气安装的正确性。
针对大型变电站220 kV双母单分段或双母双分段,还可以通过加压检查好各个PT电压回路的正确性,如果从某一线路支路加压,通过母线送往主变压器中压侧,产生短路电流后,还可以检查220kV母线保护的极性是否正确。
本方法提高了主变压器涉及的套管CT、开关CT二次电流回路的检查效率,减轻了试验人员的劳动强度,当通过试验产生一次电流以后,只需要一组人员使用电流钳表在继保室、户外端子箱进行测量。试验过程中不需要登高作业,摒弃了传统对于套管CT极性检查时,需要登高去套管头接线的风险。摒弃了传统的使用笨重升流器,避免了多次移动,减少劳力。
参考文献
[1]齐丹丹,王鹏.变压器差动保护误动的原因及预防措施分析[J].民营科技,2014(11).
[2]赵彦龙,张立春.浅谈变压器差动保护中的极性问题[J].农村实用科技信息,2012(5).
[3]郭存瑞,李宗耀,齐建芬.变压器差动保护带负荷测试的内容及数据分析[J].内蒙古科技与经济,2009(15).
超高压液压增压器的效率分析 篇4
高压水射流是近年来发展十分迅速的一项新技术,其应用日益广泛,目前已在煤炭、石油、冶金、航空、建筑、交通、化工、建筑、建材、市政工程及医学等部门应用。超高压水射流系统是超高压水射流的发生装置,而其核心部分为超高压发生器。目前超高压水射流系统主要采用3种形式的超高压发生器:第1种是直接驱动的超高压柱塞泵;第2种是目前国外采用较多,国内普遍采用的液压增压器;第3种是相位式增压器。
由直接驱动的超高压柱塞泵组成的超高压水射流系统,结构简单、工作可靠、维护方便、水压脉动较小。但超高压柱塞泵的结构复杂、精度高、价格昂贵,并且相对于液压增压器来说,柱塞泵产生的压力较低,一般用户不能自己生产,目前主要在高校、研究院所的试验装置中有所应用[1]。超高压水射流系统主要由油压系统、供水系统、液压增压器系统、以蓄能器为核心的恒压系统、喷嘴和管路等组成。其特点是油压系统采用现有的液压技术和元件就能解决,液压增压器及蓄能器用户可以自己开发研制,加工制造并非十分复杂。但液压增压器与超高压柱塞泵相比,其工作效率相对较低[2,3],而且液压增压器两个高压腔中的压力相位始终相差180°,排水和吸水动作是不连续的,产生的压力存在波动[4]。相位式增压器相当于将液压增压器拆分成两个单作用缸而并联起来,可以说是液压增压器的一种变化形式[5]。压力波动小是相位式增压器的最大特点,但从结构上看,必然要复杂一些,控制与维护也相对繁琐一些。
液压增压器运行效率不高的问题普遍存在,但目前国内外对此开展的相关研究工作却很少[6]。众所周知,液压增压器运行效率不高不但增加了能量的损耗,更直接影响了液压增压器式超高压水射流设备的整体性能。因而,对液压增压器运行效率进行研究,为液压增压器的优化设计提供了依据,对提高液压增压器式超高压水射流设备的整体性能,具有重要的现实意义。
本研究以某型号液压增压器式超高压水射流设备为研究对象,通过建立其增压器的运动学模型,应用Matlab对增压器内部运动微分方程进行数值分析,研究增压器运行效率与各主要设计参数之间的关系。
1 增压器的运动学模型
1.1 工作原理
液压增压器的结构如图1所示。液压油从液压增压器左侧油管路进入左侧低压油腔,推动活塞和活塞杆向右运动。左侧高压腔的容积不断增大,容腔内的水不断膨胀,压力急剧下降。当左侧高压腔内的压力降低到等于供水泵提供的压力时,左侧进水单向阀打开,低压水从进口流入左侧高压腔。在活塞和活塞杆向右运动的过程中,右侧高压腔的容积不断变小,容腔内的水不断被压缩,压力急剧上升。当右侧高压腔内的压力达到出水压力时,右侧出水单向阀打开,高压水从出口流出,经过蓄能器,最后从喷嘴喷出。当活塞右行至行程终点时,霍尔接近开关发出电信号,电磁换向阀改变液压油的流向。此时,液压油从增压缸右侧油管路进入右侧低压油腔,推动活塞向左运动,右侧高压腔内的水膨胀降压,左侧高压腔内的水被压缩增压。如此往复,形成连续的超高压水射流[7]。
1.2 水的压缩性方程
增压器利用水的压缩性来提升水的压力。若不考虑温度对压力影响,水的压缩性方程为[8,9]:
式中 p—水的压力,Pa;V—水的体积,m3;K—水的体积弹性系数,Pa。
1.3 增压器的力平衡方程
取增压器活塞运动至左行程终点并开始反向往右运动的时刻为研究的起始点[10,11],取增压器活塞和活塞杆组成的系统作为研究对象,对其进行受力分析,忽略增压器工作过程中液压油温升高对其的影响。根据牛顿第二定理,增压器的力平衡方程为[12]:
式中 p—左侧高压腔内水的压力,Pa;p1—左侧低压腔内油的压力,Pa;p2—右侧高压腔内水的压力,Pa;p3—右侧低压腔内油的压力,即水射流系统的回油压力,Pa;A1—增压器活塞面积,m2;A2—增压器活塞杆面积,m2;B—阻尼系数;m—系统的总质量,kg;x—活塞右行的位移,m。
1.4 动态过程分析
根据增压器左右两侧进出水单向阀的开启情况,增压器活塞从左行程终点移动至右行程终点的运动过程可以分为以下3个阶段:
第1阶段,当左侧进水单向阀、右侧出水单向阀都未打开时,左侧高压腔内的水不断膨胀,容腔内水的压力下降,右侧高压腔内的水不断被压缩,容腔内水的压力上升,根据水的压缩性方程(1)可得:
式中 p0—增压器的输出压力,Pa;p4—水射流系统中压力水泵的输出压力,Pa;V1—左行程终点时左侧高压腔的容积,即增压器与单向阀之间高压管路的体积,m3;V2—左行程终点时右侧高压腔的容积,m3,V2=V1+A2l,l—活塞的行程,m;ΔV—位移为x时高压腔容积变化量,m3,ΔV=A2x。
把式(3)与式(4)代入增压器的力平衡方程(2)可得这一阶段增压器内部运动微分方程为:
第2阶段,当左侧进水单向阀打开,右侧出水单向阀未打开时,左侧高压腔内水的压力维持恒定,即p等于水射流系统中压力水泵的输出压力p4,右侧高压腔内的水仍不断被压缩,容腔内水的压力继续上升,故p2仍满足式(4)。把这一阶段的p和p2代入增压器的力平衡方程(2),可得此阶段增压器内部运动微分方程为:
第3阶段,当左侧进水单向阀、右侧出水单向阀都打开时,左右两侧高压腔内水的压力都维持恒定,即p等于水射流系统中压力水泵的输出压力p4,p2等于增压器的输出压力p0。把这一阶段的p和p2代入增压器的力平衡方程(2)可得此阶段增压器内部运动微分方程为:
1.5 模型的验证
本研究所建立的增压器运动学模型已经通过试验[13]证明是基本合理的,具体说明如下:在其他影响因素不变的情况下,增压器输入油压大小直接决定了增压器活塞的行程时间。根据所建立的数学模型,通过理论计算可以得到不同油压下增压器活塞的行程时间。在试验过程中,通过调节超高压水射流系统的电磁溢流阀,可以改变增压器输入油压,从而得到在不同油压下系统的运行状况,记录增压器活塞的总运动时间。通过增压器活塞行程时间的理论计算值与实测值的比较,发现当增压器的输入油压较小时,两者之间的差值较大,随着输入油压的上升,两者之间的差值逐渐减小并趋于稳定。之所以存在这样的现象,是因为当增压器输入油压较小时,增压器活塞的行程时间较长,排油腔中的油液不能在极短时间内排出,从而造成了实际情况与理论假设存在偏差。随着增压器输入油压的增大,增压器活塞的行程时间缩短,此时,排油腔中的油液能在极短时间内排出,因而理论假设与实际情况能较好地吻合,理论计算与实测到的增压器活塞行程时间也比较接近。故本研究所建立的增压器运动学模型是基本合理的。
2 运动微分方程的数值分析
Matlab是MathWorks公司提供的高性能软件平台,是一种面向科学与工程的高级语言,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成一个功能强大、方便、界面友好的用户环境。运用它所提供的强大的数值分析功能进行微分方程数值求解,在系统数值仿真研究中有着很大的优越性。
丽水某公司生产的某型号超高压水射流设备所采用的液压泵是由柴油机驱动的定排量齿轮泵。在正常工作情况下,该齿轮泵的输出流量(即增压器的输入流量)是一定的,故该超高压水射流设备中的增压器活塞的行程时间也是一定的。根据该超高压水射流设备的设计参数及实测数据,增压器进油口流量Q1为75.4 L/min,活塞的行程时间t1为1 s,电磁阀换向时间t2为0.15 s,其他参数取值如下:p0=150 MPa,p1=10.276 MPa,p3=0.1 MPa,p4=0.6 MPa,l=0.171 m, A1=7.84×10-3 m2,A2=4.9×10-4 m2,V1=1.24×10-5 m3,V2=9.62×10-5 m3,K=2 180 MPa,B=10 000,m=5.2 kg。
本研究运用工程计算软件Matlab对增压器内部运动微分方程进行数值分析。在保证增压器的输入流量不变的前提下,当运动微分方程中的各种参数发生变化时,通过分析增压器的输入压力及输出流量的变化情况,并经过进一步的数据处理,可以得出增压器运行效率与各主要设计参数之间的关系。
3 结果分析与讨论
在本研究中,分别定义增压器平均输出功率Pout、平均输入功率Pin及增压器的运行效率k为:
式中 V3—活塞从左行程终点运动到右行程终点的过程中增压器输出高压水的体积,m3。
不同参数条件下增压器运行效率与各主要设计参数之间的关系,如图2~图6所示。
阻尼系数对增压器运行效率的影响如图2所示。由图2可以看出,当增压器与单向阀之间高压管路的体积相同时,阻尼系数对增压器运行效率有明显的影响,阻尼系数越大,增压器运行效率越低。这是因为增压器活塞在运动过程中受到越大的摩擦阻力,就会损失越多的动能,这部分能量损失转化为热能,引起液压油温的升高。这说明在保证增压器内部相对运动部件之间良好的密封性的前提下,应使阻尼系数变小,减小摩擦阻力,提高增压器运行效率。从图中还可以看出,在阻尼系数不变的情况下,增压器与单向阀之间高压管路的体积越小,增压器运行效率越高。
增压器与单向阀之间高压管路的体积对增压器运行效率的影响如图3所示。由图3可以看出,在相同换向阀换向时间的情况下,从总体趋势上来看,增压器运行效率随增压器与单向阀之间高压管路的体积的增大而降低;当增压器与单向阀之间高压管路的体积相同时,增压器运行效率随换向阀换向时间的延长而降低。这说明减小增压器与单向阀之间高压管路的体积对提高增压器运行效率有好处,但过小的高压管路的体积会受到增压器整体结构设计的限制。
换向阀换向时间对增压器运行效率的影响如图4所示。由图4可以看出,当阻尼系数相同时,换向阀换向时间对增压器运行效率有显著的影响,这说明换向阀是超高压增压系统的关键元件之一,换向阀换向时间是影响超高压增压系统整体性能的重要参数。换向阀换向时间越长,增压器运行效率越低,反之效率越高。在换向阀换向时间不变的情况下,增压器运行效率随阻尼系数的增大而降低。
增压器的输出压力对增压器运行效率的影响如图5所示。从图5可以看出,增压器的输出压力越大,增压器运行效率越低。这是因为随着增压器的输出压力的增大,水的体积压缩更为明显,增压器在一个行程时间内输出高压水的体积就会减小,从而降低了增压器运行效率。在增压器的输出压力保持不变的情况下,换向阀换向时间越短,增压器运行效率越高。
水射流系统的回油压力对增压器运行效率的影响如图6所示。从图6可以看出,在阻尼系数保持不变的情况下,水射流系统的回油压力越小,增压器运行效率越高。这是显而易见的,从上述方程(2)中,可以看出,水射流系统的回油压力会抵消一小部分增压器的输入压力,所以水射流系统的回油压力越小越好,有助于提高增压器运行效率。从图中还可以看出,在水射流系统的回油压力相同的情况下,增压器运行效率随阻尼系数的减小而升高。
4 结束语
本研究以某型号液压增压器式超高压水射流设备为研究对象,通过建立其增压器的运动学模型,应用Matlab对增压器内部运动微分方程进行数值分析,研究增压器运行效率与各主要设计参数之间的关系。研究结果表明,增压器运行效率的影响因素主要有阻尼系数、增压器与单向阀之间高压管路的体积、换向阀换向时间、增压器的输出压力、水射流系统的回油压力等,其中阻尼系数、换向阀换向时间以及增压器的输出压力对增压器运行效率影响较大,增压器与单向阀之间高压管路的体积、水射流系统的回油压力对增压器运行效率影响相对较小。
为了提高增压器运行效率,改善液压增压器式超高压水射流系统的性能,可以考虑采取以下措施:①选择快速换向阀,以缩短换向时间,从而提高增压器运行效率;②在保证增压器内部相对运动部件之间良好的密封性的前提下,减小阻尼系数,削弱摩擦阻力的作用,从而提高增压器运行效率;③在满足增压器整体结构设计要求的前提下,缩小增压器与单向阀之间高压管路的体积,有助于提高增压器运行效率;④选择性能良好的换向阀,减小回流液压油经过换向阀时的压力
损失,从而减小水射流系统的回油压力,有助于提高增压器运行效率。
研究结果表明,本研究为增压器运行效率的优化设计提供了参考依据,对提高增压器的性能提供了一定的帮助,在实际工程应用上具有一定的指导意义。
摘要：为了减少液压增压器在运行过程中的能量损失,改善超高压水射流设备的整体性能,以某型号超高压水射流设备为研究对象,建立了其增压器的运动学模型,应用Matlab软件对增压器内部运动微分方程进行数值分析,研究了增压器运行效率与各主要设计参数之间的关系。研究结果表明,增压器运行效率的影响因素主要有阻尼系数、增压器与单向阀之间高压管路的体积、换向阀换向时间、增压器的输出压力、水射流系统的回油压力等。对增压器运行效率的分析研究,为提高增压器运行效率和改善超高压水射流系统的性能提供了依据。