Turbomenjač

1.0 OPIS KONSTRUKCIJE I PRINCIP RADA HIDRODINAMIČKOG

MENJAČA

Hidrodinamički ili turbomenjači su turbomašine za prenos snage, promenu momenta
obrtnog kretanja posredstvom radne tečnosti koja cirkuliše kroz njihov radni prostor. Prenos
snage se vrši bez krute veze i mehaničkog dodira pogonskog i gonjenog vratila. Transformacija
parametara snage obrtnog kretanja gonjenog vratila (obrtni moment i ugaona brzina) u odnosu na
parametre pogonskog vratila, vrši se kontinualno i automatski se prilagođava opterećenju na
gonjenom vratilu.

Hidrodinamički menjači, za razliku od hidrodinamičkih spojnica, pored pumpnog i turbinskog

kola imaju i nepokretno lopatično kolo sprovodnog aparata (reaktorsko kolo).

Slika 1.

Lopatična kola turbomenjača

Pumpna kola su po pravilu centrifugalna (sa izlaznim prečnikom većim od ulaznog).
Turbinska kola mogu biti centrifugalna, centripetalna ili osna dok nepokretna sprovodna kola
mogu biti centripetalna ili osna.

a) turbinsko radno kolo b)pumpno radno kolo c) reaktorsko radno kolo

Slika 2

. Prikaz lopatičnih kola u turbomenjaču

Što se tiče redosleda proticanja, postoje dve osnovne šeme cirkulacije kroz menjač. Prema

jednoj tečnost struji smerom pumpa, turbina, sprovodni aparat (PTS), a prema drugoj šemi,
cirkulacija je smera pumpa, sprovodni aparat, turbina.

Zbog promene momenta količine kretanja struje tečnosti u sprovodnom aparatu, moment

kola turbine razlikuje se od momenta kola pumpe. Da li će moment kola turbine biti veći ili manji

U grupu složenih hidrodinamičkih menjača spadaju i menjači kod kojih je moguće menjati

nagib lopatica sprovodnog kola. Regulacija promenom nagiba lopatice je efikasnija kada se
primene dva sprovodna kola, sa tim da su podesive lopatice drugog sprovodnog kola. Regulacija
radnih karakteristika hidrodinamičkih menjača promenom stepena punjenja se praktično ne
primenjuje. Razlog za to je što se pri delimičnom punjenju menjača remeti povoljan tok strujanja,
a to povećava strujne otpore i snižava stepen korisnosti. Zbog delimičnog punjenja se gubi
mogućnost održavanja nadpritiska u strujnom prostoru, čime se pospešuje pojava kavitacije koja
je praćena oštećenjima lopatice i ostalih delova menjača.

Glavni delovi turbomenjača su lopatična
radna kola:

- pumpno (1),
- turbinsko (3),
- sprovodno ili reaktorsko (2).

Međulopatični prostori radnih kola
međusobno su postavljeni tako da čine zatvoreni
sistem koji predstavlja cirkulacioni radni prostor
menjača i ima oblik torusa. Pumpno radno kolo
prima snagu od motora i predaje je ulju, koga
prihvata iz sprovodnog radnog kola i potiskuje u
turbinsko radno kolo. Radno ulje prolazi kroz
turbinsko radno kolo i predaje mu primljenu
snagu. Po izlasku iz turbinskog, radno ulje
prolazi kroz reaktorsko kolo i vraća se ponovo na
ulaz pumpnog kola.

Ovaj ciklus kretanja se kontinualno ponavlja. Na osnovu toga, turbomenjač ima najmanje tri

radna kola: pumpno, turbinsko i reaktorsko. Ovo je i najprostiji tip turbomenjača, takozvani
jednostepeni.

Zavisno od broja radnih kola postoje još dvostepeni i trostepeni menjači.

Prost turbomenjač ima reaktorsko kolo koje je čvrsto vezano za kućiste prenosnika.
Specijalni turbomenjači su takozvani kompleksni menjači kod kojih je reaktor preko jednosmerne
spojnice (JS) spojen sa kućištem. Postoje turbomenjači sa više reaktorskih kola. Za razliku od
turbospojnice lopatice radnih kola menjača su povijene, usled čega ulje struji u krugu cirkulacije
po složenoj putanji. Usled kretanja ulja po složenoj putanji pri visokoj temperaturi dolazi do
stvaranja parnih mehurića koji pogoršavaju strujanje. Da bi se izbegla pojava kavitacije, pritisci u
turbomenjaču se kreću od 3-7 bara što zavisi od njegovih gabarita [1]. Za povećanje obrtnog
momenta, dovedenog od motora-menjaču neophodno je na njegovoj turbini ostvariti dopunski
moment. Ovo se ostvaruje reaktorom koji povećava brzinu strujanja ulja posle izlaza iz pumpe.
Brzina strujanja može biti povećana smanjenjem preseka kanala na izlazu iz pumpe i izmenom

pravca struje specijalnim profilisanjem lopatica reaktora. Brzina strujanja ulja takođe zavisi od
ugaone brzine turbine jer ona utiče na protivpritisak ulja.

1.1 Neke prednosti hidroprenosnika u odnosu na mehaničke prenosnike snage

- Hidroprenosnici obezbeđuju korišćenje maksimalne snage u celom intervalu broja obrtaja

(od nule do maksimuma), uz variranje obrtnog momenta, stručnom terminologijom rečeno
''duboku'' regulaciju broja obrtaja i obrtnog momenta. ''Duboka'' regulacija obrtnog momenta je
naročito važna za građevinske mašine, drumska vozila i druge mobilne mašine,

- Hidroprenosnici poboljšavaju startna svojstva vozila (mašine), jer omogućavaju njihovo

startovanje pod znatno većim opterećenjem nego mehanički prenosnici snage. Odnosno, pri
režimu startovanja omogućavaju korišćenje maksimalnog obrtnog momenta,

- Hidroprenosnici vrše zaštitu motora od preopterećenja, pri čemu, radni režim motora ne

mora da zavisi od radnog režima gonjenog vratila,

- Hidroprenosnici snage vrše zaštitu od preopterećenja mehanizama transmisije i izvršnih

organa radne mašine i na taj način isključuju lomove delova transmisije kao posledicu
preopterećenja,

- Zahvaljujući elastičnom prenosu snage hidroprenosnici snage prigušuju torzione oscilacije

od motora i smanjuju dinamička opterećenja, čime se produžuje radni vek transmisije,

- Uklanjanje mehaničkog dela transmisije i primena automatskog menjača dovodi do
smanjenja ukupne mase vozila (mašine). Na primer, masa lokomotive sa turboprenosnikom
manja je za 30% od mase lokomotive sa mehaničkim menjačem [6],

- Primenom automatskog menjača poboljšana je upravljivost vozila. Ispitivanja su pokazala

da pri intezivnom kretanju vozila po gradu na svakih 100 km pređenog puta vozač mora da 600-
700 puta pritisne pedalu spojnice i da 400-600 puta promeni stepen prenosa (tj. da svakih 30-40
sekundi promeni stepen prenosa). U slučaju autobusa vozač mora 1500-2000 puta da promeni
stepen prenosa u gradskoj vožnji u toku jedne smene, a to znači da izvrši 200-300 promena
stepena prenosa u toku jednog časa. Dakle, ugradnjom automatskog menjača olakšava se
rukovanje i upravljanje vozilom i smanjuje se aktivnost vozača, a to znači njegovo zamaranje.
Sve ovo dovodi do povećanja bezbednosti saobraćaja,

- Primenom turbomenjača poboljšavaju se vučne karakteristike vozila i radne karakteristike

radnih mašina. Motorno vozilo opremljeno turbomenjačem ostvaruje bolju vuču 15-20%, sa
istom snagom motora, u odnosu na vozilo sa klasičnim mehaničkim prenosnikom.

- Primenom turbomenjača na vozilima je olakšano kočenje, jer je isključena upotreba spojnice
(kvačila), tj. dovoljno je samo pritisnuti pedalu kočnice da bi se vozilo zaustavilo, dok motor
ostaje i dalje u radu.

1.2 Nedostaci turbomenjača

Osnovni nedostatak turbomenjača je nešto niži stepen korisnosti u odnosu na mehaničke
prenosnike snage. Međutim, usavršavanjem turbomenjača svakim danom se njihov stepen
korisnosti povećava. U ovom odeljku, uslovno, možemo govoriti i o potrošnji goriva vozila
(mašine) sa automatskom transmisijom, kao o nedostatku, jer se takvi stavovi mogu naći u

Međutim, ako se spoljašnje opterećenje poveća, turbomenjač uspostavlja novo stacionarno

stanje u tački 2, pri čemu se moment turbine povećava za ∆M

(da bi se izjednačio sa momentom

opterećenja) dok se broj obrtaja izlaznog vratila smanjuje za ∆n

. Za to vreme obrtni moment

pumpnog kola se menja za veličinu ∆M

. Dakle, turbomenjač, u zavisnosti od opterećenja vrši

promenu obrtnog momenta turbine na račun izlaznog broja obrtaja. Povećanjem opterećenja na
vratilu turbine smanjuje se broj obrtaja. Pri maksimalnom obrtnom momentu turbine, broj obrtaja
dostiže vrednost n

=0.

2. Spoljašnje radne karakteristike turbomenjača

Spoljašnje karakteristike hidrodinamičkog menjača predstavljaju zavisnosti momenta na ulaznom
(pumpnom) vratilu

, momenta na izlaznom (turbinskom) vratilu

i stepena korisnosti

, od

prenosnog odnosa broja obrtaja

(i)

, pri stalnom broju obrtaja ulaznog vratila (

= const

.). Ova

karakteristika se može dopuniti i zavisnošću koeficijenta transformacije momenta od prenosnog
odnosa broja obrtaja