典型工況下液力偶合器內(nèi)流場PIV試驗

李興忠,胡春玉,盧秀泉

(吉林大學(xué) a.汽車工程學(xué)院;b.機械科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130022)

0 引 言

隨著負(fù)載功率及轉(zhuǎn)速的大幅度提升，大功率液力偶合器在調(diào)速過程中會出現(xiàn)能容下降、效率降低、輸出特性失穩(wěn)等問題，影響發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行[1-8]。偶合器工作腔內(nèi)部流場的流動狀態(tài)直接決定了外部輸出特性，鑒于工作腔內(nèi)不同體積分?jǐn)?shù)的高雷諾數(shù)氣液兩相流體在多流動耦合域內(nèi)做螺旋環(huán)流運動的復(fù)雜性，CFD數(shù)值計算成為目前研究其流場特性的主要手段，但由于數(shù)值算法和模型均做了相應(yīng)的簡化，對偶合器流場特征結(jié)構(gòu)的分析能力和預(yù)測精度還十分有限。而流場可視化試驗研究方法雖然在一定程度上受限于測試條件、測試模型和成本等因素，但對于認(rèn)識偶合器內(nèi)部流場是最直接的方法，同時測試結(jié)果可以為修正高雷諾數(shù)數(shù)值計算模型提供依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者針對液力傳動元件的內(nèi)部流場做了一些實驗可視化研究工作。Yamamoto等[9-10]利用粒子圖像測速(PIV)方法對液力變矩器導(dǎo)輪內(nèi)流場進(jìn)行測量，并且通過基于微分、積分及邊界元法的H種互相關(guān)算法處理圖像。Brun[11]利用激光測速技術(shù)對液力變矩器內(nèi)部三維流場進(jìn)行測量，根據(jù)測量的速度，確定液力變矩器輸入/輸出扭矩、元件入射角等的性能參數(shù)。盧秀泉等[12]應(yīng)用PIV技術(shù)驗證了偶合器真實流場流動趨勢與模擬的流場流動趨勢大致相同。柴博森等[13-14]利用PIV技術(shù)采集偶合器渦輪徑向切面的流動圖像，通過一系列圖像處理技術(shù)識別渦輪內(nèi)部大尺度漩渦流動，研究制動工況下渦輪獨立流道內(nèi)漩渦流動的產(chǎn)生與運動。才委等[15-16]利用PIV技術(shù)測試液力變矩器泵輪內(nèi)部流場，并分析了不同工況下的粒子運動軌跡與速度方向。綜上所述，對于液力傳動元件穩(wěn)態(tài)工況流場的研究由于受到實驗條件的限制，測試輸入轉(zhuǎn)速條件與實際工況相差較大，無法充分體現(xiàn)實際雷諾數(shù)流場的流動特點；測試采集的工況較單一，被測切面較少，無法全面把握流場的流動特性。

本文結(jié)合粒子PIV技術(shù)建立液力偶合器內(nèi)部流場可視化/外部特性同步測試平臺，從時域上標(biāo)定偶合器的內(nèi)外特性，研究偶合器在典型工況下的流場變化規(guī)律。

1 試驗裝置與模型

1.1 內(nèi)/外特性同步試驗臺

本試驗搭建了如圖1所示的液力偶合器內(nèi)/外特性同步測試試驗臺。試驗外特性測試部分試驗臺由變頻調(diào)速三相異步電動機、400 kW電渦流測功機及臺架等組成。流動可視化測試系統(tǒng)主要由高速攝像機、高強度透明液力偶合器模型、激光切面流場測量系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)所組成，其中高速攝像機采用德國PCO公司配備科學(xué)級SCMOS芯片的pco.edge5.5USB，激光器采用EVG00145型脈沖激光器，并配備軸編碼器與同步器。

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

圖2為PIV試驗?zāi)Ｐ停己掀髂Ｐ脱h(huán)圓直徑為300 mm，腔型采用桃型腔，泵輪葉片數(shù)為23，渦輪葉片數(shù)為26，軸向間隙為3 mm。偶合器模型采用透明有機玻璃材質(zhì),使相機拍攝到較為清晰的流場圖像。為減小折射所帶來的試驗誤差，將外殼設(shè)計成外方內(nèi)圓形。泵輪與渦輪的葉片采用黑色有機玻璃材質(zhì)，進(jìn)一步減小光的折射所帶來的試驗誤差。充液量的控制采用勺管調(diào)節(jié)方式，具有較高的調(diào)節(jié)精度。工作介質(zhì)為純凈水，采用外部循環(huán)供水冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)充液及散熱的需要。將輸入端和輸出端對稱布置，只需掉轉(zhuǎn)輸入輸出軸，即可方便實現(xiàn)泵輪/渦輪流道流場的測試。

圖1 內(nèi)/外特性同步測試試驗臺圖2 PIV試驗?zāi)Ｐ?/p>

2 試驗方案及圖像處理方法

根據(jù)試驗要求連接所有設(shè)備，并完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初步調(diào)試工作。經(jīng)過測試效果驗證，選取熒光粒子作為示蹤粒子，并配備濾鏡及其他光學(xué)組件以獲得較清晰的流場圖像。試驗過程中泵輪輸入轉(zhuǎn)速變化范圍為600～800 r/min，首先調(diào)整勺管開度為0.6，通過測功機進(jìn)行加載，逐漸改變輸出轉(zhuǎn)速，對不同轉(zhuǎn)速比工況外特性數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行同步采集，然后依次調(diào)節(jié)勺管開度為0.7、0.8、0.9，重復(fù)上面的步驟，完成數(shù)據(jù)及圖像采集工作。

根據(jù)試驗原始圖像，基于數(shù)字圖像處理和特征提取算法識別PIV流動圖像中流動的特征參數(shù)，相鄰兩幀圖像拍攝時間間隔為50 μs，并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)FFT互相關(guān)算法經(jīng)過3次迭代運算計算出該區(qū)域的流動速度，得到瞬態(tài)速度流場、渦量場，并分析在典型工況下全流場的變化。

本試驗重點選取充液率q為70%、泵輪輸入轉(zhuǎn)速為700 r/min的流場進(jìn)行分析，典型工況分別選取額定工況(i=0.97)、過渡工況(i=0.6)和制動工況(i=0)，對泵輪、渦輪的徑向/軸向截面處流場進(jìn)行分析。

3 試驗結(jié)果與分析

為了把握測試結(jié)果的精度，將CFD數(shù)值計算與試驗的外特性曲線做對比，如圖3所示。通過對比，兩者在轉(zhuǎn)矩的變化趨勢大體相近，最大相對誤差為9.90%。

圖3 仿真/試驗外特性對比圖

3.1 速度分布

圖4、5為額定、過渡和制動3個工況的泵輪、渦輪流道徑向/軸向速度場分布圖。

i=0.97 i=0.06 i=0(a) 徑向i=0.97 i=0.06 i=0(b) 軸向

圖4 泵輪徑向/軸向切面速度分布

圖5 渦輪徑向/軸向切面速度分布

額定工況下，此時泵、渦輪轉(zhuǎn)速差很小，泵輪與渦輪流道內(nèi)部流動較為規(guī)律，在離心力的作用下，速度值沿徑向呈一定比例增大，且速度流線沿周向均勻分布。隨著轉(zhuǎn)速比的降低，當(dāng)處于過渡工況時，泵輪內(nèi)流體運動主流方向仍為周向轉(zhuǎn)動，但速度分布卻發(fā)生了很變化，由圖3可知，此時力矩發(fā)生較大的跌落。受氣相及環(huán)流轉(zhuǎn)換的影響，流體流動方向逐漸向徑向方向偏轉(zhuǎn)，如圖4圓圈位置所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速比降為0時，泵輪流道內(nèi)流體大體運動趨勢并未發(fā)生太大變化，僅是受渦輪停轉(zhuǎn)的影響，使得流線偏轉(zhuǎn)角度更大，低速區(qū)面積進(jìn)一步擴大。渦輪流道內(nèi)流體運動規(guī)律則發(fā)生較大變化，首先，渦輪流道中部出現(xiàn)一條狹長的低速帶，且在靠近葉片吸力面處出現(xiàn)很大一片低速區(qū)，其次，受壓差的影響，在速度梯度較大的區(qū)域內(nèi)，流體流動方向被迫發(fā)生改變，并最終形成較多的漩渦，造成能量的耗散。

3.2 渦量分布

圖6、7為額定、過渡和制動3個工況的泵輪、渦輪流道徑向/軸向渦量場分布圖。

i=0.97 i=0.06 i=0(a) 徑向i=0.97 i=0.06 i=0(b) 軸向

圖6 泵輪徑向/軸向切面渦量分布

圖7 渦輪徑向/軸向切面渦量分布

渦量被定義為速度矢量的旋度，是描述漩渦運動的物理量之一，反映了渦旋的強度及方向。由圖6泵輪渦量場分布圖可以得出，除額定工況外，其他工況均存在一定程度的復(fù)雜流動。額定工況時，由于偶合器內(nèi)部流場流動較為規(guī)律，速度矢量變化不明顯，故此時渦量值較低，大概在200～700 s-1之間。當(dāng)處于過渡工況時，泵輪徑向流道中部出現(xiàn)渦量值較高的區(qū)域，渦量值最大達(dá)到3 200 s-1左右，這是因為該處速度梯度較大，速度矢量變化明顯。當(dāng)處于制動工況時，由于泵輪內(nèi)的液流不斷沖擊停轉(zhuǎn)的渦輪，導(dǎo)致渦輪流道內(nèi)液流速度方向急劇變化，并最終形成較大的漩渦，渦量最大值可達(dá)4 500 s-1左右。

4 結(jié) 論

(1)本文建立偶合器內(nèi)外特性同步測試試驗臺，結(jié)合PIV流場測試技術(shù)，反映出流場內(nèi)/外特性相關(guān)聯(lián)的特性。PIV作為一種重要流場測試技術(shù)，可作為探究液力元件內(nèi)流場流動情況的必要手段。

(2)分析流場內(nèi)部不同截面處的速度分布得：額定工況時，速度沿周向均勻分布；過渡工況時，受氣相及環(huán)流轉(zhuǎn)換的影響，速度方向向徑向偏轉(zhuǎn)，伴隨著外特性力矩發(fā)生較大跌落；制動工況下渦輪流道中部速度梯度較大區(qū)域出現(xiàn)較多旋渦。

(3)由各截面渦量分布分析得：隨著轉(zhuǎn)速比的降低，流場速度方向變化愈發(fā)劇烈，渦量值迅速增大。渦輪入口吸力面附近逐漸出現(xiàn)大面積的低速區(qū)，渦量值在零工況時達(dá)到最大，高達(dá)4 500 s-1，相比額定工況增大了6倍左右。