液力變矩器葉片厚度及沖角適配減速帶捕能裝置

羅 政，薛松杰，葛傳潔

(華北電力大學動力工程系，保定 071003)

0 引 言

隨著人類社會和科學技術的不斷發展，“能源危機”逐漸成為限制人類社會的主要問題。而在這樣的環境大背景下，不斷尋找新的可替代能源和減少能量消耗成為社會應對能源危機的主旋律。為此，用來使汽車減速的減速帶受到了人們的關注。城市路口、高速路口集中分布了許多的減速帶，如果能將減速帶損失的這一部分能量加以利用，也是對捕獲能量的一種新的想法。而液力變矩器作為一種液壓傳動裝置和減速帶能量捕獲裝置組合的適配也就成為了一個問題。針對以上問題國內外學者做了以下研究。劉迪在液力變矩器循環圓直徑不變的情況下，通過優化泵輪葉片形狀，增加泵輪出口葉片角，增加泵輪力矩系數的辦法，使液力變矩器在低速比時具有高效率的性質[1]；劉安然對長短葉片泵輪對外特性的影響進行研究，發現長短葉片泵輪對外特性的改善起到積極作用，在轉速比在0.519～0.692之間效率值增加1.31%～2.72%，啟動工況變矩比k由3.91 提高到4.1[2]；羅準等對具體的減速帶裝置和雙液壓缸式換能器進行了建模，利用Amesim進行數值計算，建立了氣缸內徑、儲能器氣體體積等參數與減速帶彈簧剛度等參數的關系[3]；Darrell Robinette針對液力變矩器對于汽車運行的適配性做了研究，對三個具有近似精確幾何相似度的變矩器進行了尺寸分析，以顯示相關性在預測整體外部對流換熱機制中的適用性[4]。

總體而言，對于減速帶建模，液力變矩器建模和數值模擬的研究已經相對成熟，但對于液力變矩器和減速帶的適配問題的研究還不多見。文中通過對液力變矩器進行建模分析，研究變矩器葉片厚度對常見減速帶能量捕獲裝置的適配性，并利用模擬退火算法，尋求最優解。研究結果可為液力變矩器使用在其他領域的適配問題提供參考。

1 模型建立及實驗工況設置

國內外對于液力變矩器的葉片厚度、沖角適配的研究并不多見，文中以等葉片厚度的沖焊型液力變矩器為研究對象，采用ANSYS-CFX軟件對本問題進行數值模擬，研究葉片厚度、葉片沖角對于變矩器工作性能的影響。試驗因素為泵輪葉片厚度、渦輪葉片厚度、各葉片沖角，參考某沖焊型液力變矩器相關參數[5]，設置具體實驗變量(見表1,表2)。Tp為泵輪葉片厚度，Tt為渦輪葉片厚度，αP為泵輪葉片沖角，αT為渦輪葉片沖角，αS為導輪葉片沖角。由于試驗中的因素個數較少，所以采用全因素試驗方法，評估所有因素在所有水平上的可能組合。

表1 沖焊型液力變矩器實驗參數

表2 變矩器葉片沖角實驗參數

圖1 液力變矩器單通道物理模型

分析采用ANSYS-CFX進行計算，對于單流道模型建立圖一中的物理模型，如圖1，圖2所示。采用ICEM對物理模型進行網格化離散處理，處理結果網格數為322萬。將網格導入后，檢查網格質量為0.76，可以滿足本問題計算需求。對于計算模型進行選擇，由于研究問題是一個穩態的流動問題，選擇以壓力為基礎的絕對速度穩態模型。算法模型選擇能量方程和k-epsilon-SST湍流模型，而離散形式選擇更容易收斂的一階迎風格式，松弛因子選用默認值。固體域選用常見金屬材料鋼，內部流動液體選用22號透平油。對于邊界條件：入口設置為壓力入口，溫度為368 K，相對壓力為0.07 MPa；出口設置為速度出口；對于殼內壁面，設置為絕熱邊界無滑移，溫度350 K。

圖2 液力變矩器各葉片物理模型(左泵輪，中渦輪，右導輪)

2 結果分析

參考流場分析結果，共設置三個響應量，最高效率ηmax，最大能容系數λ0max，起動變矩比K0，輸出轉矩To。基于閆東清[5]對主效應、交互效應的相關研究，渦輪葉片厚度和泵輪葉片厚度雖然對效率有交互影響作用，但其對于變矩器的影響主要還是集中在渦輪和泵輪的輸出轉矩上，故將輸出轉矩作為評判變矩器性能的指標。

2.1 葉片厚度對泵輪輸出轉矩的影響

根據不同情況，分別取泵輪葉片厚度Tp為定值2 mm，渦輪葉片厚度Ts為定值2 mm，速比為0.2，研究泵輪輸出轉矩的變化。為研究兩者交互影響，以及所有水平上可能的兩個葉片厚度的組合變化，獲得其對泵輪輸出轉矩的影響規律。葉片厚度對泵輪輸出轉矩的影響如圖3所示，渦輪、泵輪葉片對泵輪輸出轉矩的交互影響如圖4所示。

圖3 葉片厚度對泵輪輸出轉矩的影響

圖4 渦輪、泵輪葉片對泵輪輸出轉矩的交互影響

根據不同葉片厚度下泵輪轉矩數值的對比圖，無論是渦輪葉片厚度增加或者泵輪葉片厚度增加都會導致輸出轉矩的減小，這種趨勢再葉片厚度較大時更為明顯。由于葉片厚度加厚，導致邊界層分離點后移，產生啟動渦需要更大的逆壓力梯度，導致了輸出轉矩的變小。在1～ 3 mm的范圍內泵輪輸出轉矩的變化平均為2%，最大值為2.3%，在3～4 mm范圍內泵輪輸出轉矩的平均變化率為3%，最大值為3.8%。且對于泵輪輸出轉矩，改變泵輪葉片厚度時，輸出轉矩始終低于同水平渦輪7%左右。

2.2 葉片厚度對渦輪輸出轉矩的影響

分別取泵輪葉片厚度Tp為定值2 mm和渦輪葉片厚度Ts為定值2 mm，速比為0.2，研究泵輪輸出轉矩的變化。為研究兩者交互影響，以及所有水平上可能的兩個葉片厚度的組合變化，分析其對渦輪輸出轉矩的影響。葉片厚度對渦輪輸出轉矩的影響如圖5所示，渦輪、泵輪葉片對渦輪輸出轉矩的交互影響如圖6所示。

圖5 葉片厚度對渦輪輸出轉矩的影響

圖6 渦輪、泵輪葉片對渦輪輸出轉矩的交互影響

根據不同葉片厚度下渦輪轉矩數值的對比圖，不同于泵輪，渦輪輸出功率對于兩種葉片厚度變化的響應差異不大，原因為渦輪和泵輪功能上本質的不同，渦輪將輸入不穩定的機械能轉化成穩定壓力勢能，泵輪將壓力勢能轉化成穩定的機械能，所以兩者對轉矩的響應呈不同趨勢。同時無論是渦輪葉片厚度增加或者泵輪葉片厚度增加都會導致輸出轉矩的減小，這種趨勢在葉片厚度較大時更為明顯，渦輪在1～3 mm的范圍內泵輪輸出轉矩的變化平均為2.2%，最大值為2.5%，在3～4 mm范圍內泵輪輸出轉矩的平均變化率為3.4%，最大值為4.2%。

2.3 葉片沖角對變矩器工作性能的影響

由于改變沖角對輸出轉矩的影響并不明顯，為研究導輪、泵輪、渦輪不同葉片沖角對液力變矩器性能的影響，更換泵輪轉矩系數作為響應量，保持其它設計參數不變，改變葉片沖角的數值，更新模型，分別劃分網格，建立流場仿真計算模型，采用相同的流場仿真方法開展研究。葉片沖角對泵輪轉矩系數的影響如圖7所示。

圖7 各葉片沖角對泵輪轉矩系數的影響

不同類型的葉片的沖角對液力變矩器泵輪轉矩系數的影響不同，對于渦輪葉片，沖角增大，轉矩系數逐漸增長，增長總體水平一致，平均變化率1.4%。對于泵輪葉片，沖角增大，轉矩系數先增大后減小，轉矩系數最大值5.5，此時沖角為2°。對于導輪葉片，沖角增大，轉矩系數總體呈減小，后有略微增大，轉矩系數最小值為5.35，此時沖角為2°。

2.4 模型優化

為了使變矩器適配減速帶能量捕獲裝置，整合之前對于減速帶、捕獲裝置建模所得數據，提出以下目標函數：

TtTP=argmax(To)

(1)

由于數值仿真的局限性，無法得到具體的表達式來用數學方法求解最優解。所以將葉型數據整合，采用模擬退火算法對以上目標函數尋找最優解。結果見表3。由表3可知，在渦輪和泵輪葉片厚度分別為2.075 mm和2.10 mm時，輸出轉矩達到最大。

表3 輸出轉矩最優解

3 結束語

鑒于已有變矩器數值模擬結果。文中通過創建單流道的液力變矩器物理模型，基于減速帶能量捕獲裝置的特性，對液力變矩器和減速帶捕能裝置行適配，尋求兩者的最佳性能參數。研究表明：

(1)渦輪、泵輪葉片厚度增大會導致泵輪輸出轉矩減小。兩種葉片厚度對于渦輪輸出轉矩的影響并沒有顯著的差別。

(2)采用模擬退火算法，得到了可行域內的最優解，泵輪葉片厚度為2.1 mm，渦輪葉片厚度為2.075 mm。

(3)不同類型葉片沖角改變對于轉矩系數影響不同，對于渦輪葉片，沖角增大，轉矩系數逐漸增大；對于泵輪葉片，沖角增大，轉矩系數先增大后減小；對于導輪葉片，沖角增大，轉矩系數總體呈減小，后有略微增大。研究結果可為液力變矩器渦輪、泵輪優化設計提供參考。