阻流擋板對液力偶合器環流特性影響規律分析

張嘉華，崔紅偉，2，常宗旭，2，廉自生，2

(1. 太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2. 太原理工大學煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

1 引言

調速型液力偶合器作為一種重要的液力傳動裝置，其轉矩傳遞特性是液力偶合器選型與設計的重要依據。調速型液力偶合器主機部分主要由泵輪與渦輪組成，泵輪與主動軸剛性連接，由主動軸帶動旋轉，進一步帶動工作腔中液體流動進入渦輪，帶動渦輪旋轉做功產生機械能，之后再次流回至泵輪，通過這種循環流動，實現泵輪與渦輪之間的轉矩傳遞。因此液力偶合器內流場的環流特性決定了包括轉矩傳遞特性在內的各項工作性能，對于液力偶合器的設計十分重要[1]。

隨著計算機運算能力的不斷提升與各種商用有限元軟件的快速發展，CFD技術的應用成為了目前解決流體計算問題的重要途徑。在液力傳動方面，國內外已有很多學者基于CFD技術進行了針對多種液力元件的數值計算[1]。閆清東等[6]利用CFD技術研究了不同參數卸荷孔對液力變矩器軸向力的影響。劉春寶[7]等對比了利用RANS與SRS方法的液力變矩器流場特性預測的精度，研究了利用尺度解析模擬的液力變矩器特性預測方法。魏巍[8]等通過對低充液率不同轉速下液力緩速器擾流機構起效過程流場仿真，確定了低充液率擾流柱起效判定方法。馬文星[9]等利用CFD技術，針對其設計的新型軸流導葉可調液力變矩器進行了特性預測，并對其特性進行了分析。

為了提升液力偶合器轉矩傳遞的穩定性，在葉輪之間靠近循環圓內環處安裝阻流擋板，以減小因環流特性變化導致的不穩定工況的產生。為了分析阻流擋板對流場環流特性與轉矩傳遞特性的影響，利用CFD技術針對不同擋板尺寸下的流場進行了數值計算與分析，為液力偶合器的設計與結構改進提供了可靠的理論依據。

2 計算模型

調速型液力偶合器根據實際的工作需求及工況條件，常工作于不同的速比和充液率下，定義液力偶合器的速比i=nT/nP，其中nT為渦輪轉速，nP為泵輪轉速，充液率FR為工作腔內充注液體體積VL與工作腔容積V之比，即FR=VL/V。圖1為調速型液力偶合器工作原理示意圖。調速型液力偶合器在泵輪轉速一定的條件下，通過調整內流道充液率，實現工作機的軟啟動與平穩運行。并在過載時通過水液的急劇蒸發，迅速降低輸出轉矩，實現對傳動系統的保護。

圖1 調速型液力偶合器工作原理示意圖

循環圓外徑D=575 mm的礦用雙腔調速型液力偶合器為圓形腔，泵輪與渦輪均為直葉片，并在泵輪與渦輪之間安裝有阻流擋板，以盡量避免轉矩傳遞過程中的不穩定區間，阻流擋板外徑d為循環圓外徑的0.56倍。為了便于計算分析，定義外徑比c=d/D。由于該調速型液力偶合器為空間、結構對稱的雙腔結構，因此選取輸出端葉輪作為研究模型，其中泵輪葉片數量為46，渦輪葉片數量為45。葉輪與對應流場的幾何關系如圖2所示。

圖2 葉輪與阻流擋板結構圖

根據葉輪腔體結構，提取與其結構互補的全流道幾何模型，根據液力偶合器內流道循環對稱的結構特點，為提高計算效率，設葉輪葉片數為x，建立其簡化的1/x流場的單流道幾何模型，為之后數值計算模型的建立做準備。

根據不同的擋板尺寸建立不同的流場單流道模型，利用ICEM軟件，為了保證流場特性計算的準確性與穩定性，采用幾何適應性較強的非結構四面體網格進行流道模型的網格劃分，設定全局網格尺寸為2 mm，建立質量較高的流場網格模型，流道網格模型如圖3所示。

圖3 單流道流場網格模型

3 數值模擬計算

3.1 控制方程

質量守恒方程稱作連續性方程，在計算流體動力學中所描述的物理意義為：單位時間內流入流場微元計算網格中的流體質量與對應的流出微元中的質量相等[10]。其微分方程如下

(1)

式中，t為時間，ρ為流體密度密度，u，v，w是速度矢量在x、y、z方向上的分量。液力偶合器以水液為工作介質，在計算過程中可將其視為不可壓流體，因此密度ρ為常數，則質量守恒方程簡化為

(2)

動量守恒方程即為Navier-Stokes方程，簡稱N-S方程。該方程是牛頓第二定律在流體中的應用，對于牛頓流體，Navier-Stokes方程的張量形式可以表示為

(3)

式中，δij為克羅內克爾(Kronecker)符號，f為體積力。對于動力粘度為常量的不可壓流體，上式可簡化為

(4)

3.2 數值計算條件

3.2.1 邊界條件

根據調速型液力偶合器葉輪的循環對稱結構與單流道流場模型的建立方式，在流場循環圓軸面建立周期性邊界循環條件。對泵輪與渦輪流場的交界面采用基于混合平面模型的級聯法對兩個流道同時求解，在交界面進行周向平均和交互傳遞，在每一參考框架內均可獲得穩態解。對于葉輪與流場交界壁面，采用無滑移邊界條件。

由于液力偶合器工作時葉輪轉速較高，內流場為高度湍流流動。為了有效地獲取流場中的細微渦流和邊界層現象以及更加精確的數值計算結果，選擇切應力輸運SST(Shear Stress Transport)湍流模型對液力偶合器流場模型進行分析。當液力偶合器充液率低于100%時，內流場為復雜的氣-液兩相流動，采用CFX兩相流模型中的非均一化模型，設置氣-液表面張力系數為0.0726。由于液力偶合器以水液為工作介質，因此水液對流場特性其決定作用，設置水液為主相。

3.2.2 工況條件

為了準確分析阻流擋板對流場的轉矩傳遞特性與流場環流特性的影響規律，分別針對部分分充液及全充液工況下流場進行數值分析。在部分充液工況流場分析，選擇40%與70%充液率作為低充液率和高充液率代表工況，對擋板尺寸c=0.56及無擋板(c=0.48)、0至0.99速比時流場進行特性分析。在全充液工況流場分析中，針對擋板尺寸c=0.48至c=0.68，0至0.99速比工況下進行數值計算。

表1 流場特性計算工況點

4 結果分析

4.1 部分充液工況分析

為了對比分析部分充液狀態下阻流擋板結構對液力偶合器水液環流特性及轉矩特性的影響規律，分別針對采用c=0.65的阻流擋板和無阻流擋板流場模型、40%與70%充液率、不同速比時流場特性進行了分析。

4.1.1 40%充液率流場特性分析

a)速度流線分布特性

從流線總體特性來看，圖4中可以看出，對于液流速度分布，在較低速比時，由于泵輪與渦輪的轉速差較大，給予液流的離心力差較大，因此水液在流道中有較大的循環速度，在圖中體現為流線顏色偏向于色譜紅色端；對于水液循環空間分布，液流都具有向靠近循環圓外環的小循環變化的趨勢。低速比時無阻流擋板的流場流速高于有阻流擋板，隨著速比的增大，流速差距減小。

圖4 40%充液率速度流線分布

在無阻流擋板結構時，水液環流特性如圖4(a)所示，由于受到離心力與科氏力的影響，水液在流出泵輪后具有較高的速度，因此圖中渦輪入口處流線顏色偏向于色譜紅色。水液進入渦輪流道后沖擊渦輪葉片做功，因此在渦輪出口處，水液流速降低。之后水液再次循環進入泵輪，進行下一次循環。在速比為0.2至0.4時，水液循環位置靠近流道壁面，為大循環流動。在速比由0.4降至0.6時，水液由大循環變為靠近循環圓外環的小循環，但由于此時泵輪的轉速仍然高于渦輪，水液在泵輪中受到的離心力高于渦輪，因此渦輪中水液要多于泵輪，同時由于循環范圍突然變化，水液的循環速度也隨之減小。

在增加阻流擋板結構后，水液流線分布如圖4(b)所示。在較速比為0.2時，由于阻流擋板影響了渦輪出口處液流的循環路徑，此時水液由渦輪流道中的大循環和泵輪流道靠近循環圓外側的小循環組成，水液主要分布于渦輪中。在0.2至0.4速比時，泵輪與渦輪中的兩個液流循環逐漸合并為靠近循環圓外環處的一個小循環，水液循環不再受到阻流擋板的影響。隨著速比的進一步增大，泵輪與渦輪中水液分布趨于均勻。

b)轉矩傳遞特性

圖5為40%充液率下，流場輸出轉矩變化曲線圖。從圖中可以看出，由于水液環流速度隨著速比的升高而降低，因此流場輸出轉矩整體為下降趨勢。在無阻流擋板時，輸出轉矩在速比由0.4上升至0.6時由于水液環流形式由大循環變為靠近循環圓外環處的小循環，因此輸出轉矩下降速率發生突變，下降速率降低。與之對應的，在有阻流擋板0至0.3速比時，擋板直接改變了原有的環流特性，水液的環流速度降低、環流范圍減小，對應輸出轉矩小于無擋板的情況。在速比由0.3上0.4過程中，由于水液循環由泵輪與渦輪中的小循環變為循環圓外環處的小循環，液流不再受阻流擋板的影響，出現了下降速率的突然降低。在速比大于0.6時，由于擋板對水液的環流特性影響失效，輸出轉矩曲線基本重合。

圖5 40%充液率流場轉矩傳遞特性曲線

4.1.2 70%充液率流場特性分析

a)速度流線分布特性

在無阻流擋板結構時，水液流線分布如圖6(a)所示，流場中水液始終為大循環流動，隨著速比的增大，環流速度逐漸降低。在增加阻流擋板結構后，水液流線分布如圖6(b)所示，在0.2至0.6速比時，水液為偏向于渦輪側的大循環和泵輪、渦輪中的小循環組成的復雜循環流動，同時隨著速比的增大，水液的循環速度降低，由于阻流擋板對水液循環的阻擋效果，更多的水液被控制在渦輪中進行循環流動。在速比由0.6升至0.8時，水液變化為靠近循環圓外環處的小循環。

圖6 70%充液率速度流線分布

b)轉矩傳遞特性

由圖7可知，在70%充液率時，有、無擋板的情況下輸出轉矩隨水液循環速度的降低整體處于下降趨勢，有擋板時由于擋板降低了水液環流流速，輸出轉矩始終低于無擋板，同時轉矩下降趨勢較無阻流擋板時較平緩，并且在0.6至0.7速比時隨著循環特性的改變，阻流擋板失效，出現了轉矩的回升現象。

圖7 40%充液率流場轉矩傳遞特性曲線

綜合兩種不同充液率下的流場特性可知，在低充液率低速比時通過改變原有液流循環方式，降低了低速比時的輸出轉矩，在液流由大循環變為小循環時，阻流擋板失效，輸出轉矩較無擋板時基本不變，通過這種方式，減小了輸出轉矩下降趨勢的不穩定性，使轉矩變化特性更加平穩。在高充液率時，無擋板結構時水液始終為大循環的方式流動，對應輸出轉矩的下降趨勢也相對平穩，因此阻流擋板通過改變原有循環方式，使整體輸出轉矩下降趨勢平緩。

4.2 全充液工況分析

全充液工況下，不同擋板尺寸直接影響了液力偶合器額定工況時的轉矩傳遞能力，因此對不同擋板尺寸下的轉矩傳遞特性進行了分析。同時，由于此時水液充滿了葉輪流道，根據水液環流形式在不同速比時的變化特點，對0.2及0.8速比時速度流線分布作出分析。

4.2.1 速度流線分布特性

圖8為0.2及0.8速比下，無阻流擋板及有c=0.65的阻流擋板結構時的速度流線分布圖。圖中可以看出，速比較大時水液的循環速度減小，同時水液沿流道壁面的圓周循環趨勢更加明顯，在流場軸面中心處出現了明顯的渦旋中心，這種現象在存在阻流擋板時更加明顯。同時，有阻流擋板時水液的循環流速明顯低于無擋板，水液在流道中流線分布較無擋板時較為雜亂。

圖8 全充液工況速度流線分布

4.2.2 轉矩特性分析

圖9為采用不同外徑阻流擋板時的全充液工況流場輸出轉矩特性曲線，選取了采用外徑比c為0.48、0.52、0.56、0.60、0.64、0.68時的流場輸出轉矩特性曲線。從圖中可以看出，在不同外徑比下，由于阻流擋板降低了水液環流流速，改變了原有的規律性的圓周循環形式，輸出轉矩整體均為下降趨勢，隨著外徑比的增大，轉矩隨速比增大的下降速率也不斷降低。同時，隨著擋板外徑比的增大，輸出轉矩的下降速率減小，并在較高速比時，阻流擋板對轉矩特性的影響較小。

圖9 轉矩傳遞特性曲線

5 結論

因此，針對調速型液力偶合器，應用CFD技術，對其阻流擋板結構在不同工況下對流場轉矩傳遞特性及水液環流特性的影響規律進行了數值模擬分析，得到如下結論：

1)對比分析了40%及70%充液率下的轉矩傳遞與水液速度流線分布特性后得出：40%充液率下輸出轉矩整體為下降趨勢，較低速比時受阻流擋板的影響，有阻流擋板時輸出轉矩較小，在達到一定速比時，由于水液環流形式發生變化，出現了下降速率突然減小的現象，隨著速比進一步增大，阻流擋板對水液環流影響失效，輸出轉矩特性曲線基本重合。通過分析部分充液工況下阻流擋板對轉矩傳遞特性與水液環流特性的影響，解釋了阻流擋板對流場特性的影響規律。

2)研究了全充液工況下，不同外徑阻流擋板對流場轉矩傳遞特性及速度流線分布特性的變化規律。通過分析采用不同外徑擋板時的輸出轉矩可知：不同阻流擋板外徑時流場輸出轉矩隨速比均為下降趨勢，隨著采用的阻流擋板的外徑的增大，輸出轉矩減小，對轉矩的影響效果減小。結合部分充液工況下的流場特性影響規律研究結果，為阻流擋板的設計與選用提供了可靠的理論依據。