大功率调速型液力偶合器温度场分析

刘 建,高欣欣，范丽丹

(吉林工程技术师范学院，长春 130052)

大功率调速型液力偶合器温度场分析

刘 建,高欣欣，范丽丹

(吉林工程技术师范学院，长春 130052)

利用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对大功率调速型液力偶合器工作腔温度场进行数值计算，为了证明YOCQZ465液力偶合器具有较好的换热能力，建立两个几何模型：一个是YOCQZ465型液力偶合器流道模型，另一个是假设泵轮和涡轮上没有进出油孔的流道模型，通过对两者的计算结果分析可知,在泵轮外环内缘和涡轮外环外缘上开进出油孔能够加快工作腔内液体与冷却油的热交换，使液力传动油的温度被控制在合理工作温度范围内。将YOCQZ465型液力偶合器工作腔温度场计算结果与试验数据进行对比，结果表明，液力偶合器工作腔温度场的计算结果与试验数据基本吻合，证明所使用的数值计算方法具有一定的可靠性。

液力偶合器；温度场；CFD；数值模拟

0 前言

近年来，国内外学者对调速型液力偶合器内部流场做了大量研究，通过分析流场特性准确预测液力偶合器性能[1-6]。但有关液力偶合器工作腔温度场的研究和取得的成果非常少[7]。在液力偶合器传递扭矩过程中，液力传动油不断克服黏性力做功而转换成热能，液力偶合器传递功率越大，产生的热能越多，流体温升越高。温度升高将导致液力传动油黏度降低，液力偶合器传递扭矩的能力也随之降低。如果不能合理地控制油温，不仅会导致传动能力降低，而且会加速密封元件老化，导致漏油和渗油现象发生。因此，研究液力偶合器工作腔温度场及热交换规律，尤其对于大功率液力偶合器具有十分重要的工程应用价值。

为了确保液力偶合器工作腔温度场符合液力传动油工作温度要求，必须保证液力偶合器工作液体外循环流量足够大，以使偶合器工作腔内的热油及时排出，冷却油及时充入。YOCQZ465大功率调速型液力偶合器泵轮外环内缘周向均布23个直径为10 mm的进油孔，涡轮外环外缘周向均布16个直径为18 mm的出油孔，如图1所示。这种结构能够保证液力传动油的循环流量足够大，从而实现工作腔内部的对流换热。为了更好地说明此种结构具有较好的降温能力，本文以YOCQZ465调速型液力偶合器为原型，假设一种泵轮和涡轮上没有进出油孔的工作腔，对它和YOCQZ465调速型液力偶合器工作腔温度场进行数值计算。

图1 液力偶合器轴面剖视图

1 理论分析

1.1 控制方程

液力偶合器流道可以看作旋转的变截面曲线管道，液力传动油在泵轮与涡轮间周而复始不停地做螺旋环流运动传递能量。调速型液力偶合器通常在部分充液状态下工作，因而其内部为气液两相流动，并且伴有涡流、回流、二次流等不规则流动现象，使流动恶化，增大流道内的液流损失，这部分能量全部转化为热能[8-11]。本文利用计算流体动力学CFD进行数值模拟计算温度场，为了简化分析，做下列假设：

1)忽略各叶轮间的液流泄漏；

2)由于调速型液力偶合器的工作油温被控制在60～100 ℃范围内，通常采用的8号液力传动油的黏温性较好，其物理性质在此温度范围内变化较小，因此，假设液力传动油的物理性质不随温度变化；

3)不考虑其他热源对偶合器内部的热辐射影响。

在以上假设基础上，利用两相流的连续性方程、动量方程、能量方程、湍流k-ε模型来描述液力偶合器内部液力传动油的对流换热过程。

1)连续方程：

(1)

2)动量方程，通过对所有相各自的动量方程求和来获得。

(2)

式中：n为相数；F为体积力，N；▽为哈密尔顿算子；μm为混合黏度，pa·s；vdr,k为第k相的飘移速度，m/s。

第p相的体积分数方程为

(3)

3)能量方程

(4)

式中：E为总能量，J；Cp为流体比热容，J/(kg·℃)；T为温度,℃；P为压力，Pa；keff为有效热传导。

4)湍流动能k方程:

(5)

湍流动能耗散率ε方程：

(6)

式中的常数一般取作：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

1.2 模型建立

根据YOCQZ465调速型液力偶合器模型抽取其内部流道模型如图2所示。图2(a)为假设工作腔内没有进出油孔的流道模型，图2(b)为YOCQZ465调速型流道模型。由于液力偶合器泵轮和涡轮中的流动是非稳态的，工作液体处于湍流流动状态，存在强烈的脉动和漩涡，流体间进行着强迫对流传热过程[12-15]，为了减少计算误差，对液力偶合器的全流道模型进行三维非稳态数值计算，泵轮流道和涡轮流道的交界面采用滑动网格技术。将流道模型导入Gambit中划分网格后，设置边界条件，对于图2(a)设置泵轮和涡轮之间的交界面为网格分界面，其余表面设置为壁面；对于图2(b)，除了把泵轮和涡轮之间的交界面设置为网格分界面，其余表面设置为壁面外，还需要设置进油孔为压力入口，根据试验条件设置进口油温为60 ℃,出油孔为自由流条件。采用8号液力传动油为工作介质，计算泵轮转速为6 000r/min，牵引工况下(i=0.8)，充液率为qc=80%时液力偶合器工作腔的温度场。

(a)

(b)

1.3 计算结果分析

通过数值模拟计算得到液力偶合器工作腔温度场如图3～4所示，图3为假设泵轮和涡轮上没有进出油孔的液力偶合器，图4为泵轮和涡轮上开有进出油孔的YOCQZ465型液力偶合器。

图3 无进出油孔工作腔温度场云图

图4 YOCQZ465液力偶合器工作腔温度场云图

图3中液力偶合器工作腔温度场分布规律，泵轮的温度梯度随着径向尺寸的增大而递减，涡轮的温度梯度随径向尺寸的增大而递增，最高温度集中在涡轮叶片的压力面处。8号液力传动油的最佳工作油温为60～95 ℃(温度场云图中的温度为开氏温度，开氏温度等于摄氏温度加273)，而图3中液力偶合器工作腔内最低温度为77 ℃,最高温度为160 ℃，已经接近液力传动油的闪点。

图4中液力偶合器工作腔的温度场被控制在60～99 ℃范围内，符合液力传动油的最佳工作温度。图4温度分布情况与图3有较大差别，泵轮的温度梯度总体上仍然随着径向尺寸的增大逐渐递减，涡轮的温度梯度随径向尺寸的增大而递增，但在开有进油孔的流道内工作油温度较低，而没有进油孔的流道内工作油温度较高。

为了研究YOCQZ465调速型液力偶合器工作腔的热交换过程，本文截取具有进出油孔的流道截面温度场云图，如图5所示。冷却油从进油孔涌入泵轮与内部流体进行热交换，使流道内工作油温度迅速降低。由于涡轮外环外缘处出油孔径较大，流动阻力较小，部分高温流体能够从此处流出液力偶合器工作腔，而其余未能流出工作腔的高温流体将继续沿涡轮流道流动，进入泵轮后与低温流体混合，再一次进入循环流动。另外，液力偶合器工作腔内存在大量的涡流、二次流等不规则流动，尤其在涡轮中，这可以使流体间的热交换进一步加快，所以涡轮流道内温度梯度没有泵轮明显。从图5中可见，此出油孔油温分布在85～90 ℃之间，经CFD计算YOCQZ465调速型液力偶合器16个出油孔平均油温为85.8 ℃。

2 试验

本试验对象为YOCQZ465调速型液力偶合器，用于热电厂给水泵的调速节能。液力偶合器的输入轴与电机相连，电机输入转速为1 500 r/min，经前增速，泵轮输入转速为6 000 r/min，输出轴与给水泵相连。如图6所示。分别在液力偶合器的工作油进口和工作油出口处设置温度传感器，如图7所示。数据采集时间选定为电网负荷相对较稳定的中午11:30—12:30，牵引工况(i=0.8)下，与数值模拟的条件相同。

图5 带有进出油孔流道截面温度场云图

图6 YOCQZ465型液力偶合器

图7 温度采集点分布图

试验所采集的液力偶合器进出口油温如图8所示，液力偶合器的工作油进口温度在60 ℃左右，出口温度在89 ℃左右波动，这种波动主要是由电网负荷的变化导致的。CFD计算中设置的进口油温为试验数据的平均值，CFD计算出油孔油温平均值与试验数据基本吻合，但比试验数据偏低，这是由于在数值计算中省略了液力传动油在油路中产生的摩擦热和来自液力偶合器内部其他热源的辐射热。

图8 液力偶合器进出口油温试验数据

3 结语

1)本文利用CFD数值计算得到液力偶合器工作腔温度场分布的详细情况，通过对比分析可知，YOCQZ465型大功率液力偶合器具有较好的冷却能力，在泵轮和涡轮外环上开进出油孔能够加快冷却油与工作腔内高温流体的对流换热，使液力传动油温度控制在合理温度范围内。

2)液力偶合器的温度场计算值与试验值基本吻合，表明本文所采用的计算方法能够较准确地表述液力偶合器工作腔内换热过程，具有一定的通用性。

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The Analysis to Temperature Field of High-power Variable Speed Hydraulic Couplings

LIU Jian，et al.

(JilinEngineeringNormalUniversity，Changchun130052，China)

The computational fluid dynamics(CFD)has been used to numerically simulate temperature field of the working chamber in high-power variable speed hydraulic couplings.Two geometric models have been established in order to prove that YOCQZ465 hydraulic couplings have good heat exchanging capacity：one is the flow model of YOCQZ465 hydraulic couplings，and the other is the flow model to assume that the pump and turbine have no oil holes.Through the analysis of the algorithm results to the two models，it indicates that oil holes on the outer ring inner edge of the pump and the outer ring outer edge of the turbine can better exchange heating between the liquid in the working chamber and the cooling oil，and make the temperature of hydraulic transmission oil be controlled within an optimum operating temperature range.The calculation results to the temperature field of the working chamber in YOCQZ465 hydraulic couplings and experimental data are comparative analyzed.The results show that the calculation results to the temperature field of the working chamber in hydraulic couplings basically coincide with the experimental data.It proves that the used numerical methods in this paper is with quite reliability.

hydraulic couplings；temperature field；computational fluid dynamics(CFD)；numerical simulation

2017-05-07

刘建(1995-)，男(汉)，长春 主要研究机械工程学院机械设计制造及其自动化。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.013

TH137.332

A

1009-8984(2017)02-0054-05