阻流挡板对液力偶合器环流特性影响规律分析

张嘉华，崔红伟，2，常宗旭，2，廉自生，2

(1. 太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2. 太原理工大学煤矿综采装备山西省重点实验室，山西 太原 030024)

1 引言

调速型液力偶合器作为一种重要的液力传动装置，其转矩传递特性是液力偶合器选型与设计的重要依据。调速型液力偶合器主机部分主要由泵轮与涡轮组成，泵轮与主动轴刚性连接，由主动轴带动旋转，进一步带动工作腔中液体流动进入涡轮，带动涡轮旋转做功产生机械能，之后再次流回至泵轮，通过这种循环流动，实现泵轮与涡轮之间的转矩传递。因此液力偶合器内流场的环流特性决定了包括转矩传递特性在内的各项工作性能，对于液力偶合器的设计十分重要[1]。

随着计算机运算能力的不断提升与各种商用有限元软件的快速发展，CFD技术的应用成为了目前解决流体计算问题的重要途径。在液力传动方面，国内外已有很多学者基于CFD技术进行了针对多种液力元件的数值计算[1]。闫清东等[6]利用CFD技术研究了不同参数卸荷孔对液力变矩器轴向力的影响。刘春宝[7]等对比了利用RANS与SRS方法的液力变矩器流场特性预测的精度，研究了利用尺度解析模拟的液力变矩器特性预测方法。魏巍[8]等通过对低充液率不同转速下液力缓速器扰流机构起效过程流场仿真，确定了低充液率扰流柱起效判定方法。马文星[9]等利用CFD技术，针对其设计的新型轴流导叶可调液力变矩器进行了特性预测，并对其特性进行了分析。

为了提升液力偶合器转矩传递的稳定性，在叶轮之间靠近循环圆内环处安装阻流挡板，以减小因环流特性变化导致的不稳定工况的产生。为了分析阻流挡板对流场环流特性与转矩传递特性的影响，利用CFD技术针对不同挡板尺寸下的流场进行了数值计算与分析，为液力偶合器的设计与结构改进提供了可靠的理论依据。

2 计算模型

调速型液力偶合器根据实际的工作需求及工况条件，常工作于不同的速比和充液率下，定义液力偶合器的速比i=nT/nP，其中nT为涡轮转速，nP为泵轮转速，充液率FR为工作腔内充注液体体积VL与工作腔容积V之比，即FR=VL/V。图1为调速型液力偶合器工作原理示意图。调速型液力偶合器在泵轮转速一定的条件下，通过调整内流道充液率，实现工作机的软启动与平稳运行。并在过载时通过水液的急剧蒸发，迅速降低输出转矩，实现对传动系统的保护。

图1 调速型液力偶合器工作原理示意图

循环圆外径D=575 mm的矿用双腔调速型液力偶合器为圆形腔，泵轮与涡轮均为直叶片，并在泵轮与涡轮之间安装有阻流挡板，以尽量避免转矩传递过程中的不稳定区间，阻流挡板外径d为循环圆外径的0.56倍。为了便于计算分析，定义外径比c=d/D。由于该调速型液力偶合器为空间、结构对称的双腔结构，因此选取输出端叶轮作为研究模型，其中泵轮叶片数量为46，涡轮叶片数量为45。叶轮与对应流场的几何关系如图2所示。

图2 叶轮与阻流挡板结构图

根据叶轮腔体结构，提取与其结构互补的全流道几何模型，根据液力偶合器内流道循环对称的结构特点，为提高计算效率，设叶轮叶片数为x，建立其简化的1/x流场的单流道几何模型，为之后数值计算模型的建立做准备。

根据不同的挡板尺寸建立不同的流场单流道模型，利用ICEM软件，为了保证流场特性计算的准确性与稳定性，采用几何适应性较强的非结构四面体网格进行流道模型的网格划分，设定全局网格尺寸为2 mm，建立质量较高的流场网格模型，流道网格模型如图3所示。

图3 单流道流场网格模型

3 数值模拟计算

3.1 控制方程

质量守恒方程称作连续性方程，在计算流体动力学中所描述的物理意义为：单位时间内流入流场微元计算网格中的流体质量与对应的流出微元中的质量相等[10]。其微分方程如下

(1)

式中，t为时间，ρ为流体密度密度，u，v，w是速度矢量在x、y、z方向上的分量。液力偶合器以水液为工作介质，在计算过程中可将其视为不可压流体，因此密度ρ为常数，则质量守恒方程简化为

(2)

动量守恒方程即为Navier-Stokes方程，简称N-S方程。该方程是牛顿第二定律在流体中的应用，对于牛顿流体，Navier-Stokes方程的张量形式可以表示为

(3)

式中，δij为克罗内克尔(Kronecker)符号，f为体积力。对于动力粘度为常量的不可压流体，上式可简化为

(4)

3.2 数值计算条件

3.2.1 边界条件

根据调速型液力偶合器叶轮的循环对称结构与单流道流场模型的建立方式，在流场循环圆轴面建立周期性边界循环条件。对泵轮与涡轮流场的交界面采用基于混合平面模型的级联法对两个流道同时求解，在交界面进行周向平均和交互传递，在每一参考框架内均可获得稳态解。对于叶轮与流场交界壁面，采用无滑移边界条件。

由于液力偶合器工作时叶轮转速较高，内流场为高度湍流流动。为了有效地获取流场中的细微涡流和边界层现象以及更加精确的数值计算结果，选择切应力输运SST(Shear Stress Transport)湍流模型对液力偶合器流场模型进行分析。当液力偶合器充液率低于100%时，内流场为复杂的气-液两相流动，采用CFX两相流模型中的非均一化模型，设置气-液表面张力系数为0.0726。由于液力偶合器以水液为工作介质，因此水液对流场特性其决定作用，设置水液为主相。

3.2.2 工况条件

为了准确分析阻流挡板对流场的转矩传递特性与流场环流特性的影响规律，分别针对部分分充液及全充液工况下流场进行数值分析。在部分充液工况流场分析，选择40%与70%充液率作为低充液率和高充液率代表工况，对挡板尺寸c=0.56及无挡板(c=0.48)、0至0.99速比时流场进行特性分析。在全充液工况流场分析中，针对挡板尺寸c=0.48至c=0.68，0至0.99速比工况下进行数值计算。

表1 流场特性计算工况点

4 结果分析

4.1 部分充液工况分析

为了对比分析部分充液状态下阻流挡板结构对液力偶合器水液环流特性及转矩特性的影响规律，分别针对采用c=0.65的阻流挡板和无阻流挡板流场模型、40%与70%充液率、不同速比时流场特性进行了分析。

4.1.1 40%充液率流场特性分析

a)速度流线分布特性

从流线总体特性来看，图4中可以看出，对于液流速度分布，在较低速比时，由于泵轮与涡轮的转速差较大，给予液流的离心力差较大，因此水液在流道中有较大的循环速度，在图中体现为流线颜色偏向于色谱红色端；对于水液循环空间分布，液流都具有向靠近循环圆外环的小循环变化的趋势。低速比时无阻流挡板的流场流速高于有阻流挡板，随着速比的增大，流速差距减小。

图4 40%充液率速度流线分布

在无阻流挡板结构时，水液环流特性如图4(a)所示，由于受到离心力与科氏力的影响，水液在流出泵轮后具有较高的速度，因此图中涡轮入口处流线颜色偏向于色谱红色。水液进入涡轮流道后冲击涡轮叶片做功，因此在涡轮出口处，水液流速降低。之后水液再次循环进入泵轮，进行下一次循环。在速比为0.2至0.4时，水液循环位置靠近流道壁面，为大循环流动。在速比由0.4降至0.6时，水液由大循环变为靠近循环圆外环的小循环，但由于此时泵轮的转速仍然高于涡轮，水液在泵轮中受到的离心力高于涡轮，因此涡轮中水液要多于泵轮，同时由于循环范围突然变化，水液的循环速度也随之减小。

在增加阻流挡板结构后，水液流线分布如图4(b)所示。在较速比为0.2时，由于阻流挡板影响了涡轮出口处液流的循环路径，此时水液由涡轮流道中的大循环和泵轮流道靠近循环圆外侧的小循环组成，水液主要分布于涡轮中。在0.2至0.4速比时，泵轮与涡轮中的两个液流循环逐渐合并为靠近循环圆外环处的一个小循环，水液循环不再受到阻流挡板的影响。随着速比的进一步增大，泵轮与涡轮中水液分布趋于均匀。

b)转矩传递特性

图5为40%充液率下，流场输出转矩变化曲线图。从图中可以看出，由于水液环流速度随着速比的升高而降低，因此流场输出转矩整体为下降趋势。在无阻流挡板时，输出转矩在速比由0.4上升至0.6时由于水液环流形式由大循环变为靠近循环圆外环处的小循环，因此输出转矩下降速率发生突变，下降速率降低。与之对应的，在有阻流挡板0至0.3速比时，挡板直接改变了原有的环流特性，水液的环流速度降低、环流范围减小，对应输出转矩小于无挡板的情况。在速比由0.3上0.4过程中，由于水液循环由泵轮与涡轮中的小循环变为循环圆外环处的小循环，液流不再受阻流挡板的影响，出现了下降速率的突然降低。在速比大于0.6时，由于挡板对水液的环流特性影响失效，输出转矩曲线基本重合。

图5 40%充液率流场转矩传递特性曲线

4.1.2 70%充液率流场特性分析

a)速度流线分布特性

在无阻流挡板结构时，水液流线分布如图6(a)所示，流场中水液始终为大循环流动，随着速比的增大，环流速度逐渐降低。在增加阻流挡板结构后，水液流线分布如图6(b)所示，在0.2至0.6速比时，水液为偏向于涡轮侧的大循环和泵轮、涡轮中的小循环组成的复杂循环流动，同时随着速比的增大，水液的循环速度降低，由于阻流挡板对水液循环的阻挡效果，更多的水液被控制在涡轮中进行循环流动。在速比由0.6升至0.8时，水液变化为靠近循环圆外环处的小循环。

图6 70%充液率速度流线分布

b)转矩传递特性

由图7可知，在70%充液率时，有、无挡板的情况下输出转矩随水液循环速度的降低整体处于下降趋势，有挡板时由于挡板降低了水液环流流速，输出转矩始终低于无挡板，同时转矩下降趋势较无阻流挡板时较平缓，并且在0.6至0.7速比时随着循环特性的改变，阻流挡板失效，出现了转矩的回升现象。

图7 40%充液率流场转矩传递特性曲线

综合两种不同充液率下的流场特性可知，在低充液率低速比时通过改变原有液流循环方式，降低了低速比时的输出转矩，在液流由大循环变为小循环时，阻流挡板失效，输出转矩较无挡板时基本不变，通过这种方式，减小了输出转矩下降趋势的不稳定性，使转矩变化特性更加平稳。在高充液率时，无挡板结构时水液始终为大循环的方式流动，对应输出转矩的下降趋势也相对平稳，因此阻流挡板通过改变原有循环方式，使整体输出转矩下降趋势平缓。

4.2 全充液工况分析

全充液工况下，不同挡板尺寸直接影响了液力偶合器额定工况时的转矩传递能力，因此对不同挡板尺寸下的转矩传递特性进行了分析。同时，由于此时水液充满了叶轮流道，根据水液环流形式在不同速比时的变化特点，对0.2及0.8速比时速度流线分布作出分析。

4.2.1 速度流线分布特性

图8为0.2及0.8速比下，无阻流挡板及有c=0.65的阻流挡板结构时的速度流线分布图。图中可以看出，速比较大时水液的循环速度减小，同时水液沿流道壁面的圆周循环趋势更加明显，在流场轴面中心处出现了明显的涡旋中心，这种现象在存在阻流挡板时更加明显。同时，有阻流挡板时水液的循环流速明显低于无挡板，水液在流道中流线分布较无挡板时较为杂乱。

图8 全充液工况速度流线分布

4.2.2 转矩特性分析

图9为采用不同外径阻流挡板时的全充液工况流场输出转矩特性曲线，选取了采用外径比c为0.48、0.52、0.56、0.60、0.64、0.68时的流场输出转矩特性曲线。从图中可以看出，在不同外径比下，由于阻流挡板降低了水液环流流速，改变了原有的规律性的圆周循环形式，输出转矩整体均为下降趋势，随着外径比的增大，转矩随速比增大的下降速率也不断降低。同时，随着挡板外径比的增大，输出转矩的下降速率减小，并在较高速比时，阻流挡板对转矩特性的影响较小。

图9 转矩传递特性曲线

5 结论

因此，针对调速型液力偶合器，应用CFD技术，对其阻流挡板结构在不同工况下对流场转矩传递特性及水液环流特性的影响规律进行了数值模拟分析，得到如下结论：

1)对比分析了40%及70%充液率下的转矩传递与水液速度流线分布特性后得出：40%充液率下输出转矩整体为下降趋势，较低速比时受阻流挡板的影响，有阻流挡板时输出转矩较小，在达到一定速比时，由于水液环流形式发生变化，出现了下降速率突然减小的现象，随着速比进一步增大，阻流挡板对水液环流影响失效，输出转矩特性曲线基本重合。通过分析部分充液工况下阻流挡板对转矩传递特性与水液环流特性的影响，解释了阻流挡板对流场特性的影响规律。

2)研究了全充液工况下，不同外径阻流挡板对流场转矩传递特性及速度流线分布特性的变化规律。通过分析采用不同外径挡板时的输出转矩可知：不同阻流挡板外径时流场输出转矩随速比均为下降趋势，随着采用的阻流挡板的外径的增大，输出转矩减小，对转矩的影响效果减小。结合部分充液工况下的流场特性影响规律研究结果，为阻流挡板的设计与选用提供了可靠的理论依据。