基于CFD的液力變矩器導(dǎo)輪優(yōu)化設(shè)計

劉安然，石祥鐘，孟 燕

(1.核工業(yè)第五研究設(shè)計院，河南 鄭州450052；2.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

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基于CFD的液力變矩器導(dǎo)輪優(yōu)化設(shè)計

劉安然1，石祥鐘2，孟 燕2

(1.核工業(yè)第五研究設(shè)計院，河南 鄭州450052；2.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

基于CAD-CFD，分析影響液力變矩器整體性能的因素并進行優(yōu)化。首先使用BladeGen對液力變矩器進行參數(shù)化造型，基于CFX軟件對不同速比工況進行計算，統(tǒng)計液力變矩器性能變化曲線并與試驗對比。分析導(dǎo)輪能頭分布特點，并根據(jù)流場分布對導(dǎo)輪進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使內(nèi)、外環(huán)上導(dǎo)輪翼型結(jié)構(gòu)分別適應(yīng)不同的速比工況，最終實現(xiàn)對低速比工況時導(dǎo)輪能頭損失的優(yōu)化，優(yōu)化后渦輪輸出力矩增量最大達到175.36 N·m，液力變矩器在0速比工況下變矩比增加0.344，效率在0.274速比工況下增加2.95%。

液力變矩器；導(dǎo)輪；CFD；優(yōu)化設(shè)計

液力變矩器應(yīng)用廣泛，其性能的優(yōu)化提升具有重要的意義[1]。其傳統(tǒng)設(shè)計方法一般根據(jù)束流理論進行設(shè)計[2-3]，并在大量試驗的基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗進行優(yōu)化改型，由于液力變矩器內(nèi)部流場復(fù)雜，優(yōu)化改型需要較大的投入。隨著CFD的發(fā)展日益成熟為液力變矩器的研究和優(yōu)化設(shè)計提供了一種實用高效的新方法[4]，并能準(zhǔn)確的分析液力變矩器的內(nèi)部流場[5-8]。本文根據(jù)束流理論設(shè)計的三元件液力變矩器，在低速比工況下導(dǎo)輪能頭損失較大，限制整體性能的提升問題，使用WorkbenchBladeGen對某型號三元件液力變矩器進行參數(shù)化造型[9]，降低低速比工況下導(dǎo)輪能頭損失，對液力變矩器的效率、變矩比和輸出力矩進行優(yōu)化。

1 液力變矩器CFD計算

1.1 幾何模型

根據(jù)液力變矩器幾何參數(shù)進行建模，并使用BladeGen對模型進行參數(shù)化。泵輪葉片為23個，渦輪葉片為26個，導(dǎo)輪葉片為17個，液力變矩器幾何模型如圖1。

1.2 網(wǎng)格劃分

使用turbogrid分別對泵輪、渦輪和導(dǎo)輪進行六面體網(wǎng)格劃分。根據(jù)液力變矩器各個元件周期性分布特點，取單周期進行計算并忽略周期間不均勻性，泵輪計算域網(wǎng)格單元數(shù)為109 020個，渦輪計算與網(wǎng)格單元數(shù)為109 417個，導(dǎo)輪計算域網(wǎng)格單元個數(shù)為172 672個，網(wǎng)格滿足無關(guān)性要求，網(wǎng)格模型如圖2。

1.3 三維流場數(shù)值計算

對液力變矩器進行三維流場數(shù)值計算，不考慮轉(zhuǎn)動過程中內(nèi)部流場的脈動，認(rèn)為輸入、輸出轉(zhuǎn)速不變的情況下內(nèi)部流場處于穩(wěn)態(tài)。首先將網(wǎng)格導(dǎo)入CFX中，設(shè)置計算域之間的交界面為凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面，并根據(jù)泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的個數(shù)設(shè)置嚙合角的大小。內(nèi)環(huán)、外環(huán)和葉片壁面均設(shè)置為無滑移壁面。根據(jù)試驗工況的不同分別設(shè)置輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速，并根據(jù)外部供給油的壓力設(shè)置液力變矩器的參考壓力。

建立工作油模型并給定密度ρ為899.1 kg/m3，粘度μ為0.001 89 Pa·s，流體不可壓縮。液力變矩器在實際工作過程中除工作油在內(nèi)部循環(huán)流動，同時還有外部供油進行冷卻并防止汽蝕，因外部供油影響較小，可忽略不計，只考慮內(nèi)部油的循環(huán)。并認(rèn)為在實際穩(wěn)定工作過程中，油溫保持不變，且循環(huán)流動過程流量保持平衡。

選擇湍流計算為κ-ε模型，計算過程中同時對泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的力矩和進行監(jiān)視，在力矩和接近0 N·m且殘差達到收斂標(biāo)準(zhǔn)時停止計算。

2 CFD計算結(jié)果分析

2.1 CFD計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

對試驗工況分別進行計算，對性能計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖3。計算結(jié)果顯示穩(wěn)態(tài)計算能夠較為真實的反應(yīng)液力變矩器的實際工作過程，在速比為0.8以下的中、低工況時，精確度較高；在0.8以上的高速比工況時，效率偏差略大，但能正確反映變化規(guī)律。

CFD計算結(jié)果不但能準(zhǔn)確的計算出整體性能變化，還能夠方便的查看內(nèi)部流場和壓力分布。液力變矩器內(nèi)部元件的性能共同決定了整體性能的優(yōu)劣，比對內(nèi)部元件單獨考察，能夠快速分析在不同工況下整體性能的制約因素，指明優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化方向。在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，能夠全面考察結(jié)構(gòu)優(yōu)化對流場的影響，及時發(fā)現(xiàn)不足并加以改進，大大節(jié)約設(shè)計成本并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

2.2 液力變矩器性能分析

統(tǒng)計液力變矩器的泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的能頭，泵輪效率、渦輪效率以及泵輪等效效率(將導(dǎo)輪和泵輪綜合計算得出泵輪等效效率)，結(jié)果見圖4。其中能頭是根據(jù)伯努利方程統(tǒng)計三個計算域進出口能頭差，泵輪、渦輪效率則是各自輸入能量與輸出能量的比值。泵輪等效效率是將導(dǎo)輪與泵輪綜合考慮，計算輸入能量與輸出能量的比值，泵輪等效效率乘以渦輪效率就是液力變矩器的效率。

從圖4可以看出，泵輪在速比變化過程中，基本上均落在高效范圍內(nèi)，并且隨著工況的變化，泵輪效率變化不大，性能較好。

渦輪隨著速比的增大，其效率呈逐漸增大趨勢，且在0.8以上的高速比范圍內(nèi)效率最高，而在中低速比范圍內(nèi)其效率偏低，說明渦輪的高效范圍偏離實際運行工況。在速比達到0.9以后，渦輪內(nèi)流場渦輪效率波動變大，精度降低。

由于導(dǎo)輪僅起到變矩的作用，其能頭大小亦是損失能頭大小，因此泵輪提供一定能頭的情況下，導(dǎo)輪損失越小，則意味著渦輪可利用能頭越多，因此減小導(dǎo)輪的能頭損失，有利于提高整體的性能。觀察導(dǎo)輪能頭分布曲線，呈現(xiàn)兩頭高中間低的狀態(tài)，因此該導(dǎo)輪在低轉(zhuǎn)速比和高轉(zhuǎn)速比的時候能頭損失均較大，特別是在低速比工況下，導(dǎo)輪較大能頭損失已經(jīng)成為制約渦輪輸出扭矩的重要因素，因此需要合理的分配渦輪的能頭損失，優(yōu)化液力變矩器的整體性能。

對不同速比工況下的導(dǎo)輪內(nèi)部流場進行分析，取幾組典型工況，如圖5。導(dǎo)輪速度場顯示，在低速比工況時，來流對于葉片有正沖角，并且速比越低正沖角越大，來流撞擊損失和葉柵內(nèi)的渦會導(dǎo)致導(dǎo)輪能頭損失變大。在中速比工況下，導(dǎo)輪流場均勻，對應(yīng)的能頭損失也最小。在高速比的時候，來流相具有負(fù)沖角，更容易在流道中形成較為明顯的渦流，從導(dǎo)輪性能頭曲線上可以看出，負(fù)沖角導(dǎo)致能頭損失增大較快。

從泵輪等效效率曲線也可以看出，導(dǎo)輪的能頭損失也使得低、高速比工況時泵輪的等效效率降低，為了提升整體性能，特別是低速比工況時的輸出力矩，需要對導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

3 導(dǎo)輪葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 導(dǎo)輪葉片翼型優(yōu)化

目前導(dǎo)輪具有高效范圍窄、低速比工況時能頭損失大的特點，是制約渦輪輸出力矩大小的重要因素，對啟動性能不利。流場分析結(jié)果顯示，導(dǎo)輪在低轉(zhuǎn)速比時，葉片整體的正沖角度均比較大，為了增強導(dǎo)輪對低轉(zhuǎn)速比的工況的適應(yīng)性，調(diào)整內(nèi)環(huán)面上的翼型結(jié)構(gòu)，減小翼型進口的正沖角和葉柵中的脫流損失，同時為了減少對泵輪的影響，控制翼型出流角度不變，外環(huán)面上的翼型結(jié)構(gòu)保持不變。

根據(jù)導(dǎo)輪中速度場分布特點，調(diào)整Beta、Theta等參數(shù)的分布曲線。直到計算結(jié)果達到設(shè)計目標(biāo)，對比優(yōu)化前后導(dǎo)輪葉片結(jié)構(gòu)，如圖6。

3.2 導(dǎo)輪內(nèi)部流場分析

優(yōu)化后對低轉(zhuǎn)速比工況進行計算，選取轉(zhuǎn)速比i=0.274時的流場進行分析，從內(nèi)環(huán)到外環(huán)方向取4組流面的速度矢量場，如圖7。

優(yōu)化后，低速比工況下，導(dǎo)輪靠近內(nèi)環(huán)的部分流場較為均勻，撞擊損失較小，無脫流；而靠近外環(huán)的部分有正沖角，具有一定的撞擊和脫流。優(yōu)化后內(nèi)環(huán)處的導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)較原來葉片更為扭曲，靠近內(nèi)環(huán)處的翼型結(jié)構(gòu)能夠較好的適應(yīng)低轉(zhuǎn)速比工況下的流場，而靠近外環(huán)部分的翼型結(jié)構(gòu)則能較好的適應(yīng)中、高轉(zhuǎn)速比的工況時的流場，隨著速比的增大，從內(nèi)環(huán)到外環(huán)總有一部分的區(qū)域處于高效范圍，從而拓寬了導(dǎo)輪對不同工況的適應(yīng)性。

4 優(yōu)化后整體性能分析

導(dǎo)輪優(yōu)化后，計算液力變矩器的整體工作性能，統(tǒng)計導(dǎo)輪優(yōu)化前后液力變矩器輸入、出力矩參數(shù)，如圖8。在轉(zhuǎn)速比0.66以前的中低速比工況下，輸出扭矩均有不同程度的增加，在轉(zhuǎn)速比為0的時候轉(zhuǎn)速比增加量達到最大為175.63 N·m，對應(yīng)的輸入扭矩變化量較小約為10 N·m。在轉(zhuǎn)速比達到0.6以后的中、高轉(zhuǎn)速比工況，輸入、輸出扭矩均不同程度的降低，輸出扭矩的下降范圍在30 N·m以內(nèi)，變化量較小。

統(tǒng)計對比優(yōu)化前、后液力變矩器的效率和變矩比，優(yōu)化后液力變矩器整體性能曲線如圖9。分析可知，液力變矩器在0速比工況下變矩比增加0.344，效率在速比為0.274工況下增加2.95%，改善了液力變矩器低轉(zhuǎn)速比工況的性能，達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，計算結(jié)果表明優(yōu)化方法有效。

5 結(jié)論

1)使用CFX對液力變矩器進行數(shù)值計算，數(shù)值計算結(jié)果與臺架試驗結(jié)果相差較小，能夠真實的反應(yīng)液力變矩器內(nèi)部流場狀況。

2)基于傳統(tǒng)設(shè)計方法的導(dǎo)輪，在偏離最優(yōu)工況后能頭損失增加較快，影響液力變矩器的整體性能。

3)根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，對內(nèi)環(huán)面上翼型進行優(yōu)化，減小低轉(zhuǎn)速比工況下葉片的正沖角和脫流損失，而保持外環(huán)面上翼型不變，增強了導(dǎo)輪對不同轉(zhuǎn)速比工況的適應(yīng)性。

4)優(yōu)化后，中低轉(zhuǎn)速比工況下渦輪輸出力矩得到改善，輸出扭矩增加到175.63 N·m，高速比工況下輸出力矩略有降低，變化值均在30 N·m范圍內(nèi)。

(5)液力變矩器在0速比工況下變矩比增加0.344，效率在速比為0.274工況下增加2.95%，改善了液力變矩器低轉(zhuǎn)速比工況的性能，達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

(6)CAD-CFD設(shè)計方法快捷有效，能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期并節(jié)約成本。

[1]馬文星，何延?xùn)|，劉春寶.液力傳動研究現(xiàn)狀分析與展望[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008(7)：51-55.

[2]羅邦杰.工程機械液力傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[3]馬文星.液力傳動理論與設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4]才 委，馬文星，劉春寶，等.基于三維流場計算的液力變矩器特性預(yù)測方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2007，28(3)：316-319.

[5]石祥忠.液力變矩器內(nèi)部三維流動數(shù)值模擬與特性預(yù)測方法研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2005.

[6]吳光強，王立軍.基于CFD的液力變矩器等效參數(shù)性能預(yù)測模型[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013(1)：121-127.

[7]韓克非，吳光強，王 歡.基于CFD的泵輪葉柵關(guān)鍵參數(shù)對液力變矩器的性能影響預(yù)測[J].汽車工程，2010，32(6)：497-500.

[8]劉 城.向心渦輪式液力變矩器葉柵系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計方法研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[9]劉安然，施 晶，石祥鐘，等.基于BladeGen的混流水輪機轉(zhuǎn)輪葉片優(yōu)化研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，31(2)：93-97.

(責(zé)任編輯王利君)

Hydraulic torque converter stator blade optimization design based on the CFD

LIU Anran1,SHI Xiangzhong2, MENG Yan2

(1.The Fifth Research and Design Institute of Nuclear Industry, He’nan Zhengzhou 450052, China; 2.School of Water Resources and Hydropower, Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056021, China)

Hydraulic torque converter optimization design was based on CAD - CFD, this paper analysis the influence factors to the whole performance and optimal design the hydraulic torque converter. Modeling of the hydraulic torque converter was parameterized by using BladeGen at first, the working conditions in different speed ratio were calculated by basing on CFX, statistical performance curves of the hydraulic torque was compared with experiment results. This paper analyzed the characteristics of energy head distribution, and obtained optimal structure by according to flow field, made aerofoil structure in internal and external ring adapt to the working conditions with different speed ratio, the energy head optimization of state working in low speed ration working conditions was achieved, which above increasd the turbine output torque; the maximum increment of turbine output torque at low speed rate working conditions reached to 175.36N·m. After optimization, the hydraulic torque converter torque ratio increased 0.344 with 0 speed ratio working condition,the efficiency increased 2.95% in 0.274 speed ratio working condition.

hydraulic torque converter; stator; CFD; optimization design

2016-03-28

河北省科技計劃項目(12211906);河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點項目(ZH201201 5)

劉安然(1990-)，男，河南商丘人，研究生，助理工程師，從事流體機械設(shè)計與性能方面的研究。

1673-9469(2016)02-0103-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.023

TH137.332

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