大功率調(diào)速型液力偶合器溫度場(chǎng)分析

劉 建,高欣欣，范麗丹

(吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，長(zhǎng)春 130052)

大功率調(diào)速型液力偶合器溫度場(chǎng)分析

劉 建,高欣欣，范麗丹

(吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，長(zhǎng)春 130052)

利用計(jì)算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)方法對(duì)大功率調(diào)速型液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，為了證明YOCQZ465液力偶合器具有較好的換熱能力，建立兩個(gè)幾何模型：一個(gè)是YOCQZ465型液力偶合器流道模型，另一個(gè)是假設(shè)泵輪和渦輪上沒(méi)有進(jìn)出油孔的流道模型，通過(guò)對(duì)兩者的計(jì)算結(jié)果分析可知,在泵輪外環(huán)內(nèi)緣和渦輪外環(huán)外緣上開(kāi)進(jìn)出油孔能夠加快工作腔內(nèi)液體與冷卻油的熱交換，使液力傳動(dòng)油的溫度被控制在合理工作溫度范圍內(nèi)。將YOCQZ465型液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，證明所使用的數(shù)值計(jì)算方法具有一定的可靠性。

液力偶合器；溫度場(chǎng)；CFD；數(shù)值模擬

0 前言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)調(diào)速型液力偶合器內(nèi)部流場(chǎng)做了大量研究，通過(guò)分析流場(chǎng)特性準(zhǔn)確預(yù)測(cè)液力偶合器性能[1-6]。但有關(guān)液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)的研究和取得的成果非常少[7]。在液力偶合器傳遞扭矩過(guò)程中，液力傳動(dòng)油不斷克服黏性力做功而轉(zhuǎn)換成熱能，液力偶合器傳遞功率越大，產(chǎn)生的熱能越多，流體溫升越高。溫度升高將導(dǎo)致液力傳動(dòng)油黏度降低，液力偶合器傳遞扭矩的能力也隨之降低。如果不能合理地控制油溫，不僅會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)能力降低，而且會(huì)加速密封元件老化，導(dǎo)致漏油和滲油現(xiàn)象發(fā)生。因此，研究液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)及熱交換規(guī)律，尤其對(duì)于大功率液力偶合器具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

為了確保液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)符合液力傳動(dòng)油工作溫度要求，必須保證液力偶合器工作液體外循環(huán)流量足夠大，以使偶合器工作腔內(nèi)的熱油及時(shí)排出，冷卻油及時(shí)充入。YOCQZ465大功率調(diào)速型液力偶合器泵輪外環(huán)內(nèi)緣周向均布23個(gè)直徑為10 mm的進(jìn)油孔，渦輪外環(huán)外緣周向均布16個(gè)直徑為18 mm的出油孔，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)能夠保證液力傳動(dòng)油的循環(huán)流量足夠大，從而實(shí)現(xiàn)工作腔內(nèi)部的對(duì)流換熱。為了更好地說(shuō)明此種結(jié)構(gòu)具有較好的降溫能力，本文以YOCQZ465調(diào)速型液力偶合器為原型，假設(shè)一種泵輪和渦輪上沒(méi)有進(jìn)出油孔的工作腔，對(duì)它和YOCQZ465調(diào)速型液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖1 液力偶合器軸面剖視圖

1 理論分析

1.1 控制方程

液力偶合器流道可以看作旋轉(zhuǎn)的變截面曲線管道，液力傳動(dòng)油在泵輪與渦輪間周而復(fù)始不停地做螺旋環(huán)流運(yùn)動(dòng)傳遞能量。調(diào)速型液力偶合器通常在部分充液狀態(tài)下工作，因而其內(nèi)部為氣液兩相流動(dòng)，并且伴有渦流、回流、二次流等不規(guī)則流動(dòng)現(xiàn)象，使流動(dòng)惡化，增大流道內(nèi)的液流損失，這部分能量全部轉(zhuǎn)化為熱能[8-11]。本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算溫度場(chǎng)，為了簡(jiǎn)化分析，做下列假設(shè)：

1)忽略各葉輪間的液流泄漏；

2)由于調(diào)速型液力偶合器的工作油溫被控制在60～100 ℃范圍內(nèi)，通常采用的8號(hào)液力傳動(dòng)油的黏溫性較好，其物理性質(zhì)在此溫度范圍內(nèi)變化較小，因此，假設(shè)液力傳動(dòng)油的物理性質(zhì)不隨溫度變化；

3)不考慮其他熱源對(duì)偶合器內(nèi)部的熱輻射影響。

在以上假設(shè)基礎(chǔ)上，利用兩相流的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流k-ε模型來(lái)描述液力偶合器內(nèi)部液力傳動(dòng)油的對(duì)流換熱過(guò)程。

1)連續(xù)方程：

(1)

2)動(dòng)量方程，通過(guò)對(duì)所有相各自的動(dòng)量方程求和來(lái)獲得。

(2)

式中：n為相數(shù)；F為體積力，N；▽為哈密爾頓算子；μm為混合黏度，pa·s；vdr,k為第k相的飄移速度，m/s。

第p相的體積分?jǐn)?shù)方程為

(3)

3)能量方程

(4)

式中：E為總能量，J；Cp為流體比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度,℃；P為壓力，Pa；keff為有效熱傳導(dǎo)。

4)湍流動(dòng)能k方程:

(5)

湍流動(dòng)能耗散率ε方程：

(6)

式中的常數(shù)一般取作：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

1.2 模型建立

根據(jù)YOCQZ465調(diào)速型液力偶合器模型抽取其內(nèi)部流道模型如圖2所示。圖2(a)為假設(shè)工作腔內(nèi)沒(méi)有進(jìn)出油孔的流道模型，圖2(b)為YOCQZ465調(diào)速型流道模型。由于液力偶合器泵輪和渦輪中的流動(dòng)是非穩(wěn)態(tài)的，工作液體處于湍流流動(dòng)狀態(tài)，存在強(qiáng)烈的脈動(dòng)和漩渦，流體間進(jìn)行著強(qiáng)迫對(duì)流傳熱過(guò)程[12-15]，為了減少計(jì)算誤差，對(duì)液力偶合器的全流道模型進(jìn)行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，泵輪流道和渦輪流道的交界面采用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。將流道模型導(dǎo)入Gambit中劃分網(wǎng)格后，設(shè)置邊界條件，對(duì)于圖2(a)設(shè)置泵輪和渦輪之間的交界面為網(wǎng)格分界面，其余表面設(shè)置為壁面；對(duì)于圖2(b)，除了把泵輪和渦輪之間的交界面設(shè)置為網(wǎng)格分界面，其余表面設(shè)置為壁面外，還需要設(shè)置進(jìn)油孔為壓力入口，根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)置進(jìn)口油溫為60 ℃,出油孔為自由流條件。采用8號(hào)液力傳動(dòng)油為工作介質(zhì)，計(jì)算泵輪轉(zhuǎn)速為6 000r/min，牽引工況下(i=0.8)，充液率為qc=80%時(shí)液力偶合器工作腔的溫度場(chǎng)。

(a)

(b)

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)如圖3～4所示，圖3為假設(shè)泵輪和渦輪上沒(méi)有進(jìn)出油孔的液力偶合器，圖4為泵輪和渦輪上開(kāi)有進(jìn)出油孔的YOCQZ465型液力偶合器。

圖3 無(wú)進(jìn)出油孔工作腔溫度場(chǎng)云圖

圖4 YOCQZ465液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)云圖

圖3中液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)分布規(guī)律，泵輪的溫度梯度隨著徑向尺寸的增大而遞減，渦輪的溫度梯度隨徑向尺寸的增大而遞增，最高溫度集中在渦輪葉片的壓力面處。8號(hào)液力傳動(dòng)油的最佳工作油溫為60～95 ℃(溫度場(chǎng)云圖中的溫度為開(kāi)氏溫度，開(kāi)氏溫度等于攝氏溫度加273)，而圖3中液力偶合器工作腔內(nèi)最低溫度為77 ℃,最高溫度為160 ℃，已經(jīng)接近液力傳動(dòng)油的閃點(diǎn)。

圖4中液力偶合器工作腔的溫度場(chǎng)被控制在60～99 ℃范圍內(nèi)，符合液力傳動(dòng)油的最佳工作溫度。圖4溫度分布情況與圖3有較大差別，泵輪的溫度梯度總體上仍然隨著徑向尺寸的增大逐漸遞減，渦輪的溫度梯度隨徑向尺寸的增大而遞增，但在開(kāi)有進(jìn)油孔的流道內(nèi)工作油溫度較低，而沒(méi)有進(jìn)油孔的流道內(nèi)工作油溫度較高。

為了研究YOCQZ465調(diào)速型液力偶合器工作腔的熱交換過(guò)程，本文截取具有進(jìn)出油孔的流道截面溫度場(chǎng)云圖，如圖5所示。冷卻油從進(jìn)油孔涌入泵輪與內(nèi)部流體進(jìn)行熱交換，使流道內(nèi)工作油溫度迅速降低。由于渦輪外環(huán)外緣處出油孔徑較大，流動(dòng)阻力較小，部分高溫流體能夠從此處流出液力偶合器工作腔，而其余未能流出工作腔的高溫流體將繼續(xù)沿渦輪流道流動(dòng)，進(jìn)入泵輪后與低溫流體混合，再一次進(jìn)入循環(huán)流動(dòng)。另外，液力偶合器工作腔內(nèi)存在大量的渦流、二次流等不規(guī)則流動(dòng)，尤其在渦輪中，這可以使流體間的熱交換進(jìn)一步加快，所以渦輪流道內(nèi)溫度梯度沒(méi)有泵輪明顯。從圖5中可見(jiàn)，此出油孔油溫分布在85～90 ℃之間，經(jīng)CFD計(jì)算YOCQZ465調(diào)速型液力偶合器16個(gè)出油孔平均油溫為85.8 ℃。

2 試驗(yàn)

本試驗(yàn)對(duì)象為YOCQZ465調(diào)速型液力偶合器，用于熱電廠給水泵的調(diào)速節(jié)能。液力偶合器的輸入軸與電機(jī)相連，電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，經(jīng)前增速，泵輪輸入轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，輸出軸與給水泵相連。如圖6所示。分別在液力偶合器的工作油進(jìn)口和工作油出口處設(shè)置溫度傳感器，如圖7所示。數(shù)據(jù)采集時(shí)間選定為電網(wǎng)負(fù)荷相對(duì)較穩(wěn)定的中午11:30—12:30，牽引工況(i=0.8)下，與數(shù)值模擬的條件相同。

圖5 帶有進(jìn)出油孔流道截面溫度場(chǎng)云圖

圖6 YOCQZ465型液力偶合器

圖7 溫度采集點(diǎn)分布圖

試驗(yàn)所采集的液力偶合器進(jìn)出口油溫如圖8所示，液力偶合器的工作油進(jìn)口溫度在60 ℃左右，出口溫度在89 ℃左右波動(dòng)，這種波動(dòng)主要是由電網(wǎng)負(fù)荷的變化導(dǎo)致的。CFD計(jì)算中設(shè)置的進(jìn)口油溫為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，CFD計(jì)算出油孔油溫平均值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，但比試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏低，這是由于在數(shù)值計(jì)算中省略了液力傳動(dòng)油在油路中產(chǎn)生的摩擦熱和來(lái)自液力偶合器內(nèi)部其他熱源的輻射熱。

圖8 液力偶合器進(jìn)出口油溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

1)本文利用CFD數(shù)值計(jì)算得到液力偶合器工作腔溫度場(chǎng)分布的詳細(xì)情況，通過(guò)對(duì)比分析可知，YOCQZ465型大功率液力偶合器具有較好的冷卻能力，在泵輪和渦輪外環(huán)上開(kāi)進(jìn)出油孔能夠加快冷卻油與工作腔內(nèi)高溫流體的對(duì)流換熱，使液力傳動(dòng)油溫度控制在合理溫度范圍內(nèi)。

2)液力偶合器的溫度場(chǎng)計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合，表明本文所采用的計(jì)算方法能夠較準(zhǔn)確地表述液力偶合器工作腔內(nèi)換熱過(guò)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

劉建(1995-)，男(漢)，長(zhǎng)春 主要研究機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.013

TH137.332

A

1009-8984(2017)02-0054-05