基于CFD的葉片周向偏移對液力變矩器的性能影響預(yù)測

陳祥，陳潔

（華域動(dòng)力總成部件系統(tǒng)（上海）有限公司，上海201799）

液力變矩器葉柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)，不同的設(shè)計(jì)參數(shù)對液力性能的影響程度有所區(qū)別。目前的文獻(xiàn)主要針對某個(gè)或某幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)單獨(dú)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)［1］結(jié)合三維流場仿真計(jì)算和試驗(yàn)方法研究了渦輪偏轉(zhuǎn)角和泵輪流道收縮率對液力變矩器整體效率的影響；文獻(xiàn)［2］基于三維流場計(jì)算分析了泵輪進(jìn)出口角對液力變矩器性能的影響；文獻(xiàn)［3-4］分析了葉輪葉片數(shù)對液力變矩器性能的影響。葉片卷曲角作為葉柵系統(tǒng)較重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，同樣受到了廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)［5～6］研究了泵輪渦輪葉片卷曲角對液力變矩器性能的影響，結(jié)果表明，隨著泵輪卷曲角的減小，液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)增大，而變矩比基本不變。文獻(xiàn)［7］研究了葉片卷曲角對液力變矩器性能的影響，結(jié)果顯示，卷曲角的增大有益于變矩比的增大但扭矩容量系數(shù)趨于減小。而實(shí)際上，葉片卷曲角的變化必然伴隨著葉片進(jìn)出口角的變化，而葉片進(jìn)出口角本身是對液力性能影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此，無法排除葉片卷曲角對液力性能影響中葉片進(jìn)出口角的影響因素。

文中引入了葉片周向偏移的概念，定義為葉片二維設(shè)計(jì)曲線中出口端相對于入口端的縱向距離。該設(shè)計(jì)參數(shù)能夠引起與葉片卷曲角相近的葉型變化，同時(shí)剝離了葉片進(jìn)出口角對性能的影響因素，具有更重要的研究意義。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

液力變矩器葉柵系統(tǒng)為復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，葉片的真實(shí)長度、厚度和角度不易直接表達(dá)，為了方便對葉片各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行定義，一般采用保角變換的方法，將空間曲線（或曲面）展開在平面上，而傾斜角度保持相等。文中將葉柵系統(tǒng)保角變換過程集成在三維設(shè)計(jì)軟件中，在三維設(shè)計(jì)軟件中完成整個(gè)葉柵系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，大大提高了液力變矩器改型設(shè)計(jì)的效率。圖1 為設(shè)計(jì)完成的液力變矩器單流道參數(shù)化模型。

圖1 液力變矩器單流道參數(shù)化模型

1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對液力變矩器內(nèi)流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，湍流采用SST k-w模型，對流擴(kuò)散項(xiàng)離散格式采用二階迎風(fēng)，不同流場區(qū)域耦合采用混合面模型，液力傳動(dòng)油密度取850 kg·m-3，動(dòng)力黏度取0.005 Pa·s。保持泵輪轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1不變，改變渦輪轉(zhuǎn)速分別計(jì)算0～0.9 不同速比下液力變矩器的液力性能參數(shù)。圖2為仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，λP為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Tr為變矩比，η 為效率，sr為速比。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在低速比時(shí)有一定的誤差，中高速比時(shí)偏差較小，在文獻(xiàn)［8］中也得到類似結(jié)果。這是由于在低速比工況下，液力變矩器流場分離流動(dòng)劇烈，流場高度復(fù)雜，增加了數(shù)值計(jì)算的難度和精度；另一方面是仿真計(jì)算時(shí)未考慮內(nèi)環(huán)泄漏，而低速比時(shí)內(nèi)環(huán)泄漏量較大，會(huì)造成較大的偏差。此外，在低速比工況下，導(dǎo)輪入口沖擊角很大，在導(dǎo)輪的吸力面上壓力下降很快，當(dāng)達(dá)到工作介質(zhì)氣化壓力臨界點(diǎn)時(shí)，發(fā)生氣化現(xiàn)象［9］。氣化現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡在導(dǎo)輪內(nèi)阻塞流動(dòng)，使導(dǎo)輪流量急劇降低，泵輪扭矩和變矩比均略有下降。因此，可以認(rèn)為液力變矩器流場仿真計(jì)算的結(jié)果是可信的，驗(yàn)證了參數(shù)化設(shè)計(jì)模型和流場仿真計(jì)算策略的可靠性。

圖2 液力變矩器仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2 葉片周向偏移對液力性能的影響

2.1 各葉輪不同葉片周向偏移的葉型對比

考慮到葉片內(nèi)外環(huán)尤其是泵輪和渦輪內(nèi)外環(huán)循環(huán)圓曲線長度的差異性，限定泵輪葉片周向偏移lP研究范圍為[ ]-0.15LP,0.15LP，渦輪葉片同向偏移lT的研究范圍為[ ]-0.15LT，0.15LT，其中LP和LT分別為泵輪和渦輪葉片內(nèi)外環(huán)對應(yīng)的循環(huán)圓弦長；考慮到導(dǎo)輪的差異性，限定導(dǎo)輪葉片周向偏移lS研究范圍為[ ]0.7lS0,lS0，其中l(wèi)S0為初始模型導(dǎo)輪葉片周向偏移。基于參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，改變不同葉輪葉片周向偏移，分別取設(shè)計(jì)參數(shù)研究范圍最小值、中間值和最大值，更新參數(shù)化模型，各葉輪內(nèi)外環(huán)不同葉片周向偏移葉型對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 各葉輪內(nèi)外環(huán)不同周向偏移葉型對比

2.2 葉片周向偏移對失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響

首先研究各葉輪不同葉片周向偏移對液力變矩器失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響規(guī)律?；趨?shù)化設(shè)計(jì)模型，分別建立不同葉片周向偏移的單流道模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并應(yīng)用同樣的流場仿真策略，進(jìn)行三維流場仿真計(jì)算，失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λP0仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4中可以看出，泵輪葉片內(nèi)環(huán)和渦輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移對液力變矩器失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)影響相對較小，而泵輪葉片外環(huán)和導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移對失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)影響較大；隨著泵輪葉片外環(huán)周向偏移的增大，失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)趨于增大，而隨著導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移的增大，失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)單調(diào)遞減，且隨外環(huán)周向偏移的減小速度稍有增加。

圖4 葉片周向偏移對失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)影響

2.3 葉片周向偏移對失速變矩比的影響

研究各葉輪不同葉片周向偏移對液力變矩器失速變矩比Tr0的影響規(guī)律，仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。可以看出，泵輪葉片內(nèi)環(huán)和渦輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移對液力變矩器失速變矩比影響相對較小，泵輪葉片外環(huán)和導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移對失速變矩比影響相對較大；隨著泵輪葉片外環(huán)周向偏移的增大，失速變矩比單調(diào)減小，而隨著渦輪葉片外環(huán)和導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移的增大，失速變矩比均趨于增大，且相對于導(dǎo)輪內(nèi)環(huán)，失速變矩比對導(dǎo)輪外環(huán)周向偏移更敏感。

圖5 葉片周向偏移對失速變矩比影響

2.4 葉片周向偏移對最大效率的影響

進(jìn)一步研究各葉輪不同葉片周向偏移對液力變矩器最大效率ηmax的影響規(guī)律，仿真計(jì)算結(jié)果見圖6，可以看出：泵輪渦輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移對最大效率影響相對較小，而泵輪渦輪葉片外環(huán)和導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移對最大效率影響相對較大；隨著渦輪葉片外環(huán)和導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移的增大，最大效率均趨于增大，而隨著泵輪葉片外環(huán)周向偏移的增大，最大效率先增大后趨于減小。

圖6 葉片周向偏移對最大效率影響

3 葉片周向偏移對液力性能影響分析

選用失速變矩比、最大效率和失速泵輪能容系數(shù)來評價(jià)液力變矩器的液力性能。上述研究了泵輪、渦輪和導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移對液力變矩器液力性能的影響規(guī)律，但其對液力性能的影響程度并沒有量化分析。在設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍內(nèi)，將液力變矩器不同性能評價(jià)指標(biāo)的相對變化幅度作為設(shè)計(jì)參數(shù)對液力性能影響程度量化指標(biāo)，計(jì)算公式為

式中：CR為性能評價(jià)指標(biāo)的相對變化幅度；φmax為設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍內(nèi)液力變矩器性能評價(jià)指標(biāo)能夠達(dá)到的最大值；φmin為設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍內(nèi)液力變矩器性能評價(jià)指標(biāo)能夠達(dá)到的最小值；φ0為原始模型對應(yīng)的性能評價(jià)指標(biāo)。分別計(jì)算求取各設(shè)計(jì)參數(shù)不同性能評價(jià)指標(biāo)的相對變化幅度，計(jì)算結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 葉片周向偏移對液力性能影響程度對比

從圖7中可以看出，導(dǎo)輪葉片外環(huán)周向偏移對失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)和失速變矩比影響最大，其次為導(dǎo)輪葉片內(nèi)環(huán)和泵輪葉片外環(huán)周向偏移；渦輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移對失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)影響最小，而泵輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移對失速變矩比影響最??；渦輪葉片外環(huán)周向偏移對最大效率影響最大，其次為導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移，渦輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移對最大效率影響最小。值得注意的是，除了導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)對最大效率影響程度相近外，其他各葉片周向偏移對各項(xiàng)性能評價(jià)指標(biāo)的影響均表現(xiàn)為外環(huán)影響程度大于內(nèi)環(huán)；泵輪葉片外環(huán)和導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移對各項(xiàng)性能指標(biāo)均有較大影響，在液力變矩器改型設(shè)計(jì)時(shí)可以作為重要參考。

4 結(jié)論

1）構(gòu)建了液力變矩器參數(shù)化流道模型，并進(jìn)行了三維流場計(jì)算，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，結(jié)果說明了參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的正確性。

2）研究了泵輪、渦輪和導(dǎo)輪葉片內(nèi)外環(huán)周向偏移對液力變矩器液力性能的影響規(guī)律，并對比分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對液力性能的影響程度。結(jié)果顯示，對失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)影響最大的為導(dǎo)輪葉片外環(huán)周向偏移，其次為導(dǎo)輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移，影響最小的為渦輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移；對失速變矩比影響最大的為導(dǎo)輪葉片外環(huán)周向偏移，其次為導(dǎo)輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移，影響最小的為泵輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移；對最大效率影響最大的為渦輪葉片外環(huán)周向偏移，其次為導(dǎo)輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移，影響最小的為渦輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移?？梢钥闯?，泵輪葉片外環(huán)和導(dǎo)輪葉片內(nèi)環(huán)周向偏移對各性能均有較大影響，在液力變矩器改型或優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可重點(diǎn)考慮。