基于三维流场数值分析的液力变矩器轴向力研究

    0　引言

    在各种行业广泛应用的液力变矩器,采用的是一种柔性的液力传动,是通过其内部液体动量矩的变化来传递能量的。由于变矩器内充满着高速高压的液力油,传递的功率和扭矩都是动态变化的,同时又作用在不平衡的叶轮表面积上,变矩器流场会产生相当大的轴向力。

    为叶轮提供轴向力支撑的主要是轴承,轴向力一旦超过轴承的承载能力,将会破坏整台变矩器。通常在实际使用时,承载轴向力的轴承是整台变矩器的薄弱环节,国内外都曾经多次出现过因轴向力过大而导致轴承乃至整台变矩器损坏的事故。

    在进行液力变矩器结构设计时,除了轴承设计,工作轮螺栓、闭锁离合器的设计也都需要进行轴向力的计算。传统的方法是采用一维流场束流理论对轴向力进行预估,其误差为20% ~25%[1]。轴向力的确定,最为可靠的是通过变矩器样机进行轴向力试验,但这样不仅实验过程繁琐,而且在设计的初期即要求进行样机的制作,使得成本投入大、设计开发周期长。

    传统的一维流场束流理论的计算公式是建立在许多经验系数基础之上的,是一种宏观的、粗略的估值计算,无法对工作叶片的压力差、速度差产生的轴向力进行计算。而且在实际设计过程中,不同型号变矩器的叶片角度、结构形式、传动方案千差万别,即使有一定的设计经验,不同的变矩器所产生的轴向力也是不相同的,设计的把握性非常差。

    现阶段,三维流场的CFD数值模拟方法,已经发展到较为成熟的阶段,能够较为准确地对变矩器的内流场进行模拟和计算,变矩器轴向力的计算比传统的一维束流理论精度有很大的提高,可以缩短开发周期、节约开发成本。

    1　流场计算的基本流程和基本控制方程

    目前得到广泛应用的流场计算方法是有限体积法,其流场计算的基本流程是:

    (1)基于要求解的问题选择各控制方程,并建立偏微分格式的方程组。

    (2)进行网格的划分,将连续的求解域离散化。

    (3)结合边界条件在离散后的区域内将原偏微分方程组离散,并转化为大量的网格中的代数方程组。

    (4)采用快捷高效的方程组解法对大量的代数方程组进行求解。

    (5)将计算结果反复迭代,直至求解出整个流场的收敛解。

    针对于液力变矩器的流场求解问题,其基本的控制方程是质量守恒方程、动量守恒方程和湍流模型方程[2]。

    质量守恒方程:

    由于液体在计算中通常视作不可压流体,质量守恒方程可以简化为: