叶片偏转角对液力变矩器的性能影响规律

陈 祥

（华域动力总成部件系统（上海）有限公司，上海 201799）

叶片偏转角是液力变矩器重要的设计参数，由于各种假设，在一维束流理论中该设计参数无法得到体现，只能基于三维流动理论进行研究。各叶轮叶片偏转角对液力变矩器性能均有较大影响，而目前已发表文献中对叶片偏转角的研究较少。本文分别对泵轮、涡轮和导轮叶片偏转角对性能的影响规律进行研究，为液力变矩器改型设计和液力变矩器性能优化提供了理论指导。

1 流道模型构建及试验验证

1.1 流道模型构建

为了提高流场仿真计算效率，构建了液力变矩器单流道模型，如图1 所示。

1.2 流场仿真和试验验证

对液力变矩器内流场进行稳态流场仿真计算，湍流模型采用SSTk-w模型，对流扩散项离散格式采用二阶迎风，不同流场区域耦合采用混合面模型，液力传动油的密度取850 kg/m3，动力黏度取0.005 Pa·s。保持泵轮转速2 000 r/min 不变，改变涡轮转速分别计算0~0.9 不同速比下液力变矩器的液力性能。图2 为仿真计算与试验数据进行对比结果。由图2 可以发现，仿真计算结果与试验数据在低速比时有一定的误差，中高速比时偏差较小，在文献[1]中也得到类似结果。这是由于在低速比工况下，液力变矩器流场分离流动剧烈，流场高度复杂，增加了数值计算的难度和精度；另一方面是仿真计算时未考虑内环泄露，而低速比时内环泄漏量较大，会造成较大的偏差。此外，在低速比下，导轮入口冲击角很大，在导轮的吸力面上压力下降很快，当达到工作介质气化压力临界点时，将发生气化现象[2]。气化现象产生的气泡在导轮内阻塞流动，使导轮流量急剧降低，泵轮转矩和变矩比均略有下降。因此,可以认为液力变矩器流场仿真计算的结果是可信的，验证了三维流场仿真计算策略的正确性。

2 叶片偏转角对液力性能的影响

2.1 不同叶片偏转角的叶型对比

本文中定义泵轮叶片偏转角为泵轮叶片内环出口端相对于外环出口端沿旋转轴旋转的角度，与泵轮旋转方向同向为正方向，反向为负方向；涡轮叶片偏转角定义为在入口端涡轮叶片内环相对于外环沿旋转轴旋转的角度，与涡轮旋转方向同向为正方向，反向为负方向；而导轮叶片偏转角定义为在入口端导轮叶片外环相对于内环沿旋转轴旋转的角度，与单向离合器起作用时导轮旋转方向同向为正方向，反向为负方向。限定各叶轮叶片偏转角研究范围为［-4°,4°］，改变不同叶轮叶片偏转角，分别取设计参数范围最小值、中间值和最大值，更新叶片叶型，各叶轮不同偏转角叶片叶型对比结果如图3 所示。

2.2 各叶轮叶片偏转角对液力性能的影响

研究各叶轮不同叶片偏转角对液力变矩器液力性能的影响规律。保持其他设计参数不变，改变叶片偏转角的数值，更新模型，分别划分网格，建立流场仿真计算模型，应用同样的流场仿真策略，进行三维流场仿真计算。首先研究失速泵轮转矩系数随叶片偏转角的变化规律，仿真计算结果如图4 所示。

由图4 可知，不同叶轮叶片偏转角对液力变矩器失速泵轮转矩系数的影响有所区别，随着泵轮叶片偏转角的增大，失速泵轮转矩系数先增大后减小；随着涡轮叶片偏转角的增大，失速泵轮转矩系数逐渐增大；而随着导轮叶片偏转角的增大，失速泵轮转矩系数先减小后略有增大。

同样方法研究各叶轮叶片偏转角对失速变矩比和最大效率的影响，仿真计算结果如图5 和图6 所示。由图5 和图6 可知，随着泵轮叶片偏转角的增大，液力变矩器失速变矩比先减小后趋于平缓，而最大效率先增大后减小，但影响程度相对较小；随着涡轮叶片偏转角的增大，失速变矩比和最大效率均趋于降低；随着导轮叶片偏转角的增大，失速变矩比先增大后减小，而最大效率整体有增大的趋势，但增大幅度相对有限。

3 结 论

3.1 构建了液力变矩器单流道模型，并进行了三维流场计算，与试验数据对比结果说明了仿真策略的正确性。

3.2 研究了各叶轮叶片偏转角对液力变矩器液力性能的影响规律。结果显示，各叶轮叶片偏转角对液力变矩器性能均有较大影响，随着泵轮叶片偏转角的增大，失速泵轮转矩系数和最大效率趋于增大，而失速变矩比趋于减小；随着涡轮叶片偏转角的增大，失速泵轮转矩系数单调增加，而失速变矩比和最大效率趋于减小；随着导轮叶片偏转角的增大，失速泵轮转矩系数趋于减小，最大效率趋于增大，而失速变矩比先增大后减小。本文研究结论为液力变矩器改型和性能优化设计提供了重要的理论参考。