基于CFD的叶片周向偏移对液力变矩器的性能影响预测

陈祥，陈洁

（华域动力总成部件系统（上海）有限公司，上海201799）

液力变矩器叶栅系统结构复杂，涉及到的设计参数多达几十个，不同的设计参数对液力性能的影响程度有所区别。目前的文献主要针对某个或某几个设计参数单独进行研究，文献［1］结合三维流场仿真计算和试验方法研究了涡轮偏转角和泵轮流道收缩率对液力变矩器整体效率的影响；文献［2］基于三维流场计算分析了泵轮进出口角对液力变矩器性能的影响；文献［3-4］分析了叶轮叶片数对液力变矩器性能的影响。叶片卷曲角作为叶栅系统较重要的设计参数之一，同样受到了广泛关注。文献［5～6］研究了泵轮涡轮叶片卷曲角对液力变矩器性能的影响，结果表明，随着泵轮卷曲角的减小，液力变矩器泵轮转矩系数增大，而变矩比基本不变。文献［7］研究了叶片卷曲角对液力变矩器性能的影响，结果显示，卷曲角的增大有益于变矩比的增大但扭矩容量系数趋于减小。而实际上，叶片卷曲角的变化必然伴随着叶片进出口角的变化，而叶片进出口角本身是对液力性能影响较大的设计参数，因此，无法排除叶片卷曲角对液力性能影响中叶片进出口角的影响因素。

文中引入了叶片周向偏移的概念，定义为叶片二维设计曲线中出口端相对于入口端的纵向距离。该设计参数能够引起与叶片卷曲角相近的叶型变化，同时剥离了叶片进出口角对性能的影响因素，具有更重要的研究意义。

1 参数化设计模型及试验验证

1.1 参数化设计

液力变矩器叶栅系统为复杂的空间曲面结构，叶片的真实长度、厚度和角度不易直接表达，为了方便对叶片各设计参数进行定义，一般采用保角变换的方法，将空间曲线（或曲面）展开在平面上，而倾斜角度保持相等。文中将叶栅系统保角变换过程集成在三维设计软件中，在三维设计软件中完成整个叶栅系统的参数化设计，大大提高了液力变矩器改型设计的效率。图1 为设计完成的液力变矩器单流道参数化模型。

图1 液力变矩器单流道参数化模型

1.2 试验验证

对液力变矩器内流场进行稳态仿真计算，湍流采用SST k-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，液力传动油密度取850 kg·m-3，动力黏度取0.005 Pa·s。保持泵轮转速2 000 r·min-1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参数。图2为仿真计算与试验数据的对比结果，λP为泵轮转矩系数，Tr为变矩比，η 为效率，sr为速比。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［8］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漏，而低速比时内环泄漏量较大，会造成较大的偏差。此外，在低速比工况下，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，发生气化现象［9］。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，泵轮扭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，验证了参数化设计模型和流场仿真计算策略的可靠性。

图2 液力变矩器仿真计算结果与试验数据对比

2 叶片周向偏移对液力性能的影响

2.1 各叶轮不同叶片周向偏移的叶型对比

考虑到叶片内外环尤其是泵轮和涡轮内外环循环圆曲线长度的差异性，限定泵轮叶片周向偏移lP研究范围为[ ]-0.15LP,0.15LP，涡轮叶片同向偏移lT的研究范围为[ ]-0.15LT，0.15LT，其中LP和LT分别为泵轮和涡轮叶片内外环对应的循环圆弦长；考虑到导轮的差异性，限定导轮叶片周向偏移lS研究范围为[ ]0.7lS0,lS0，其中lS0为初始模型导轮叶片周向偏移。基于参数化设计模型，改变不同叶轮叶片周向偏移，分别取设计参数研究范围最小值、中间值和最大值，更新参数化模型，各叶轮内外环不同叶片周向偏移叶型对比结果如图3所示。

图3 各叶轮内外环不同周向偏移叶型对比

2.2 叶片周向偏移对失速泵轮转矩系数的影响

首先研究各叶轮不同叶片周向偏移对液力变矩器失速泵轮转矩系数的影响规律。基于参数化设计模型，分别建立不同叶片周向偏移的单流道模型，进行网格划分并应用同样的流场仿真策略，进行三维流场仿真计算，失速泵轮转矩系数λP0仿真计算结果如图4所示。由图4中可以看出，泵轮叶片内环和涡轮叶片内外环周向偏移对液力变矩器失速泵轮转矩系数影响相对较小，而泵轮叶片外环和导轮叶片内外环周向偏移对失速泵轮转矩系数影响较大；随着泵轮叶片外环周向偏移的增大，失速泵轮转矩系数趋于增大，而随着导轮叶片内外环周向偏移的增大，失速泵轮转矩系数单调递减，且随外环周向偏移的减小速度稍有增加。

图4 叶片周向偏移对失速泵轮转矩系数影响

2.3 叶片周向偏移对失速变矩比的影响

研究各叶轮不同叶片周向偏移对液力变矩器失速变矩比Tr0的影响规律，仿真计算结果如图5所示。可以看出，泵轮叶片内环和涡轮叶片内环周向偏移对液力变矩器失速变矩比影响相对较小，泵轮叶片外环和导轮叶片内外环周向偏移对失速变矩比影响相对较大；随着泵轮叶片外环周向偏移的增大，失速变矩比单调减小，而随着涡轮叶片外环和导轮叶片内外环周向偏移的增大，失速变矩比均趋于增大，且相对于导轮内环，失速变矩比对导轮外环周向偏移更敏感。

图5 叶片周向偏移对失速变矩比影响

2.4 叶片周向偏移对最大效率的影响

进一步研究各叶轮不同叶片周向偏移对液力变矩器最大效率ηmax的影响规律，仿真计算结果见图6，可以看出：泵轮涡轮叶片内环周向偏移对最大效率影响相对较小，而泵轮涡轮叶片外环和导轮叶片内外环周向偏移对最大效率影响相对较大；随着涡轮叶片外环和导轮叶片内外环周向偏移的增大，最大效率均趋于增大，而随着泵轮叶片外环周向偏移的增大，最大效率先增大后趋于减小。

图6 叶片周向偏移对最大效率影响

3 叶片周向偏移对液力性能影响分析

选用失速变矩比、最大效率和失速泵轮能容系数来评价液力变矩器的液力性能。上述研究了泵轮、涡轮和导轮叶片内外环周向偏移对液力变矩器液力性能的影响规律，但其对液力性能的影响程度并没有量化分析。在设计参数变化范围内，将液力变矩器不同性能评价指标的相对变化幅度作为设计参数对液力性能影响程度量化指标，计算公式为

式中：CR为性能评价指标的相对变化幅度；φmax为设计参数变化范围内液力变矩器性能评价指标能够达到的最大值；φmin为设计参数变化范围内液力变矩器性能评价指标能够达到的最小值；φ0为原始模型对应的性能评价指标。分别计算求取各设计参数不同性能评价指标的相对变化幅度，计算结果对比如图7所示。

图7 叶片周向偏移对液力性能影响程度对比

从图7中可以看出，导轮叶片外环周向偏移对失速泵轮转矩系数和失速变矩比影响最大，其次为导轮叶片内环和泵轮叶片外环周向偏移；涡轮叶片内环周向偏移对失速泵轮转矩系数影响最小，而泵轮叶片内环周向偏移对失速变矩比影响最小；涡轮叶片外环周向偏移对最大效率影响最大，其次为导轮叶片内外环周向偏移，涡轮叶片内环周向偏移对最大效率影响最小。值得注意的是，除了导轮叶片内外环对最大效率影响程度相近外，其他各叶片周向偏移对各项性能评价指标的影响均表现为外环影响程度大于内环；泵轮叶片外环和导轮叶片内外环周向偏移对各项性能指标均有较大影响，在液力变矩器改型设计时可以作为重要参考。

4 结论

1）构建了液力变矩器参数化流道模型，并进行了三维流场计算，与试验数据对比，结果说明了参数化设计方法的正确性。

2）研究了泵轮、涡轮和导轮叶片内外环周向偏移对液力变矩器液力性能的影响规律，并对比分析了各设计参数对液力性能的影响程度。结果显示，对失速泵轮转矩系数影响最大的为导轮叶片外环周向偏移，其次为导轮叶片内环周向偏移，影响最小的为涡轮叶片内环周向偏移；对失速变矩比影响最大的为导轮叶片外环周向偏移，其次为导轮叶片内环周向偏移，影响最小的为泵轮叶片内环周向偏移；对最大效率影响最大的为涡轮叶片外环周向偏移，其次为导轮叶片内环周向偏移，影响最小的为涡轮叶片内环周向偏移。可以看出，泵轮叶片外环和导轮叶片内环周向偏移对各性能均有较大影响，在液力变矩器改型或优化设计时可重点考虑。