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1、基于结构参数相关性的液力缓速器优化设计 刘春宝 盛闯 李雪松 吉林大学机械科学与工程学院 吉林大学仿真与控制国家重点实验室 摘 要： 以液力缓速器为研究对象, 通过计算流体动力学 (CFD) 数值模拟方法, 借助滑动网格技术对缓速器内部非稳态不可压缩流动进行数值计算。分析了不同叶片前倾角下缓速器内部流场的特性和制动转矩。在最优前倾角的基础上, 基于各结构参数之间的相关性, 分别研究了不同流道腔型、叶片数对液力缓速器性能的影响。当叶片倾角为 40, 截面形状为扁圆形, 转子外环叶片数为 40, 内环叶片数为 20, 定子叶片数为 43 时, 模型制动转矩最大, 制动效果最好。关键词： 液力缓速器
2、; 数值模拟; 结构参数; 辅助制动; 作者简介：刘春宝 (1980) , 男, 河北徐水人, 教授, 博士, 主要研究方向为液力传动及流体机械流动数值模拟。收稿日期：2017-09-11基金：吉林省重点科技攻关项目 (20170204066GX) Optimization Design Based on Correlation of Structural Parameters for Hydraulic RetarderLIU Chun-bao SHENG Chuang LI Xue-song School of Mechanical Science and Engineering, Jil
3、in University; State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University; Abstract： Taking a hydraulic retarder as the object of study, by means of the computational fluid dynamics ( CFD) method, we calculate the unsteady incompressible flow in the retarder numerically with the hel
4、p of sliding mesh technique. The characteristics of internal flow field and the braking torque with different blade rake angles are firstly analyzed, and the optimal vane angle is achieved. Then, based on the correlation of structural parameters, the influence of different flow passage types and bla
5、de numbers on the performance of hydraulic retarder is studied respectively and finally concluded. The results show that: when the blade angle is 40 degrees, the cross section shape is flat; when the rotor outer ring blade number is 40, and the inner ring blade number is 20, and the stator blade num
6、ber is 43, the largest braking torque can be obtained, and the braking effect is the best.Keyword： hydraulic retarder; numerical simulation; structural parameters; brake; Received： 2017-09-11引言车辆运行过程中, 由于频繁的制动经常会出现制动失效的情况。液力缓速器作为一种提供持续辅助制动力的装置, 具有高转速制动转矩大、制动平稳、噪声小、结构紧凑等优点, 在重型车辆中得到了广泛应用1。液力缓速器工作腔内流动
7、为典型的湍流运动, 且为复杂的气液两相流流动。随着计算机技术及计算流体动力学 (CFD) 的快速发展, 针对液力缓速器内部流场的数值仿真2-3成为缓速器结构参数设计与优化的重要工具, 通过仿真结果与试验数据的对比4-5, 验证了 CFD 技术预测液力减速器性能方法的有效性。评价液力缓速器制动性能的指标主要在于其能够输出的制动转矩, 影响制动转矩的因素很多, 主要有6:充液量、循环圆形状、循环圆有效直径、叶片数目、叶片倾斜方式及倾斜角度等。国内部分学者基于 CFD 技术分别研究了液力缓速器各主要结构参数7-13对其缓速性能的影响, 仅对单参数进行内流场的仿真分析及优化而没有考虑各个结构参数之间的
8、相关性。参考 YH330 液力缓速器样机结构参数, 建立数值模拟模型并基于各参数之间的相关性利用 Fluent 软件对多种方案进行 CFD 计算, 并分别分析了叶片前倾角, 流道腔型及叶片数对液力缓速器性能的影响;得到了结构最优的方案, 为液力缓速器的研究和应用提供参考。1 液力缓速器内部流动数值模拟将 YH330 液力缓速器样机作为参照, 定子和转子的三维实体模型如图 1 所示。图 1 YH330 液力缓速器模型 下载原图其主要结构参数如表 1 所示。表 1 YH330 液力缓速器参数 下载原表 通过提取的 YH330 液力缓速器流道循环圆和原模型数据, 设计并建立的用于仿真计算的液力缓速器
9、定子-转子流道简化模型及网格模型如图 2 所示。图 2 液力缓速器定子和转子流道的网格模型 下载原图1.1 计算模型简化(1) 液力缓速器的转子和定子之间有一段间隙为无叶片区域, 该区域在轴向上的尺寸约占循环圆有效直径的 0.8%, 对整体流场的影响很小, 故可将该区域看作两侧流道的延伸;(2) 液力缓速器为了降低鼓风损失, 在定子叶轮上添加了一些结构来减少空损。仿真过程中可忽略这些结构对充液工况的影响。1.2 条件假设液力缓速器运转过程中, 内部工作腔是封闭的, 定子和转子之间的交界处不仅有工作介质的流入同时也有流出, 两者交互干扰, 从而造成内部流场流动情况复杂。为了方便计算, 做如下假定
10、:(1) 液力缓速器中的工作介质为典型的不可压缩黏性流体。油液密度设定为860 kg/m, 动力黏度为 0.025 kg/ (ms) ;(2) 液力缓速器的叶片与壳体为绝对刚体, 工作过程中不变形, 同时工作轮轴向也没有产生位移;(3) 在稳态工况下, 液力缓速器的工作油路是不断循环散热的, 油液温度变化不大, 因此忽略温度的影响11,13;(4) 一般情况下, 冷却油路流量小于循环流量的 0.2%14, 另外, 各叶轮之间的油液泄漏相比于循环流量也很少, 因此都可以不考虑。1.3 模型设置求解及边界条件液力缓速器内部流场因存在较强的旋涡流, 同时回转壁面弯曲, 考虑到以上特点, 湍流模型使用
11、计算稳定, 精度较高并且收敛速度快的 RNG k- 模型;针对不可压缩流场的数值模拟, 通常使用分离式求解器;速度压力耦合算法采用基于交错网格的 SIMPLE 算法。计算域的边界设置情况如图 3 所示, 工作时, 因转子叶片和外环面的转速相同, 在旋转坐标系下则为 0, 故将两者设定为转速为 0 的移动墙。其余壁面设定为静止墙;进口为速度入口条件, 出口为压力出口条件;叶轮交接面设定为滑动网格, 它可以捕捉到交界面上各个变量随时间变化的准确信息, 保证内流场瞬态特性的准确性, 以此解决交界面处液流同时流进流出给缓速器流场整体模拟带来的困难。图 3 液力缓速器边界条件 下载原图2 结构参数对液力
12、缓速器性能的影响进行参数特性分析时, 不改变循环圆直径, 统一在转速为 2100 r/min, 充液率为 100%的情况下进行数值模拟计算。根据得到的计算结果, 并以典型方案下对液力缓速器流场特性影响的分析, 来完成各结构参数对缓速器性能影响的研究。2.1 叶片前倾角对液力缓速器性能的影响1) 叶片前倾角对液力缓速器外特性影响的计算结果液力缓速器前倾倾角范围通常为 3050, 这里设定叶片前倾倾角分别为30, 36, 38, 40, 42, 44, 50, 其他参数依据表 1, 通过对数值计算结果进行后处理得到各角度下的制动转矩, 如表 2 所示。根据 CFD 计算结果拟合的叶片前倾角度-制动
13、转矩曲线如图 4 所示。表 2 不同前倾角下液力缓速器的制动转矩 下载原表 由图 4 可知, 缓速器的制动转矩随着前倾角度的增加, 呈现先增大后减小的趋势, 并在叶片前倾角度为 40时取得最大值。图 4 制动转矩随叶片前倾角变化规律 下载原图2) 叶片前倾角对液力缓速器内流场特性影响的分析为了明确叶片倾角对流场特性的影响, 选取临界点 40和两侧 38和 42三个方案进行对比分析如图 5 所示。为方便研究流道单元节面的静压分布, 平行于叶片方向做一节面。由图 5 可以看出, 各个节面的静压分布的趋势大体一致, 均呈环状分布, 从中心到外围静压值依次增加, 并在外环处取得最大。中心由于旋涡产生的
14、低压区域的面积随着前倾角度的变化而有所差异, 相比而言, 40时低压范围最小, 其余均有不同程度的增加。故而可知, 前倾角度为 40时流道单元内漩涡最为剧烈, 引发的湍流动能最大, 因此产生的制动转矩也最大。2.2 流道腔型对液力缓速器性能的影响1) 腔型对液力缓速器外特性影响的计算结果液力缓速器样机的循环圆形状为圆形, 通过类长圆形循环圆的方式得到四种方案, 各方案结构形式及尺寸如图 6 左侧所示。图 5 不同倾角下流道节面静压分布 下载原图图 6 不同腔型下叶片压力面静压分布 下载原图由于前述当叶片前倾角为 40时制动转矩最大, 基于此前倾角度以及保持其他参数不变, 对 4 种腔型的缓速器
15、模型进行数值计算, 得到相应的制动转矩, 如表 3 所示。可以看到截面形状为扁圆形的缓速器模型拥有最大制动转矩。表 3 不同形状截面下的制动转矩 下载原表 2) 腔型对液力缓速器内流场特性影响的分析图 6 为不同腔型的缓速器叶片压力面的静压分布, 油液跟随转子叶轮旋转使得能量增加, 从转子流出后冲击定子, 导致定子压力面的入口处出现一部分高压区域, 进入定子叶轮后由于带动定子叶轮旋转使得能量降低, 再次进入转子叶轮后重新加速增压, 使得转子叶片的入口部分从中心到外环形成条形高压区, 静压从中心到外环逐渐增加。从各方案的云图标尺可以看出, 扁圆形腔型下叶片压力面静压最大值最大, 其次是圆形, 等
16、流速腔型的最小。由于液流进入流出的同时出现, 使得流道单元内循环圆中心处极易引起漩涡和二次流, 产生低压区。其中扁圆形腔型下的叶片静压分布最为均匀, 低压区的面积最小, 因而输出的制动转矩最大, 其次是等流速, 低压区范围最大的是圆形。2.3 叶片数对液力缓速器性能的影响1) 叶片数对液力缓速器外特性影响的计算结果液力缓速器流道设计时最佳叶片数目 Z 的选择与有效直径 D 的大小、D 1/D (D1为流道内径) , 叶片厚度以及叶轮的制造工艺等都有关系, 通常由经验公式确定15。如果叶片数目过少, 同样结构尺寸下制动效果不好;而数目过多, 会造成叶片间流道间隙太小, 使得过流断面沿着循环流动方向变化太大。下面参考缓速器原模型的叶片数目, 设定叶片前倾角度为 40, 截面形状为扁圆形, 变化各个工作腔叶片数, 设计了如表 4 所示方案。由图 7 所示的趋势线可以看出, 在不改变其他结构参数只改变叶片数目时, 由方案四
