液力变矩器轴向力的CFD计算与分析

　　液力变矩器的可靠性及使用寿命往往由其配套轴承、密封件的使用寿命决定。液力变矩器的轴向力作用于轴承,对轴承工作寿命影响很大,因此变矩器设计时,必须考虑轴向力,并尽可能减小轴向力。液力变矩器内部流动极为复杂,影响轴向力的因素较多。传统的基于一维束流理论的变矩器轴向力计算方法误差很大。文献[1]采用传统方法计算轴向力,与实验相比最大误差约为18%。采用相似理论计算轴向力,则受到几何相似和模型实验数据的限制。通过实验方法能够准确测量轴向力[2-3],但轴向力与叶轮及叶片的形状、变矩器的结构形式有直接关系,对叶轮和叶片、结构形式种类繁多的液力变矩器的轴向力均通过实验得到是非常不经济和难以做到的。随着CFD及计算机软硬件的发展,已经能够较为准确地模拟变矩器内部三维流场[4-6]。基于三维流场数值解计算轴向力,不仅压力计算结果较一维方法准确,且能够计算内部流动产生的轴向力,因此计算方法具有更高的计算精度。

　　本文提出了基于三维流场数值解的变矩器轴向力计算方法,利用CFD软件对液力变矩器三维流动控制方程进行数值求解,在数值模拟得到的变矩器内流场速度、压力数值解的基础上,进行轴向力计算。将计算结果分别与一维方法计算结果及实验结果对比后可知,本文提出的轴向力计算方法比传统计算方法更为先进。

　　1　液力变矩器轴向力分析

　　变矩器轴向力与其叶轮和叶片形状以及结构形式有关。本文以典型的单级三元件DT265液力变矩器为例进行分析,图1为其结构图。根据轴向力产生原因将其分为6项[7-8]:①工作轮入口处或出口处的液体压力作用在叶轮各外表圆盘面上所产生的轴向力;②液流在叶轮出入口处动量变化在轴向产生的推力;③叶轮的某一部分不平衡面积受到供油压力的作用而产生的轴向力;④当叶轮的工作面与叶轮的旋转面不垂直时,叶片正面与背面的压力差所引起的轴向力;⑤叶轮内两侧壁由于液体流速分布不均匀而存在的压力差所产生的轴向力;⑥气蚀现象引起的轴向力。

　　基于一维束流理论的传统轴向力计算方法,通过伯努利方程等计算出变矩器中间流线、过流断面、内环空腔、叶轮间隙等处的静压力分布可计算前三项轴向力,而对内部流动产生的后三项无法计算,且由于计算过程中众多流动假设及损失系数难以准确确定,造成一维方法计算精度有限。

　　利用CFD软件数值求解液力变矩器内部流动的三维控制方程可以计算出较为准确的速度、压力分布。因此,不仅轴向力前三项能够得到较为准确的结果,同时变矩器内有备压,如不考虑气蚀,则另外两项同样可根据压力数值解计算得到。