桃形腔液力偶合器两相环流特性及转矩特性分析

桃形腔液力偶合器两相环流特性及转矩特性分析

0解决设备工作安全随着煤炭和木炭技术的快速发展，煤炭开采效率迅速提高，对井输设备的运输距离、运输能力和可靠性提出了更高的要求。调速型液力偶合器可理想地实现重型刮板输送机和带式输送机的软启动，减少断链、断带等事故的发生，能够有效保证设备工作的可靠性与安全性。为了准确预测液力偶合器转矩传递特性与流场分布特性，本文针对某型矿用桃形腔调速型液力偶合器，应用CFX软件对部分充液工况不同充液率下的液力偶合器流场环流特性进行了研究，分析了流场分布特性的变化规律与转矩传递特性的变化趋势，为液力偶合器的选型与设计提供了可靠的理论依据。1液力偶合器叶轮及流场几何模型以某型矿用双腔调速型桃形腔液力偶合器作为研究对象，该型液力偶合器工作液为水。由于双腔结构具有结构对称、尺寸相同的特点，因此选取其输出端叶轮作为研究对象。其循环圆外径D=准560mm，阻流挡板外径Δd=准308mm，泵轮和涡轮叶片数量分别为48和45。在涡轮侧靠近内环处安装有阻流挡板，以抑制转矩传递中不稳定区的出现。建立的液力偶合器叶轮及流场几何模型如图1所示。液力偶合器内流道具有循环对称的结构特点，为提高计算效率，设叶轮叶片数为x，建立其简化的1/x流场的单流道几何模型如图1(b）所示。根据已经建立的叶轮工作腔流场几何模型，为了保证CFX计算结果的准确性，采用具有较好几何适应性的四面体网格，在ICEM中建立泵轮与涡轮流场的网格计算模型如图2所示。2数值模拟计算2.1连续方程的物理意义由于液力偶合器工作过程中，叶轮处于高速旋状态，叶片搅动水液进行循环运动，因此流场处于高度的三维湍流运动，此时水液的流动满足动量守恒方程和质量守恒方程。质量守恒方程称作连续性方程，在计算流体动力学中所描述的物理意义为：单位时间内流入流场微元计算网格中的流体质量与对应的流出微元中的质量相等。其微分方程式中t———时间；ρ———流体密度；u、v、w———速度矢量在x、y、z方向上的分量。液力偶合器以水液为工作介质，在计算过程中可将其视为不可压流体，因此密度ρ为常数，则质量守恒方程简化为动量守恒方程即为N-S方程。该方程是牛顿第二定律在流体中的应用，对于牛顿流体，N-S方程的张量形式可以表示为式中δp———流场压力；对于动力黏度为常量的不可压流体，式（3）可简化为2.2流场模拟和工况条件(1）边界条件由于单流道模型的建立利用了流道循环对称的几何特点，因此在模型循环对称面建立周期性循环条件。由于液力偶合器工作时叶轮转速较高，内流场为高度湍流流动。为了有效地获取流场中的细微涡流和边界层现象以及更加精确的数值计算结果，选择切应力输运（ShearStressTransport,SST）湍流模型对液力偶合器流场模型进行分析。(2）工况条件为了准确分析桃形腔液力偶合器在不同工况下的转矩传递特性与水液环流变化规律，选择充液率q为30%、70%作为低充液率和高充液率代表工况。对不同充液率下，速比i=0～0.99的流场计算模型进行数值仿真计算。3结果分析3.1环流特性分析30%充液率下水液体积率及速度流线分布图如图3所示，速比在0～0.3时，由于泵轮与涡轮转速差较大，在高转速的泵轮作用下，水液受到较大的离心力及科氏力，水液主要分布于涡轮中，此时水液环流为由涡轮中的小循环及流道大循环组成的复杂水液循环。由于出口水液流速较大，进入涡轮后冲击涡轮叶片及叶轮壁面做功，水液环流速度下降，循环至泵轮入口时受到阻流挡板的影响，大部分液流回流至涡轮中，形成图中所示的液流循环特性。随着速比的增大，在速比由0.3上升至0.6时，水液环流形式变为了靠近循环圆外环处的小循环，此时水液循环不再受阻流挡板的影响。随着速比的进一步增大，环流形式不再发生变化，两相交界面向平行于旋转轴线的趋势变化。(2）转矩特性30%充液率时流场输出转矩的特性变化曲线如图4所示，可以看出，由于随速比增大水液环流速度不断减小，对应流场输出转矩整体为下降趋势，速比在0.4～0.5时，由于水液环流形式发生了变化，挡板对水液的阻流特性失效，出现了下降速率突然减小的现象。i>0.5时，随着速比的增大，输出转矩平稳下降。3.2环流特性分析70%充液率下、不同速比时流场体积率与速度流线分布如图5所示。结合体积率与速度流线分布可以看出，速比在0～0.3时，水液环流特性可以视为由涡轮中的小循环及流道大循环组成的复杂水液循环形式。由于泵轮中水液受到离心力大于涡轮，因此水液在泵轮中靠近循环圆外环分布，在涡轮中靠近内环分布，在涡轮与泵轮中分别有一个以气相为内环的循环中心。速比由0.3上升至0.6时，叶轮中的水液环流逐渐合为一个大循环，此时出现了明显的气液交互渗透现象。随着速比的进一步增大，水液分布逐渐偏向循环圆外环处，受到阻流挡板与叶轮转速差的影响，环流中心出现于涡轮流场。从图5中可以看出，70%充液率时水液环流始终受到阻流挡板的影响，环流速度随着速比的增大而不断减小。(2）转矩特性70%充液率下流场输出转矩变化特性曲线如图6所示，可以看出，流场输出转矩随速比的增大整体为下降趋势，输出转矩大于30%充液率时的转矩。由于水液环流始终受到阻流挡板的影响，因此转矩整体下降趋势较为稳定。特别是速比在0.4时，由于水液环流形式发生了变化，输出转矩的下降趋势出现了一定的波动现象。4不同充液率工况下水液环流速度变化特性(1)30%充液率下，随着速比的增大，水液环流速度不断减小，速比在0.4附近处，阻流挡板失效，水液环流由涡轮小循环与流道大循环组成的复杂环流形式突变为循环圆外环处的小循环形式。对应输出转矩整体为下降趋势，速比在0.4处输出转矩下降速率突然下降，出现转矩跌落现象；(2)70%充液率下，水液环流速度下降的整体规律不变，水液环流始终受阻流挡板影响，未发生转矩跌落现象，速比在0.4附近出由于水液环流形式发生突变，产生