调速型液力偶合器热流耦合与换热系统研究

发布时间：2019-02-15 06:53

【摘要】：随着传统能源的日趋枯竭，发展低碳经济、节能降耗成为当今工业发展的必经之路。调速型液力偶合器具有显著的节能效果，在大型泵与风机用量不断增加的情况下，大功率调速型液力偶合器的应用将会产生巨大的经济效益和社会效益。调速型液力偶合器具有启动平稳、无级调速、减缓设备冲击扭振等优越性能。调速型液力偶合器是利用转差进行调速的，，存在转差功率损失，这些损失的能量将转变为热能，使工作液体的温度不断升高。如果这些高温工作液体不能得到及时冷却，将使工作液体的物理性质发生改变，如密度和黏度降低，进而使传动能力下降，严重时将导致密封元件老化、漏油和渗油现象的发生。据调查，液力传动油温度过高是调速型液力偶合器的常见故障之一。为了解决这一问题，本文以国家高技术研究发展计划（863计划）专题课题“大型泵与风机液力调速节能关键技术研究（2007AA05Z256）”为依托，针对大功率调速型液力偶合器工作腔以及换热器内的流动和换热特性进行数值计算和实验研究，通过数值计算使其内部流动和换热规律实现可视化，从而为液力偶合器的优化设计、换热器的匹配及改进提供一定的理论基础。本文的研究内容主要有以下几个方面： 1.调速型液力偶合器的热流耦合研究介绍了符合液力偶合器内流体流动与换热特点的控制方程，将静止坐标系下的控制方程转换到旋转坐标系下，推导出用流场变量表示的能量方程，指出流场与温度场的耦合关系。以YOCQZ465调速型液力偶合器为研究对象，对其工作腔内流体的流动与换热进行数值计算。考虑到研究对象为三维黏性非稳态的两相湍流流动传热，在建立控制方程组时，选取了连续性方程、动量方程、能量方程，并采用k ε两方程湍流模型封闭上述方程组。为了使仿真计算结果更加真实可靠，计算区域选取全流道模型，使用非结构混合网格法生成了网格模型，并采用多流动区域耦合算法中的滑移网格法对泵轮和涡轮流道进行统一计算，该方法对复杂的流动传热问题的数值研究具有一定的指导意义。 2.调速型液力偶合器的热流耦合数值计算与分析通过经验公式计算出热电厂锅炉给水泵用YOCQZ465调速型液力偶合器的最大转差功率损失工况点为全充液，转速比为0.667时，即（i=0.667,qc=100%）。对该工况点与典型牵引工况点（i=0.8,qc=80%）的液力偶合器工作腔流体的流动换热进行了数值计算。通过对两种工况下液力偶合器工作腔内流体温度场的计算，得出液力偶合器处于最大转差功率损失工况点时内部流体温度较高的结论，证明了经验公式的正确性。通过对两种工况下液力偶合器全流道与流道切面的速度场、温度场、压力场、以及液相体积分布图的分析与研究，指出调速型液力偶合器在全充液和部分充液情况下工作腔内流体流动与换热规律。通过对这些流动换热特性形成原因的分析与研究，证明流体的黏度和工作腔内的几何形状对液力偶合器内流动与能量传递有很大的影响，对调速型液力偶合器的优化设计，提高其工作性能具有一定的指导意义。在此基础上，本文绘制了液力偶合器在不同工作油温时各个工况下的转矩曲线，通过对比表明，在合理范围内油温过高，传递转矩能力下降，因此在实际工作中，应尽量避免工作油温升较高的工况。 3.换热器流动换热数值分析及其结构改进对热电厂锅炉给水泵调速用YOCQZ465调速型液力偶合器现用换热器的冷却能力进行理论分析。根据管壳式换热器实体进行三维建模，对整个流动区域进行流动传热的数值计算。数值模拟得到换热器壳程和管程内流体速度场与温度场，揭示了管壳式换热器内两种工作介质的真实流动及换热情况。这有助于进一步了解管壳式换热器的换热机理。根据强化传热技术理论对管壳式换热器的管程和壳程进行结构改进，改进后的管壳式换热器体积变小，抗结垢能力增强，能耗降低。利用CFD数值模拟软件分析了结构改进前后换热管及壳程流体的流动情况和换热性能，结果表明改进后的换热器的综合换热性能明显优于改进前的换热器。 4.调速型液力偶合器热平衡实验研究针对YOCQZ465调速型液力偶合器的热平衡问题进行了实验研究，分别对热电厂典型牵引工况和空载试验台上液力偶合器各个主要温度测试点进行数据采集。热电厂典型牵引工况下采集的液力偶合器进出口油温与CFD数值模拟结果基本相符，证明了本文所采用的数值计算方法具有一定的可靠性，对于较复杂情况下的流动换热研究具有一定的指导意义。通过对空载实验数据的分析能够了解除负载外还有其它原因带来的能量损失，为数值计算方法的完善和数值计算结果的修正提供依据。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH137.331

【参考文献】