调速型液力偶合器热流耦合与换热系统研究
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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。
With the traditional energy shortage, the development of low carbon economyand energy saving have become the only way of the industry development. Thevariable speed hydrodynamic coupling has a remarkable energy-saving effect. In thecase of the increasing amount of the large-scale pumps and fans, the application of thehigh-power variable speed hydrodynamic coupling will generate enormous economicand social benefits. The variable speed hydrodynamic coupling has some superiorperformances such as achieving the smooth start, stepless speed adjustment andreducing the impulse and vibration. The speed of variable speed hydrodynamiccoupling is controlled by the use of slip, which can lead to the loss of energy. The lossof energy will change into heat energy and make the temperature of work liquid keeprising. If this heat can not get cooled timely, it will change the physical properties ofthe hydrodynamic transmission oil, such as density and viscosity reduction. Thereby itwill enable the transmission capacity decline. More seriously, it will result on theaging of the sealing elements and lead to the phenomenon of oil impregnate and oilleakage. According to the survey, it is one of the frequent troubles that thehydrodynamic transmission oil temperature is too high. To solve these problems whatare said above, supported by “Key Technology Research on Hydrodynamic VariableSpeed and Saving Energy of Large Pump and Fan(2007AA05Z256)” of the NationalHigh-tech Research Development Plan (863Plan), this thesis aims at the flow and theheat transfer characteristics of the working chamber of the high-power variable speedhydrodynamic coupling and the heat exchanger. This thesis carried out the numericalcalculation and experimental research to show the internal flow and heat transfer lawsaccurately, accordingly, and provided a theoretical basis for the optimizing design ofthe hydrodynamic coupling and the matching and optimization of the heat exchanger.This paper is mainly about the following aspects:
1. Study on heat flow coupling of variable speed hydrodynamic coupling
It is introduced that the control equations which conform the characteristics ofthe fluid flow and heat transfer in the hydrodynamic coupling,and the controlequations are transformed from the static coordinates to the rotating coordinates,andthe energy equation has been derived which can be represented by the flow fieldvariables,and points out the coupling relationship between the flow field andtemperature field.YOCQZ465variable speed hydrodynamic coupling was taken asthe study object. Flow and heat transfer of numerical calculation were carried out forthe working chamber of the fluid. Considering that the research object isthree-dimension viscous of two-phase unsteady turbulent flow, controlling equationsare composed of the continuity equation of mixed model, the momentum equation,energy equation and k εtwo equations of turbulence. In order to make thesimulation results more accurate and reliable, the whole flow field was as thecalculation region, divided by mixed element unstructured grid and sliding mesh. Themethod mentioned in this paper can be a theoretical reference for numericalsimulation on complex flow and heat transfer.
2. Numerical calculation and analysis of heat-flow coupling for variablespeed hydrodynamic coupling
The maximum point of slip power loss for YOCQZ465variable speedhydrodynamic coupling of thermal power plant boiler feed-water pump is fluid-filledand0.667of speed ratio case through empirical formula calculation, that isqc=100%,i=0.667.Numerical calculation of flow and heat transfer was carried outfor fluid of working chamber at the operating point and typical traction operatingpoint, which is80%fluid filled and0.8of speed ratio. The results show that fluidtemperature is higher at the maximum slip power loss of operating point, whichproves that the empirical formula is correct. Through analysis and research onvelocity field, temperature field, pressure field and the liquid phase volumedistribution of the whole flow passage and flow passage section at the two operatingpoints of hydrodynamic coupling, it was revealed that flow and heat transfer law ofthe working chamber under full fluid filled and partially fluid filled. Through analysisand study on the cause of the characteristics of flow and heat transfer, the workingmechanism of variable speed hydrodynamic coupling was understood more deeply,which can guide optimization design of variable speed hydrodynamic coupling andimprove its performance. It has been proved that the fluid viscosity and the geometry shape in the working chamber have a great influence on the flow in the hydrodynamiccoupling and energy transfer by the analysis and study on the forming reasons of theheat transfer characteristics of flow, which has a certain guiding significance for theoptimal design of speed control type hydrodynamic coupling and improve their workperformance. On this basis, this paper drew torque curve of the hydrodynamiccoupling in different temperature under various working conditions. The comparisonsshow that the higher oil temperature can causes the drive performance declined.Therefore, maximum slip power loss of operating point should try to be avoided inpractical work in order to prevent working oil temperature rising.
3. Heat exchanger flow and heat transfer numerical analysis and StructuralImprovement
This paper analyzed the cooling capacity of heat exchanger for YOCQZ465variable speed hydrodynamic coupling of thermal power plant boiler feed-water pumptheoretically. Three dimensional entity modeling was set up according toshell-and-tube heat exchanger and the numerical calculation of flow and heat transferin the whole flow area were carried out. The velocity fields and temperature fields ofheat exchanger shell and tube were obtained through numerical simulation, whichrevealed two working medium flow and heat transfer situation in the shell-and-tubeheat exchanger. This contributed to the further understand of heat transfer mechanismof shell-and-tube heat exchanger.
The tube and shell structures of shell-and-tube heat exchanger were optimizedaccording to heat transfer enhancement technology and then the shell and tube heatexchanger volume decreased, anti-fouling ability enhanced and energy consumptionreduced after improving the structure. The original and the improved flow and heattransfer performance were analyzed by CFD numerical simulation software. Theresult shows that the heat exchanger performance significantly improved afteroptimization.
4. Thermal balance test research of variable speed hydrodynamic coupling
Thermal balance test of YOCQZ465variable speed hydrodynamic coupling wasstudied. The temperature data of test points was acquired under without load on thebench and typical operating condition of thermal power plant. CFD numericalsimulation results and the oil temperature at the import and export of hydrodynamiccoupling of under typical working conditions in thermal power plant were in linebasically, which proved that the numerical method in this thesis is reliable. It has certain guiding significance for the complex flow and heat transfer. Modified groundswere provided for simplification for mathematical model and hypothesis condition inthe process of numerical research through analysis of experimental data for the energyloss without load.
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。
With the traditional energy shortage, the development of low carbon economyand energy saving have become the only way of the industry development. Thevariable speed hydrodynamic coupling has a remarkable energy-saving effect. In thecase of the increasing amount of the large-scale pumps and fans, the application of thehigh-power variable speed hydrodynamic coupling will generate enormous economicand social benefits. The variable speed hydrodynamic coupling has some superiorperformances such as achieving the smooth start, stepless speed adjustment andreducing the impulse and vibration. The speed of variable speed hydrodynamiccoupling is controlled by the use of slip, which can lead to the loss of energy. The lossof energy will change into heat energy and make the temperature of work liquid keeprising. If this heat can not get cooled timely, it will change the physical properties ofthe hydrodynamic transmission oil, such as density and viscosity reduction. Thereby itwill enable the transmission capacity decline. More seriously, it will result on theaging of the sealing elements and lead to the phenomenon of oil impregnate and oilleakage. According to the survey, it is one of the frequent troubles that thehydrodynamic transmission oil temperature is too high. To solve these problems whatare said above, supported by “Key Technology Research on Hydrodynamic VariableSpeed and Saving Energy of Large Pump and Fan(2007AA05Z256)” of the NationalHigh-tech Research Development Plan (863Plan), this thesis aims at the flow and theheat transfer characteristics of the working chamber of the high-power variable speedhydrodynamic coupling and the heat exchanger. This thesis carried out the numericalcalculation and experimental research to show the internal flow and heat transfer lawsaccurately, accordingly, and provided a theoretical basis for the optimizing design ofthe hydrodynamic coupling and the matching and optimization of the heat exchanger.This paper is mainly about the following aspects:
1. Study on heat flow coupling of variable speed hydrodynamic coupling
It is introduced that the control equations which conform the characteristics ofthe fluid flow and heat transfer in the hydrodynamic coupling,and the controlequations are transformed from the static coordinates to the rotating coordinates,andthe energy equation has been derived which can be represented by the flow fieldvariables,and points out the coupling relationship between the flow field andtemperature field.YOCQZ465variable speed hydrodynamic coupling was taken asthe study object. Flow and heat transfer of numerical calculation were carried out forthe working chamber of the fluid. Considering that the research object isthree-dimension viscous of two-phase unsteady turbulent flow, controlling equationsare composed of the continuity equation of mixed model, the momentum equation,energy equation and k εtwo equations of turbulence. In order to make thesimulation results more accurate and reliable, the whole flow field was as thecalculation region, divided by mixed element unstructured grid and sliding mesh. Themethod mentioned in this paper can be a theoretical reference for numericalsimulation on complex flow and heat transfer.
2. Numerical calculation and analysis of heat-flow coupling for variablespeed hydrodynamic coupling
The maximum point of slip power loss for YOCQZ465variable speedhydrodynamic coupling of thermal power plant boiler feed-water pump is fluid-filledand0.667of speed ratio case through empirical formula calculation, that isqc=100%,i=0.667.Numerical calculation of flow and heat transfer was carried outfor fluid of working chamber at the operating point and typical traction operatingpoint, which is80%fluid filled and0.8of speed ratio. The results show that fluidtemperature is higher at the maximum slip power loss of operating point, whichproves that the empirical formula is correct. Through analysis and research onvelocity field, temperature field, pressure field and the liquid phase volumedistribution of the whole flow passage and flow passage section at the two operatingpoints of hydrodynamic coupling, it was revealed that flow and heat transfer law ofthe working chamber under full fluid filled and partially fluid filled. Through analysisand study on the cause of the characteristics of flow and heat transfer, the workingmechanism of variable speed hydrodynamic coupling was understood more deeply,which can guide optimization design of variable speed hydrodynamic coupling andimprove its performance. It has been proved that the fluid viscosity and the geometry shape in the working chamber have a great influence on the flow in the hydrodynamiccoupling and energy transfer by the analysis and study on the forming reasons of theheat transfer characteristics of flow, which has a certain guiding significance for theoptimal design of speed control type hydrodynamic coupling and improve their workperformance. On this basis, this paper drew torque curve of the hydrodynamiccoupling in different temperature under various working conditions. The comparisonsshow that the higher oil temperature can causes the drive performance declined.Therefore, maximum slip power loss of operating point should try to be avoided inpractical work in order to prevent working oil temperature rising.
3. Heat exchanger flow and heat transfer numerical analysis and StructuralImprovement
This paper analyzed the cooling capacity of heat exchanger for YOCQZ465variable speed hydrodynamic coupling of thermal power plant boiler feed-water pumptheoretically. Three dimensional entity modeling was set up according toshell-and-tube heat exchanger and the numerical calculation of flow and heat transferin the whole flow area were carried out. The velocity fields and temperature fields ofheat exchanger shell and tube were obtained through numerical simulation, whichrevealed two working medium flow and heat transfer situation in the shell-and-tubeheat exchanger. This contributed to the further understand of heat transfer mechanismof shell-and-tube heat exchanger.
The tube and shell structures of shell-and-tube heat exchanger were optimizedaccording to heat transfer enhancement technology and then the shell and tube heatexchanger volume decreased, anti-fouling ability enhanced and energy consumptionreduced after improving the structure. The original and the improved flow and heattransfer performance were analyzed by CFD numerical simulation software. Theresult shows that the heat exchanger performance significantly improved afteroptimization.
4. Thermal balance test research of variable speed hydrodynamic coupling
Thermal balance test of YOCQZ465variable speed hydrodynamic coupling wasstudied. The temperature data of test points was acquired under without load on thebench and typical operating condition of thermal power plant. CFD numericalsimulation results and the oil temperature at the import and export of hydrodynamiccoupling of under typical working conditions in thermal power plant were in linebasically, which proved that the numerical method in this thesis is reliable. It has certain guiding significance for the complex flow and heat transfer. Modified groundswere provided for simplification for mathematical model and hypothesis condition inthe process of numerical research through analysis of experimental data for the energyloss without load.
引文
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