液力变矩器中的液力损失,能量平衡与损失

以三元件液力变矩器为例，在稳态工况下工作液体在工作腔循环圆内流动一周，其在泵轮中获取的能量，与在涡轮中对外做功消耗的能量与循环流动时克服所有阻力做功的能量之和应当相等，即存在如下能量平衡关系式：

式中，∑Hs——液流在循环圆内流动过程中消耗于各个叶轮中所损失能头之和。

由功率N=ρgqH，建立相应的功率平衡关系式：

由于能量转换必然伴随着损失，因此上述的HB和HT均为理论值，故称理论能头。实际上液体由泵轮所获得的实际能头较HB为小，而液体在涡轮所消耗的实际能头较HT为大。

在液力变矩器中稳定工况下，液流循环一周的能头变化情况如图12.5.1所示。

泵轮建立的能头HB及涡轮消耗的能头HT在前面已有说明，不再赘述，下面将着重讨论液流在循环圆内流动时能头损失∑Hs。

液力传动在进行机械能向液体能再向机械能的两次转换过程中，不可避免地会产生一定的能量损失，这些损失直接影响着液力元件的效率等性能，因此了解损失的组成及各种损失的影响因素，对于掌握液力元件设计和计算方法是十分重要的。

图12.5.1　液力变矩器中的能量平衡及能头变化

液力传动元件在传递能量时，存在着3种形式的损失：机械损失、容积损失和液力损失。

机械损失，一般不超过总能量的1％～2％，包括：

（1）支撑叶轮旋转的轴承中的摩擦损失；

（2）输入轴和输出轴上密封装置的摩擦损失；

（3）圆盘摩擦损失，即旋转叶轮外表面与流体间的摩擦损失。

容积损失是液流通过叶轮间环形间隙和内环发生的流量泄漏所造成的损失以及通过密封装置向外部泄漏所造成的损失之和。漏损的存在，不仅使泵轮传给液体的能量不能得到有效利用，而且流入泵轮入口的液流会破坏液流的正常循环流线，并产生涡流，因而会降低液力传动的效率。例如，泵轮中的流量为QB，当进入涡轮时由于有一部分液体由泵轮和涡轮间的间隙中流失，因此涡轮中的流量QT小于泵轮中的流量，两者之差QLS=QB-QT称为漏损流量（图12.5.2）。液力元件的容积损失以容积效率ηsr来评价：

图12.5.2　液力变矩器中的漏损

液力损失是液力元件能量损失的主要部分，主要由4种形式的损失组成：叶形损失、摩擦损失、扩散与收缩损失、回转损失。(www.xing528.com)

（1）叶形损失，也称为叶片形状损失，是指液体流经叶轮叶片时叶片阻力所造成的能量损失。叶形损失主要取决于叶片的形状及其几何参数。叶形损失主要包括两部分，一部分是叶片表面与液流间的摩擦损失，另一部分则是液流进入叶轮时，液流冲击叶片所造成的冲击损失，流动方向与叶片方向一致时冲击损失最小，方向不一致时冲击损失较大。

冲击损失Hsc的影响因素有冲击角、液流进入叶轮入口前后的速度差等。

（2）摩擦损失是液流沿液力元件工作腔循环流动时，液流与流道壁面间产生的摩擦、以及运动速度不同的各液体层间液体质点的摩擦形成阻力所造成的能量损失。

摩擦损失Hsm的影响因素有液流速度、液体黏度和流道壁面的粗糙度等。

（3）扩散与收缩损失是在液流流动方向上，经过流截面增大和缩小的流动扩散区段或收缩区段时，由于流动速度的变化导致液流与通道壁分离而形成不稳定的涡流，因而损失的一部分液体能量，这部分能量损失叫作扩散或收缩损失。相应流动区域的收缩角或扩散角可用下式表示（图12.5.3）：

扩散或收缩损失Hsk的影响因素有扩散角与收缩角的大小、出口和入口横截面积比、液体流速、液体黏度和流道壁面的粗糙度等。

（4）回转损失是当液流在弯曲通道中流动时，由于惯性造成了一定的离心力，这个离心力使液流与通道壁脱离而造成漩涡区，从而减小了液流的有效通过截面，同时造成使能量产生损失的收缩与扩张现象，这种能量损失称为回转损失（图12.5.4）。液力元件内的液流做循环流动，因此回转损失不可避免，但正确选择循环圆形状和流道形状能够有效地减小这种能量损失。

图12.5.3　液流的扩散损失

图12.5.4　液流的回转损失

回转损失Hsh的影响因素有通道形状（通道的曲率半径、两通道截面积比等）、液体流速、液体黏度和流道壁面粗糙度等。

机械损失、容积损失和液力损失，存在于液力元件的每个叶轮中，而总损失ΣHs为各叶轮内上述各种损失之和。在设计过程中，对性能影响最显著的液力损失往往被近似归结为广义摩擦损失和广义冲击损失两类能头损失。

一方面，这是因为液流的摩擦损失、扩散与收缩损失、回转损失均与液流速度的平方项成正比，并均与流道形状和壁面粗糙度相关。而与摩擦损失相比，扩散与收缩损失和回转损失数值上较小，为简化计算，常用广义的摩擦损失能头Hmc代表这几种具有共性的能头损失。仅当出口分离对能量平衡影响较大时，才对扩散损失单独加以考虑。

另一方面，广义的冲击损失能头Hcj则对应着叶形损失，设计计算中所采用的冲击损失系数由实验数据求得，而由实验数据得来的冲击损失系数已经包含了叶片表面的摩擦损失，很难将这两种损失分开加以考虑。

液力损失是液力元件能量损失的主要部分，了解其成因和影响因素，对于在设计过程中减小甚至消除这些损失具有很强的现实意义，下面对这几类能量损失进行研究。