液力耦合器在部分充液时的工作及特性分析

无内环的液力耦合器多数情况是在工作腔不充满液体的条件下工作的。在相同的结构流道条件下，在不同的工况下液体实际通流空间的几何位置和形状是发生变化的。

无内环耦合器部分充液时的液体流动情况，可做如下简化说明：

（1）当滑转率s=0时，工作腔和辅室中液体没有相对运动（nB=nT），液体受离心力的作用，呈环状分布在工作轮中远离轴线的外侧，空气则集中在循环圆的小半径位置。液体与空气分界的自由表面是一个以旋转轴线为中心线的圆柱面，如图14.2.5（a）所示。

（2）当滑转率s不大时，循环流动开始产生。涡轮中液体向心流动，但很快又在涡轮牵连运动离心力作用下折向泵轮并有一定的离心趋势，此时流动呈“小循环”转态；随着滑转率s进一步增加，涡轮中向心流动增强，此时液体流动还有一个清晰的自由表面，如图14.2.5（b）和图14.2.5（c）所示。

在上述过程中，由于流量的增加，泵轮转矩MB也增加，但此过程中泵轮中间流线进口处半径几乎未变。图14.2.6中在i=1到i=ia区段就是对应上述两种情况。

（3）当滑转率s到达临界点sa时，液流开始破坏原来的循环状态，在涡轮中向心液流到达循环圆最内侧，然后进入泵轮。涡轮中做向心流动的液体已具有足够的动能使它紧贴外环运动而到达涡轮最小半径出口处，但进入泵轮后液流的动能还不足以使它紧贴泵轮外环运动，而是做散乱的离心流动，这时已经没有清晰的自由表面。这是一个不稳定区，如图14.2.5（d）所示。

（4）当滑转率s到达sb点时，液流能够紧贴工作腔外环壁面，完成由“小循环”到“大循环”流动状态的改变。这时，液流又有一个清晰的自由表面，但空气环位于循环圆中间，如图14.2.5（e）所示。以后s继续增加，液流将保持大循环运动，在涡轮与旋转壳体间辅助室中的液体处于相对静止状态。

图14.2.5　液力耦合器部分充液时的液体流动情况

（a）s=0；（b）s=0.05；（c）s＜0.545（0.48）；（d）s=0.545～0.57（0.48～0.543）；（e）s≥0.57（0.543）

图14.2.6中sa与sb两点相当于图14.2.5（d）中的s=0.545和s=0.57，由于从“小循环”到“大循环”流动状态改变时，泵轮的入口半径减小了，而一定转速比i下q不变，根据式（14.1.1）则泵轮转矩MB增大了，因而反映在图上转矩MB有一个跳跃。(www.xing528.com)

当耦合器的s由大变小时，液流流动的变化过程正好与上述过程相反，但是“大循环”到“小循环”流动状态改变开始和完成的临界点不是图14.2.6上的b点和a点，而是b′点和a′点，对应的滑差率s相当于图14.2.5（d）括号内的0.543和0.48。a′、b′与a、b并不重合，这是因为液体具有黏性，使它的运动状态具有惯性。定义耦合器相对充液量ε为耦合器中工作液体体积与最大可能充注液体的体积（包括工作腔、辅室等）之比。对于一定的耦合器相对充液量ε，上述临界点是一定的，不同的ε值有不同的临界点位置。如果系统在临界点区间内工作，就会出现周期性的振荡，这是由于工作腔内流体流动状态从“小循环”突变为“大循环”或是“大循环”突变为“小循环”造成的。这是一个不稳定区间，应该在设计时注意避开这一不稳定区间（图14.2.7中画剖面线的区间）。

相对充液量不同时，耦合器的特性曲线如图14.2.7所示。随着相对充液量的降低，泵轮转矩和泵轮转矩系数减小。

图14.2.6　充液量50％时耦合器转矩特性曲线

图14.2.7　部分充液量下耦合器特性曲线和不稳定区间

为了尽量避免出现不稳定区，可以采用一些结构上的措施，其中一种简单而有效的方法是在循环圆内侧安装阻流挡板，见图14.2.8。当耦合器在小滑转率情况下工作时，液流做小循环，挡板不妨碍液体的流动。当滑转率增加，液流由小循环过渡到大循环，挡板就起阻碍作用，只要挡板尺寸选择得合适，就可以避免不稳定工况的产生。同时，挡板在大滑转率和起动工况时增加了液体的流动阻力，从而大大降低了这些工况下的转矩系数，这是十分有利的。各种不同形状循环圆的最佳挡板尺寸各不相同，需要通过试验加以确定，一般d/D在0.3～0.56。

图14.2.8　具有阻流挡板的无内环耦合器的循环圆

如果a点和b点对应的泵轮进口半径RB1与R′B1差别不大（图14.2.8），则图14.2.6中a点和b点的泵轮转矩值也差别不大，这种耦合器的特性曲线实际没有不稳定区间。

耦合器工作腔以外的储油空间称为辅室，见图14.2.5（e）。辅室内没有叶片，不能传递功率。耦合器在部分充液时，辅室和工作腔中的液体体积之比，在不同工况下是不同的，i越小，流入辅室内的液体越多，因此耦合器的实际相对充液量ε也有所变化。当辅室体积变化不大时，这种变化可以忽略。另外，利用这种变化，采用一定的措施，也可以达到改变耦合器性能的目的。