Bir tork konvertörün kavitasyonsuz ve kavitasyonlu HAD modelleriyle hidrodinamik performans analizleri
Hydrodynamic performance analysis of a torque converter with non-cavitation and cavitation CFD models
Yazar: AYDIN TEKEREK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dönüştürücüler = Transformers ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Kavitasyon = Cavitation ; Sonlu hacimler yöntemi = Finite volumes method ; Tork = Torque

Özet:
Tork konvertörler, özel bir hidrolik kaplin olup motorlu taşıt sistemleri içerisinde bulunan aktarma organına bağlı bir turbomakinedir. Ana elemanları pompa, stator, türbin ve baskı plakasıdır. Motordan gelen gücü ve torku, aralarında mekanik bir bağlantı olmaksızın sadece hidrodinamik etkileşimlerle şanzıman ve dişli kutusuna iletimini sağlarlar. Pompa komponenti genel olarak bir şaft vasıtasıyla motora, türbin komponenti ise şanzıman tarafına bağlıdır. Aralarında bulunan stator elemanı vasıtasıyla, motordaki torkun katlanarak şanzımana iletilmesini sağlar. Tork konvertörlerin çalışması esnasında, konvertör içerisinde sirküle olan ve hidrodinamik etkileşimini sağlayan hidrolik sıvının basıncında ciddi düşüşler meydana gelir ve içerisinde buhar kabarcıkları oluşturur. Bu duruma kavitasyon denmekte, araçlarda vuruntu gibi ciddi problemlere yol açabilmektedir. Konvertörün hidrodinamik performansında kayıplar meydana getirmekte ve motordan türbine iletilen torku azaltmaktadır.
Bu çalışmada, bir tork konvertör modeli içerisindeki kavitasyon problemi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) methodu uygulanarak yapılan analizlerle incelenmiştir. Model üzerinde kavitasyonlu ve fizik modeli kullanılarak analizler gerçekleştirilmiş, hidrodinamik performansı hesaplanmıştır. Tork konvertörün dönüş methodu olarak literatürde sıklıkla uygulanan MRF (Hareketli Referans Sistemi) kullanılmış, türbülans modeli olarak ise gerçeklenebilir k-epsilon modeli tercih edilmiştir. Analizlerde sıkıştırılamaz akış kabulü yapılmış, kavitasyonsuz analizler tek fazlı fizik modeli ve zamandan bağımsız, kavitasyonlu analizler ise çift fazlı fizik modeli ve zamana bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Kavitasyonlu akış analizlerinde Schnerr-Sauer kavitasyon modeli tercih edilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, kavitasyon oluşumu kalkış anında motordan şanzımana iletilen tork üzerinde %12'lik kayba neden olmuştur. Kavitasyonun stator kanatlarının emme yüzeylerinde yoğun bir şekilde oluştuğu ve ani faz değişiminin özellikle bu bölgede ciddi zarar oluşturabileceği ihtimali tespit edilmiştir.

Abstract:
Torque converters are a special type of hydraulic coupling and are a turbomachine connected to the driveline in motor vehicle systems. Its main elements are pump, stator, turbine and pressure plate. They transmit the power and torque from the engine to the gearbox only by hydrodynamic interactions, without any mechanical connection between them. The pump component is generally connected to the engine via a shaft, while the turbine component is connected to the transmission side. Through the stator element located between them, it ensures that the torque in the engine is transmitted to the gearbox by folding.
In this study, the hydrodynamic performance of a torque converter in cavitation and non-cavitation situations was calculated by applying the finite volume-based Computational Fluid Dynamics (CFD) method. MRF (Moving Reference System) was used as the rotation method in the performance calculations of the torque converter, and the realizable k-epsilon model was preferred as the turbulence model. For the analyses, a 3D flow field containing all torque converter blade areas was created. Incompressible flow was assumed in the analyzes, non-cavitation analyzes were performed in single-phase model and steady-state, and cavitation analyzes were performed in multiphase model and time-dependent. Performance analyzes of both models at 5 different speeds were performed and the results were compared. Schnerr-Sauer cavitation model was preferred in cavitation flow analysis. When the results were examined, cavitation formation caused a loss of 12% on the torque transmitted from the engine to the gearbox at the stall (H.O.=0) condition.