4~8. 2m/s，利用下列公式计算边界层的厚度。 1^=0.37/Re'1'5 说
[0113] ,, (5)
[Rq=UJIv
[0114] 式中1为平均长度，Re为雷诺数，流体传动油的运动黏度系数V = 3X 10 5m2/s， 边界层厚度的计算结果如表2. 2所示
[0115] 表2.2模型边界层厚度
[0116]
[0117] 因此，非光滑单元体深度S的取值范围为0. 64mm~I. 24_，非光滑单元体的直径 D取值范围为1. 28~2. 48。设计凹坑型单元体尺寸时，主要考虑以下参数：直径D、横向间 距W、纵向间距L和凹坑深度S，见图10a、图10b。本发明选取D = 2mm, W = 3mm, L = 5_， S = 1_，以四种排列方式，在液力变矩器栗轮的内、外环表面进行处理，四种常见的排列方 法，见图I Ia (矩阵排列）、图I Ib (等差排列）、图I Ic (菱形排列）、图I Id (随机排列）。对 单个流道进行CFD仿真评估，为了验证非光滑表面的减阻效果，减阻率被定义为
[0118]
(6)
[0119] 其中Cns及Csm分别是非光滑表面及光滑表面上由粘性力因子C v及压力因子Cp组 成的总的系数，粘性力因子Cv及压力因子C p分别被定义为
[0120]
(7)
[0121] 式中V是栗轮壳体上流体的平均速度，P为流体密度，A是壳体表面上的面积。图 12为在4~8m/s的进口速度条件下四种排列方式的减阻效果。四种排列方式中，矩形排列 减阻效果最佳，减阻率最高可达到6 %。因此，本发明将非光滑单元体以矩形排列方式，在液 力变矩器栗轮的内、外环表面进行处理，见图9a、图9b。
[0122] 4具有乳突疏水表面的液力变矩器导轮叶片
[0123] 在实际的液流流动过程中，液力变矩器导轮叶片的压力面出口区域容易产生非周 期性的流动分离，尤其是在压力面的尾部区域（出口区域），液流通常具有较高的湍流度， 叶片近壁面的液流速度相对较大，导致壁面摩擦阻力和速度梯度也会相应变大，能量损失 较为严重，因此本发明在其压力面出口区域设置了仿生乳突结构，如图13所示。根据大量 的分析结果，本发明将乳突结构的半径R的取值范围设计为〇. 〇4mm~0. 1mm，乳突非光滑单 元凸起高度H的取值范围为0· 06mm~0· 16mm，乳突单元体的间距Wr范围0· Imm~0· 25mm， 如图14a、图14b所示。在这种情况下，水滴在叶片乳突结构表面上的接触角大于150°，为 超疏水表面，此时的仿生叶片能够减小壁面摩擦阻力，改善流动状态。图13显示的是设计 尺寸为HXRXR = 0. 16_X0. 1_X0.1 mm的乳突单元体，间距Wr为100 μπι，接触角达到 157.6°。乳突单元体群分布在叶片压力面尾部，分布均匀，且乳突区域的整体宽度Lt为 15mm，具体位置如图13所示。
[0124] 5具有多生物特征的双涡轮液力变矩器
[0125] 通过上述各个仿生部件的设计，综合考虑双涡轮液力变矩器各项性能的要求，将 各个工作轮中的原始叶片替换成仿生叶片，从而组成仿生叶片组，在此基础之上，将栗轮 内、外环表面部分区域加工成凹坑型的非光滑表面，同时，在仿生导轮叶片的吸力面上布置 U型仿生沟槽，在压力面设置乳突疏水表面。最终，将仿生叶片组、仿生沟槽、非光滑表面、疏 水表面四种因素融入到双涡轮液力变矩器中，发明出一种具有多种生物特征的仿生耦合双 涡轮液力变矩器。
[0126] 仿生型液力变矩器与常规变矩器相比之下，启动扭矩比上，仿生型从4. 27升高到 4. 45,详见附图15。在低转速比与高转速比区间的最高效率值分别为83. 16%，84. 67%， 提高的数值分别为1. 19, 1. 51个百分点，在速比0. 6工况下，最低效率从64. 18%提高到 67. 39%，详见附图15、图16、图17。栗轮容量系数CF仿生叶片组变化较小，详见图17。综 上所述，相比于原有变矩器，仿生型液力变矩器的启动扭矩与最高效率都有所增大，说明液 力元件的仿生设计可以减小其液力损失，具有良好的减阻增效效果，提高其工作效率，从而 改善了整机的工作性能。
【主权项】
1. 一种耦合仿生双涡轮液力变矩器，包括栗轮（I)，栗轮外环（11)，栗轮内环（12)，第 一涡轮（2)，导轮（3)，第二涡轮（4);其特征在于所述第二涡轮（4)的叶片采用仿生叶片， 其环量分配函数多项式为：y = ax2+bx+c，其中X为中弧线上各等分点的横坐标，y为相应 的环量分配值；参数a，b，c的取值范围如下：2. 根据权利要求1所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于a = -0. 7374, b =-0· 2919, c = 1.0108〇3. 根据权利要求1所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述第一涡轮（2) 的叶片采用仿生叶片，其环量分配函数的多项式为：y = ax4+bx3+cx2+dx+e，其中X为中弧线 上各等分点的横坐标，y为相应的环量分配值，参数a，b，c，d，e的取值范围为如下：4. 根据权利要求3所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述栗轮（1)的叶 片采用仿生叶片，其环量分配函数的多项式为：y = ax3+bx2+cx+d，其中X为中弧线上各等分 点的横坐标，y为相应的环量分配值，参a，b，c，d的取值范围如下：5. 根据权利要求4所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述导轮（3)的叶 片采用仿生叶片，其环量分配函数的多项式为：y = ax3+bx2+cx+d，其中X为中弧线上各等分 点的横坐标，y为相应的环量分配值，参数a，b，c，d的取值范围如下：6. 根据权利要求1或5所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述导轮（3) 的叶片吸力面上靠近叶片入口的前部布置U型仿生沟槽，该仿生沟槽的高度h和间距s的 无量纲尺寸h+和s +的取值范围分别为0 < h +彡25,0 < s +彡30。7. 根据权利要求6所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述仿生沟槽的高 度h和间距s的尺寸取值范围为0 < s < 0. 83mm，0 < h < 1_。8. 根据权利要求7所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述仿生沟槽的高 度h和间距s的尺寸分别为h = 0. 5mm，s = 0. 5_。9. 根据权利要求1或4所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述栗轮内环 和栗轮外环上分布有球形凹坑。10.根据权利要求1或5所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述导轮（3) 叶片的压力面出口区域均匀分布乳突单元体形成仿生乳突结构，乳突单元体半径R的取值 范围为0. 04mm~0. 1mm，高度H的取值范围为0. 06mm~0. 16mm，乳突单元体之间的间距Wr 的取值范围为〇· Imm~〇· 25mm〇
【专利摘要】本发明涉及一种耦合仿生双涡轮液力变矩器，该变矩器包括泵轮，泵轮外环，泵轮内环，第一涡轮，导轮，第二涡轮；所述第二涡轮的叶片采用仿生叶片，其环量分配函数多项式为：y＝ax2+bx+c，其中x为中弧线上各等分点的横坐标，y为相应的环量分配值；-0.8972≤a≤-0.4629，-0.4886≤b≤-0.1032，0.4709≤c≤1.5079。本发明中第二涡轮叶片采用仿生叶片，与常规双涡轮液力变矩器相比，提高了启动扭矩比和效率，并且泵轮容量系数CF也大于常规双涡轮液力变矩器。
【IPC分类】F16H41/04, F16H41/26
【公开号】CN105156629
【申请号】CN201510540050
【发明人】刘春宝, 杨化龙, 刘长锁, 徐东
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月28日