一种液力变矩器分段式涡轮叶片的制作方法

本发明属于液力传动技术领域，具体涉及一种液力变矩器分段化涡轮叶片。

背景技术：

液力变矩器是依靠流体动能来传递动力的叶轮机械，具有载荷自适应、无级变速、减振隔振及稳定的低速性能等优点，广泛应用于军工、石油机械汽车、工程机械、农用机械、建筑机械等行业。液力变矩器作为一种传动装置，其传动效率比齿轮传动等机械传动系统的效率低，这不仅限制了液力变矩器的应用范围，还造成了资源与能源的浪费以及更多的排放导致环境恶化。

现有的液力变矩器涡轮叶片存在以下缺点：

1、涡轮压力面的受力面积小，涡轮所受的推力小。

2、涡轮叶片压力面入口处有明显的漩涡形成，涡轮入口处的流动情况较差，传动效率低。

3、叶片最大曲率段油液流动损失巨大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种液力变矩器分段化涡轮叶片,该涡轮叶片能够提升涡轮压力面压力，从而增加涡轮转矩提升变矩比，提高了变矩器效率，达到了节能增效的目的。

为了解决上述技术问题，本发明的液力变矩器分段化涡轮叶片，其特征在于所述涡轮叶片在压力面压力值为0的位置分段，其靠近涡轮进口部分的叶片为主叶片，靠近涡轮出口的叶片为尾叶片；主叶片在靠近压力面压力值为0的位置处为过渡段，该过渡段由原压力面向吸力面平移2/5～3/5叶片厚度形成，并且在压力面压力值为0的位置处圆弧连接。

根据变矩器涡轮内部叶片绕流情况，本发明在涡轮叶片压力面高压力区域边缘对涡轮叶片进行了分段化处理，将液力变矩器涡轮叶片设计成两段，并且主叶片向分段处过渡的区域(即过渡段)由原压力面向吸力面平移2/5～3/5叶片厚度形成，在压力面压力值为0的位置处圆弧连接，能够达到提升涡轮压力面压力，增加涡轮转矩，提升变矩比，继而增加变矩器效率的目的。

定义空间坐标系中，液力变矩器旋转轴为z轴，涡轮指向泵轮方向为z轴正方向，xoy面是泵轮和涡轮交界面，所述主叶片的外环骨线在空间坐标系内的表达式为

主叶片的内环骨线在空间坐标系内的表达式为

所述的主叶片和尾叶片为对顶式排列。

所述尾叶片的外环骨线在空间坐标系内的表达式为

尾叶片的内环骨线在空间坐标系内的表达式为

所述的主叶片和尾叶片为交错式排列。

所述尾叶片的外环骨线在空间坐标系内的表达式为

尾叶片的内环骨线在空间坐标系内的表达式为

所述的主叶片和尾叶片为搭叠式排列。

所述尾叶片的外环骨线在空间坐标系内的表达式为

尾叶片的内环骨线在空间坐标系内的表达式为

与原始常规液力变矩器相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所设计的液力变矩器涡轮叶片使液力变矩器涡轮压力面的受力面积增加，使变矩器在工作过程中涡轮压力面压力有所提高，有助于提高涡轮所受的推力，从而提高涡轮转矩，提高变矩器的变矩比。

2.本发明所设计的液力变矩器涡轮叶片改善了液力变矩器涡轮入口处的流动状况。原始常规液力变矩器入口处的流动情况较差，在涡轮叶片压力面入口处有明显的回流漩涡，采用双段涡轮叶片的液力变矩器后回流漩涡消失。涡轮叶片分段化处理改善了涡轮入口处的流动状态，增大涡轮入口处的油液流入速度，加快了油液进入涡轮的进程，减少了油液从泵轮出来后进入涡轮阶段的流动损失，以便传递更大的扭矩和动力，进而提高传动效率。

3.本发明所设计的液力变矩器涡轮叶片能够消除原始常规液力变矩器在近壁面处的超高涡量，进一步减小近壁面边界层的小尺度涡耗散产生的流动损失。

4.本发明所设计的液力变矩器涡轮叶片使液力变矩器在主流区得到的高涡量区域比原始常规液力变矩器大，其湍流强度更大，从而产生对叶片更强的冲击来提高叶片受力。

5.本发明所设计的液力变矩器涡轮叶片使液力变矩器涡轮内的流动损失较小，且在分段化处理后主叶片凹陷段，有着很强劲的微小尺度涡旋运动，促使壁面的压力提升，进而提高涡轮转矩，提高变矩器的变矩比。

6.本发明所设计的液力变矩器涡轮叶片使液力变矩器的性能有了长足提高。包括最大效率、失速变矩比、失速工况的公称转矩等均有所提升。

附图说明

图1是本发明所述涡轮叶片分段化处理位置选择示意图；

图2是本发明的变矩器涡轮双段叶片三维图；

图3a是原始常规变矩器涡轮叶片三维图；

图3b-1是本发明实施例1所述的变矩器涡轮双段叶片三维图；图3b-2是图3b-1的i部局部放大图。

图3c-1是本发明实施例2所述的变矩器涡轮双段叶片三维图；图3c-2是图3c-1的i部局部放大图。

图3d-1是本发明实施例3所述的变矩器涡轮双段叶片三维图；图3d-2是图3d-1的i部局部放大图。

图4a是原始常规变矩器涡轮叶片的叶形图；

图4b是原始常规变矩器涡轮叶片的骨线图；

图4c是本发明实施例1所述的变矩器涡轮叶片的叶形图；

图4d是本发明实施例1所述的变矩器涡轮叶片的骨线图；

图4e是本发明实施例2所述的变矩器涡轮叶片的叶形图；

图4f是本发明实施例2所述的变矩器涡轮叶片的骨线图；

图4g是本发明实施例3所述的变矩器涡轮叶片的叶形图；

图4h是本发明实施例3所述的变矩器涡轮叶片的骨线图；

图5是本发明实施例1所述变矩器与常规变矩器的技术效果对比图；其中(a)是涡轮内压力速度流线分布对比图；(b)是涡轮内涡量分布对比图；(c)涡轮内速度场分布对比图；

图6a是本发明所实施例1述的变矩器与原始常规变矩器的涡轮流场内同一位置流线上的转焓变化趋势对比曲线；

图6b是本发明实施例1所述的变矩器与原始常规变矩器的涡轮流场内同一位置流线上的湍流动能变化趋势对比曲线；

图6c是本发明实施例1所述的变矩器与原始常规变矩器的涡轮流场内同一位置流线上的湍流动能耗散率变化趋势对比曲线；

图7a是本发明实施例1所述的变矩器与原始常规变矩器的变矩比对比曲线；

图7b是本发明实施例1所述的变矩器与原始常规变矩器的公称转矩对比曲线；

图7c是本发明实施例1所述的变矩器与原始常规变矩器的效率对比曲线。

图8a是本发明实施例2所述的变矩器与原始常规变矩器的变矩比对比曲线；

图8b是本发明实施例2所述的变矩器与原始常规变矩器的公称转矩对比曲线；

图8c是本发明实施例2所述的变矩器与原始常规变矩器的效率对比曲线；

图9a是本发明实施例3所述的变矩器与原始常规变矩器的变矩比对比曲线；

图9b是本发明实施例3所述的变矩器与原始常规变矩器的公称转矩对比曲线；

图9c是本发明实施例3所述的变矩器与原始常规变矩器的效率对比曲线。

图中：

1.常规叶片，2.主叶片，3.实施例1的尾叶片,4.实施例2的尾叶片，

5.实施例3的尾叶片，11.常规叶片外环骨线，12.常规叶片内环骨线，21.主叶片的外环骨线，

22.主叶片的内环骨线，31.实施例1尾叶片的外环骨线,32.实施例1尾叶片的内环骨线,41.实施例2尾叶片的外环骨线，

42.实施例2尾叶片的内环骨线,51.实施例3尾叶片的外环骨线,52.实施例3尾叶片的内环骨线。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

本发明实施例以三元件液力变矩器为研究对象，但不局限于此应用范围。先对原始常规液力变矩器进行cfd数值模拟，然后根据变矩器涡轮内部叶片绕流情况，在保持原涡轮叶片的进出口角度不变的基础上，在涡轮叶片压力面压力值为0的位置(如图1中a处所示)对涡轮叶片进行了分段化处理。定义将分段化处理后靠近涡轮进口部分的叶片为主叶片，靠近涡轮出口的叶片为尾叶片。其中主叶片进口段与原始叶片相同，在靠近压力面压力值为0的位置为过渡段，该过渡段由原压力面向吸力面平移2/5～3/5叶片厚度得到，优选原压力面向吸力面平移1/2叶片厚度得到，并在图1中a处用光滑圆弧连接；尾叶片则由原叶片根据尾叶形态和分布位置调整得到。然而本发明主叶的叶片形态并不局限于此。利用三维软件nx对涡轮叶片进行了三种叶片分段化处理，分别为实施例1、实施例2和实施例3。在涡轮叶片在处理时，三种分段处理方案得到相同的主叶片，只是在尾叶片形态和分布上有所区别。实施例1为主叶片和尾叶片对顶式排列，实施例2是主叶片和尾叶片交错式排列，实施例3则为两者搭叠式排列。然而本发明并不局限于此三种主叶片和尾叶片的排列方式。

实施例1

实施例1所设计的变矩器涡轮叶片的主叶片2和尾叶片3呈对顶式排列(如图3b-2所示)。根据实施例涡轮叶片三维模型，提取了叶片骨线和叶形，原叶片的叶形和骨线以及本发明实施例1分段化处理得到的叶片叶形和骨线如图4a～4d所示。图4a～4d的空间坐标系中，液力变矩器旋转轴为z轴，xoy面是泵轮和涡轮交界面，涡轮指向泵轮方向为z轴正方向。提取叶片三维骨线坐标，利用matlab对叶片骨线的数据点进行数据处理得到叶片骨线在空间坐标系内的表达式。其中原始常规液力变矩器涡轮叶片外环骨线11在空间坐标系内的表达式为

原始常规液力变矩器涡轮叶片内环骨线12在空间坐标系内的表达式为

本发明实施例1中涡轮叶片在分段化处理后，其主叶片的外环骨线21在空间坐标系内的表达式为

主叶片的内环骨线22在空间坐标系内的表达式为

尾叶片的外环骨线31在空间坐标系内的表达式为

尾叶片的内环骨线32在空间坐标系内的表达式为

将本发明实施例1所设计的液力变矩器模型进行三维cfd数值模拟仿真计算，并对cfd数值模拟仿真得到的流场以及外特性预测结果进行分析，得出以下结论：

本发明实施例1所设计的液力变矩器增加了涡轮压力面的受力面积，在变矩器工作过程中涡轮内部压力有所提高。在图5的(a)中，可以清晰的看到分段化处理后的涡轮叶片吸力面受到的压力明显高于传统常规液力变矩器，尤其是在分段处理后主叶片的凹状段，其压力值接近叶栅通道内的最高压力。并且在主叶片前缘受力有所提高，这也有助于提高涡轮所受的推力，从而提高涡轮转矩，提高变矩器的变矩比。

本发明实施例1所设计的液力变矩器改善了涡轮入口处的流动状况。从图5的(b)中流线可知，原始常规液力变矩器在涡轮叶片压力面入口处有明显的漩涡形成，此漩涡从流线可知会使涡轮入口处的油液产生回流，并流回无叶栅区，直到被上游油液推入后面叶栅通道。而将涡轮叶片分段化处理后这种回流漩涡消失不见了，也就是说原始常规液力变矩器在涡轮入口处的流动情况较差，而涡轮叶片分段化处理改善了涡轮入口处的流动状态，更有利于油液进入涡轮，减少了油液从泵轮出来后进入涡轮阶段的流动损失，以便传递更大的扭矩和动力，进而提高传动效率。图5的(b)中可见，经过叶片分段化处理后，消除了原始常规液力变矩器在近壁面处的超高涡量，这也进一步减小了近壁面边界层的小尺度涡耗散产生的流动损失。在主流区，本发明实施例1所设计的液力变矩器比原始常规液力变矩器得到的大涡量区域面积大，这说明本发明实施例1所设计的液力变矩器在主流区的湍流强度更大，从而产生对叶片更强的冲击来提高叶片受力，另外从图5的(c)所示流速方面看，叶片分段处理使涡轮入口处的油液流入速度增大，说明叶片分段化处理加快了油液进入涡轮的进程，改善了涡轮入口处的流动状况。

本发明实施例1所设计的液力变矩器在涡轮内的流动损失较小，且在分段化处理后主叶片凹陷段，有着很强劲的微小尺度涡旋运动，促使壁面的压力提升，进而提高涡轮转矩，提高变矩器的变矩比。在涡轮叶片压力面附近，对比同一位置流线上的物理量。各物理量的变化趋势如图6a～6c所示，无量纲距离“0”代表涡轮进口，“1”代表涡轮出口。在粘性流动中，同一流线上两点之间转焓之差，代表着流体流动过程中的流动损失。图6a为同一流线上的转焓变化曲线。由图可知，原始常规液力变矩器的转焓值在无量纲距离“0.2”处急剧下降，到达无量纲距离“0.5”处后趋于平稳。说明原始常规液力变矩器在叶片最大曲率段油液流动损失巨大，而本发明实施例1所设计的液力变矩器则在无量纲距离“0.4”处转焓值才开始逐渐减小，这说明流液在进入叶片分段化处理处才发生较明显的流动损失。另外，原始常规液力变矩器的转焓值变化明显高于本发明实施例1所设计的液力变矩器得到的转焓变化值，也就是说本发明实施例1所设计的液力变矩器流体流动损失较小。此外，通过图6b和图6c可知，在涡轮叶片分段化处理位置湍流动能和湍流动能耗散率都发生了大幅度的剧烈波动，而且二者变化形态基本相似。本发明实施例1所设计的液力变矩器在无量纲距离“0.4”处二者急剧升高，达到顶峰后逐渐下行，在无量纲距离“0.6”处趋于正常水平，这也就是说按照本发明实施例1所设计的液力变矩器分段化处理后，在主叶片凹陷段，湍动能急剧增加，即在此阶段有着很强劲的涡旋运动，湍流耗散率以同样形态波动，说明这种强劲的湍流涡旋尺度微小，演化形成和消失极快，并且在这种强劲的湍流漩涡形成时，会增加壁面的压力。

相较原始常规液力变矩器，本发明实施例1所设计的液力变矩器的性能有了长足提高，最大效率从86.2％提高到87.16％，失速变矩比由2.454提高到2.63，同时失速工况的公称转矩也有7.7％的提升。具体外特性对比曲线如图7a-图7c所示。

实施例2

本发明实施例2所设计的变矩器涡轮叶片的主叶片2和尾叶片4呈交错式排列(如图3c-2所示)。根据实施例2建立的涡轮叶片三维模型，提取了叶片骨线和叶形，本发明实施例1分段化处理得到的叶片叶形和骨线如图4e和图4f所示。提取叶片三维骨线坐标，利用matlab对叶片骨线的数据点进行数据处理得到叶片骨线在空间坐标系内的表达式。其主叶片的骨线在空间坐标系内的表达式与实施例1一致，尾叶片的外环骨线41在空间坐标系内的表达式为

尾叶片的内环骨线42在空间坐标系内的表达式为

本发明实施例2所设计的液力变矩器提升了涡轮压力面的压力，进而提高了涡轮转矩，提高了变矩器的变矩比。也能够改善涡轮入口流动状态，减少流动损失。能够改善变矩器性能，尤其是低速性能。失速变矩比由2.454提高到2.6，起动公称转矩由180.02nm提高到194.3nm，此外低速区效率也有明显提高。具体外特性对比曲线如图8a～8c所示。

实施例3

本发明实施例3所设计的变矩器涡轮叶片的主叶片2和尾叶片5呈搭叠式排列(如图3d-2所示)。根据实施例3建立的涡轮叶片三维模型，提取了叶片骨线和叶形，本发明实施例3分段化处理得到的叶片叶形和骨线如图4g和图4h所示。提取叶片三维骨线坐标，利用matlab对叶片骨线的数据点进行数据处理得到叶片骨线在空间坐标系内的表达式。其主叶片的骨线在空间坐标系内的表达式与实施例1一致，尾叶片的外环骨线51在空间坐标系内的表达式为

尾叶片的内环骨线52在空间坐标系内的表达式为

本发明实施例3所设计的液力变矩器同样能够提升涡轮压力面的压力，进而提高了涡轮转矩，提高了变矩器的变矩比。同时涡轮入口流动状态也得到了改善，减少了流动损失，改善了变矩器性能。失速变矩比由2.454提高到2.54，起动公称转矩由180.02nm提高到199.22nm，此外低速区效率也有明显提高。具体外特性对比曲线如图9a～9c所示。

综合以上三个实施例外特性结果可知，本发明对涡轮叶片进行分段化处理能够有效改善变矩器性能。

以上所述仅为本发明的优先实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，对不同类型不同型号变矩器所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。