1、现代设计方法在液力变矩器叶片设计中的应用研究1 引言在 CAD、CFD 技术高速发展的今天，现代设计方法正逐步代替传统设计方法成为液力变矩器设计的主要方法 1。现代设计方法不仅提高了液力变矩器的设计精度，而且可以节省大量试制和试验成本，无论是在新产品的开发还是现有产品的优化中都发挥了重要作用。因此，加强现代设计方法的使用研究对于减少产品的设计周期，增强产品的市场竞争力有着重要意义。2 现代设计方法在变矩器中的应用本文所研究的液力变矩器叶片的现代设计方法是将 CAD 和 CFD 技术有机结合起来，借助 CAD技术强大的三维造型功能及 CFD 强效的流场模拟效果，建立一套方便、有效的液力变矩器设计
2、方法。具体设计流程如图 1 所示：参数选择是叶片三维成型的基础，本文在修正能头的束流理论基础上进行参数选择，运用CAD 技术生成叶型三维模型，然后进行 CFD 内流场的数值模拟，根据模拟结果判断参数选择是否合理。如果 CFD 数值模拟结果显示的特性符合预期要求，则进行试验对比，否则参考模拟结果调整参数，这样就使大部分的设计环节都由计算机来完成。产品设计要求参数选择叶片三维造型建立流道几何模型建立流道网格模型内流场数值计算计算结果分析符合设计要求完成设计Y CAD 设计 CFD 模拟 图 1 变矩器叶片的现代设计方法流程图3 参数化叶片 CAD 设计3.1 修正能头的束流理论现代设计方法要求对叶
3、型进行参数化设计，以确保对叶型实施更加简单有效的调控，从而提高设计精度。其中参数的选择要求设计者具备一定的经验，在一定的理论基础上进行。本文参数的选择是建立在修正能头的束流理论的基础上的。束流理论中的能量平衡方程式：(1)0hHTP式中， 泵轮能头理论；涡轮实际能头；TN 总的能头损失。h由欧拉方程：(2)gVUHPP12(3)TTT12束流理论中的能头损失一般分为两类，摩擦损失和冲击损失。传统设计方法中，将三维流道中的摩擦损失简化为直管中的摩擦损失公式，忽略了循环圆形状对流动摩擦损失的影响，本文采用弯曲管路摩擦损失方程对摩擦损失进行修正，以便更加有效的反应流道曲率变化引起的摩擦损失。以泵轮为
4、例，将泵轮流道近似为弯曲管路，如图 2 所示：图 2 泵轮流道简化为弯管后的参数模型此时的摩擦损失表示为 2，3 ：gWhPmc（4）式中， 相对速度，亦称牵连速度。摩擦损失系数 可由公式（5）计算得到： P9.02.0）（ DRAeP（5）式中， 离心流道修正系数；雷诺数；e弯管曲率半径；R弯管中心角；弯管直径。D同理可得到涡轮和导轮的摩擦损失。需要注意的有两点：各叶轮流道简化为弯管时需要遵守过流面积相等的原则来确定弯管直径；弯管曲率半径的选取尽量保证弯管形状与循环圆相似。冲击损失 的计算公式： cjhgVycj2)(（6）式中， 冲击损失系数；y冲击损失速度。V21212 )()()( P
5、mPV（7）公式（7）中标有“*”号的量表示无冲击条件下的速度，未标有“*”号的量表示实际速度，第一个括号内为轴面速度损失，第二个括号内为切向速度损失。在传统束流理论中，轴面速度损失经常被忽略，而实际上循环流量的变化会引起该项的较大变化 4。2SV m 1P mV 1PW U导轮出口 泵轮入口 图 3 泵轮出入口在无冲击下的速度三角形图 3 为无冲击条件下的速度三角形。液流在叶片出入口近似跟随叶片角度流动，液流角近似等于叶片角，即 、 ，则通1P2S过整理得到泵轮入口无冲击轴面速度 和切向mPV1速度 分别表示为：1PV1)tan(2121SPPSmrADR2 1P )(2SWV （8）式中，
6、 泵轮入口处的过流面积；1PA导轮出口处的过流面积；2S泵轮角速度；P泵轮入口处旋转半径；1r导轮出口处旋转半径。2S1)tan(2211 PSSPPrAV（9）将以上两个公式代入公式（7）中可以计算出泵轮入口处冲击损失速度。 将以上所求各能头及能头损失代入公式（1）中，得到各工作轮转矩计算式如下：)(12PPPrVQT（10）)(12TTT（11）)(12SSSrVQ（12）3.2 叶片的三维成型法叶片的三维成型法简单来说就是通过对叶片骨线上各点叶片角和厚度的定义，根据空间几何关系，直接生成叶片表面点的三维坐标，进而生成叶片的三维模型 5。如图 4 所示，骨线上各点参数定义如下：X，Y，Z
7、三轴坐标；zyx,绕 Z 轴从 X 轴到 Y 轴方向的旋转角度；沿子午曲线的距离；m沿曲线的距离百分数（ ，进s 10s口侧为 0，出口侧为 1） ；曲线真实三维长度。c其几何关系如下：， zrmsmd0（13）， （14yxc sc0）)tan(90mr（15）图 4 多圆柱面上的等角射影图叶片骨线形状通过角度参数 确定，叶片厚度由相应点沿骨线方向适当偏移获得，叶片前、后缘需要定义圆角半径来得到合理的叶型，得到内环、中间翼层和外环三个翼面层叶型后，通过直纹面将其连接，即可生成叶型三维模型。本文以 YJ315 液力变矩器叶型的三维成型设计为例，以修正能头理论的束流理论为基础，采用三维成型法方法
8、进行设计。其最终三维成型的叶片如图 5 所示：翼面层 5432m1 0z143 2 1 0RZ0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 45n 2 3 4n 5rX Y 4r 5 4 5 1n 2 m 3 4n 5 图 5 叶型三维模型4 流道内流场 CFD 模拟数值模拟方法可以较为精确的模拟变矩器流场内的压力与速度分布情况，对变矩器进行性能预测 6，7 ，为参数调节提供理论参考，有利于缩短设计周期，节省设计成本。本文对所设计的 YJ315 液力变矩器进行数值模拟，图 6 所示为该变矩器分别在速比0.0、0.4、0.8 工况下工作时叶轮上的压力分布图，从图中可以看出三个叶轮所受压力分布状况较好，
9、压力梯度分布均匀，无逆压、局部高压等不良压力状况出现，说明叶型的参数选择较为理想。0.i 4.0i 8.0i图 6 不同工况下叶轮所受压力分布图在数值模拟得到较为理想的结果后对变矩器进行特性试验，得到图表 7 和图表 8 为 YJ315 液力变矩器数值计算与试验数据对比曲线，从这两份折线图可以看出，无论是试验结果还是 CFD 计算结果显示，本次叶片设计达到了预期要求。 0123405678090.20.40.60.81iN.m泵 轮 转 矩 试 验 结 果 涡 轮 转 矩 试 验 结 果泵 轮 转 矩 CFD计 算 结 果 涡 轮 转 矩 CFD计 算 结 果图 7 变矩器转矩试验结果与 CF
10、D 数值计算结果对比曲线0.512.5340.20.40.60.81iK试 验 数 据 CFD计 算 数 据图 8 变矩器 K 值试验结果与 CFD 数值计算结果对比曲线5 结论本文通过实例介绍了现代设计方法在液力变矩器叶片设计中的应用，该方法建立在修正能头的束流理论的基础上，依靠 CAD 技术实现液力变矩器叶片的三维造型，依靠 CFD 技术实现对变矩器内流场的三维流动数值模拟和性能预测。实践证明，该方法不仅有助于得到较好的叶片形状、设计出具有良好性能的液力变矩器，而且有助于节省科研经费、缩短研发周期，从而增强产品的市场占有率和企业的竞争力。参考文献：1、贡凯军液力机械叶片现代设计方法J木工机床2007（1）：30-332、田华，葛安林等修正能头损失的变矩器性能预测方法J农业机械学报2005（3）：19-213、伊藤曲管内損失C機械学会論文集昭和 34：62-644、安部浩也，名井信雄等於翼列流出角修正簡易性能予测法C自動車技術会学術講演会前刷集1995（5）：121-1245、王建，葛安林等液力变矩器叶片三维成型法及其性能分析J吉林大学学报（工学版） 2007（1）：43-476、曹金海，马文星等液力变矩器流场计算的有限元法汽车工程J1993（5）：291-2987、马文星液力传动理论与设计M化学工业出版社2004
