本發(fā)明屬于液力傳動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液力變矩器分段化渦輪葉片。

背景技術(shù)：

液力變矩器是依靠流體動能來傳遞動力的葉輪機(jī)械，具有載荷自適應(yīng)、無級變速、減振隔振及穩(wěn)定的低速性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍工、石油機(jī)械汽車、工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、建筑機(jī)械等行業(yè)。液力變矩器作為一種傳動裝置，其傳動效率比齒輪傳動等機(jī)械傳動系統(tǒng)的效率低，這不僅限制了液力變矩器的應(yīng)用范圍，還造成了資源與能源的浪費(fèi)以及更多的排放導(dǎo)致環(huán)境惡化。

現(xiàn)有的液力變矩器渦輪葉片存在以下缺點(diǎn)：

1、渦輪壓力面的受力面積小，渦輪所受的推力小。

2、渦輪葉片壓力面入口處有明顯的漩渦形成，渦輪入口處的流動情況較差，傳動效率低。

3、葉片最大曲率段油液流動損失巨大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種液力變矩器分段化渦輪葉片,該渦輪葉片能夠提升渦輪壓力面壓力，從而增加渦輪轉(zhuǎn)矩提升變矩比，提高了變矩器效率，達(dá)到了節(jié)能增效的目的。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的液力變矩器分段化渦輪葉片，其特征在于所述渦輪葉片在壓力面壓力值為0的位置分段，其靠近渦輪進(jìn)口部分的葉片為主葉片，靠近渦輪出口的葉片為尾葉片；主葉片在靠近壓力面壓力值為0的位置處為過渡段，該過渡段由原壓力面向吸力面平移2/5～3/5葉片厚度形成，并且在壓力面壓力值為0的位置處圓弧連接。

根據(jù)變矩器渦輪內(nèi)部葉片繞流情況，本發(fā)明在渦輪葉片壓力面高壓力區(qū)域邊緣對渦輪葉片進(jìn)行了分段化處理，將液力變矩器渦輪葉片設(shè)計成兩段，并且主葉片向分段處過渡的區(qū)域(即過渡段)由原壓力面向吸力面平移2/5～3/5葉片厚度形成，在壓力面壓力值為0的位置處圓弧連接，能夠達(dá)到提升渦輪壓力面壓力，增加渦輪轉(zhuǎn)矩，提升變矩比，繼而增加變矩器效率的目的。

定義空間坐標(biāo)系中，液力變矩器旋轉(zhuǎn)軸為z軸，渦輪指向泵輪方向為z軸正方向，xoy面是泵輪和渦輪交界面，所述主葉片的外環(huán)骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

主葉片的內(nèi)環(huán)骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

所述的主葉片和尾葉片為對頂式排列。

所述尾葉片的外環(huán)骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

所述的主葉片和尾葉片為交錯式排列。

所述尾葉片的外環(huán)骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

所述的主葉片和尾葉片為搭疊式排列。

所述尾葉片的外環(huán)骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

與原始常規(guī)液力變矩器相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明所設(shè)計的液力變矩器渦輪葉片使液力變矩器渦輪壓力面的受力面積增加，使變矩器在工作過程中渦輪壓力面壓力有所提高，有助于提高渦輪所受的推力，從而提高渦輪轉(zhuǎn)矩，提高變矩器的變矩比。

2.本發(fā)明所設(shè)計的液力變矩器渦輪葉片改善了液力變矩器渦輪入口處的流動狀況。原始常規(guī)液力變矩器入口處的流動情況較差，在渦輪葉片壓力面入口處有明顯的回流漩渦，采用雙段渦輪葉片的液力變矩器后回流漩渦消失。渦輪葉片分段化處理改善了渦輪入口處的流動狀態(tài)，增大渦輪入口處的油液流入速度，加快了油液進(jìn)入渦輪的進(jìn)程，減少了油液從泵輪出來后進(jìn)入渦輪階段的流動損失，以便傳遞更大的扭矩和動力，進(jìn)而提高傳動效率。

3.本發(fā)明所設(shè)計的液力變矩器渦輪葉片能夠消除原始常規(guī)液力變矩器在近壁面處的超高渦量，進(jìn)一步減小近壁面邊界層的小尺度渦耗散產(chǎn)生的流動損失。

4.本發(fā)明所設(shè)計的液力變矩器渦輪葉片使液力變矩器在主流區(qū)得到的高渦量區(qū)域比原始常規(guī)液力變矩器大，其湍流強(qiáng)度更大，從而產(chǎn)生對葉片更強(qiáng)的沖擊來提高葉片受力。

5.本發(fā)明所設(shè)計的液力變矩器渦輪葉片使液力變矩器渦輪內(nèi)的流動損失較小，且在分段化處理后主葉片凹陷段，有著很強(qiáng)勁的微小尺度渦旋運(yùn)動，促使壁面的壓力提升，進(jìn)而提高渦輪轉(zhuǎn)矩，提高變矩器的變矩比。

6.本發(fā)明所設(shè)計的液力變矩器渦輪葉片使液力變矩器的性能有了長足提高。包括最大效率、失速變矩比、失速工況的公稱轉(zhuǎn)矩等均有所提升。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述渦輪葉片分段化處理位置選擇示意圖；

圖2是本發(fā)明的變矩器渦輪雙段葉片三維圖；

圖3a是原始常規(guī)變矩器渦輪葉片三維圖；

圖3b-1是本發(fā)明實(shí)施例1所述的變矩器渦輪雙段葉片三維圖；圖3b-2是圖3b-1的i部局部放大圖。

圖3c-1是本發(fā)明實(shí)施例2所述的變矩器渦輪雙段葉片三維圖；圖3c-2是圖3c-1的i部局部放大圖。

圖3d-1是本發(fā)明實(shí)施例3所述的變矩器渦輪雙段葉片三維圖；圖3d-2是圖3d-1的i部局部放大圖。

圖4a是原始常規(guī)變矩器渦輪葉片的葉形圖；

圖4b是原始常規(guī)變矩器渦輪葉片的骨線圖；

圖4c是本發(fā)明實(shí)施例1所述的變矩器渦輪葉片的葉形圖；

圖4d是本發(fā)明實(shí)施例1所述的變矩器渦輪葉片的骨線圖；

圖4e是本發(fā)明實(shí)施例2所述的變矩器渦輪葉片的葉形圖；

圖4f是本發(fā)明實(shí)施例2所述的變矩器渦輪葉片的骨線圖；

圖4g是本發(fā)明實(shí)施例3所述的變矩器渦輪葉片的葉形圖；

圖4h是本發(fā)明實(shí)施例3所述的變矩器渦輪葉片的骨線圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1所述變矩器與常規(guī)變矩器的技術(shù)效果對比圖；其中(a)是渦輪內(nèi)壓力速度流線分布對比圖；(b)是渦輪內(nèi)渦量分布對比圖；(c)渦輪內(nèi)速度場分布對比圖；

圖6a是本發(fā)明所實(shí)施例1述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的渦輪流場內(nèi)同一位置流線上的轉(zhuǎn)焓變化趨勢對比曲線；

圖6b是本發(fā)明實(shí)施例1所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的渦輪流場內(nèi)同一位置流線上的湍流動能變化趨勢對比曲線；

圖6c是本發(fā)明實(shí)施例1所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的渦輪流場內(nèi)同一位置流線上的湍流動能耗散率變化趨勢對比曲線；

圖7a是本發(fā)明實(shí)施例1所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的變矩比對比曲線；

圖7b是本發(fā)明實(shí)施例1所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的公稱轉(zhuǎn)矩對比曲線；

圖7c是本發(fā)明實(shí)施例1所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的效率對比曲線。

圖8a是本發(fā)明實(shí)施例2所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的變矩比對比曲線；

圖8b是本發(fā)明實(shí)施例2所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的公稱轉(zhuǎn)矩對比曲線；

圖8c是本發(fā)明實(shí)施例2所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的效率對比曲線；

圖9a是本發(fā)明實(shí)施例3所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的變矩比對比曲線；

圖9b是本發(fā)明實(shí)施例3所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的公稱轉(zhuǎn)矩對比曲線；

圖9c是本發(fā)明實(shí)施例3所述的變矩器與原始常規(guī)變矩器的效率對比曲線。

圖中：

1.常規(guī)葉片，2.主葉片，3.實(shí)施例1的尾葉片,4.實(shí)施例2的尾葉片，

5.實(shí)施例3的尾葉片，11.常規(guī)葉片外環(huán)骨線，12.常規(guī)葉片內(nèi)環(huán)骨線，21.主葉片的外環(huán)骨線，

22.主葉片的內(nèi)環(huán)骨線，31.實(shí)施例1尾葉片的外環(huán)骨線,32.實(shí)施例1尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線,41.實(shí)施例2尾葉片的外環(huán)骨線，

42.實(shí)施例2尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線,51.實(shí)施例3尾葉片的外環(huán)骨線,52.實(shí)施例3尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù)方案，結(jié)合說明書附圖，本發(fā)明的具體實(shí)施方式如下：

本發(fā)明實(shí)施例以三元件液力變矩器為研究對象，但不局限于此應(yīng)用范圍。先對原始常規(guī)液力變矩器進(jìn)行cfd數(shù)值模擬，然后根據(jù)變矩器渦輪內(nèi)部葉片繞流情況，在保持原渦輪葉片的進(jìn)出口角度不變的基礎(chǔ)上，在渦輪葉片壓力面壓力值為0的位置(如圖1中a處所示)對渦輪葉片進(jìn)行了分段化處理。定義將分段化處理后靠近渦輪進(jìn)口部分的葉片為主葉片，靠近渦輪出口的葉片為尾葉片。其中主葉片進(jìn)口段與原始葉片相同，在靠近壓力面壓力值為0的位置為過渡段，該過渡段由原壓力面向吸力面平移2/5～3/5葉片厚度得到，優(yōu)選原壓力面向吸力面平移1/2葉片厚度得到，并在圖1中a處用光滑圓弧連接；尾葉片則由原葉片根據(jù)尾葉形態(tài)和分布位置調(diào)整得到。然而本發(fā)明主葉的葉片形態(tài)并不局限于此。利用三維軟件nx對渦輪葉片進(jìn)行了三種葉片分段化處理，分別為實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3。在渦輪葉片在處理時，三種分段處理方案得到相同的主葉片，只是在尾葉片形態(tài)和分布上有所區(qū)別。實(shí)施例1為主葉片和尾葉片對頂式排列，實(shí)施例2是主葉片和尾葉片交錯式排列，實(shí)施例3則為兩者搭疊式排列。然而本發(fā)明并不局限于此三種主葉片和尾葉片的排列方式。

實(shí)施例1

實(shí)施例1所設(shè)計的變矩器渦輪葉片的主葉片2和尾葉片3呈對頂式排列(如圖3b-2所示)。根據(jù)實(shí)施例渦輪葉片三維模型，提取了葉片骨線和葉形，原葉片的葉形和骨線以及本發(fā)明實(shí)施例1分段化處理得到的葉片葉形和骨線如圖4a～4d所示。圖4a～4d的空間坐標(biāo)系中，液力變矩器旋轉(zhuǎn)軸為z軸，xoy面是泵輪和渦輪交界面，渦輪指向泵輪方向為z軸正方向。提取葉片三維骨線坐標(biāo)，利用matlab對葉片骨線的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到葉片骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式。其中原始常規(guī)液力變矩器渦輪葉片外環(huán)骨線11在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

原始常規(guī)液力變矩器渦輪葉片內(nèi)環(huán)骨線12在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

本發(fā)明實(shí)施例1中渦輪葉片在分段化處理后，其主葉片的外環(huán)骨線21在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

主葉片的內(nèi)環(huán)骨線22在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

尾葉片的外環(huán)骨線31在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線32在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

將本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器模型進(jìn)行三維cfd數(shù)值模擬仿真計算，并對cfd數(shù)值模擬仿真得到的流場以及外特性預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器增加了渦輪壓力面的受力面積，在變矩器工作過程中渦輪內(nèi)部壓力有所提高。在圖5的(a)中，可以清晰的看到分段化處理后的渦輪葉片吸力面受到的壓力明顯高于傳統(tǒng)常規(guī)液力變矩器，尤其是在分段處理后主葉片的凹狀段，其壓力值接近葉柵通道內(nèi)的最高壓力。并且在主葉片前緣受力有所提高，這也有助于提高渦輪所受的推力，從而提高渦輪轉(zhuǎn)矩，提高變矩器的變矩比。

本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器改善了渦輪入口處的流動狀況。從圖5的(b)中流線可知，原始常規(guī)液力變矩器在渦輪葉片壓力面入口處有明顯的漩渦形成，此漩渦從流線可知會使渦輪入口處的油液產(chǎn)生回流，并流回?zé)o葉柵區(qū)，直到被上游油液推入后面葉柵通道。而將渦輪葉片分段化處理后這種回流漩渦消失不見了，也就是說原始常規(guī)液力變矩器在渦輪入口處的流動情況較差，而渦輪葉片分段化處理改善了渦輪入口處的流動狀態(tài)，更有利于油液進(jìn)入渦輪，減少了油液從泵輪出來后進(jìn)入渦輪階段的流動損失，以便傳遞更大的扭矩和動力，進(jìn)而提高傳動效率。圖5的(b)中可見，經(jīng)過葉片分段化處理后，消除了原始常規(guī)液力變矩器在近壁面處的超高渦量，這也進(jìn)一步減小了近壁面邊界層的小尺度渦耗散產(chǎn)生的流動損失。在主流區(qū)，本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器比原始常規(guī)液力變矩器得到的大渦量區(qū)域面積大，這說明本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器在主流區(qū)的湍流強(qiáng)度更大，從而產(chǎn)生對葉片更強(qiáng)的沖擊來提高葉片受力，另外從圖5的(c)所示流速方面看，葉片分段處理使渦輪入口處的油液流入速度增大，說明葉片分段化處理加快了油液進(jìn)入渦輪的進(jìn)程，改善了渦輪入口處的流動狀況。

本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器在渦輪內(nèi)的流動損失較小，且在分段化處理后主葉片凹陷段，有著很強(qiáng)勁的微小尺度渦旋運(yùn)動，促使壁面的壓力提升，進(jìn)而提高渦輪轉(zhuǎn)矩，提高變矩器的變矩比。在渦輪葉片壓力面附近，對比同一位置流線上的物理量。各物理量的變化趨勢如圖6a～6c所示，無量綱距離“0”代表渦輪進(jìn)口，“1”代表渦輪出口。在粘性流動中，同一流線上兩點(diǎn)之間轉(zhuǎn)焓之差，代表著流體流動過程中的流動損失。圖6a為同一流線上的轉(zhuǎn)焓變化曲線。由圖可知，原始常規(guī)液力變矩器的轉(zhuǎn)焓值在無量綱距離“0.2”處急劇下降，到達(dá)無量綱距離“0.5”處后趨于平穩(wěn)。說明原始常規(guī)液力變矩器在葉片最大曲率段油液流動損失巨大，而本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器則在無量綱距離“0.4”處轉(zhuǎn)焓值才開始逐漸減小，這說明流液在進(jìn)入葉片分段化處理處才發(fā)生較明顯的流動損失。另外，原始常規(guī)液力變矩器的轉(zhuǎn)焓值變化明顯高于本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器得到的轉(zhuǎn)焓變化值，也就是說本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器流體流動損失較小。此外，通過圖6b和圖6c可知，在渦輪葉片分段化處理位置湍流動能和湍流動能耗散率都發(fā)生了大幅度的劇烈波動，而且二者變化形態(tài)基本相似。本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器在無量綱距離“0.4”處二者急劇升高，達(dá)到頂峰后逐漸下行，在無量綱距離“0.6”處趨于正常水平，這也就是說按照本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器分段化處理后，在主葉片凹陷段，湍動能急劇增加，即在此階段有著很強(qiáng)勁的渦旋運(yùn)動，湍流耗散率以同樣形態(tài)波動，說明這種強(qiáng)勁的湍流渦旋尺度微小，演化形成和消失極快，并且在這種強(qiáng)勁的湍流漩渦形成時，會增加壁面的壓力。

相較原始常規(guī)液力變矩器，本發(fā)明實(shí)施例1所設(shè)計的液力變矩器的性能有了長足提高，最大效率從86.2％提高到87.16％，失速變矩比由2.454提高到2.63，同時失速工況的公稱轉(zhuǎn)矩也有7.7％的提升。具體外特性對比曲線如圖7a-圖7c所示。

實(shí)施例2

本發(fā)明實(shí)施例2所設(shè)計的變矩器渦輪葉片的主葉片2和尾葉片4呈交錯式排列(如圖3c-2所示)。根據(jù)實(shí)施例2建立的渦輪葉片三維模型，提取了葉片骨線和葉形，本發(fā)明實(shí)施例1分段化處理得到的葉片葉形和骨線如圖4e和圖4f所示。提取葉片三維骨線坐標(biāo)，利用matlab對葉片骨線的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到葉片骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式。其主葉片的骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式與實(shí)施例1一致，尾葉片的外環(huán)骨線41在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線42在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

本發(fā)明實(shí)施例2所設(shè)計的液力變矩器提升了渦輪壓力面的壓力，進(jìn)而提高了渦輪轉(zhuǎn)矩，提高了變矩器的變矩比。也能夠改善渦輪入口流動狀態(tài)，減少流動損失。能夠改善變矩器性能，尤其是低速性能。失速變矩比由2.454提高到2.6，起動公稱轉(zhuǎn)矩由180.02nm提高到194.3nm，此外低速區(qū)效率也有明顯提高。具體外特性對比曲線如圖8a～8c所示。

實(shí)施例3

本發(fā)明實(shí)施例3所設(shè)計的變矩器渦輪葉片的主葉片2和尾葉片5呈搭疊式排列(如圖3d-2所示)。根據(jù)實(shí)施例3建立的渦輪葉片三維模型，提取了葉片骨線和葉形，本發(fā)明實(shí)施例3分段化處理得到的葉片葉形和骨線如圖4g和圖4h所示。提取葉片三維骨線坐標(biāo)，利用matlab對葉片骨線的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到葉片骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式。其主葉片的骨線在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式與實(shí)施例1一致，尾葉片的外環(huán)骨線51在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

尾葉片的內(nèi)環(huán)骨線52在空間坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)式為

本發(fā)明實(shí)施例3所設(shè)計的液力變矩器同樣能夠提升渦輪壓力面的壓力，進(jìn)而提高了渦輪轉(zhuǎn)矩，提高了變矩器的變矩比。同時渦輪入口流動狀態(tài)也得到了改善，減少了流動損失，改善了變矩器性能。失速變矩比由2.454提高到2.54，起動公稱轉(zhuǎn)矩由180.02nm提高到199.22nm，此外低速區(qū)效率也有明顯提高。具體外特性對比曲線如圖9a～9c所示。

綜合以上三個實(shí)施例外特性結(jié)果可知，本發(fā)明對渦輪葉片進(jìn)行分段化處理能夠有效改善變矩器性能。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對不同類型不同型號變矩器所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。