一種水利機(jī)械液力變矩器渦輪葉片的現(xiàn)代設(shè)計(jì)

1、 摘 要本文介紹了一種水利機(jī)械液力變矩器渦輪葉片的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，它是以CAD-CFD技術(shù)為基礎(chǔ)，利用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)過流部件的造型并完成流道的三維造型，利用CFD技術(shù)分析其內(nèi)部三維流場(chǎng)及性能預(yù)測(cè)。即首先應(yīng)用CAD軟件，主要利用等角變換法（等角攝影法），對(duì)渦輪葉片平面繪圖設(shè)計(jì)，生成三維坐標(biāo)點(diǎn)，然后利用Solidworks軟件繪制渦輪葉片、內(nèi)蓋、外蓋的三維模型以及生成渦輪葉片的總裝配圖和組合流道的三維模型，并去除一個(gè)流道流場(chǎng)的計(jì)算域的三維模型，最后利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析流程的葉片之間，圖與三條件下葉片的收斂速度，壓力分布圖，讀出流量、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)出口速度及進(jìn)出口壓力差，然后做出了液力變矩器

2、渦輪三個(gè)工況下的的工作特性曲線。通過該設(shè)計(jì)，對(duì)液力變矩器渦輪的設(shè)計(jì)、內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算分析和渦輪工作特性估算等知識(shí)具有了更深刻的認(rèn)知。 關(guān)鍵字：渦輪葉片設(shè)計(jì) 三維造型 工作特性曲線 - 53 -Abstract This article describes a torque converter turbine blade irrigation machinery modern design method, which is based on CAD-CFD technology, the use of CAD technology over the shape of flow components

3、and complete the three-dimensional shape of the flow channel, the use of CFD Technical Analysis internal three-dimensional flow field and performance prediction. That is the first application of CAD software, the main use of conformal transform method (isometric photography method), the turbine blad

4、e plane graphic design, generate three-dimensional coordinates of the point, and then use Solidworks software to draw the turbine blades, the inner lid, cover the three-dimensional model and generating turbine three-dimensional model of the blade assembly drawing and composition of the flow channel,

5、 and the removal of the computational domain of a three-dimensional model of flow field, and finally between the blades using FLUENT software simulation analysis process, the following figure with three conditions leaves convergence rate , pressure profile, readout flow, torque, speed and outlet pre

6、ssure difference between import and export, and then make the operating characteristics of the three conditions of the torque converter turbine curve. With this design, the design of the torque converter turbine, and the turbine internal flow calculation and analysis to estimate the operating charac

7、teristics of knowledge have a more profound understanding.Keywords: Turbine blade design and e- modeling, curves目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 緒論11.1 液力傳動(dòng)的概述11.1.1 液力傳動(dòng)裝置簡述11.1.2 液力傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用11.2 液力變矩器簡介11.2.1 液力變矩器簡介11.2.2 液力變矩器的原理21.3新型液力變矩器3第二章 液力變矩器設(shè)計(jì)方法簡介42.1 設(shè)計(jì)總體方法42.2 設(shè)計(jì)方案的制定42.2.2主要原始參數(shù)112.2.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)

8、容和路線11第三章 液力變矩器葉片平面設(shè)計(jì)63.1 選擇液力變矩器循環(huán)圓型式63.1.1 選擇循環(huán)圓63.1.2 確定工作輪在循環(huán)圓中排列位置63.2 確定循環(huán)圓尺寸73.2.1 確定變矩器有效直徑73.2.2 確定循環(huán)圓形狀尺寸73.3 確定葉片113.4 保角變換法設(shè)計(jì)渦輪葉片123.4.1 保角變換法原理介紹123.4.2 中間流線的設(shè)計(jì)過程143.4.3 渦輪長葉片中間骨線加厚173.5 渦輪長葉片外環(huán)截線設(shè)計(jì)203.5.1 渦輪長葉片外環(huán)截面的骨線設(shè)計(jì)203.5.2 渦輪長葉片外環(huán)截面加厚設(shè)計(jì)233.6 渦輪長葉片內(nèi)環(huán)截線設(shè)計(jì)253.6.1 渦輪長葉片內(nèi)環(huán)截面骨線設(shè)計(jì)253.6.2

9、渦輪長葉片內(nèi)環(huán)截面加厚設(shè)計(jì)273.7渦輪短葉片翼型設(shè)計(jì)293.7.1外環(huán)翼型設(shè)計(jì)293.7.2內(nèi)環(huán)翼型設(shè)計(jì)32第四章 液力變矩器實(shí)體造型354.1 讀取葉片三維坐標(biāo)354.2 繪制渦輪三維模型364.2.1 繪制葉片三維模型364.2.2繪制渦輪三維模型394.2.3 繪制渦輪葉片間流道的三維模型40第六章 總結(jié)526.1 本文的主要工作526.2 繼續(xù)努力的方向52謝 辭53參考文獻(xiàn)54 第一章 緒論1.1 液力傳動(dòng)的概述1.1.1 液力傳動(dòng)裝置簡述液力傳動(dòng)裝置是由二個(gè)或三個(gè)以上葉輪構(gòu)成的，經(jīng)過液體動(dòng)量矩的轉(zhuǎn)變來傳遞轉(zhuǎn)矩。簡單地說，液力傳動(dòng)可視為一個(gè)離心水泵和一個(gè)水輪機(jī)的組合，而僅由它們的核

10、心部件 - 葉輪，葉輪盡可能接近到并結(jié)合成一個(gè)整體。液力偶合器包括泵輪和渦輪，液力變矩器包括泵輪、渦輪還有導(dǎo)輪。工作液體在這些葉輪中循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的目的。液力變矩器和液力偶合器屬于水力機(jī)械（泵和水輪機(jī)）的派生設(shè)備。液壓傳動(dòng)裝置廣泛采用礦物油作為工作液體。用油的種類很多，但目前用的比較多的是6號(hào)和8號(hào)液力傳動(dòng)專用油。液力傳動(dòng)的特殊油也作為工作介質(zhì)的潤滑和冷卻，有時(shí)作為液力傳動(dòng)裝置和液壓控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)。1.1.2 液力傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用 液力傳動(dòng)是具有液體高速運(yùn)動(dòng)的輔助下的發(fā)送裝置。其工作特點(diǎn)是速度和輸入端的轉(zhuǎn)矩基本上恒定，或者雖然有一些變化，但這種變化不大。而輸出端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以大于、等

11、于或小于輸入端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并且輸出轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩之間可以隨著所驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)負(fù)荷大小，自動(dòng)地連續(xù)調(diào)節(jié)變化。因?yàn)橐毫鲃?dòng)系統(tǒng)使用與檢修方便，可靠，性能好，使用壽命長，具有良好的可變轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩性能好等諸多特點(diǎn)，因此，它普遍用于各類動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)之間的傳動(dòng)裝置。如用于運(yùn)輸車輛：小汽車、公共汽車、載重卡車、內(nèi)燃機(jī)車、坦克等；工程機(jī)械：起重機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)等；礦山機(jī)械：石油鉆機(jī)、鉆探機(jī)、破碎機(jī)等；還有大型船舶中。液力傳動(dòng)在某些地方是電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)不能替換和無可比擬的?？偟膩碚f，液力傳動(dòng)可用于變矩、調(diào)速、起動(dòng)、過載保護(hù)等。1.2 液力變矩器簡介1.2.1 液力變矩器簡介 液力變矩器是由蓋爾曼

12、費(fèi)丁格爾教授在1902年發(fā)明的，他一直在尋找一個(gè)合適的傳動(dòng)裝置，解決大功率高速船用汽輪機(jī)通過船舶的螺旋槳轉(zhuǎn)速。當(dāng)初的液力變矩器是選用一個(gè)離心式水泵葉輪、一個(gè)水渦輪和一個(gè)導(dǎo)流器，借助于工作輪的殼體用管路連接起來。通過管道能量損失，由于高速液體此初始變矩器是很大的，效率非常低，最高效率僅為56。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，泵輪，渦輪和定子共同布置在殼體中，從而在現(xiàn)代液力變矩器，最高效率高達(dá)92的形成。為了進(jìn)一步提高了工作效率，變矩器取消導(dǎo)輪，于1905年費(fèi)丁格爾創(chuàng)建的液力耦合器，9798的最高效率。為了提高液壓驅(qū)動(dòng)器的性能，集成液力變矩器開發(fā)，這是轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器和耦合器的共同優(yōu)點(diǎn)。在我國，對(duì)液壓傳動(dòng)在50年代首

13、先應(yīng)用于紅旗轎車和柴油機(jī)車的液力傳動(dòng)；60年代普遍應(yīng)用于工程機(jī)械；70年代應(yīng)用于各種行業(yè)、各種機(jī)械。多年來，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，發(fā)明了各種形式的液壓傳動(dòng)裝置，齒輪泵，渦輪和導(dǎo)輪，從形式和不同組合的數(shù)量，不同的液壓傳動(dòng)裝置的性能，適應(yīng)各種各樣的應(yīng)用。如有可調(diào)和不可調(diào)、單相和多相、單級(jí)和多級(jí)液力變矩器；渦輪有向心式、離心式和軸流式的；導(dǎo)輪有向心式、離心式和軸流式的。（a） 三元件向心式液力變矩器結(jié)構(gòu)示意圖（b）循環(huán)圓內(nèi)液體流動(dòng)示意圖圖1.1 三元件向心式液力變矩器示意圖1.2.2 液力變矩器的原理 液力變矩器包含一個(gè)泵輪、渦輪、導(dǎo)輪，其用處是轉(zhuǎn)變泵輪入口處流體的動(dòng)量矩。液力變矩器，它是由流體在泵輪

14、、渦輪和導(dǎo)輪所組成的工作腔流道中流動(dòng)，如圖1.2所示。圖1.2 液力變矩器原理圖液力變矩器工作時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過泵輪聯(lián)接盤帶動(dòng)泵輪旋轉(zhuǎn)，并把發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩傳至泵輪。泵輪的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)葉片與液體一起牽連并迫使沿葉片之間的通道中的液體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，使得由工作流體在葉輪，左泵輪，動(dòng)能和壓力能，通過靜態(tài)流體流變?yōu)楦咚僖毫鳎瓿闪藢l(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的液能(動(dòng)能和壓能)的過程。從高速液流的泵輪出口處，通過一個(gè)小的間隙進(jìn)入渦輪T的高速液流的沖擊渦輪機(jī)葉片，從而使渦輪機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪機(jī)軸以得到一定的扭矩來克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩的電力。在這一點(diǎn)上，在渦輪流體流仍然由兩部分組成，與渦輪旋轉(zhuǎn)，使得渦輪機(jī)葉片的流動(dòng)被牽連

15、和渦輪葉片的流道是受液體刀片，一部分可以改變成機(jī)械能的液體，液體流開始減速，液體的一些動(dòng)能和壓力可以降低。渦輪的主要作用是使液體能夠成為機(jī)械能.從渦輪的液體出口，還通過導(dǎo)輪的小間隙，導(dǎo)向輪是固定的，即轉(zhuǎn)速D=0，則功率PD=MDD=0，所以無論對(duì)車輪扭矩，動(dòng)力輪始終等于0，即在液力變矩器，導(dǎo)向輪不能像泵輪，液流的能量輸入或像從液流能量的渦輪，所以在流在輪液流，沒有能量的輸入和輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體和車輪或流體轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 1.3新型液力變矩器 新型液力變矩器是泵輪和渦輪采用長短葉片交替排列的形式組合而成，采用此方法可使泵輪及渦輪進(jìn)出口流道面積大致相等，以減少流體擴(kuò)散而造成的能量損失，提高變矩

16、器的效率。第二章 液力變矩器設(shè)計(jì)方法簡介2.1 設(shè)計(jì)總體方法液力變矩器設(shè)計(jì)主要是指循環(huán)圓，設(shè)計(jì)器，葉片設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)相關(guān)的機(jī)械配件的設(shè)計(jì)。由于葉片直接影響變換器的性能，這是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。葉片的設(shè)計(jì)方法一般有統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法、相似設(shè)計(jì)法和理論設(shè)計(jì)法三種。由于液力變矩器是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多級(jí)渦輪，其設(shè)計(jì)理論不夠完善，考慮到特殊性和其內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性，基于束流理論建立起來的液力變矩器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法到今天依然有著一定的工程實(shí)用價(jià)值。液力變矩器的設(shè)計(jì)方法，正漸漸由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法向現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法變化?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是基于CAD-CFD的技術(shù)，利用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)過流部件完成流道建模的三維建模，利用三維內(nèi)部流場(chǎng)的CFD分析與性能

17、預(yù)測(cè)。在此指導(dǎo)下，幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化，具有良好的性能和變矩器可以獲得?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，為促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展發(fā)揮更大的作用。 CAD-CFD系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可參照?qǐng)D2.1的過程進(jìn)行。 圖2.1 水力機(jī)械的現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程2.2 設(shè)計(jì)方案的制定YS355：圓形循環(huán)圓，葉片幾乎充滿循環(huán)圓。本次設(shè)計(jì)采用的是分工合作方法，我的任務(wù)是設(shè)計(jì)渦輪葉片。2.2.1 參數(shù)計(jì)算1. 轉(zhuǎn)矩1.1轉(zhuǎn)矩的關(guān)系根據(jù)動(dòng)量矩定理：因： 故：1.2轉(zhuǎn)矩與其它參數(shù)的關(guān)系根據(jù)速度三角形：圓周速度：軸面速度：速度矩：這里葉片進(jìn)、出口角（）均定義為葉片進(jìn)、出口處與液流同向的骨線切線方向與該處圓周速度方向的夾角。（1）泵輪

18、因： ，則：又因： 則：（2）渦輪因： ，則：又因： 則：（3）導(dǎo)輪同理可得：2. 葉片角這里葉片進(jìn)、出口角（）均定義為葉片進(jìn)、出口處與液流同向的骨線切線方向與該處圓周速度方向的夾角。 （3-1） （3-2） （3-3） （3-4） （3-5） （3-6） （3-7） （3-8） （3-9） （3-10） （3-11）由（3-11）得： （3-12）由（3-10）得： （3-13）由（3-1）、（3-4）和（3-9）得： （3-14）由（3-2）、（3-5）和（3-6）得： （3-15）由（3-3）、（3-7）和（3-8）得： （3-16）導(dǎo)輪不轉(zhuǎn)，即時(shí)： （3-12b） （3-13b） （3

19、-14b） （3-15b） （3-16b）3. 渦輪、導(dǎo)輪葉片進(jìn)出口角計(jì)算根據(jù)： （3-13b） （3-12c） （3-14b） （3-15b） （3-16b）YS355設(shè)計(jì)工況PUMPTURBINESTATOR功率P(kw)10080轉(zhuǎn)速n(r/min)20001440變速比i0.72旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)209.33150.72轉(zhuǎn)矩(Nm)477.71-530.7953.08變矩比1.25效率0.8密度800r10.09020.16570.089r20.16570.09020.089過流斷面面積(m2)0.022760.022760.02276流量Q0.1387(m3/s)120.669

20、kg/s199.8737.0345.752105141.7719.66 （3-13b）， （3-15b）， （3-12c）， （3-16b）， （3-14b），根據(jù)上面五個(gè)式子，分別計(jì)算當(dāng)2p=100，105，110時(shí)當(dāng)2p=105時(shí)，cot2p=-0.2679計(jì)算可得：cot2T=-0.47750+1.837029（-0.2679）=-0.96964 2T=144.13cot1T=1.593639+（-0.2679）=1.325739 1T=37.03cot2S=2.6587+1.8618（-0.2679）=2.1599 2S=24.84cot1S=2.2609+1.0135（-0.9696

21、4）=1.2782 1S=38.04cot1P=-3.0984+0.98672.1599=-0.9672 1P=134.04同理：當(dāng)2p=100時(shí)，cot2p=-0.1763cot2T=-0.8014 2T=128.71cot1T=1.417339 1T=35.20cot2S=2.330464 2S=23.22cot1S=1.4487 1S=34.62cot1P=-0.7989 1P=128.62同理：當(dāng)2p=110時(shí)，cot2p=-0.364cot2T=-1.1462 2T=138.9cot1T=1.2296 1T=39.12cot2S=1.9810 2S=26.78cot1S=1.0992

22、 1S=42.29cot1P=-1.1437 1P=138.84選擇泵輪葉片進(jìn)口角：128.62 泵輪葉片出口角：100 渦輪葉片進(jìn)口角：35.20 渦輪葉片出口角：138.92.2.2主要原始參數(shù)渦輪葉片進(jìn)、出口角研究方案分別是35.20、138.9 。葉片出口角應(yīng)根據(jù)葉輪進(jìn)口沖擊損失最小的設(shè)計(jì)，入口角度研究設(shè)想90全進(jìn)口刀片更適合為圓弧邊進(jìn)口流量。葉片總數(shù)目為38片。2.2.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和路線1. 采用CAD自動(dòng)和Solidworks軟件工具，三維不規(guī)則固體研究了精確的建模技術(shù)，葉輪和過流部件的幾何尺寸精確建模和三維流計(jì)算域?qū)崿F(xiàn)。 2.以FLUENT軟件為工具，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行CFD計(jì)算分析，

23、FLUENT選用的是有限體積法。3. 一個(gè)單一的葉輪葉片流場(chǎng)通道之間的仿真領(lǐng)域，主要用于計(jì)算流場(chǎng)分析葉片間內(nèi)的分銷渠道。4. 模擬域之間包含一個(gè)葉輪葉片包括葉片流場(chǎng)通道，主要為葉片周圍流動(dòng)的計(jì)算分析，并分析其流場(chǎng)分布的葉片，研究人員在泵葉輪流場(chǎng)出口端和跟蹤它的形成機(jī)理，以及影響葉輪進(jìn)口處繞流損失。5.模擬計(jì)算域?yàn)檎麄€(gè)葉輪流道的流場(chǎng)，計(jì)算分析整個(gè)葉輪的流動(dòng)情況。6.計(jì)算研究同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)葉輪之間的流場(chǎng)，分析上游葉輪出口紊亂的流動(dòng)對(duì)下游葉輪進(jìn)口及其內(nèi)部流動(dòng)的影響。7.計(jì)算研究旋轉(zhuǎn)角速度不同的兩個(gè)葉輪之間的流場(chǎng)，分析兩個(gè)葉輪之間的流場(chǎng)分布情況，分析上游葉輪出口紊亂的流動(dòng)對(duì)下游葉輪進(jìn)口及其內(nèi)部流動(dòng)的影

24、響。8.研究計(jì)算葉輪的流量和轉(zhuǎn)矩的方法，較精確地計(jì)算葉輪的流量和轉(zhuǎn)矩。9.預(yù)測(cè)計(jì)算水力機(jī)械的外部特性，如能頭、流量、效率等特性。第三章 液力變矩器葉片平面設(shè)計(jì)3.1 選擇液力變矩器循環(huán)圓型式3.1.1 選擇循環(huán)圓液力變矩器的循環(huán)圓按照外環(huán)外形可分為圓形、蛋形、半蛋形和矩形循環(huán)圓四種。按照一維束流理論，循環(huán)圓形狀對(duì)液力變矩器的性能沒有影響。液力變矩器性能僅與工作論出、入口半徑、葉片角、流到截面積等參數(shù)有關(guān)。而圓形循環(huán)圓多用于其車型單級(jí)液力變矩器，其工作輪可采用沖壓焊接制造或鑄造，泵輪和渦輪完全對(duì)稱布置，因此本設(shè)計(jì)采用圓形循環(huán)圓。3.1.2 確定工作輪在循環(huán)圓中排列位置 由于不同的排列位置在循環(huán)圈

25、，液力變矩器在下列表格中有幾個(gè)工作輪。 （1）徑流式 這類工作輪從軸面圖看，液流沿著葉片半徑方向流動(dòng)。 （2）軸流式 這類工作輪從軸面圖看，液流在葉片流道內(nèi)軸向流動(dòng)。 （3）混流式 這類工作輪從軸面圖看。液流在工作輪流道內(nèi)既有軸向流動(dòng)又有徑向流動(dòng)，它的葉片均為空間扭曲葉片。圓形循環(huán)圓變矩器多數(shù)情況下，采用混流式工作輪。其布置圖如下: T：渦輪 B：泵輪 D：導(dǎo)輪 圖 3.1 葉片布置圖3.2 確定循環(huán)圓尺寸3.2.1 確定變矩器有效直徑 直徑比m 直徑比 m=D0/D,D0為循環(huán)圓內(nèi)徑，D為有效直徑此變矩器為0.355m。一般為0.330.45，本次設(shè)計(jì)取m=0.38 即 m=D0/0.355

26、 =0.38 （3.1） 所以 D0=0.1349 于是循環(huán)圓外環(huán)半徑求出為： R1=(D-D0)/4 （3.2） =(0.355-0.1183)/4 =0.055 3.2.2 確定循環(huán)圓形狀尺寸在外環(huán)，內(nèi)環(huán)和設(shè)計(jì)流程線開始被決定。確定內(nèi)環(huán)和設(shè)計(jì)流程的原理是，液體流動(dòng)的變化沿通道的速度。為此，假定軸向速度Vm等于在相同的過流斷面點(diǎn)，相鄰的流行流區(qū)形成平等。根據(jù)對(duì)一個(gè)圓圓的原則23%優(yōu)先流面積的355，液力變矩器的有效直徑，和最好的流動(dòng)面積0.02276m2。1） 循環(huán)圓初步設(shè)計(jì)首先設(shè)定一些元線如下圖，為方便計(jì)算，從上面正垂直的元線開始，遞增角度為15，根據(jù)在任意元線上的過流面積F為：F=(Rs

27、2-Rc2)/cos （3.3） 式中 為元線相對(duì)垂直線的夾角，全部元線均垂直設(shè)計(jì)流線 Rs 為任一元線與外環(huán)交點(diǎn)上的半徑 Rc 為同一元線與內(nèi)環(huán)交點(diǎn)上的半徑 R2 為同一元線與設(shè)計(jì)流線交點(diǎn)上的半徑其次，選擇一些任意元素線，并計(jì)算內(nèi)環(huán)和設(shè)計(jì)流程的初步輪廓線。半徑和角可以從圖中量出，所以可按以下公式計(jì)算: Rc=(Rs2-Fcos/)1/2 (3.4)R2=(Rs2-Fcos/2)1/2 (3.5)算得半徑的交點(diǎn)的軌跡和相應(yīng)的元素是內(nèi)環(huán)和設(shè)計(jì)流程線。其測(cè)量計(jì)算表格如表3.1，所畫內(nèi)環(huán)和設(shè)計(jì)流線如圖3.2、3.3所示。 表3.1 Rc、R2計(jì)算表 序號(hào)0123456Rs177.5175.63170

28、.13161.39150136.74122.5Rc155.76154.38150.02144.65137.35129.62122.5R2166.98165.17160.65153.02143.6133.26122.5序號(hào)789101112Rs108.269583.6174.8769.3767.5Rc116.61112.46110.07109108.68108.65R2112.51104.797.6493.591.1790.44 圖3.2 劃分元線、標(biāo)注外環(huán)Rs 圖3.3 內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)元線2） 修正循環(huán)圓從圖上可以看出，內(nèi)環(huán)的連接曲線不是很光滑，不符合圓形循環(huán)圓的設(shè)計(jì)要求，故用一圓近似代替內(nèi)環(huán)線，如

29、圖3.3所示。用圓近似取代內(nèi)環(huán)軌跡以后，可以看出循環(huán)圓上部分的過流面積基本保持為變矩器有效直徑總面積的23%不變，但下部分很顯然變大了，需要重新設(shè)計(jì)外環(huán)的軌跡，使它的過流面積基本保持為變矩器有效直徑總面積的23%?，F(xiàn)在已經(jīng)確定了內(nèi)環(huán)的位置，也就是知道了Rc，要求外環(huán)Rs和設(shè)計(jì)流線的軌跡。我們由公式(3.4)可以得到： Rs=(Rc2+Fcos/)1/2 （3.6）從而可以求出外環(huán)Rs，然后再根據(jù)式（3.5）求出設(shè)計(jì)流線R2，畫出軌跡。求循環(huán)圓下半部分的外環(huán)Rs和設(shè)計(jì)流線R2計(jì)算表如下： 表3.2 Rs、R2計(jì)算表序號(hào)789101112Rc116.22111.17107.12104.41102.

30、82102.44Rs108.0193.2880.2866.8560.0356.99R2111.67102.6494.4988.1584.0882.82 根據(jù)上表，標(biāo)出出循環(huán)圓下半部分的外環(huán)和設(shè)計(jì)流線上各點(diǎn)，并用樣條曲線光滑連接。為符合圓形循環(huán)圓的設(shè)計(jì)要求，將原循環(huán)圓下半圓下移，使之與現(xiàn)外環(huán)樣條曲線盡量相似，偏移量為6.71mm。作出如圖3.4。 圖3.4 循環(huán)圓修改圖因?yàn)樯厦嬗脠A近似代替了外環(huán)，畢然存在一定的誤差，所以現(xiàn)用內(nèi)切圓法檢驗(yàn)是否還滿足設(shè)計(jì)要求。如圖3.5所示，作出內(nèi)環(huán)線與外環(huán)線的內(nèi)切圓，并連結(jié)切點(diǎn)得到弦線。從圖上可近似觀察出各弦線的中點(diǎn)與設(shè)計(jì)流線基本重合，因此能保證過流面積基本為變矩

31、器有效直徑總面積的23%，滿足設(shè)計(jì)要求。 圖3.6 循環(huán)圓檢驗(yàn)圖3.3 確定葉片 1） 確定導(dǎo)輪經(jīng)驗(yàn)表明，定子葉片的軸向長度一般以半循環(huán)圓直徑D的最好，所以本設(shè)計(jì)為55mm的軸向長度，可以確定位置的導(dǎo)向輪進(jìn)出口側(cè)。 2） 確定渦輪為了最大限度地提升相鄰葉輪葉片之間的再生循環(huán)利用可能的最小間隙。此外，為了減少渦流的影響，最小的間距也需要在葉片的設(shè)計(jì)根據(jù)強(qiáng)渦流理論。實(shí)踐中通常采用間隙為22.5mm，本設(shè)計(jì)采用2mm。渦輪與泵輪的間隙同樣采用2mm間隙，葉片邊界線垂直于設(shè)計(jì)流線，如下圖： 圖3.7 葉片軸面圖至此，循環(huán)圓設(shè)計(jì)部分完成，葉片的軸面尺寸全部確定。接下來將進(jìn)行葉片的正投影部分的設(shè)計(jì)，具體過

32、程見第4節(jié)。3.4等角射影法設(shè)計(jì)渦輪葉片3.4.1 等角射影法原理介紹等角射影法亦稱保角變換法或等傾角仿形法，是將空間曲面或曲線展開在平面上，和傾斜角度是一樣的。液力變矩器的葉輪，流線的流動(dòng)分布在旋轉(zhuǎn)表面，這個(gè)空間不能直接擴(kuò)展成一個(gè)平面，因此必須使用等角投影變換的性質(zhì)，在圓柱或圓錐投影面投影近似方法各表面的空間，然后把擴(kuò)大成一個(gè)扁圓柱形或圓錐面示于圖。雖然圓錐面是彎曲的比圓柱面，投影的形狀是高的，但繪畫是麻煩的，而應(yīng)用較少，所以一般只用圓柱面。在圓柱面展開空間曲線投影的方法一般有兩種：投影于單圓柱面的等角射影法和投影于多圓柱面展開的等角射影法。本設(shè)計(jì)的等角投影方法使用相對(duì)簡單的單投影在圓柱表面

33、，其原理如下： 圖3.8表示了曲面A和圓柱面B，曲面A是由曲線繞軸心線旋轉(zhuǎn)而成的，圓柱面B是由平行于軸心線的直線繞軸心線旋轉(zhuǎn)而成的。對(duì)曲面A，作垂直于軸心線OO的截平面,與曲面A的交線為aa、a1a1、a2a2、等曲線。另作通過軸心線00的平面，與（a）曲面A （b）圓柱面B圖3.8 投影于單圓柱面的等角影射法原理曲面A的交線為bb、b1b1、b2b2、等線。aa、a1a1、a2a2、線簇，與bb、b1b1、b2b2線族，形成很多正交網(wǎng)格?，F(xiàn)討論其中一個(gè)網(wǎng)格，如aa、a1a1與bb、b1b1形成的網(wǎng)格。aa與bb線交于M點(diǎn)，aa與b1b1線交于M1點(diǎn)，a1a1與b1b1線交于M2點(diǎn)，連MM2形

34、成MM1M2曲面三角形。MM1在垂直于OO軸過Ol的平面內(nèi)，連01M和O1M1，半徑rO1MO1Ml，O1M與O1M1間夾角d。曲面三角形MM1M2的三條邊長度，分別為MM1rd ；MlM2dl；MMsds。斜邊傾斜角M2MM1。 在圓柱面B，按照同樣的方法，垂直于軸線OO平面和軸平面徑向平面，與圓柱面B的交線為cc、c1c1、c2c2和dd、d1d1、d2d2、線簇。兩線簇正交成網(wǎng)格。現(xiàn)研究與MM1M2相對(duì)應(yīng)的一個(gè)網(wǎng)格NN1N2。使O1NOlN1R，N1N2dL，NN2dS，NN1=Rd，N2NN1。 曲面A上微小曲面三角形MM1M2，與圓柱面B上微小三角形NN1N2，相似的條件是 因此，若

35、要保證曲面A和圓柱面B的網(wǎng)格相似，則需dl/dLr/R和射角d相等。若能滿足這些條件，則斜線長度ds/dSr/R和斜線的傾斜角相等。圓掛面展開成平面，網(wǎng)格成方格，線段ds與曲面上dS成比例，并保持傾斜角相等。 下圖3.9用來說明，應(yīng)用投影于單圓柱面展開的等角射影法來進(jìn)液力變短器工作輪葉形的繪制。（a） 中間流線的軸面投影 （b）中間流線的正面投影 （c）等角射影圖 圖3.9 用單圓柱面等角攝影法做渦輪中間流線圖3.9表示了用單圓柱面等角射影法，作渦輪中間流線的方法。圖3.9a表示了渦輪的軸面圖，圖上標(biāo)明了中間流線，可以看作圖示點(diǎn)劃線繞軸線O旋轉(zhuǎn)形成的曲面與葉片交線的軸面投影。圖3.9b表示了中

36、間曲面與葉片的交線的正投影。葉片中間流線的正投影為0、l、2、 3、4、5、6、7點(diǎn)連成的曲線。圖3.9c表示等角射影圖，即投影圓柱面的展開圖。其正交網(wǎng)格01、12、23、是等距的，長為L，每條平行線表示垂直于圓注面曲線的戴平面與圓柱面交線的展開線?？v線間距、也是等距的，且等于Rd，由于單圓柱半徑R是確定值，故、表示等射角徑向平面與圓柱面相交切割圓柱面的弧長。 3.4.2 中間流線的設(shè)計(jì)過程 1）等角攝影圖正交網(wǎng)格的確定在做設(shè)計(jì)流線時(shí)取 R=(Rt1+Rt2)/2 (3.7) =（0.1657+0.0898）/2 =0.1278m從圖中量得 Rt1=0.1657m Rt2=0.0898m一般取

37、 L=0.01m Rd=0.02m得到 d=0.02/R=0.02/0.1278=0.156 d=8.97 0由此可畫出等角射影圖的正交網(wǎng)格如圖3.11所示。2）軸面圖上分點(diǎn) 根據(jù) dl=r*dL/R (3.8) 為了減小誤差，r取dl線段的平均半徑，由于dl和r未知，因而在分點(diǎn)中有試分和修正的反復(fù)過程。分點(diǎn)的結(jié)果，見下圖3.10，共分為12點(diǎn)，而點(diǎn)11超出出口邊對(duì)應(yīng)于出口邊的點(diǎn)為點(diǎn)11。圖3.10 設(shè)計(jì)流線找分割點(diǎn)圖其找點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表格如下表3.3所記錄。 表3.3 設(shè)計(jì)流線分割點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表 點(diǎn)dlrdl/rdL/R0000.07826112.86164.430.07820.07826212.5160

38、.080.078080.07826311.95152.760.078230.07826411.22143.450.078210.07826510.43133.390.078190.0782669.66123.450.078250.0782678.945114.280.078270.0782688.31103.220.078230.0782697.77599.370.078240.07826107.3393.640.078280.07826112 3）在等角射影圖上設(shè)計(jì)渦輪葉片中間骨線 在等角射影圖上的0點(diǎn)，利用已知的葉片角作出直線。根據(jù)軸面圖3.10上線段 10 11占線段10 11長度比例，

39、在正交網(wǎng)格上作出水平線11，根據(jù)葉片的布置定出葉片出口邊點(diǎn)11位置，在點(diǎn)11根據(jù)已知的葉片角作出直線，在兩條直線間連成光滑曲線，與各水平線相交的點(diǎn)分別為0、1、2、3、11。 作出其圖形如下圖3.11所示。圖3.11 設(shè)計(jì)流線圓柱面圖 4）作正投影圖根據(jù)軸面圖上的0、1、2、11點(diǎn)的半徑，作對(duì)應(yīng)的圓弧線，并作出半徑為尺的圓弧線。作等角射線I、，夾角dd/R，Rd取自正交網(wǎng)格的橫向間距。選圓弧線0與射線的交點(diǎn)作為0點(diǎn)，在投影圓弧上，取弧長1，等于等角射影圖上格線l的長度，作射線01與圓弧線1交于1點(diǎn)。利用同樣的方法，依次可以作得2、3、11點(diǎn)。連結(jié)0、l、2、11點(diǎn)，成為光滑曲線，此即葉片的正投

40、影圖。等角射影圖上曲線與網(wǎng)格交點(diǎn)的距離及應(yīng)在正投影圖上偏轉(zhuǎn)的角度統(tǒng)計(jì)表如下： 表3.4 設(shè)計(jì)流線正投影轉(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)表位置距離偏轉(zhuǎn)角位置距離偏轉(zhuǎn)角1 4.0731.83 76.5022.93 26.6853.01 816.5467.45 313.4576.06 97.3853.32 415.2856.88 101.20.54 511.0274.96 112.2221.00 62.8381.28 上表中1 4.0731.83 表示在圓柱面圖上1點(diǎn)在直線右邊，在平均半徑為R的圓弧上距離直線4.073mm，于是在正投影圖上相當(dāng)于直線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1.830，如果點(diǎn)在左邊則與此相反。所以根據(jù)上表做出設(shè)計(jì)流線的正

41、投影圖如圖3.12所示。圖3.12 中間流線正投影圖3.4.3 渦輪長葉片中間骨線加厚 1）等角射影圖上加厚加厚原則如下表3.4所示。表3.4 葉片加厚規(guī)律表Li/L0.10.20.30.40.50.60.70.80.91Y/D0.40.70.9210.870.650.460.270.110其中L為流線總長，Li為第i點(diǎn)的長度，即從起點(diǎn)到i點(diǎn)的弧長，Y為第i點(diǎn)處要加厚的厚度，單位為mm,D為設(shè)計(jì)流線最大厚度。在等角射影圖上量得設(shè)計(jì)流線總弧長為：L=142.13mm 依據(jù) max/L=0.185 (3.9）則 max=L*0.185=142.13*0.185=26.29mm通過觀察可看出葉片最大

42、厚度26.29mm太厚，所以要適當(dāng)修改此規(guī)律，本設(shè)計(jì)按外環(huán)最大厚度為10mm加厚，因外環(huán)骨線弧長為L=185.1mm(見后面)，所以對(duì)外環(huán)有 max/L=10/185.1=0.054。因此 max/L=0.054對(duì)設(shè)計(jì)流線有 max=L*0.054=142.13*0.054=7.68mm中間流線的加厚規(guī)律如下： 表3.5 中間流線加厚規(guī)律 弧長厚度點(diǎn)弧長厚度114.2137.68685.2784.992228.4267.68799.4913.533342.6397.688113.7042.074456.8527.689127.9171.152571.0656.68210142.130.7在等角

43、射影圖上加厚后其輪廓如圖3.13所示。圖3.13 中間流線等角射影加厚圖 2）正投影圖上加厚 用同樣的方法將設(shè)計(jì)流線兩輪廓線從等角射影圖上反映到正投影圖上，其內(nèi)外輪廓轉(zhuǎn)化表如下所示。表3.6 外環(huán)正投影轉(zhuǎn)換記錄表位置距離偏轉(zhuǎn)角度位置距離偏轉(zhuǎn)角度1 1.08150.48573.93551.7651 28.39573.7655814.1156.330532.2060.9848 95.50712.4740.60240.27101.60940.7218 54.24271.9029 112.7671.25 612.79895.7403 表3.7 內(nèi)環(huán)正投影轉(zhuǎn)換記錄表位置距離偏轉(zhuǎn)角度位置距離偏轉(zhuǎn)角度1 1

44、1.06314.962 710.81684.85132113290.5081 81.44170.646638.69243.9008 911.35635.0933411.23995.0411 100.83400.152556.79723.0485 111.6780.76 60.78390.3540 圖3.14 設(shè)計(jì)流線正投影加厚圖 3.5 渦輪長葉片外環(huán)截線設(shè)計(jì)3.5.1 渦輪長葉片外環(huán)截面的骨線設(shè)計(jì) 1) 外環(huán)等角攝影圖正交網(wǎng)格的確定 取 R=(Rt1+Rt2)/2 (3.10) =（0.1769+0.07273）/2 =0.1248m從圖中量得 Rt1=0.1769m Rt2=0.07273m一般取 L=0.01m Rd=0.02m 得到 d=0.02/R=0.02/0.1248=0.16 d=9.18 0由此可畫出等角射影圖的正交網(wǎng)格。 2）軸面圖上分點(diǎn) 根據(jù) dl=r*dL/R (3.11) 為了減小誤差，r取dl線段的平均半徑，由于dl和r未知，因而在分點(diǎn)中有試分和修正的反復(fù)過程。分點(diǎn)的結(jié)果，見下圖，即分為16點(diǎn)，而點(diǎn)15超出出口邊相應(yīng)于出口邊的點(diǎn)為點(diǎn)15。其圖如圖3.15所示。圖3.15 外環(huán)線找分割點(diǎn)圖外環(huán)線找分割點(diǎn)記錄表格如下表3.8所示。 表3.8 外環(huán)線分割點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表 點(diǎn)dlr dl/rdL/R