(三)液力变矩器涡轮叶片二维平面设计

液力变矩器涡轮叶片二维平面设计

1 选择液力变矩器循环圆型式

1.1 选择循环圆

液力变矩器的循环圆按照外环形状可分为圆形、蛋形、半蛋形和长方形循环圆四种。

按照一维束流理论，循环圆形状对液力变矩器的性能没有影响。液力变矩器性能仅与工作轮出、入口半径、叶片角、流道截面积等参数有关。而圆形循环圆多用于其车型单级液力变矩器，其工作轮可采用冲压焊接制造或铸造，泵轮和涡轮完全对称布置，因此本设计采用圆形循环圆。

1.2 确定工作轮在循环圆中排列位置

由于在循环圆中的排列位置的不同，变矩器有以下几种形式的工作轮。

（1）径流式这种工作轮从轴面图看，液流沿着叶片半径方向流动。

（2）轴流式这种工作轮从轴面图看，液流在叶片流道内轴向流动。

（3）混流式这种工作轮从轴面图看。液流在工作轮流道内既有轴向流动又有径向流动，它的叶片均为空间扭曲叶片。

圆形循环圆变矩器多数情况下，采用混流式工作轮。其布置图如下:

T：涡轮B：泵轮D：导轮

图3.1

2 确定循环圆尺寸

2.1 确定变矩器有效直径

直径比m 直径比m=D0/D,D0为循环圆内径，D为有效直径此变矩器为0.355m。

一般m=0.38

即m=D0/0.355

=0.38 （3.1）即D0=0.1349

所以循环圆外环半径为：

R1=(D-D0)/4 （3.2）

=(0.355-0.1183)/4

=0.055

2.2 确定循环圆形状尺寸

已知外环后，开始确定内环、设计流线。确定内环、设计流线的原则是使液流速度沿流道均匀变化。为此假定在同一过流断面上各点的轴面速度Vm相等，各相邻流线所形成的过流面积相等。根据最佳过流面积为循环圆面积的23%的原则，对于有效直径为355mm的变矩器，其最佳过流面积为0.02276m2。

1）循环圆初步设计

首先设定一些元线如下图，为方便计算，从上面正垂直的元线开始，递增角度为15°，根据在任意元线上的过流面积F为：

F=(Rs2-Rc2)∏/cosθ（3.3）式中θ为元线相对垂直线的夹角，所有元线均垂直设计流线

Rs 为任一元线与外环交点上的半径

Rc 为同一元线与内环交点上的半径

R2 为同一元线与设计流线交点上的半径

其次，选定一些任意的元线，并算出内环和设计流线的初步轮廓。半径和角θ可以从图中量出，所以可按以下公式计算:

Rc=(Rs2-Fcosθ/∏)1/2 (3.4)

R2=(Rs2-Fcosθ/2∏)1/2 (3.5)

算得的半径与相应元线之交点的轨迹就是内环和设计流线。其测量计算表格如表3.1，所画内环和设计流线如图3.2、3.3所示。

表3.1 Rc、R2计算表

序号0 1 2 3 4 5 6

Rs 177.5 175.63 170.13 161.39 150 136.74 122.5

Rc 155.76 154.38 150.02 144.65 137.35 129.62 122.5

R2 166.98 165.17 160.65 153.02 143.6 133.26 122.5

序号7 8 9 10 11 12

Rs 108.26 95 83.61 74.87 69.37 67.5

Rc 116.61 112.46 110.07 109 108.68 108.65

R2 112.51 104.7 97.64 93.5 91.17 90.44

图3.2 划分元线标注外环Rs

图3.3 画出内环设计元线

2）修正循环圆

从图上可以看出，内环的连接曲线不是很光滑，不符合圆形循环圆的设计要求，故用一圆近似代替内环线，如图3.4所示。

用圆近似取代内环轨迹以后，可以看出循环圆上部分的过流面积基本保持为变矩器有效直径总面积的23%不变，但下部分很显然变大了，需要重新设计外环的轨迹，使它的过流面积基本保持为变矩器有效直径总面积的23%。现在已经确定了内环的位置，也就是知道了Rc，要求外环Rs和设计流线的轨迹。我们由公式(3.4)可以得到： Rs=(Rc2+Fcosθ/∏)1/2 （3.6）从而可以求出外环Rs，然后再根据式（3.5）求出设计流线R2，画出轨迹。

求循环圆下半部分的外环Rs和设计流线R2计算表如下：

表3.2 Rs、R2计算表

序号7 8 9 10 11 12

Rc 116.22 111.17 107.12 104.41 102.82 102.44 Rs 108.01 93.28 80.28 66.85 60.03 56.99

R2 111.67 102.64 94.49 88.15 84.08 82.82

根据上表，标出出循环圆下半部分的外环和设计流线上各点，并用样条曲线光滑连接。为符合圆形循环圆的设计要求，将原循环圆下半圆下移，使之与现外环样条曲线尽

量相似，偏移量为6.71mm。作图如下：

图3.4 循环圆修改图

因为上面用圆近似代替了外环，存在一定的误差，所以现用内切圆法检验是否还满足设计要求，作出如图3.5所示。从图上可近似观察出各相切点弦线的中点与设计流线基本重合，因此能保证过流面积基本为变矩器有效直径总面积的23%，满足设计要求。

图3.6 循环圆检验图

3 确定叶片

3.1 确定导轮

经验表明，导轮叶片的轴向长度一般以取循环圆直径d的一半为最佳，故轴向长度取为55mm，从而可以确定导轮进出口边的位置。

3.2 确定涡轮

为了最大限度的利用循环圆，在相邻叶轮的叶片之间可采用最小间隙。而且，在根据强力涡流理论设计叶片时，为了减小涡旋的影响，也需要采用最小间隙。实践中通常采用间隙为2—2.5mm，本设计采用2mm。

涡轮与泵轮的间隙同样采用2mm间隙，叶片边界线垂直于设计流线，如下图：

图3.7 叶片轴面图

至此循环圆设计完成，接下来将近行叶片的设计，具体过程见下节。