液力变矩器叶片三维成型法及其性能分析

　　叶片形状是影响液力变矩器性能的关键因素之一[1],它可以直接影响液力变矩器的效率、变矩比、能容系数等性能。传统的设计方法多依赖于经验设计,设计过程较复杂而且精度较低。近年来,随着三维CAD技术和加工制造技术的发展,液力变矩器叶片的三维成型技术得到快速的发展[2,3]。作者探讨了液力变矩器叶片三维成型方法,研究了叶片角对液力变矩器性能的影响。

　　1　设计原理及流程

　　1.1　参数定义

　　在三维成型法中,参数是在多柱体投影图上定义的,如图1所示。其中最重要的2个参数是绕Z轴从X轴到Y轴的旋转角θ和叶片角β,后面的性能分析主要是依据这2个参数进行的。其他参数含义如下:x,y,z为X、Y、Z轴的坐标值;r为半径;m为沿子午曲线的距离;s为沿曲线的距离分数(0≤s≤1,进口侧为0,出口侧为1);c为曲线真实的三维长度;其几何关系如下

　　1.2　设计流程

　　三维成型法的具体设计过程如图2所示。液力变矩器工作轮的叶片一般都是空间扭曲的,叶型设计首先需要保证能对叶片的真实长度、厚度和角度等参数做正确的描述。三维成型法主要通过如下两次转换实现对叶型的定义:

　　(1)利用平行的翼面层对叶片进行切分,使得对空间叶型的描述可通过对各翼面层上叶片断面形状的描述来实现,从而将空间曲面转化为空间曲线。图2中,叶片被5个翼面层(0,1/4,2/4,3/4,1)切分,叶型可以由各翼面层上的叶片轮廓线确定。

　　(2)利用投影于多圆柱面的等倾角射影法将翼面层上的叶片轮廓线转化为平面叶型,从而将空间曲线转化为平面曲线,等倾角射影得到的展开线可与原曲线保持相等的长度和倾角。

　　在对叶片角规律进行设计时,θ曲线是最基本的空间位置定义,但叶片设计中更能体现与性能关系的是β,因此以β来描述叶型的角度规律更直观有效。在确定了叶片角变化规律后,θ曲线只能整体偏移以保证叶型不受到影响,此时θ曲线主要用来调整各翼面叶型间相对位置,即在翼线方向上叶片的倾角。叶片角曲线应保持变化平缓,保证叶型平顺。

　　厚度分布规律主要遵从保证过流面积尽量一致的原则,设计中可使用变矩器叶片厚度分布的统计数据,也可采用一些成熟的翼型厚度分布规律如NACA(美国国家航空咨询委员会)翼型系列和儒可夫斯基翼型等,实际设计中可根据需要进行细节调整。

　　2　叶型参数及研究方法

　　2.1　研究基型

　　三维成型法是以W305型液力变矩器为基型进行研究的。其主要的外形参数如图3所示。三维成型法使得叶型可进行参数化调整,为了分析参数变化对叶型乃至整个变矩器性能的影响,下面将对不同参数变化规律生成的叶型进行对比,而叶片形状影响规律的研究和统计数据较多[4,5],故本文主要针对β的变化规律进行研究。