【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 g（ π β ） =u+ Vm ctgβ 設(shè) TB ,TT ,T D 分別為泵輪、渦輪和導(dǎo)輪作用在液體上的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)力學(xué)定律，在 穩(wěn)定工況下，作用與液體的外傳矩之和應(yīng) 為零，即： TB + TT + TD =0 從上式可以看出作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩增加了，起到了變矩的作用 。 液力變矩器中循環(huán)流量的確定 分析工作輪葉片與液流相互作用的過(guò)程，從工作輪與液流相互作用的轉(zhuǎn)矩 公式可以看出，影響因素有三類(lèi)：第一類(lèi)是變矩器的結(jié)構(gòu)（或幾何）參數(shù)，包括葉片的進(jìn)、出口安裝角β ，葉片進(jìn)、出口邊的位置 R 及工作腔在葉片進(jìn)、出口的橫截面積 。對(duì)給定的變矩器，這些都是已定數(shù) 值。第二類(lèi)是其使用工況參數(shù)，如 或速比 。該類(lèi)參數(shù)在工況給定時(shí)，也是已知參數(shù)； 第三類(lèi)就是液力變矩器循環(huán)圓中的流量 Q。 由此可見(jiàn)，當(dāng)變矩器一定時(shí)，要求得各工作輪的作用轉(zhuǎn)矩和能頭等，關(guān)鍵在于獲得不同工況下 或 的變化關(guān)系，它可從液流的能量平衡方程式中求得： 式中 為總的能頭損失。包括三種形式：機(jī)械損失、容積損失和液力損失。 機(jī)械損失總的來(lái)說(shuō)不超過(guò)總能量的 1%~2% ，通常不考慮，容積損失也很?。?1%），可以忽略不計(jì)，所以主要考慮的是液力損失。液力損失由沖擊損失 ’摩擦損失 ,擴(kuò)散與收縮損失 和回轉(zhuǎn)損失 所 組成。它們又可以分成 兩類(lèi)基本損失來(lái)加以計(jì)算。第一類(lèi)損失與液流的相對(duì)速度有關(guān)，并與流量的平方成正比，又稱(chēng)通流損失或摩擦損失；第二類(lèi)損失與液流的沖擊角有關(guān)，并與損失的速度平方成正比，又稱(chēng)沖擊損失。 通流損失 擴(kuò)散與收縮損失 和回轉(zhuǎn)損失 相對(duì)于液流的摩擦損失在數(shù)值上很 Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB() 小，一般可以不計(jì)，則通流損失主要為 ，在水力學(xué)中，計(jì)算摩擦損失的公 式為 : 式中 L—— 流道長(zhǎng)度； —— 水力半徑，為過(guò)流斷面面積與濕周之比； —— 摩擦系數(shù)，它與絕對(duì)粗糙度 K 、水力半徑 及雷諾數(shù) 流道彎曲程度，速度分布等有關(guān)。 液力變 矩器的全部通流損失為： 式中 分別為泵輪、渦輪、導(dǎo)輪葉片流道的通流損失系數(shù)， 沖擊損失 沖擊損失是由進(jìn)入葉片的液流速度方向與葉片角不一致而產(chǎn)生的。無(wú)沖擊進(jìn)入葉片的速度 與一般情況下進(jìn)入葉片的速度 之差為 v，則沖擊損 失為： 式中，沖擊損失系數(shù) 與葉片形狀、數(shù)量及進(jìn)入各工作輪的沖擊角有關(guān)。如圖22 所 示 。 損 失 速 度 與 軸 面 速 度 有 關(guān) ，當(dāng) 時(shí) ， 一般情況下，為了減少?zèng)_擊損失，總是力求軸面速度相等，故為 ， 則液力變矩器各工作輪的沖擊損失為： 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB() 根據(jù)歐拉公式，可知： 將 的 表 達(dá) 式 代 入 能 量 平 衡 方 程 可得： 式中 Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()10 對(duì)上式求解，可得液力變矩器 在一定時(shí)，任一 下的循環(huán)流量 Q，它是變矩器結(jié)構(gòu)參數(shù)、損失系數(shù)和 的函數(shù)： 流量特性式上凸還是下凹，決定于 的符號(hào)，若取 ， 則， 從上式可得： 如果 有意義，必須使分母大于零，故其符號(hào)取決于分子，當(dāng)長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()11 時(shí)， ，流量特性曲線(xiàn)上凸，即為橢圓。當(dāng) 時(shí)， ， 流量特性曲線(xiàn)下凹，變?yōu)殡p曲線(xiàn)。 由 可知， 主要取決于及 的 相 互 位 置 。 當(dāng) 及 時(shí)，向心渦輪滿(mǎn)足，流量特 性曲線(xiàn)為橢圓 （見(jiàn)圖 23 曲線(xiàn) 1）。 隨著 增加，如取 ， 當(dāng) 時(shí)，為軸流式渦輪， ， 曲線(xiàn)變?yōu)橄掳迹ㄒ?jiàn)圖 23 曲線(xiàn) 2）。 再進(jìn)一步增大， ， 為離心渦輪， ，曲線(xiàn)為下凹雙曲線(xiàn)（見(jiàn)圖 23 曲線(xiàn) 3），它與軸流式相比， Q 的變化更平坦。 由上述分析可以看出渦輪葉片進(jìn)出口位置變化，對(duì)流量 Q 有很大的影響。對(duì)其它因素也可作類(lèi)似分析。不同的或?qū)ψ兙仄湫阅苡绊懞艽蟆? 圖 22 不同型式渦輪的液力變矩器 由上述分析可以看出渦輪葉片進(jìn)出口位置變化，對(duì)流量 Q 有很大的影響。對(duì)其它因素也可作類(lèi)似分析。不同的或?qū)ψ兙仄湫阅苡绊懞艽蟆? 液力變矩器幾何參數(shù) 的計(jì)算 計(jì)算工作輪特性參數(shù)和幾何參數(shù)的關(guān)系 1，工作輪入口和出口的無(wú)因次半徑 Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()12 式中 R—— 特性半徑，一般取 2，工作輪入口處和出口處的無(wú)因次流道軸面面積 3，工作輪入口處和出口處的中間流線(xiàn)的綜合幾何參數(shù) 4，循環(huán)流量系數(shù) 5，扭矩系數(shù)的無(wú)因次關(guān)系 在計(jì)算工況下，液流無(wú)沖擊進(jìn)入工作輪，則沖擊損失為零，液力損失僅為摩擦損失，即為最低值，此時(shí)液力變矩器的液力效率達(dá)到最高。長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()13 第 3 章 液力變矩器 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 液力變矩器的設(shè)計(jì)主要是指變矩器的循環(huán)圓設(shè)計(jì)、葉片設(shè)計(jì)、特性計(jì)算、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及 一些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)，由于葉片參數(shù)直接影響到變矩器的性能，因而是液力變矩器的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是葉片設(shè)計(jì)。 圖 31 液力變矩器總成 設(shè)計(jì)方法 液力變矩器早期研制，是憑經(jīng)驗(yàn)，采用多種模型及試驗(yàn)來(lái)篩選、改進(jìn)，最后定型。隨著技術(shù)的發(fā)展，理論的建立，要求應(yīng)用計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使做出的產(chǎn)品的試驗(yàn)性能與計(jì)算性能相一致。液力變矩器的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有葉柵系統(tǒng)出入口參數(shù)設(shè)計(jì)、工作輪流道設(shè)計(jì)、特性計(jì)算、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。這些設(shè)計(jì)計(jì)算都是基于一維束流理論的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的主要缺陷在于：只有通過(guò)試制產(chǎn)品的性能和流場(chǎng) 試驗(yàn)才能獲得改進(jìn)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，而試驗(yàn)和試制的費(fèi)用和工作量往往占據(jù)了整個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的 80％以上。因此在設(shè)計(jì)階段獲得液力變矩器的流場(chǎng)信息，對(duì)于減少試制、試驗(yàn)次數(shù)，為設(shè)計(jì)工程師提供準(zhǔn)確的改進(jìn)信息有重要的意義。 根據(jù)掌握資料、設(shè)計(jì)要求和達(dá)到目標(biāo)的不同，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法可分為三 大 種 ① 相似設(shè)計(jì)法 以某種性能比較理想的液力變矩器作為設(shè)計(jì)基型，循環(huán)圓形狀、工作輪布置、 葉型等均依其為據(jù)，用相似理論確定幾何參數(shù)。此法亦稱(chēng)為基型設(shè)計(jì)法，其性能 Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()14 提高受所選基型限制，因而應(yīng)用中有局限性。 ② 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 以統(tǒng)計(jì)資料中所歸納出的規(guī)律、 圖表為基礎(chǔ)，運(yùn)用自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，從而確定液力變矩器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。此法對(duì)已有液力變矩器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)是方便的，但對(duì)全新設(shè)計(jì)的液力變矩器的性能預(yù)測(cè)精度是不高的；由于主要依據(jù)數(shù)據(jù)與圖表，所以不適合于優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)選參數(shù)，亦不便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析研究。 ③ 理論設(shè)計(jì)法 基于建模和計(jì)算的復(fù)雜性和液力變矩器流場(chǎng)的特殊性，液力變矩器葉片設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)已由一維流動(dòng)理論、二維流動(dòng)理論發(fā)展到三維流動(dòng)理論。 （ 1）一維流動(dòng)理論： 因液力變矩器的流道內(nèi)液體流動(dòng)遠(yuǎn)較一般葉片機(jī)械的流動(dòng)復(fù)雜，所以盡管多元流動(dòng)及附面層理論研究取得了 很大進(jìn)展，但距應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)上還有一定距離。早期對(duì)液力變矩器中復(fù)雜的空間三維流動(dòng)在理論和試驗(yàn)方面研究都不夠深入，對(duì)其速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布規(guī)律研究存在很多空白。因此，為了對(duì)這樣的液體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論的分析研究，必須通過(guò)某些假設(shè)加以簡(jiǎn)化 。 首先，使空間的立體流動(dòng)簡(jiǎn)化為平面的二維流動(dòng)，再進(jìn)一步簡(jiǎn)化為單一的流線(xiàn)流動(dòng)，即用一條流線(xiàn)的流動(dòng)來(lái)代替空間的立體流動(dòng) ， 將工作輪中的總液流假設(shè)成由許多流束組成，認(rèn)為葉片數(shù)無(wú)窮多，厚度無(wú)限薄，忽略粘性對(duì)流場(chǎng)的影響，即 將工作液體在液力變矩器工作腔內(nèi)的空間三維流動(dòng)，簡(jiǎn)化為一維流動(dòng)的理論，稱(chēng)為 一元束流理論。 其 簡(jiǎn)化很大，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，能反映流體作用的宏觀(guān)效果，但不能正確反映宏觀(guān)效果的微觀(guān)原因，與液力變矩器實(shí)際內(nèi)流場(chǎng)差別較大。 一元束流理論首先為歐拉提出，并被廣泛應(yīng)用于葉片機(jī)械上，故又稱(chēng)為歐拉束流理論。 （ 2）二維流動(dòng)理論：在束流理論的基礎(chǔ)上，認(rèn)為工作輪中的液體只在垂直于旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的一組平行軸面內(nèi)的平面流動(dòng)，且其中每一平面的速度分布和壓力分布都是相同的，即流動(dòng)參數(shù)是兩個(gè)空間坐標(biāo)的函數(shù)。在給定了葉片的邊界形態(tài)和流量后，即可用數(shù)學(xué)物理方程求出該平面上任一點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)分布。該簡(jiǎn)化對(duì)純離心式或軸流式 工作輪中的實(shí)際流動(dòng)情況，較為接近；對(duì)常用的向心式渦輪液力變矩器來(lái)說(shuō)，與實(shí)際流動(dòng)的差別仍然很大。 （ 3）三維流動(dòng)理論： 由于實(shí)際工作輪中流動(dòng)參數(shù)的變化，在空間三個(gè)坐標(biāo)方向都存在，因而，只有三元流動(dòng)理論才能對(duì)實(shí)際流場(chǎng)進(jìn)行較正確的描述。 液力變矩器是流道封閉的多級(jí)透平機(jī)械，流道內(nèi)為復(fù)雜的三維粘性流動(dòng)。由于流道的曲率變化非常大，葉片的形狀也是三維的，這就造成液流沿著流線(xiàn)方向、圓周方向以及從內(nèi)環(huán)到外環(huán)都是變化的。另外，油液是有粘性的，這就必然會(huì)在流道壁面上出現(xiàn)附面層，由此還會(huì)引起“二次流動(dòng)”和“脫流”、“旋渦”等。要想的 到長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()15 準(zhǔn)確的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，必須對(duì)變矩器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維粘性流動(dòng)計(jì)算，直接對(duì) NS 方程求解。液力變矩器采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)研究液力變矩器內(nèi)部的流動(dòng)形態(tài)，但能反映變矩器內(nèi)部真實(shí)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型還不完善，有待進(jìn)一步研究和發(fā)展。 此次要設(shè)計(jì)的是 CL165 液力變矩器，主要應(yīng)用于工程機(jī)械 ,具體要求及指標(biāo)為： ： 150N m，轉(zhuǎn)速 2200 轉(zhuǎn) /分鐘，功率： 60kw 2B? =128176。 導(dǎo)輪出口角 2T? =60176。 渦輪出口角 2T? =150176。 其具體設(shè)計(jì)流程為： 圖 32 變矩器葉片設(shè)計(jì)流程圖 循環(huán)圓的確定 過(guò)液力變矩器軸心線(xiàn)做截面。在截面上與液體相相接的界線(xiàn)形成的形狀，稱(chēng)為循環(huán)圓。