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研究生论文格式:双涡轮液力变矩器的性能改进研究

日期:2018年02月01日 编辑:ad201703301955106400 作者:无忧论文网 点击次数:1175
论文价格:免费 论文编号:lw201709221109548986 论文字数:38592 所属栏目:毕业论文格式
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:在职研究生论文 On-the-job graduate paper
第 1 章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义
目前,工程机械应用已非常广泛,其作业条件和工况复杂、多变,负载变化范围大、随机性强,为了提高对随机变化的外载荷的适应能力,其传动系统多采用液力传动系统,而液力传动普遍存在效率偏低的问题[1]。液力变矩器是液力传动系统的核心部件之一,液力传动系统的效率高低与液力变矩器效率有很大影响,因此要想提高整个液力传动系统的效率,最关键的是提高液力变矩器的效率,而深刻了解液力变矩器的内部流动情况并找出流动规律,是提高液力变矩器设计水平的前提和关键[2]。 双涡轮液力变矩器是由泵轮、一级涡轮、二级涡轮和导轮组成的,而每个叶轮又是由内环、外环和叶片构成的流道曲面,并且泵轮、一级涡轮和二级涡轮根据各自的转速旋转,再加上各轮的进口、出口之间相互影响,一级涡轮和二级涡轮同时工作的情况和只有二级涡轮工作的情况,因此双涡轮液力变矩器内部流动情况更为复杂[3]。 要研制一种新型的液力变矩器需要的费用较高,又因车辆的安装空间有所限制和液力变矩器的外形和尺寸也很受限制,因此我国对于液力变矩器的研究和应用处于滞后状态,目前为适应需要,大多是在原有产品的基础上进行优化改型[4],改进途径也主要集中在叶片的优化改型上[5-6]。本文研究的目的是利用 CFX 计算流体软件,对 YJSW315 双涡轮液力变矩器内部流场进行了数值模拟仿真,根据仿真结果详细的分析了液力变矩器的内部流动情况及计算了各叶轮的性能参数,通过深入研究各叶轮的流场和性能与叶片形状的关系,分别对泵轮、一级涡轮和二级涡轮提出多种优化改型方案,然后将各叶轮的最佳优化改型方案进行组合,再进行数值模拟计算、分析和比较,最终得出了泵轮、一级涡轮和二级涡轮的最佳组合优化方案,使变矩器效率得到明显提高,这对液力变矩器改进或研发具有一定的指导意义。 
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1.2 课题来源 
本文是基于“浙江临海机械有限公司”委托的科研项目,以双涡轮液力变矩器为研究对象,利用数值计算方法对其内部流场特点及外部特性进行计算分析,对提高双涡轮液力变矩器的效率问题进行深入研究,研究了双涡轮液力变矩器的优化改进方案,通过对双涡轮液力变矩器的内部流场分析,优化了液力变矩器的叶轮,来达到提高整个液力变矩器的效率,为设计新型的液力变矩器提供理论依据。 数值模拟的特点是可以直观清晰地显示模拟结果、成本低、周期短[7]。随着计算流体力学和计算机技术的发展,利用 CFD 流体计算软件能够比较准确地对液力变矩器的内部流场进行数值模拟和分析,为变矩器的优化改型提供了有效手段,近几年来无论是在国内还是国外,CFD 技术都得到了迅速的发展[8-10]。 在国外,许多学者也正致力于研究数值模拟的方法,并取得了不小的成就。 Sehyun  Shin 等人利用计算流体力学方法对导轮进行了深入的研究,如导轮内部流场中的二次流等一些特征,其研究结果对液力变矩器叶片的优化改型具有很大的的指导意义[11];R、R、BY 等利用计算流体力学软件对液力变矩器的内部流场的总压损失及二次流动进行了深入研究并取得了一些成果[12]。Denton 利用自己提出的混合平面理论通过周向平均的方法消除时变性,并提供了一个改善流场的计算精度的新方法[13]。美国 Lakshminarayana 利用了二维的 N-S 程序对导轮中环面上的流场进行了预测[14]。Tsujita  等通过研究二次流与泵轮内液流速度和叶片旋转之间的关系来研究离心力和科氏力两者的比值与二次流动的关系[15]。 
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第 2 章 液力变矩器性能计算理论基础 

2.1  计算模型的建立
双涡轮液力变矩器由泵轮、一级涡轮、二级涡轮和导轮四个工作轮组成的。各个叶轮的流道包括:内环、外环和叶片之间的空间,加上各叶轮之间的无叶片区域,根据厂家提供的木模图数据,在 Solid Works 软件中分别画出泵轮、一级涡轮、二级涡轮和导轮的几何模型如图 2-2,再在 ICEM 中导出数据。其中泵轮的叶片数27 片、一级涡轮的叶片数 32 片、二级涡轮的叶片数 29 片、导轮的叶片数 20 片。双涡轮液力变矩器几何模型如下:进行计算时液力变矩器使用普通变矩器油,在 CFX 中设定材料的种类为油,其中变矩器油被看做不可压缩流体,工作介质密度不变,其密度设定为 ? =870 kg/m3,粘度设定为 ? =0.005 kg/ m·s。变矩器的所有部件视为刚体,所有部件在工作过程中没有发生变形;工作轮之间的无叶片区域处于压力平衡状态,工作油除了在流道进、出口进出外,从其他地方没有工作介质进入流道。利用 CFX 软件选取 33 个工况(转速比 i 由 0 到 1)分别对变矩器的内部流动进行了数值计算。计算中的一些设置[50]如下: (1)在 CFX 软件中设置四个叶轮的域,工作介质设置为油。 (2)泵轮的流体域转速设置为固定的 2000  r/min,即在 Domain  Motion 选项中设置成 Rotation,导轮流体域设置为静止状态,即在 Domain Motion 选项中设置成 Stationary。因为一级涡轮二级涡轮存在同时工作和只有二级涡轮工作,一级涡轮空转两种情况,其具体设置如下:启动工况下(i=0),一级涡轮和二级涡轮转速设置为 0  r/min。变相点之前工况下,一级涡轮转速和二级涡轮转速根据齿数的不同存在比例关系(即一级涡轮转速/二级涡轮转速=3.072727),按变速比分别计算出一级和二级涡轮的转速,然后在 CFX 设置中分别将一级涡轮和二级涡轮流体域转速设置为相应转速进行计算。变相之后工况下,先通过反复试算计算出一级涡轮转矩为 0  N?m 的转速,再根据二级涡轮与转速比关系确定二级涡轮的转速,并在计算域设置里设置转速。 
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2.2 流场数值分析理论基础 
流体动力学基本方程式是解决流体力学问题的基础,他们假定流体为连续介质,根据经典力学中质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,并结合流体本构方程而建立的[48]。双涡轮液力变矩器中流体的运动遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。但对于液力变矩器而言,其内部流体在流动过程中,温度变化很小,因此系统温度变化可以忽略。因此无需求解能量方程。将连续性方程和动量方程结合在一起称为 Navier-Stokes 方程组,即著名的 N-S 方程组。 本文中使用的离散化方法为效率较高的近似解在子域上余量为零的有限体积法。应用有限体积法不能直接用来求解,因为它需要建立相对应的离散方程,离散方程需要被进行一些调整,并对方程进行特殊处理。目前压力修正算法被广泛应用于流场计算。其基本的原理是利用连续性方程不断的对压力场进行修正,使由动量方程得出的速度场来满足连续性方程[3]。 
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第 3 章 液力变矩器内部流场数值分析 ...... 12 
3.1 泵轮内流场分析 ..... 12
 3.1.1 泵轮速度场分析 ........ 12 
3.1.2 泵轮压力场分析 ........ 13 
3.1.3 泵轮流线分析 .... 14 
3.2 一级涡轮内流场分析 ..... 15
3.3 二级涡轮内流场分析 ..... 18 
3.4 导轮内流场分析 ..... 21 
3.4.1 导轮速度场分析 ........ 21 
3.4.2 导轮压力场分析 ........ 22 
3.4.3 导轮流线分析 .... 23 
3.5 双涡轮液力变矩器原始性能分析 ......... 24
3.6 本章小结 ......... 26
第 4 章 一级涡轮的性能优化研究 ...... 27 
4.1 研究方案的拟定 ..... 27
4.2 改型后内部流场分析 ..... 28
4.3 改型后性能分析 ..... 38 
4.4 改型后水力损失计算分析 ..... 40
4.5 本章小结 ......... 42 
第 5 章 二级涡轮的性能优化研究 ...... 44 
5.1 研究方案的拟定 ..... 44 
5.2 各研究方案的内部流场分析 ......... 45 

第 6 章 液力变矩器各叶轮优化组合分析研究 

6.1 涡轮改型方案的优选 

从启动工况下的速度图(图 6-3)、压力图(图 6-4)、流线图(图 6-5)可以看出,在启动工况(转速比 i=0)下,改进前一级涡轮叶片进口处液流直接冲击到叶片压力面一侧,形成较大的入射角,在一级涡轮叶片前缘有明显的二次流,在内环压力面附近有小范围的低速脱流现象,压力分布不均匀,高压分布在压力面一侧,在叶片前缘吸力面一侧形成低压区,在叶片靠近头部的压力面一侧形成高压区,在头部形成低压区,流线扭曲严重,造成很大的冲击损失;改进后液流的分流位置向叶片前缘移动,二次流和脱流现象有所改善,在压力面一侧形成的高压区向叶片前缘移动且相对均匀,出口处的流线更接近叶片出口角。 从最优工况下的速度图(图 6-6)、压力图(图 6-7)、流线图(图 6-8)可以看出,在最优工况(转速比 i=0.45)下,液流的冲击点向叶片前缘移动,且相比一级涡轮改型的最优方案的情况分流位置也向叶片前缘移动,二次流和脱流现象明显改善,从压力分布图上可以看出改型后在进口处形成的高压区也向叶片前缘移动,压力分布相对均匀。 

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