CN105240480B - 基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法，包括：将某个叶片中间流面的内外环线拆分成点阵，计算某一点法向厚度时，取该点周围一点及对应环线上对应点，作为一组，通过本文中的算法计算该点的法向加厚方向；再在选择一种水滴状翼型函数对应点的函数值作为加厚的厚度值，形成厚度矢量，得出该点加厚后的正、负压力面点，将所有点做相似运算，将得到加厚后的内、外环压力面点群，通过建模软件将点群形成叶片，实现叶片厚度的确定。本发明将符合水滴状翼型特征的厚度函数转化为厚度矢量，运用到空间叶片的厚度设计中去，优点是加厚的叶片符合流体动力学理论，同时可以减少叶片厚度设计参数，并使得叶片设计精度大大提高。

Description

基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法

技术领域

本发明属于液力变矩器技术领域，涉及叶轮机械叶片造型方法，尤其是基于水滴状翼型和直纹曲面特征的液力变矩器叶片造型方法。

背景技术

液力变矩器的开发设计主要是叶栅系统的设计，叶栅设计得是否合理，会直接影响液力变矩器的最高效率、能容、启动转矩比等特性。通常，叶栅的设计分三步进行：计算叶片角度，通过保角变换法或环量分配法计算叶片骨线，通过保角变换法等方法对叶片进行加厚。实践证明，对于液力变矩器而言，涡轮和导轮的叶片形态扭曲度大，厚度变化较为剧烈，因此其叶片厚度变化规律对变矩器性能的影响较大。但是，传统的叶片加厚方法多依赖经验设计，较多采用等倾角射影法，其设计过程复杂且坐标转换过程存在失真，往往设计出来的叶片与理论结果偏差较大，容易造成液力变矩器的理论效率与实际效率偏差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水滴状翼型函数的空间叶片厚度确定方法，该方法将厚度的设计向量化，分别从厚度方向和大小两个方面进行求解，采用该方法对叶片进行造型的过程中，控制参数少，调节方便，叶片连续性好，有利于后续液力变矩器的性能优化。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

步骤1：通过计算或者测绘得到叶片的内环流线和外环流线，将内环流线和外环流线按照弧长等分成若干份，得到等分点坐标。其中，内外环面骨线所在的曲面即为中间流面。

步骤2：计算中间流面在内(外)环线法向厚度方向

将步骤1得到的两组分点坐标分别按照入口到出口编号，得到内环流线点阵S1_i(x,y,z)和外环流线点阵S2_i(x,y,z)。将内环流线上编号为n的点S1_n(x,y,z)、编号为n-1的点S1_n-1(x,y,z)以及外环流线上编号为n的点S2_n(x,y,z)组成的平面认为是点S1_n处的切面；外环线的计算，做类似处理；

如附图3所示，叶片外环需要加厚处的坐标为S2_i(x,y,z)，其相邻点的S2_i-1(x,y,z)，外环上对应的坐标为S1_i(x,y,z)，若该点的法向厚度为y_t(i)，设定加厚后的点坐标为P2_i ⁺(x,y,z)和P2_i ^-(x,y,z)，令为向量和组成平面的法向量，用方程组(1)可以求解该向量。

利用该切面计算该点的法向单位向量，为保证叶片表面的动力学形状，需对叶片中间流面进行两边加厚。因此，取该向量的正向和负向视情况分别作为叶片的两边加厚的方向。

步骤3：计算厚度向量；

根据叶片的扭曲程度选择不同的水滴状翼型函数，然后按照步骤1中内外环分点数目进行插值，作为每点的厚度值函数y_t(i)。将每点的厚度值按一定比例分成两份，分别与步骤2中该点法向的正向和负向结合，得到该点的正向加厚向量和负向加厚向量；

由方程(1)可求出两组法向量，两组方向相反，再根据曲线凹凸特性选取一组向量作为工作面向量，另外一组作为非工作面向量：

式中k值为中间流面上某点到工作面的厚度占该点整个厚度的比例，(1-k)为中间流面上某点到非工作面的厚度占该点整个厚度的比例。对于叶片弯曲的外侧点，其厚度比例k取值较大，取值范围为55％-75％，最佳值为65％；对于叶片弯曲的内侧，加厚易产生扭曲，故取值较小，取值范围为25％-45％，最佳值为35％。实践中，在最佳值附近微调，以加厚出的叶片广顺，平滑为准。计算出的和即为内环加厚后的工作面、非工作面点坐标。

步骤4：叶片加厚

根据上述的计算，将该点的坐标按照向量进行加厚，得到叶片的加厚后的正负面点；将内、外环流线加厚后的正压力面点用样条曲线连接后，生成直纹曲面为正压力面；将内、外环流线加厚后的负压力面点用样条曲线连接后，生成直纹曲面为负压力面；

对内环线上其余的点分别作上述运算，得到的内环加厚后的工作面、非工作面点阵P1⁺和P1^-；再对外环流线作上述运算，得到外环点阵P2⁺和P2^-。将点阵P1⁺和P2⁺用直纹曲面连接，得到叶片工作面；将点阵P1^-和P2^-用直纹曲面连接，再通过桥接、缝合操作，即可得到成型叶片。

正负压力面在建模软件中采用桥接或者缝合操作，因法向加厚而产生的多余部分，利用叶片的边界尺寸要求进行修剪，得到加厚叶片三维实体。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

本方法将厚度的设计向量化，分别从厚度方向和大小两个方面进行设计，使用该方法对叶片进行造型的过程中，控制参数少，调节方便，叶片连续性好，有利于后续液力变矩器的性能优化。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为NACA0015翼型特征。

图3为法向加厚算法原理。

图4为叶片法向加厚示意图。

图5为叶片三维实体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图以双涡轮液力变矩器涡轮叶片设计实例，对本发明作进一步的详细说明。

通常，双涡轮液力变矩器的第一涡轮和导轮呈现为入口钝圆出口细长的水滴状。液力变矩器叶片设计时，通常是对中间流面进行加厚，但由于叶片骨线一般较为平直，因此，欲设计出水滴状的叶片形状，势必对叶片加厚方法提出更高的要求。对于传统的设计方法，例如等角射影法而言，设计难度更大，且需要设计者反复尝试，本发明引入厚度矢量，并将水滴状厚度函数值运用到厚度矢量中，通过厚度设计矢量化，使问题得到有效解决。

步骤1：对某型号的双涡轮液力变矩器进行叶片厚度设计，通过测量得到循环圆尺寸，再利用环量分配法计算得到叶片的中间流面上的三条线：中间流线、内环流线和外环流线，将该叶片的中间流线、内环流线和外环流线作为输入。将中间流线和内、外环流线按照弧长进行等分，得到分点坐标。

步骤2：计算中间流面在内(外)环线法向厚度方向

将步骤1得到的内、外环流线分点坐标分别按照入口到出口编号，得到内环流线S1_i(x,y,z)和外环流线S2_i(x,y,z)。将内环流线上编号为n的点S1_n(x,y,z)、编号为n-1的点S1_n-1(x,y,z)以及外环流线上编号为n的点S2_n(x,y,z)组成的平面认为是点S1_n处的切面；外环线的计算，做类似的处理；

如图3所示，叶片外环需要加厚处的坐标为S2_i(x,y,z)，其相邻点的S2_i-1(x,y,z)，外环上对应的坐标为S1_i(x,y,z)，若该点的法向厚度为y_t(i)，设定加厚后的点坐标为和令为向量和组成平面的法向量，用方程组(3)可以求解该向量。

利用该切面计算该点的法向单位向量，为保证叶片表面的动力学形状，需对叶片中间流面进行两边加厚。因此，取该向量的正向和负向视情况分别作为叶片的两边加厚的方向。

步骤3：计算厚度向量；

根据叶片的扭曲程度选择不同的水滴状翼型函数，本实施例中，第一涡轮和导轮选取的是NACA(National Advisory Committee for Aeronautics)翼型的0015翼型系列，其翼型函数为：

式中，y_t(i)指叶片厚度函数，i指叶片内环流线上某点到入口的弧长占整个叶片长度的百分比，T_max为叶片最大厚度。将该厚度值分别与该点法向向量的正向和负向结合，得到正向加厚向量和负向加厚向量；

由方程(3)可求出两组法向量，两组方向相反，再根据曲线凹凸特性选取一组向量作为工作面向量，另外一组作为非工作面向量：

式中k值为中间流面上某点到工作面的厚度占该点整个厚度的比例，(1-k)为中间流面上某点到非工作面的厚度占该点整个厚度的比例。对于叶片弯曲的外侧点，其厚度比例k取值较大，取值范围为55％-75％，最佳值为65％；对于叶片弯曲的内侧，加厚易产生扭曲，故取值较小，取值范围为25％-45％，最佳值为35％。实践中，在最佳值附近微调，以加厚出的叶片广顺，平滑为准。若某轮工作面为叶片弯曲外侧点，则可令k＝65％，否则，k＝35％。

按照式(5)计算出的和即为外环加厚后的工作面、非工作面点坐标

步骤4：叶片加厚

根据上述的计算，得到外环流线上某点加厚后的正负压力面点；对外环线上其余的点分别作上述运算，得到外环加厚后的工作面、非工作面点阵P2⁺和P2^-；再对内环流线作上述运算，得到内环点阵P1⁺和P1^-。将点阵P1⁺和P2⁺用直纹曲面连接，得到叶片工作面；将点阵P1^-和P2^-用直纹曲面连接，再通过桥接、缝合操作，再将因法向加厚而产生的多余部分，利用循环圆形状的约束条件对其进行修剪，即得到加厚叶片三维实体。

本发明运用一种特别的曲面法向加厚算法，将符合水滴状翼型特征的厚度函数转化为厚度矢量，运用到空间叶片的厚度设计中去，优点是加厚的叶片符合流体动力学理论，同时可以减少叶片厚度设计参数，并使得叶片设计精度大大提高。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法，其特征在于：将某个叶片中间流面的内外环线拆分成点阵，计算某一点法向厚度时，取叶片中间流面内\外环线的点阵上某点周围一点及对应环线上对应点，作为一组，计算叶片中间流面内\外环线的点阵上该点的法向加厚方向；选择一种水滴状翼型函数对应点的函数值作为加厚的厚度值，形成厚度矢量，得出叶片中间流面内\外环线的点阵上该点加厚后的正、负压力面点，将所有点做相似运算，将得到加厚后的内、外环压力面点群，通过建模软件将点群形成叶片，实现叶片厚度的确定。

2.根据权利要求1所述的基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：给定叶片的内环流线和外环流线，将内环流线和外环流线根据弧长等分成若干份，得到分点坐标，其中内外环线组成的面成为中间流面；

步骤2：计算内或外环线法向厚度方向；

步骤3：计算厚度向量；

步骤4：叶片加厚。

3.根据权利要求2所述的基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法，其特征在于：所述步骤2中：将步骤1得到的两组分点坐标分别按照入口到出口编号，得到内环流线点阵S1_i(x,y,z)和外环流线点阵S2_i(x,y,z)；将内环流线上编号为n的点S1_n(x,y,z)、编号为n-1的点S1_n-1(x,y,z)以及外环流线上编号为n的点S2_n(x,y,z)组成的平面认为是点S1_n处的切面；外环线的计算，做类似的处理；

利用该切面计算内\外环流线点阵上编号为n的点的法向单位向量，为保证叶片表面的动力学形状，需对叶片中间流面进行两边加厚；取内\外环流线上编号为n的点的法向单位向量的正向和负向视情况分别作为叶片的两边加厚的方向。

4.根据权利要求2所述的基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法，其特征在于：所述步骤3中：根据叶片的扭曲程度选择不同的水滴状翼型函数，然后按照步骤1中内外环分点数目进行插值，作为每点的厚度值；将每点的厚度值按一定比例分成两份，叶片弯曲的凸面处厚度占整个厚度的比例为55％-75％，凹面处厚度占整个厚度的25％-45％，分别与内\外环流线点阵上编号为n的点的法向的正、负向结合，得到正向加厚向量和负向加厚向量。

5.根据权利要求4所述的基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法，其特征在于：叶片弯曲的凸面处厚度占整个厚度的比例为65％；凹面处厚度占整个厚度的35％。

6.根据权利要求2所述的基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法，其特征在于：所述步骤4中：将对应点的坐标按照步骤3得出的向量进行加厚，得到叶片的加厚后的正负面点；将内、外环流线加厚后的正压力面点用样条曲线连接后，生成直纹曲面为正压力面；将内、外环流线加厚后的负压力面点用样条曲线连接后，生成直纹曲面为负压力面。

7.根据权利要求6所述的基于水滴状翼型函数的液力变矩器叶片厚度确定方法，其特征在于：所述正、负压力面在建模软件中采用桥接或者缝合操作，因法向加厚而产生的多余部分，利用叶片的边界尺寸要求进行修剪，得到加厚叶片。