一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法技术

本发明专利技术提出了一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法，本发明专利技术首先以EL9型液力变矩器为基型，通过数值模拟分析其能量损失的主要来源，确定叶片角优化的叶轮区域；其次，依据一元束流理论建立液力变矩器特性计算模型，采用小种群遗传算法对涡轮与固定导轮叶片角进行优化；最后，利用CFD技术对优化后的变矩器进行数值模拟，验证优化结果。结果表明优化后液力变矩器在低转速比工况范围内其平均效率比原型有明显提升，且泵轮力矩系数在全工况范围内小幅提升。

【技术实现步骤摘要】
一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法
本专利技术属于可调式液力变矩器
，特别是涉及一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法。
技术介绍
可调式液力变矩器可在不改变原动机输入特性的前提下，实现输出转速与工作机负载特性的大幅度变化调节，通常与行星齿轮调速装置配合使用。其工作不依赖电源，可连续运行时间长，传动效率高，非常适用于锅炉给水泵与石油钻机等设备。可调式液力变矩器调速幅度大，工作中常见其在正负设计转速比之间大范围变化，单以设计转速比工况效率衡量其经济性能不符合实际情况，应考虑各转速比工况下的综合效率。液力变矩器的传动原理决定了，其不同转速比效率间存在此消彼长的关系，传统的以设计转速比效率高为目标的液力变矩器优化方案往往不能使各转速比工况综合效率达到最佳。此外，在提高变矩器效率的同时，尚需保证变矩器的泵轮力矩系数等参数满足设计要求，因此可调式液力变矩器的优化是一个多因素折中考量的问题，非常适合通过多目标优化方法来解决。
技术实现思路
本专利技术目的是为了提高液力变矩器的综合效率，提出了一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法，包括以下步骤：步骤一、通过数值模拟确定可调式液力变矩器低转速比区间内能量损失产生区域；步骤二、根据一元束流理论建立可调式液力变矩器特性计算模型，得到液力变矩器各特性参数；步骤三、根据步骤二所得结果，采用小种群遗传算法对叶片角度进行优化；步骤四、对优化结果进行数值模拟验证。进一步地，所述步骤一具体为：步骤1.1、将泵轮流道、涡轮流道、可调导轮流道与固定导轮流道组成液力变矩器循环圆；步骤1.2、设定边界条件；步骤1.3、计算液力变矩器性能的特性参数效率η，其与转速比i的关系为：式中MB为泵轮转矩，MT为涡轮转矩；步骤1.4、定义各叶轮流域的能量损失率ζi：式中Q为循环流量，Δpi为各叶轮流域总压损失；ρ为工作油密度，ω为泵轮角速度；计算各叶轮能量损失率随转速比变化趋势；确定液力变矩器内能量损失主要发生区域为涡轮和固定导轮流域。进一步地，所述设定边界条件具体为：工作油密度ρ＝830kg/m3，动力粘度μ＝0.00664Pa·s，泵轮转速为nB＝1492r/min，涡轮转速为nT，不同工况转速比各叶轮内外环以及叶片表面均为无滑移壁面；液力变矩器内流场为四部分叶轮流域共同组成的首尾相衔的封闭流域，各流域之间数据通过交界面进行传递；采用单流道进行计算，将两侧流交界面设置为周期性边界条件。进一步地，所述步骤二具体为：所述可调式液力变矩器由泵轮B、涡轮T、固定导论GD和可调导轮KD四部分组成；采用能量平衡方程建立所述可调式液力变矩器特性计算模型：HB+HT-∑HS＝0式中HB为泵轮理论能头，HT为涡轮理论能头，∑HS为总损失能头；所述总损失能头包括冲击损失能头、摩擦损失能头和涡轮漩涡损失能头；将上述能量损失平衡关系式中各项表示为叶轮效率、叶轮进出口角及泵轮、涡轮转速的函数，可以得到各转速比下各叶轮效率ηi的表达式：另外，可将泵轮力矩系数λBi表示为：上述两式中i为转速比，Qi为各转速比下液力变矩器循环流量，μB为泵轮有限叶片修正系数；r为叶轮进、出口位置旋转半径，β为叶轮进、出口角度，Am为叶轮进、出口处与轴面速度相垂直的流道截面积，ω为叶轮旋转角速度，g为重力加速度，nB为泵轮转速，D为液力变矩器有效直径，角标B为泵轮，角标T为涡轮，角标GD为固定导轮，角标KD为可调导轮，角标1表示叶轮进口，角标2表示叶轮出口。进一步地，所述步骤三具体为：采用小种群遗传算法对低转速比工况下的液力变矩器效率进行优化；选择设计参数：低转速比液力变矩器能量损失出现在涡轮和固定导轮流域，故选择涡轮进口角、固定导轮进口角和固定导轮出口角三个参数作为优化设计的设计参数；优化目标：为转速比0.1-0.5五个工况下液力变矩器的效率η0.1-η0.5，优化目标的评价通过构造线性目标函数来实现，如下式：Y＝ω1η0.1+ω2η0.2+ω3η0.3+ω4η0.4+ω5η0.5式中η0.1-η0.5为液力变矩器0.1-0.5转速比工况下的效率；ω1-ω5为各转速比效率的权重系数；令ω1＝ω2＝ω3＝ω4＝ω5＝1，即相当于取平均效率为优化目标；约束条件的设置：第一、高转速比区效率，即转速比0.6、0.8、1.0三个工况下液力变矩器效率不能过低；第二、泵轮力矩系数不能过低；种群个体数设置为40，选取其中50％的个体进行交配，每次生成20个新个体，共进行500次计算，遗传25代；初始种群通过随机采样的方法得到，存档种群大小为500，交配概率0.9，变异概率0.5；优化结果为涡轮进口角的可行解集中于105°～110°之间，固定导轮进口角的可行解集中于40°～52°之间，固定导轮出口角的可行解集中于115°～122°之间。进一步地，最优优化结果为：涡轮进口角107.5°，固定导轮进口角45.6°，固定导轮出口角117.3°。附图说明图1是本专利技术一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法的流程图；图2是液力变矩器三维模型图；图3是效率计算结果与实验结果对比图；图4是各叶轮能量损失率随转速比变化趋势图；图5是一元理论模型计算结果、数值模拟结果与实验数据的对比图；图6是优化参数搜索过程图；图7是优化前后液力变矩器特性图；图8是优化前后能量损失率对比图；图9是涡轮流域熵产率分布图；图10是涡轮流域流线图；图11是可调导轮流域熵产率分布图；图12是固定导轮与可调导轮交界面压力分布图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术首先以EL9型液力变矩器为基型，通过数值模拟分析其能量损失的主要来源，以此作为优化的指引；其次，依据一元束流理论建立液力变矩器特性计算模型，采用小种群遗传算法对涡轮与固定导轮叶片角进行优化；最后，利用CFD技术对优化后的变矩器进行数值模拟，验证优化结果，并通过总压与熵产率等分析精确定位优化后能量损失降低的位置，阐述效率提升的内在机理。结合图1，本专利技术提出一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法，包括以下步骤：步骤一、通过数值模拟确定可调式液力变矩器低转速比区间内能量损失产生区域；步骤二、根据一元束流理论建立可调式液力变矩器特性计算模型，得到液力变矩器各特性参数；步骤三、根据步骤二所得结果，采用小种群遗传算法对叶片角度进行优化；步骤四、对优化结果进行数值模拟验证。EL9型液力变矩器三维模型图如图2所示，所述步骤一具体为：步骤1.1、将泵轮流道、涡轮流道、可调导轮流道与固定导轮流道组成液力变矩器循环圆；步骤1.2、设定边界条件；步骤1.3、计算液力变矩器性能的特性参数效率η，其与转速比i的关系为：式中MB为泵轮转矩，MT为涡轮转矩；液力变矩器最佳开度下数值计算结果与实验结果对比如图3所示。在低转速比区，计算结果与实验值吻合非常好，在高转速比区计算值略高于实验值，在转速比i＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过数值模拟确定可调式液力变矩器低转速比区间内能量损失产生区域；步骤二、根据一元束流理论建立可调式液力变矩器特性计算模型，得到液力变矩器各特性参数；步骤三、根据步骤二所得结果，采用小种群遗传算法对叶片角度进行优化；步骤四、对优化结果进行数值模拟验证。

【技术特征摘要】
1.一种提高可调式液力变矩器综合效率的叶片角优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过数值模拟确定可调式液力变矩器低转速比区间内能量损失产生区域；步骤二、根据一元束流理论建立可调式液力变矩器特性计算模型，得到液力变矩器各特性参数；步骤三、根据步骤二所得结果，采用小种群遗传算法对叶片角度进行优化；步骤四、对优化结果进行数值模拟验证。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：步骤1.1、将泵轮流道、涡轮流道、可调导轮流道与固定导轮流道组成液力变矩器循环圆；步骤1.2、设定边界条件；步骤1.3、计算液力变矩器性能的特性参数效率η，其与转速比i的关系为：式中MB为泵轮转矩，MT为涡轮转矩；步骤1.4、定义各叶轮流域的能量损失率ζi：式中Q为循环流量，Δpi为各叶轮流域总压损失；ρ为工作油密度，ω为泵轮角速度；计算各叶轮能量损失率随转速比变化趋势；确定液力变矩器内能量损失主要发生区域为涡轮和固定导轮流域。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设定边界条件具体为：工作油密度ρ＝830kg/m3，动力粘度μ＝0.00664Pa·s，泵轮转速为nB＝1492r/min，涡轮转速为nT，不同工况转速比各叶轮内外环以及叶片表面均为无滑移壁面；液力变矩器内流场为四部分叶轮流域共同组成的首尾相衔的封闭流域，各流域之间数据通过交界面进行传递；采用单流道进行计算，将两侧流交界面设置为周期性边界条件。4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体为：所述可调式液力变矩器由泵轮B、涡轮T、固定导论GD和可调导轮KD四部分组成；采用能量平衡方程建立所述可调式液力变矩器特性计算模型：HB+HT-∑HS＝0式中HB为泵轮理论能头，HT为涡轮理论能头，∑HS为总损失能头；所述总损失能头包括冲击损失能头、摩擦损失能头和涡轮漩涡损失能头。将上述能量损失平衡关系式中各项表示为叶轮效率、叶轮进出口角及泵轮、涡轮转速的函数，可以得到各转速比下各叶轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘全忠，董泳，闫国军，王安，邓永康，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23