基于正交设计的泵轮叶栅关键参数对液力变矩器的性能影响优化分析

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    液力变矩器是一种包含离心泵轮、向心涡轮和轴流式导轮的透平机械，它是机械和液力机构的复杂液固耦合系统，装有液力变矩器的动力传动系统可以使整个系统平稳起步、无级变速和变矩，因此它是动力传动机械中的关键部件之一[1-3]。其中，液力变矩器的流道是由内环、外环及许多叶片构成的空间。由于流道的曲率变化复杂、液体介质的黏性及其不可压缩性，使得液体在流道内的运动不断地发生变化，液体在流场中的流动状态直接影响透平机械的性能，因此改善液力变矩器结构参数是提高其工作性能的关键。

    为此，Shin 等[4-5]基于三维流场研究了液力变矩器的叶片厚度比、卷曲角(scroll angles)、开槽角(slot angles)等结构参数和装配位置对液力变矩器性能的影响。Schweitzer 等[6]分析了液力变矩器的导轮和循环圆等对液力变矩器性能影响较大的结构参数。Song 等[7]以及国内的王健和雷雨龙等[8-9]利用液力变矩器一体化设计，通过对不同参数变化生成叶栅模型进行对比分析，总结出叶栅形状等对液力变矩器性能影响的基本规律，并获得最优参数进行改型设计。Ejiri 等[10]提出了循环圆扁平率的概念，即循环圆宽度与有效直径比或循环圆高度与有效直径之比，并研究表明，当扁平率低于 0.2 的时候整体性能会显著变差。Kubo 等[11]以液力变矩器涡轮偏流角和泵轮流道的收缩比为例，分析设计参数对液力变矩器内流场特征和损失情况的影响。Kim 等[12]提出适应液力变矩器扁平化的一个重要设计手段就是修改导轮的几何尺寸。吴光强等[13]主要从液力变矩器的流场分析角度指导叶栅设计。

    人们期望通过改善液力变矩器叶栅流道内的流场分布以提高其工作性能，利用了各种仿真手段分析液力变矩器结构的改变对其工作性能的影响。影响液力变矩器流场特性的结构因素包括叶栅参数(主要为叶栅进、出口角、叶栅厚度比、叶栅骨线形状和叶片数)、尺寸(主要为循环圆有效直径)以及工艺因素(主要为制造偏差和表面粗糙度)等，如果对每个参数都相互搭配进行全面分析其计算量是相当惊人的。以往的仿真分析仅仅停留在单因素影响规律的研究上，未对各因素的影响权重进行比较，也未建立影响因素与优化目标的定量关系以指导液力变矩器的结构设计。因此，采用正交设计方法对仿真试验参数进行合理安排，正交试验设计属于“田口方法”[14]中重要的一种，该方法多应用于农业、化工和医药等领域，但将其应用于液力变矩器的结构参数设计还未见报道。

    目前，国内对液力变矩器性能研究的方法相对较少，而且尚未发现基于多重参考系(multiplereference fram，MRF)技术并采用全流道模型来研究液力变矩器内流场的国内外公开文献。因此，本文以液力变矩器泵轮结构参数为研究对象，提出采用MRF 方法对液力变矩器全流道模型进行仿真分析，借助 CAD/CFD 软件对正交设计方法安排的试验方案进行仿真，并采用正交表对仿真数据进行极差分析，选出了满足相应评价指标最佳值的液力变矩器泵轮叶栅进、出口角组合。此外，利用统计软件 SAS对正交试验结果进行方差分析，得到各参数对优化目标的影响权重，进而对各因素进行回归分析，得到优化目标与参数之间的回归方程。分析得到的结论可为设计人员提供有价值的参数设计依据，并为液力变矩器结构的优化设计奠定基础。