謝仲陽 李獻(xiàn)凱

摘要：針對APS3200型輔助動力裝置進(jìn)氣導(dǎo)向葉片的風(fēng)蝕故障現(xiàn)象，利用CATIA軟件建立進(jìn)氣導(dǎo)向葉片簡化模型，結(jié)合其實(shí)際工作狀態(tài)以及材料特性，對其進(jìn)行流場分析（CFD）計算，確定進(jìn)氣導(dǎo)向葉片風(fēng)蝕產(chǎn)生的根本原因及發(fā)展特性，為零件的檢查重點(diǎn)和零件的可靠性分析提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：CATIA；輔助動力裝置；進(jìn)氣導(dǎo)向葉片；CFD；檢查

Keywords：CATIA；APU；inlet guide vane；CFD；inspection

0 引言

輔助動力裝置（APU）具有許多中小型航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計特點(diǎn)，如功率小、體積小、重量輕，空氣流量小，尺寸效應(yīng)突出，燃油流量低，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，且大多采用離心式壓氣機(jī)。APU是整體結(jié)構(gòu)件，大部分技術(shù)與中小型航空發(fā)動機(jī)通用[1]。

結(jié)合在APU修理廠多年的修理經(jīng)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣導(dǎo)向葉片風(fēng)蝕損傷故障率較高，且風(fēng)蝕損傷現(xiàn)象趨于一致，但程度不同。與核心轉(zhuǎn)動部件相比，進(jìn)氣導(dǎo)向葉片故障分析的文獻(xiàn)較少，但這并不代表其作用小、功能弱。同時，在對131-9型APU的維修過程中，曾發(fā)生過多起進(jìn)氣導(dǎo)向葉片折斷后被吸入核心機(jī)中，造成轉(zhuǎn)動部件嚴(yán)重?fù)p傷的案例。因此，對APS3200型APU進(jìn)氣導(dǎo)向葉片進(jìn)行深入研究，分析其失效模式，尋找失效原理，提前進(jìn)行預(yù)防維修，具有十分重要的意義。

1 故障情況

查詢整理出20臺APU進(jìn)氣導(dǎo)向葉片的裝機(jī)使用時間及損傷更換情況（見表1）。為確保抽樣的準(zhǔn)確性，只選用了第一次進(jìn)廠修理的APU及上一次進(jìn)廠修理時葉片全部更換的APU，以確保所整理的研究對象均是從全新狀態(tài)開始使用的。APS3200型APU的進(jìn)氣導(dǎo)向葉片，每臺數(shù)量共24個，其中封閉型進(jìn)氣導(dǎo)向葉片19片，為防止APU啟動時產(chǎn)生負(fù)壓而設(shè)有通氣孔的非封閉型進(jìn)氣導(dǎo)向葉片5片。由表1可知，20臺APU葉片數(shù)量共計480個，損傷更換的葉片數(shù)量為317個，計算可知其風(fēng)蝕損傷更換的故障率為66%，故障率較高。

詳細(xì)分析進(jìn)氣導(dǎo)向葉片的工作狀態(tài)：葉片處于APU引氣系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由進(jìn)氣網(wǎng)、進(jìn)氣腔體、進(jìn)氣導(dǎo)向葉片、齒輪、作動器和引氣控制活門等部件組成。進(jìn)氣導(dǎo)向葉片是處于引氣系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的零件，位于進(jìn)氣網(wǎng)內(nèi)，下一個環(huán)節(jié)就是核心機(jī)部件，直接控制了進(jìn)入負(fù)載段的進(jìn)氣量。如圖1所示，當(dāng)APU引氣時，空氣通過進(jìn)氣網(wǎng)后被下進(jìn)氣腔體劃分，經(jīng)過進(jìn)氣導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)進(jìn)氣量后進(jìn)入負(fù)載段核心機(jī)，由負(fù)載葉輪壓縮后通過引氣控制活門調(diào)控輸送至客艙或者排出。因此，APU使用時（即進(jìn)入給大發(fā)或客艙供氣的狀態(tài)），進(jìn)氣導(dǎo)向葉片直接接觸高速、大流量的氣體，這正是造成其故障率高的關(guān)鍵原因。

結(jié)合實(shí)際工作情況，進(jìn)氣導(dǎo)向葉片的風(fēng)蝕損傷一般是從葉片根部向上10mm范圍最為嚴(yán)重；在達(dá)到一定風(fēng)蝕程度后，在葉片上部向下10mm范圍內(nèi)也會出現(xiàn)風(fēng)蝕損傷現(xiàn)象（見圖2）。雖然手冊中給出了風(fēng)蝕損傷不同級別的檢查標(biāo)準(zhǔn)，但是在以往的檢查過程中也遇到過葉片風(fēng)蝕穿透的情況。如果未及時下發(fā)檢查，葉片風(fēng)蝕折斷后吸入核心機(jī)將造成嚴(yán)重后果。

2 基于CATIA的進(jìn)氣導(dǎo)向葉片三維模型建立

為進(jìn)一步分析進(jìn)氣導(dǎo)向葉片風(fēng)蝕損傷原因，需要依靠CFD分析其周圍流場的特性，以對其可靠性及后續(xù)的檢查給出指導(dǎo)意見。

結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，有無預(yù)留通氣孔的進(jìn)氣導(dǎo)向葉片的損傷情況基本一致。為了簡化研究流程，本文只選取封閉型葉片為研究對象。根據(jù)已知數(shù)據(jù)及逆向工程測繪，使用CATIA軟件繪制三維模型，如圖3所示。

3 基于Fluent的進(jìn)氣導(dǎo)向葉片流場分析

CFD是指利用計算機(jī)進(jìn)行操作的流體模擬仿真技術(shù)。CFD技術(shù)十分強(qiáng)大，可以對實(shí)體模型進(jìn)行建模，然后設(shè)立工況進(jìn)行求解，最后再對結(jié)果進(jìn)行加工處理，以圖形的方式呈現(xiàn)出來，進(jìn)而提供一種方便的閱讀模式[2]。Fluent是CFD中比較方便快捷以及準(zhǔn)確的一款軟件，在流場領(lǐng)域受到廣大用戶的青睞。在工業(yè)領(lǐng)域中，無論液體流體還是氣體流體，均可以在Fluent軟件中進(jìn)行模擬計算。Fluent在航空航天、汽車和渦輪設(shè)計等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[3]。

3.1 網(wǎng)格劃分

基于CFD的理論基礎(chǔ)，對流經(jīng)葉片的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真過程中最重要的一個環(huán)節(jié)就是網(wǎng)格劃分，將直接影響后續(xù)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。網(wǎng)格的質(zhì)量可以提高壓氣機(jī)內(nèi)部流場仿真研究的準(zhǔn)確性，也能提高數(shù)值模擬的精度和計算時收斂的概率[5]。本研究分析的是數(shù)模周圍的空氣流通情況，應(yīng)用Fluent Meshing中的面網(wǎng)格自動劃分功能，設(shè)置最小網(wǎng)格為1mm，網(wǎng)格劃分完成后產(chǎn)生597378個單元。劃分網(wǎng)格后檢查網(wǎng)格，保證不存在負(fù)體積網(wǎng)格，劃分后效果如圖4所示。

3.2 邊界條件設(shè)置

手冊內(nèi)關(guān)于氣動方面的參數(shù)并不多，但結(jié)合實(shí)際工作，可從試車參數(shù)中得到相關(guān)數(shù)據(jù)。且已知APU引氣部分的結(jié)構(gòu)特性，在進(jìn)氣腔體處有進(jìn)氣格板，引氣部分由下進(jìn)氣腔經(jīng)過一個隔板，通過進(jìn)氣導(dǎo)向葉片進(jìn)入負(fù)載葉輪，從而實(shí)現(xiàn)APU的引氣功能。雖然在引氣活門部分有外接排氣段的接口，但是本文只在零件損傷原理部分給出相應(yīng)討論。雖然氣動數(shù)據(jù)并不完全準(zhǔn)確，但并不影響最終結(jié)果。結(jié)合兩部分綜合考慮，設(shè)定進(jìn)氣導(dǎo)向葉片的主要數(shù)據(jù)包括：質(zhì)量流量0.42kg/s；壓力101.325kPa；溫度20℃。

由于所分析的空氣流動為可壓縮流動，空氣的粘度隨溫度變化，所以將氣體設(shè)置為Ideal-gas，即理想氣體，滿足氣體狀態(tài)方程，從而使求解器自動激活能量方程[6]。設(shè)置操作壓強(qiáng)為一個大氣壓，即101325Pa；選擇Pressure-farfield邊界條件，設(shè)置遠(yuǎn)場壓力邊界條件；將表壓設(shè)置為0Pa，遠(yuǎn)場絕對壓力為101325Pa。在微分離散格式中，梯度采用基于單元的最小二乘法，修正的湍流粘度采用二階迎風(fēng)格式。在Fluent中默認(rèn)的收斂準(zhǔn)則為所監(jiān)視的殘差值和絕對值，其值均小于0.001。

3.3 流場分析

輸出分析結(jié)果，其矢量流線圖如圖5所示。由圖5可以看出，空氣在葉片背風(fēng)面形成渦流，迎風(fēng)面為流暢的線條。設(shè)置3層截面，對比其流線圖可知，葉片下層流線線條較為密集，較上層易形成風(fēng)蝕損傷（見圖6）。通過數(shù)據(jù)可得，在橫截面上靠近葉片前緣1/3處氣流最為密集，此處為最大風(fēng)蝕點(diǎn)。對比零件的實(shí)際工況損傷，結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過對APS3200型APU進(jìn)氣導(dǎo)向葉片建立模型并進(jìn)行流場分析，得到葉片工作時周圍空氣的流線圖，發(fā)現(xiàn)在葉片根部及上部有渦流形式的氣流出現(xiàn)，且根部多于上部，這合理地解釋了己知工況下葉片損傷情況的產(chǎn)生原理。在實(shí)際檢查零件中也發(fā)現(xiàn)了上部的風(fēng)蝕晚于根部出現(xiàn)的現(xiàn)象，或者說上部的風(fēng)蝕損傷情況輕于根部。在今后的拆機(jī)檢查工作中，應(yīng)著重檢查葉片的根部區(qū)域，以防風(fēng)蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致折斷的情況出現(xiàn)。

根據(jù)分析還得出了理論風(fēng)蝕最大點(diǎn)。最大風(fēng)蝕點(diǎn)的確定，不僅可以提高檢查效率，而且為此零件后期的其他研究提供了理論基礎(chǔ)。

本文只在風(fēng)蝕面及具體位置上做出了相應(yīng)的討論，之后的研究中還將開展以下工作：

1）針對葉片的旋轉(zhuǎn)角度，借助模擬仿真尋找風(fēng)蝕潛力最大的角度位置；

2）將所有葉片進(jìn)行裝配設(shè)置，研究進(jìn)氣腔體整體的動力特性；

3）針對零件的材料特性、風(fēng)蝕后進(jìn)一步對氣流產(chǎn)生的影響做出相應(yīng)的討論驗(yàn)證，并結(jié)合相關(guān)的可靠性研究方法，對葉片的使用壽命給出相應(yīng)的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1]李東杰.輔助動力裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].航空科學(xué)技術(shù)，2012（6）：7-10.

[2]楊明浩.增壓器壓氣機(jī)蝸殼流場仿真研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2020.

[3]李重偉.有限元分析方法綜述[J].天津建設(shè)科技. 2006（z1）：1-4.

[4]王莎莎，金向陽，施法，等.基于Fluent的面團(tuán)流經(jīng)機(jī)筒區(qū)域分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（32）：110-112.

[5]張敏，盛頌恩，黃慶宏，等. 結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格之間的轉(zhuǎn)換及應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006（6）：684-687.

[6]劉志剛，管殿柱，白碩瑋，等.基于Fluent的無人帆船流體動力學(xué)分析[J].青島大學(xué)學(xué)報，2019，34（4）：56-59.