渦輪葉片電解加工的流場(chǎng)仿真分析

□ 趙 晗 □ 范慶明

西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021

1 研究背景

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件,形狀復(fù)雜,加工難度大,一直是發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如今,全球航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)在突破設(shè)計(jì)形式、材料技術(shù)和制造技術(shù)的同時(shí),廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),逐漸向結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、材質(zhì)高性能化、加工方式低成本化與高效化的方向發(fā)展[1-2]。電解加工是一種基于電化學(xué)基礎(chǔ)的陽(yáng)極溶解非接觸式加工技術(shù),無(wú)加工工具損耗,適合加工難切削材料[3-5]。業(yè)內(nèi)對(duì)電解加工開(kāi)展了一系列研究。賈明浩[6]對(duì)電解加工的流場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,指出傳統(tǒng)電解液供給方法分類的局限性,并根據(jù)各類零件電解加工流場(chǎng)設(shè)計(jì)的特征,提出新的分類方法。徐正揚(yáng)等[7]采用三頭進(jìn)給電解加工葉片方式,設(shè)計(jì)雙向進(jìn)液流動(dòng)形式進(jìn)行葉片電解加工試驗(yàn),證明這一電解加工方式有利于提高加工的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。筆者以圖1所示航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片為研究對(duì)象,應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)葉片陰極型面流場(chǎng)進(jìn)行分析,得到不同加工間隙及電解液壓力下流場(chǎng)的分布特性[8]。

▲圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片

2 流道三維模型

應(yīng)用CATIA軟件,分別建立加工間隙為0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm的渦輪葉片葉背和葉盆陰極型面三維模型。這三種不同加工間隙的渦輪葉片陰極型面三維模型相似，其中，間隙為0.3 mm的渦輪葉片陰極型面三維模型如圖2所示。新建的陰極型面與渦輪葉片葉盆、葉背分別構(gòu)成封閉的電解液流道模型。在所建立的三種不同加工間隙的封閉流道中,采用相同的方法,在渦輪葉片面上繪制四個(gè)橫截面和五個(gè)縱截面,相交于20個(gè)點(diǎn),從而得到20個(gè)控制點(diǎn)。加工間隙為0.3 mm的渦輪葉片控制點(diǎn)分布如圖3所示。加工間隙為0.3 mm的渦輪葉片葉背控制點(diǎn)坐標(biāo)值見(jiàn)表1,葉盆控制點(diǎn)坐標(biāo)值見(jiàn)表2。

▲圖2 渦輪葉片陰極型面三維模型▲圖3 渦輪葉片控制點(diǎn)分布

3 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

對(duì)電解加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行建模，有以下假設(shè):① 流體為不可壓縮的恒定牛頓流體,即無(wú)論速度梯度如何變化,動(dòng)力黏度不變;② 在電解加工中,電解液取湍流狀態(tài),并且忽略電解液溫度的變化，以及由溫度引起的能量損耗影響,以利于流場(chǎng)的均勻性[9-11]。對(duì)于不可壓縮黏性流體流動(dòng),流體的運(yùn)動(dòng)需要滿足納維-斯托克斯方程:

(1)

表1 渦輪葉片葉背控制點(diǎn)坐標(biāo)

表2 渦輪葉片葉盆控制點(diǎn)坐標(biāo)

式中:ρ為流體密度;u為流體速度;t為時(shí)間;p為流體壓力;μ為動(dòng)力黏度;I為電流;F為作用在流體上的外力。

對(duì)于不可壓縮流的情況,由于速度散度為0,因此有:

(2)

對(duì)于不可壓縮且湍流狀態(tài)的液體,忽略重力的影響,標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程為:

(3)

(4)

μt=ρCμk2/ε

(5)

式中:k為湍流動(dòng)能;ε為湍流耗散率;Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng);xi，xj為坐標(biāo)位置;ui為xi方向上的速度;C1、C2、Cμ、σε、σk為模型常數(shù),C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，σε=1.3，σk=1。

在COMSOL軟件中,物理場(chǎng)選擇“湍流,k-ε(spf)”,求解器類型選擇“穩(wěn)態(tài)”。電解液的流動(dòng)狀態(tài)可分為層流和紊流,只有當(dāng)電解液的流動(dòng)狀態(tài)為紊流時(shí),高速流動(dòng)的電解液才能及時(shí)將電解產(chǎn)物從間隙流場(chǎng)中沖走,從而有利于消除濃差極化并均勻流場(chǎng)[9]。對(duì)由渦輪葉片與陰極型面構(gòu)成的不同加工間隙的封閉流道進(jìn)行研究,應(yīng)用COMSOL軟件進(jìn)行數(shù)值仿真模擬計(jì)算,取流道進(jìn)出口壓力為邊界條件,將仿真結(jié)果用云圖和曲線圖表示,直觀展示流場(chǎng)特性。

4 流場(chǎng)仿真分析

電解加工過(guò)程中，影響流場(chǎng)均勻性的因素有很多。其中,不同加工間隙及電解液壓力對(duì)電解加工過(guò)程中流場(chǎng)穩(wěn)定性的影響最大。基于電解加工的流場(chǎng)理論,設(shè)置電解液出口壓力為大氣壓力,取不同電解液進(jìn)口壓力,應(yīng)用COMSOL軟件對(duì)不同加工間隙的流道模型進(jìn)行流場(chǎng)分析,得到不同加工間隙流道的流場(chǎng)速度和壓力分布。

4.1 0.3 mm加工間隙

當(dāng)加工間隙為0.3 mm、電解液壓力為0.30 MPa時(shí),電解液流經(jīng)渦輪葉片上20個(gè)控制點(diǎn)的流速如圖4所示,渦輪葉片流場(chǎng)速度云圖如圖5所示,壓力云圖如圖6所示。可見(jiàn),渦輪葉片葉盆、葉背控制點(diǎn)處電解液流速在6～6.6 m/s之間波動(dòng),沒(méi)有低于5 m/s流速的低速區(qū)域，且分布較為均勻。流場(chǎng)壓力數(shù)值分布較為均勻,處于0.1～0.2 MPa之間,無(wú)極端壓力值。

由于電解液壓力為0.30 MPa時(shí),流場(chǎng)流速整體較低,不利于電解產(chǎn)物的及時(shí)排出,因此考慮設(shè)置不同電解液壓力進(jìn)行分析。當(dāng)電解液壓力處于0.25～0.40 MPa時(shí),渦輪葉片上20個(gè)控制點(diǎn)處電解液的流速如圖7所示。

由圖7可以看出,在相同的加工間隙和不同的電解液壓力下,電解液流速變化規(guī)律基本一致,且電解液壓力越大，流速越快。電解液的壓力每增大 0.05 MPa,

▲圖4 0.3mm加工間隙、0.30MPa電解液壓力時(shí)渦輪葉片各控制點(diǎn)流速▲圖5 0.3mm加工間隙、0.30MPa電解液壓力時(shí)渦輪葉片流場(chǎng)速度云圖

▲圖6 0.3mm加工間隙、0.30MPa電解液壓力時(shí)渦輪葉片流場(chǎng)壓力云圖▲圖7 0.3mm加工間隙、不同電解液壓力時(shí)渦輪葉片各控制點(diǎn)流速

電解液流速大約加快1 m/s。由圖3可知,控制點(diǎn)1～4、5～8、9～12、13～16、17～20分別控制渦輪葉片五個(gè)縱截面,不同縱截面上幾個(gè)點(diǎn)的流速變化規(guī)律基本一致。葉背環(huán)境下,同一縱截面的四個(gè)控制點(diǎn)中，低位點(diǎn)流速均慢于高位點(diǎn)流速,且緩慢加快。葉盆環(huán)境下，低位點(diǎn)流速均快于高位點(diǎn)流速。

4.2 0.4 mm加工間隙

將加工間隙改為0.4 mm,當(dāng)電解液壓力分別為0.30 MPa、0.35 MPa、0.40 MPa時(shí),渦輪葉片上20個(gè)控制點(diǎn)處電解液的流速如圖8所示?？梢?jiàn),不同電解液壓力下，加工間隙為0.4 mm時(shí)電解液的流速變化規(guī)律與加工間隙為0.3 mm時(shí)基本一致,但電解液流速均加快約1 m/s。

▲圖8 0.4mm加工間隙、不同電解液壓力時(shí)渦輪葉片各控制點(diǎn)流速

當(dāng)加工間隙為0.4 mm、電解液壓力為0.35 MPa時(shí),渦輪葉片流場(chǎng)速度云圖如圖9所示,壓力云圖如圖10所示。

改變加工間隙后,渦輪葉片流場(chǎng)速度明顯加快,低速區(qū)域明顯減小,流場(chǎng)速度分布較為均勻。流場(chǎng)的壓力處于0.1～0.3 MPa之間,相較加工間隙為0.3 mm時(shí)最小壓力和最大壓力均有所增大。

4.3 0.5 mm加工間隙

將加工間隙改為0.5 mm,當(dāng)電解液壓力分別為0.30 MPa、0.35 MPa、0.40 MPa時(shí),渦輪葉片上20個(gè)控制點(diǎn)處電解液的流速如圖11所示。

當(dāng)加工間隙改為0.5 mm后,渦輪葉片流場(chǎng)速度云圖和壓力云圖與加工間隙為0.3 mm和0.4 mm時(shí)無(wú)明顯差異,相同電解液壓力下電解液流速比加工間隙為0.4 mm時(shí)穩(wěn)定加快約1 m/s。電解液流速整體變化規(guī)律與加工間隙為0.3 mm、0.4 mm時(shí)基本一致,均維持在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)上下浮動(dòng)。

▲圖9 0.4mm加工間隙、0.35MPa電解液壓力時(shí)渦輪葉片流場(chǎng)速度云圖

4.4 0.30 MPa電解液壓力

由上述各加工間隙在不同電解液壓力下渦輪葉片控制點(diǎn)的流速可知,各控制點(diǎn)的流速在一定的流速范圍內(nèi)上下波動(dòng),流速變化規(guī)律基本一致。取同一電解液壓力、不同加工間隙下的控制點(diǎn)流速進(jìn)行分析,當(dāng)電解液壓力為0.30 MPa,加工間隙分別為0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm時(shí),對(duì)流速分布進(jìn)行比較，各控制點(diǎn)流速如圖12所示。

當(dāng)電解液壓力不變時(shí),改變加工間隙,各控制點(diǎn)的流速在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng),流速變化規(guī)律基本一致。渦輪葉片上各控制點(diǎn)的流速隨加工間隙的增大而加快，加工間隙增大0.1 mm,各控制點(diǎn)流速加快約1 m/s。

5 結(jié)束語(yǔ)

在建立渦輪葉片電解加工電解液封閉流道三維模型后,針對(duì)不同加工間隙進(jìn)行仿真分析，確認(rèn)電解液流加速與壓力存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。電解液壓力增大時(shí),流速加快。當(dāng)電解液壓力一定時(shí),隨著加工間隙的增大,流速逐漸加快。不同加工間隙對(duì)電解加工的精度有一定影響,流場(chǎng)分布越均勻,電解加工的精度越高。當(dāng)加工間隙為0.3 mm時(shí),渦輪葉片20個(gè)控制點(diǎn)流速變化幅度相比加工間隙為0.4 mm、0.5 mm時(shí)小,因此流場(chǎng)更均勻，加工精度更高。在一定范圍內(nèi),加工間隙減小,可以減小加工表面的傳遞誤差,從而提高電解加工的精度及加工表面質(zhì)量。但是，加工間隙減小超過(guò)一定范圍后,極小的加工間隙會(huì)使電解液流速減慢,從而導(dǎo)致電解產(chǎn)物無(wú)法及時(shí)排出流道,造成堆積,影響電解加工過(guò)程中的順暢度和加工表面精度。

▲圖10 0.4mm加工間隙、0.35MPa電解液壓力時(shí)渦輪葉片流場(chǎng)壓力云圖▲圖11 0.5mm加工間隙、不同電解液壓力時(shí)渦輪葉片各控制點(diǎn)流速

▲圖12 0.30MPa電解液壓力、不同加工間隙時(shí)渦輪葉片各控制點(diǎn)流速

通過(guò)對(duì)電解加工的流場(chǎng)進(jìn)行仿真,可以有效減少陰極流場(chǎng)設(shè)計(jì)中試驗(yàn)修正的次數(shù)。針對(duì)不同加工間隙的流場(chǎng)分布,總結(jié)出加工間隙、電解液壓力、流場(chǎng)流速之間相互影響的關(guān)系,為實(shí)際電解加工提供參考,實(shí)現(xiàn)高效、低成本加工。