基于Fluent的APU進氣導向葉片故障分析與研究

謝仲陽 李獻凱

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

關鍵詞：CATIA；輔助動力裝置；進氣導向葉片；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)動機的設計特點，如功率小、體積小、重量輕，空氣流量小，尺寸效應突出，燃油流量低，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，且大多采用離心式壓氣機。APU是整體結(jié)構(gòu)件，大部分技術與中小型航空發(fā)動機通用[1]。

結(jié)合在APU修理廠多年的修理經(jīng)驗，筆者發(fā)現(xiàn)進氣導向葉片風蝕損傷故障率較高，且風蝕損傷現(xiàn)象趨于一致，但程度不同。與核心轉(zhuǎn)動部件相比，進氣導向葉片故障分析的文獻較少，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)生過多起進氣導向葉片折斷后被吸入核心機中，造成轉(zhuǎn)動部件嚴重損傷的案例。因此，對APS3200型APU進氣導向葉片進行深入研究，分析其失效模式，尋找失效原理，提前進行預防維修，具有十分重要的意義。

1 故障情況

查詢整理出20臺APU進氣導向葉片的裝機使用時間及損傷更換情況（見表1）。為確保抽樣的準確性，只選用了第一次進廠修理的APU及上一次進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的進氣導向葉片，每臺數(shù)量共24個，其中封閉型進氣導向葉片19片，為防止APU啟動時產(chǎn)生負壓而設有通氣孔的非封閉型進氣導向葉片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，計算可知其風蝕損傷更換的故障率為66%，故障率較高。

詳細分析進氣導向葉片的工作狀態(tài)：葉片處于APU引氣系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由進氣網(wǎng)、進氣腔體、進氣導向葉片、齒輪、作動器和引氣控制活門等部件組成。進氣導向葉片是處于引氣系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的零件，位于進氣網(wǎng)內(nèi)，下一個環(huán)節(jié)就是核心機部件，直接控制了進入負載段的進氣量。如圖1所示，當APU引氣時，空氣通過進氣網(wǎng)后被下進氣腔體劃分，經(jīng)過進氣導向葉片調(diào)節(jié)進氣量后進入負載段核心機，由負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（即進入給大發(fā)或客艙供氣的狀態(tài)），進氣導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鍵原因。

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

2 基于CATIA的進氣導向葉片三維模型建立

為進一步分析進氣導向葉片風蝕損傷原因，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)的檢查給出指導意見。

結(jié)合實際工作經(jīng)驗，有無預留通氣孔的進氣導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的進氣導向葉片流場分析

CFD是指利用計算機進行操作的流體模擬仿真技術。CFD技術十分強大，可以對實體模型進行建模，然后設立工況進行求解，最后再對結(jié)果進行加工處理，以圖形的方式呈現(xiàn)出來，進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確的一款軟件，在流場領域受到廣大用戶的青睞。在工業(yè)領域中，無論液體流體還是氣體流體，均可以在Fluent軟件中進行模擬計算。Fluent在航空航天、汽車和渦輪設計等領域都有著廣泛的應用[3]。

3.1 網(wǎng)格劃分

基于CFD的理論基礎，對流經(jīng)葉片的流體域進行網(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)果的準確性[4]。網(wǎng)格的質(zhì)量可以提高壓氣機內(nèi)部流場仿真研究的準確性，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，應用Fluent Meshing中的面網(wǎng)格自動劃分功能，設置最小網(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，保證不存在負體積網(wǎng)格，劃分后效果如圖4所示。

3.2 邊界條件設置

手冊內(nèi)關于氣動方面的參數(shù)并不多，但結(jié)合實際工作，可從試車參數(shù)中得到相關數(shù)據(jù)。且已知APU引氣部分的結(jié)構(gòu)特性，在進氣腔體處有進氣格板，引氣部分由下進氣腔經(jīng)過一個隔板，通過進氣導向葉片進入負載葉輪，從而實現(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討論。雖然氣動數(shù)據(jù)并不完全準確，但并不影響最終結(jié)果。結(jié)合兩部分綜合考慮，設定進氣導向葉片的主要數(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]。設置操作壓強為一個大氣壓，即101325Pa；選擇Pressure-farfield邊界條件，設置遠場壓力邊界條件；將表壓設置為0Pa，遠場絕對壓力為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格式。在Fluent中默認的收斂準則為所監(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，空氣在葉片背風面形成渦流，迎風面為流暢的線條。設置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，此處為最大風蝕點。對比零件的實際工況損傷，結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過對APS3200型APU進氣導向葉片建立模型并進行流場分析，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。在實際檢查零件中也發(fā)現(xiàn)了上部的風蝕晚于根部出現(xiàn)的現(xiàn)象，或者說上部的風蝕損傷情況輕于根部。在今后的拆機檢查工作中，應著重檢查葉片的根部區(qū)域，以防風蝕嚴重，導致折斷的情況出現(xiàn)。

根據(jù)分析還得出了理論風蝕最大點。最大風蝕點的確定，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。

本文只在風蝕面及具體位置上做出了相應的討論，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蝕潛力最大的角度位置；

2）將所有葉片進行裝配設置，研究進氣腔體整體的動力特性；

3）針對零件的材料特性、風蝕后進一步對氣流產(chǎn)生的影響做出相應的討論驗證，并結(jié)合相關的可靠性研究方法，對葉片的使用壽命給出相應的結(jié)論。

參考文獻

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