基于Fluent的APU进气导向叶片故障分析与研究

来源:用户上传      作者:谢仲阳 李献凯

　　摘要：针对APS3200型辅助动力装置进气导向叶片的风蚀故障现象，利用CATIA软件建立进气导向叶片简化模型，结合其实际工作状态以及材料特性，对其进行流场分析（CFD）计算，确定进气导向叶片风蚀产生的根本原因及发展特性，为零件的检查重点和零件的可靠性分析提供指导。
　　关键词：CATIA；辅助动力装置；进气导向叶片；CFD；检查
　　Keywords：CATIA；APU；inlet guide vane；CFD；inspection
　　0 引言
　　辅助动力装置（APU）具有许多中小型航空发动机的设计特点，如功率小、体积小、重量轻，空气流量小，尺寸效应突出，燃油流量低，转子转速高，且大多采用离心式压气机。APU是整体结构件，大部分技术与中小型航空发动机通用[1]。
　　结合在APU修理S多年的修理经验，笔者发现进气导向叶片风蚀损伤故障率较高，且风蚀损伤现象趋于一致，但程度不同。与核心转动部件相比，进气导向叶片故障分析的文献较少，但这并不代表其作用小、功能弱。同时，在对131-9型APU的维修过程中，曾发生过多起进气导向叶片折断后被吸入核心机中，造成转动部件严重损伤的案例。因此，对APS3200型APU进气导向叶片进行深入研究，分析其失效模式，寻找失效原理，提前进行预防维修，具有十分重要的意义。
　　1 故障情况
　　查询整理出20台APU进气导向叶片的装机使用时间及损伤更换情况（见表1）。为确保抽样的准确性，只选用了第一次进厂修理的APU及上一次进厂修理时叶片全部更换的APU，以确保所整理的研究对象均是从全新状态开始使用的。APS3200型APU的进气导向叶片，每台数量共24个，其中封闭型进气导向叶片19片，为防止APU启动时产生负压而设有通气孔的非封闭型进气导向叶片5片。由表1可知，20台APU叶片数量共计480个，损伤更换的叶片数量为317个，计算可知其风蚀损伤更换的故障率为66%，故障率较高。
　　详细分析进气导向叶片的工作状态：叶片处于APU引气系统中，该系统由进气网、进气腔体、进气导向叶片、齿轮、作动器和引气控制活门等部件组成。进气导向叶片是处于引气系统内环的零件，位于进气网内，下一个环节就是核心机部件，直接控制了进入负载段的进气量。如图1所示，当APU引气时，空气通过进气网后被下进气腔体划分，经过进气导向叶片调节进气量后进入负载段核心机，由负载叶轮压缩后通过引气控制活门调控输送至客舱或者排出。因此，APU使用时（即进入给大发或客舱供气的状态），进气导向叶片直接接触高速、大流量的气体，这正是造成其故障率高的关键原因。
　　结合实际工作情况，进气导向叶片的风蚀损伤一般是从叶片根部向上10mm范围最为严重；在达到一定风蚀程度后，在叶片上部向下10mm范围内也会出现风蚀损伤现象（见图2）。虽然手册中给出了风蚀损伤不同级别的检查标准，但是在以往的检查过程中也遇到过叶片风蚀穿透的情况。如果未及时下发检查，叶片风蚀折断后吸入核心机将造成严重后果。
　　2 基于CATIA的进气导向叶片三维模型建立
　　为进一步分析进气导向叶片风蚀损伤原因，需要依靠CFD分析其周围流场的特性，以对其可靠性及后续的检查给出指导意见。
　　结合实际工作经验，有无预留通气孔的进气导向叶片的损伤情况基本一致。为了简化研究流程，本文只选取封闭型叶片为研究对象。根据已知数据及逆向工程测绘，使用CATIA软件绘制三维模型，如图3所示。
　　3 基于Fluent的进气导向叶片流场分析
　　CFD是指利用计算机进行操作的流体模拟仿真技术。CFD技术十分强大，可以对实体模型进行建模，然后设立工况进行求解，最后再对结果进行加工处理，以图形的方式呈现出来，进而提供一种方便的阅读模式[2]。Fluent是CFD中比较方便快捷以及准确的一款软件，在流场领域受到广大用户的青睐。在工业领域中，无论液体流体还是气体流体，均可以在Fluent软件中进行模拟计算。Fluent在航空航天、汽车和涡轮设计等领域都有着广泛的应用[3]。
　　3.1 网格划分
　　基于CFD的理论基础，对流经叶片的流体域进行网格划分。仿真过程中最重要的一个环节就是网格划分，将直接影响后续仿真结果的准确性[4]。网格的质量可以提高压气机内部流场仿真研究的准确性，也能提高数值模拟的精度和计算时收敛的概率[5]。本研究分析的是数模周围的空气流通情况，应用Fluent Meshing中的面网格自动划分功能，设置最小网格为1mm，网格划分完成后产生597378个单元。划分网格后检查网格，保证不存在负体积网格，划分后效果如图4所示。
　　3.2 边界条件设置
　　手册内关于气动方面的参数并不多，但结合实际工作，可从试车参数中得到相关数据。且已知APU引气部分的结构特性，在进气腔体处有进气格板，引气部分由下进气腔经过一个隔板，通过进气导向叶片进入负载叶轮，从而实现APU的引气功能。虽然在引气活门部分有外接排气段的接口，但是本文只在零件损伤原理部分给出相应讨论。虽然气动数据并不完全准确，但并不影响最终结果。结合两部分综合考虑，设定进气导向叶片的主要数据包括：质量流量0.42kg/s；压力101.325kPa；温度20℃。
　　由于所分析的空气流动为可压缩流动，空气的粘度随温度变化，所以将气体设置为Ideal-gas，即理想气体，满足气体状态方程，从而使求解器自动激活能量方程[6]。设置操作压强为一个大气压，即101325Pa；选择Pressure-farfield边界条件，设置远场压力边界条件；将表压设置为0Pa，远场绝对压力为101325Pa。在微分离散格式中，梯度采用基于单元的最小二乘法，修正的湍流粘度采用二阶迎风格式。在Fluent中默认的收敛准则为所监视的残差值和绝对值，其值均小于0.001。

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