高壓水射流在飛機發(fā)動機葉片清洗的應用

范曉宇, 紀 云

(1.中國航空發(fā)動機集團有限公司, 北京 100097; 2.燕山大學 機械工程學院, 河北 秦皇島 066004)

引言

在航空工業(yè)中,發(fā)動機維護、維修和大修至關重要,以確保飛機的持續(xù)適航性和安全飛行操作。發(fā)動機在一定飛行時間或周期后都需要定期檢查,特別是需要進行發(fā)動機清洗或在意外事件后進行發(fā)動機葉片維修。飛機維修故障是27.4%死亡率和6.8%飛機事故的主要原因,最常見的部件故障是發(fā)動機故障。由于飛機壓縮機和發(fā)動機暴露在極端條件下, 特別是高溫離心力、高壓、高溫、異物損壞及振動,因此,飛機發(fā)動機日常維護對飛機安全性非常重要。

飛機發(fā)動機葉片清洗作為飛機維護的重要部分,主要是為清除殘留在葉片上的二硫化鉬積層。通常,清潔方法分為物理、化學和生物清潔[1-3]。化學清洗,可以使用不同的化學品來降低或提高pH值,從而降低污染物質和膜之間的相互作用;生物清洗,是使用生物活性劑去除膜污垢。物理清洗廣泛通過水力、機械和超聲波工藝實現(xiàn),以去除可逆污垢層[4]。發(fā)動機葉片常用超聲波清洗方法[5],由于超聲波清洗容易對飛機葉片造成侵蝕磨損,清洗過程中損傷葉片表面,且清洗不均造成的空化腐蝕也會影響飛機葉片的表面質量,因此現(xiàn)在研究人員聚焦于其他種類的飛機葉片清洗方法。

空氣中的高速水射流廣泛用于制造業(yè)中的切割和清潔操作[6-10]。水射流用于去除基材上的各種涂層或沉積物,也用于切割許多材料。雖然水射流切割涉及連續(xù)射流穿透固體材料,但水射流清洗涉及侵蝕過程,通過該過程從材料表面去除沉積物[11-12]。HASHISH等對射流切割過程進行了分析和實驗研究,通過控制體積分析,以評估水動力,并研究間隔距離對清洗效果的影響,研究發(fā)現(xiàn)清洗水射流的速度范圍通常為80～200 m/s。

高壓水射流在空氣中的剖分結構如圖1所示[13]。這種射流可分為三個不同的區(qū)域:

圖1 空氣中高壓水射流的剖分結構Fig.1 Sectional structure of high-pressure water jet in air

(1) 潛在核心區(qū)域:該區(qū)域靠近噴嘴出口。在這個區(qū)域,一次和二次不穩(wěn)定性導致空氣和水之間的質量和動量傳遞?？諝鈯A帶過程將連續(xù)的水分解成液滴。仍有一個楔形的潛在核心被混合層包圍,其速度等于噴嘴出口速度。

(2) 核心區(qū)域:水與周圍空氣的持續(xù)相互作用導致水射流破碎成液滴,其尺寸隨著距軸線徑向距離的增加而減小。由于射流將動量傳遞到周圍空氣,其平均速度降低,因此水滴區(qū)擴散。最靠近噴射軸的區(qū)域稱為水滴區(qū),還有另一個區(qū)域,即將液滴區(qū)與周圍空氣分離的水霧區(qū),該霧區(qū)的特點是水滴非常小,速度可忽略不計。

(3) 擴散液滴區(qū)域:該區(qū)域由射流完全分解成速度可忽略的非常小的液滴而產(chǎn)生。

本研究通過數(shù)值模擬,了解飛機發(fā)動機葉片水射流清洗的特性,這些射流通過質量和動量傳遞過程在周圍大氣中擴散,空氣被夾帶到射流中,整個過程有助于射流的擴散和隨后的壓力衰減。使用數(shù)值方法獲得了葉片表面上速度及壓力的大小和分布,根據(jù)數(shù)值結果,得出結論:增大水射流入口壓力會增加清洗效率,但單次清洗面積及清洗增長率下降,增大入口壓力意味著較大的水量消耗,會導致射流從清潔表面反彈并阻礙噴嘴流動,從而降低清潔效率。

1 高壓水射流清洗模型

1.1 控制方程與求解方法

該問題的控制方程是湍流多相流的Navier-Stokes方程,為這個問題選擇的多相模型是歐拉多相模型,采用具有標準壁函數(shù)的k-ε湍流模型來計算湍流。采用歐拉-拉格朗日液固兩相流模型,粒子和液相之間采用雙向耦合,粒子相采用Discrete Phase Model模型,用于計算液固兩相流粒子-壁面沖蝕磨損。

多相流歐拉模型中w(水)相的連續(xù)性和動量方程分別為:

(1)

(2)

式中,εw—— 水相的體積分數(shù)

ρw—— 水相的密度

vw—— 水相的速度矢量

p—— 流體相壓力

Sw-a—— 水相-氣相相互作用體積力

1.2 侵蝕磨損模型

侵蝕是由于粒子對管道表面的反復沖擊而發(fā)生的機械過程,重復的粒子撞擊將導致隕石坑形成,隕石坑將隨著粒子撞擊而增長。脆性材料在水射流沖擊下會產(chǎn)生橫向和徑向裂紋,這些裂紋會逐漸成長并最終形成塊狀裂紋,持續(xù)的水射流沖擊將塊狀裂紋移除。另一方面,流動參數(shù)對侵蝕的影響更強,因為它決定了粒子濃度、粒子沖擊角、沖擊速度和作用對象表面的性質,即表面硬度和多相效應。

通過使用CFD,在理解固體粒子引起的侵蝕方面取得了進展。CFD允許對通過管道和彎管的流體流動和粒子軌跡進行精確建模。一旦計算出粒子碰撞表面的沖擊速度和角度,就可以實現(xiàn)量化侵蝕率的經(jīng)驗關聯(lián)[14]:

(3)

f(α) —— 粒子沖擊角函數(shù)

C(dp) —— 粒子的粒徑函數(shù)

C(dp)函數(shù)表示為分段線性、分段多項式或多項式函數(shù),以便將其定義為墻邊界條件的一部分,可通過其中一種方法來近似文獻中的函數(shù)。

上面計算的侵蝕率以單位時間內沖蝕面積為單位,即質量通量,因此可以根據(jù)Fluent中定義的單位進行相應更改。C(dp)和f(α)函數(shù)必須以一致的單位指定,以建立具有相對粒子速度及其指數(shù)的無量綱群。侵蝕率為單位時間單位面積內去除掉的質量,可以定義自定義函數(shù)將侵蝕率除以壁面材料的密度,也可以將此劃分包含在C(dp)和f(α)函數(shù)的單位中。

因不考慮入口質量流率對粒子沖蝕速率的影響,對式(3)進行無量綱處理:

(4)

使用CFD直接計算顆粒撞擊角、撞擊速度和質量流率。然而,沖擊角函數(shù)、粒徑函數(shù)和速度指數(shù)作為函數(shù)輸入,如表1所示。

表1 參數(shù)表Tab.1 Parameter table

借助Hypermesh創(chuàng)建了計算域和結構化網(wǎng)格系統(tǒng),如圖2所示。區(qū)域的徑向范圍足夠大,以確保壓力出口邊界條件和壁面邊界條件能夠準確應用,即不會對流場產(chǎn)生不利影響。使用了壓力入口作為入口邊界條件,壓力出口作為出口邊界條件。采用基于壓力求解和時間精確的瞬態(tài)計算,為計算湍流,采用可實現(xiàn)的k-ε模型,近壁處理采用標準壁函數(shù)。采用有限體積法求解流體相控制方程,采用相位耦合簡式求解壓力-速度耦合精度,采用快速離散格式計算動量和湍流方程。在本研究中, 噴嘴出口速度是完全發(fā)展和湍流的,并且假設噴嘴是無摩擦的,因此噴嘴出口速度呈現(xiàn)頂帽特征。

圖2 計算域與邊界條件Fig.2 Calculation domain and boundary conditions

在所有計算中,壓力-速度耦合都是使用相位耦合SIMPLE算法實現(xiàn)的,所有殘差公差設置為0.001,時間步長為0.001 s,仿真計算時間為2 s。

2 仿真結果

2.1 網(wǎng)格無關性驗證

對于一般的CFD數(shù)值計算,首先應該進行網(wǎng)格的無關性驗證。對于網(wǎng)格尺寸來說,網(wǎng)格越小,數(shù)值計算精度越高,但計算成本隨之提高,因此網(wǎng)格選取應在滿足精度條件下盡量選擇大尺寸網(wǎng)格。采用結構化網(wǎng)格劃分流體域,網(wǎng)格大小分別為1.5, 2, 2.5, 3.0, 3.5 mm。

如圖3顯示了發(fā)動機葉片磨損量α與網(wǎng)格尺寸的關系,從圖中可以看出,網(wǎng)格尺寸在3 mm時,仿真結果誤差在5%以內,因此余下仿真案例所用網(wǎng)格尺寸為3 mm。

圖3 網(wǎng)格無關性驗證Fig.3 Grid independence verification

2.2 流場速度分布

根據(jù)邊界條件及模型參數(shù),進行了數(shù)值模擬,數(shù)值計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同入口壓力下流場速度分布Fig.4 Velocity distribution of flow field under different pressures

圖5 40 MPa壓力下流場湍動能分布Fig.5 Distribution of turbulent kinetic energy of flow field under 40 MPa pressure

噴嘴入口壓力已知,是大氣壓力,可以使用該參數(shù)以及入口壓力數(shù)值來模擬噴嘴清洗葉片的流場特征。對于噴嘴幾何形狀,研究發(fā)現(xiàn)噴嘴內部的流動變成完全發(fā)展的湍流。在假設噴嘴入口處的湍流強度為10%且噴嘴無摩擦的情況下,噴嘴出口速度為頂帽形。圖4及圖5顯示了四種不同入口壓力下噴嘴中的速度和湍流強度分布。從圖中可以看出,不同入口清洗壓力下,隨著入口壓力的增大,水射流速度越高,清洗效率相應提高。但是,增大入口壓力并不會增大單次清洗的面積。從圖5可以看出,發(fā)動機葉片表面湍動能較大,多余的高壓水在葉片表面形成水榭,進一步阻礙葉片的清洗效果。

圖6顯示了10 MPa水射流壓力下液相的速度分布,從圖中可以得出兩個定性推斷,即:

圖6 10 MPa水流速度分布Fig.6 Velocity distribution of 10 MPa water

(1) 速度剖面是頂帽形的;

(2) 強剪切層集中在射流邊界。

由于空氣和水之間的尖銳密度界面,即使在(0.2～0.8)D時,速度分布仍然很高,且保持相當恒定狀態(tài)。

2.3 葉片侵蝕

沖蝕工件作為實際工程運用中一項重要的表面處理技術,其不同工藝參數(shù)對沖蝕行為的具體作用規(guī)律及原因缺乏系統(tǒng)性研究[15],本節(jié)主要針對水射流入口壓力進行模擬仿真,基于計算結果,對比分析不同入口壓力對沖蝕深度總量的影響規(guī)律,如圖7所示,并探究了其原因。從圖7中可以看出,葉片侵蝕面積集中于較小面積內,該結果與流場速度結果吻合,這項工作將為飛機發(fā)動機葉片清洗理論提供參考。

圖7 10 MPa壓力葉片沖蝕效果Fig.7 Erosion of 10 MPa pressure

為研究入射壓力對沖蝕結果的影響,取固體質量速率為1e-20 kg/s,分別在10, 20 , 30, 40 MPa四種入口壓力下,獲得葉片表面的沖蝕深度總量隨入口壓力變化的規(guī)律曲線,如圖8所示。從圖中可以看出,在四種不同入口壓力下,沖蝕深度總量隨著壓力不斷增大,整體的變化趨勢基本一致。當入口壓力增加到20 MPa 時,沖蝕增長率達到了最大值,后逐漸下降趨于穩(wěn)定。結果表明,發(fā)動機葉片在實際清洗過程中,水射流入口壓力應大于20 MPa,在過大入口壓力下,其清洗效果相對于入口壓力增加反而下降,清洗能耗率下降。

圖8 不同入口壓力侵蝕深度與增長率關系Fig.8 Relationship between erosion depth and growth rate of different inlet pressures

3 試驗研究

噴嘴作為清洗的核心裝備,其對于發(fā)動機葉片清洗效果及清洗效率重要。為此,對噴嘴入口直徑d1、收縮段直徑d2、靶距l(xiāng)3及收縮角θ開展正交試驗設計,入口直徑選取10, 12, 14, 16 mm,收縮段直徑選取6, 7, 8, 9 mm,靶距選取40, 40, 60, 70 mm,收縮角選取45°,50°,55°,60°。取出口噴嘴清洗半徑Rc作為衡量清洗效果的評價指標,如圖9所示。

圖9 噴嘴幾何結構參數(shù)對清洗半徑的影響Fig.9 Effect of nozzle geometric parameters on cleaning radius

從圖9可以看出,入口直徑及靶距對清洗半徑呈正相關,收縮段直徑及收縮角度對清洗半徑負相關,收縮段直徑及靶距對清洗半徑呈線性變化,入口直徑及收縮角度呈多次曲線關系。入口直徑、收縮段直徑、靶距及收縮角對高壓水射流清洗半徑的影響率分別為7.68%,30.61%,16.74%,12.99%,收縮段直徑對水射流清洗半徑影響最為顯著。

表2顯示每個因素的平均響應,表明該因素重要性排序,kj是每列中與“j”對應的測試數(shù)據(jù)的平均值,根據(jù)Rj值大小,可以判斷各因素對試驗指標的影響,Rj值越大,對指數(shù)的影響越大,影響因素越顯著;Rj值越小,對指數(shù)的影響越小。根據(jù)極差分析可得因子排序為d2>l3>θ>d1,即在最大清洗半徑情況下優(yōu)先選取組合入口直徑16 mm、收縮段直徑6 mm、靶距90 mm、收縮角度50°,在該最優(yōu)組合條件下,高壓水射流噴嘴清洗半徑最大,噴嘴清洗效率最高。

表2 噴嘴清洗半徑的極差分析Tab.2 Range analysis of cleaning radius

4 結論

通過數(shù)值模擬,了解飛機發(fā)動機葉片水射流清洗的特性。使用數(shù)值方法研究發(fā)現(xiàn)增大水射流入口壓力會增加清洗效率,但單次清洗面積及清洗增長率下降,增大入口壓力意味著較大的水量消耗,會導致射流從清潔表面反彈并阻礙噴嘴流動,從而降低清潔效率。

模擬方法有助于預測工業(yè)清潔應用中使用的射流流動行為,因為這些應用集中在射流的近場區(qū)域。

正交試驗表明,噴嘴收縮段直徑對噴嘴清洗半徑影響最顯著,對靶距及收縮角度有顯著影響。為提高噴嘴清洗效率,應適當縮小收縮段直徑、適當擴大靶距。正交試驗為噴嘴清洗效果最優(yōu)參數(shù)選擇提供理論依據(jù)及實踐參考。