某APU 負(fù)載壓氣機(jī)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉失效機(jī)理研究

李榮華，袁 巍，孟衛(wèi)華，李 堅(jiān)

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

輔助動(dòng)力裝置（Auxiliary Power Unit，APU）本質(zhì)上是1 臺(tái)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，但該裝置不直接為飛行器提供飛行動(dòng)力，而只是為主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和飛行器環(huán)控/液壓/電力等系統(tǒng)提供輔助能源。早期的APU 主要從動(dòng)力段壓氣機(jī)引出高壓氣體供飛行器使用。因此，壓氣機(jī)尺寸一般比渦輪大，允許最多引出壓氣機(jī)進(jìn)氣流量的30%以滿足飛行器的使用需求。并且，通過(guò)控制引氣活門(mén)的大小可方便地獲取所需的電能和壓縮空氣。但這種工作模式會(huì)極大地影響APU 的熱循環(huán)效率，因此，引入獨(dú)立的負(fù)載壓氣機(jī)來(lái)解決這一問(wèn)題。負(fù)載壓氣機(jī)是1 個(gè)帶可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉（Variable Inlet Guide Vane，VIGV）的離心壓氣機(jī)。在工作狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度就能獲得恒轉(zhuǎn)速條件下飛行器所需的壓縮空氣流量[1]。然而，導(dǎo)葉角度變化會(huì)使其自身氣動(dòng)載荷隨之變化，導(dǎo)葉與離心葉輪之間的非定常氣動(dòng)干涉也更為復(fù)雜，解決不好，不僅會(huì)使壓氣機(jī)氣動(dòng)性能惡化，還容易引起葉片的危險(xiǎn)模態(tài)共振或強(qiáng)迫振動(dòng)，導(dǎo)致葉片過(guò)早發(fā)生疲勞失效等故障[2]。

文獻(xiàn)[3-10]研究了離心葉輪與擴(kuò)壓器之間的非定常干涉流動(dòng)；文獻(xiàn)[11-14]則著眼于采用可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉改變來(lái)流預(yù)旋條件，以達(dá)到降低動(dòng)靜干涉，提高壓氣機(jī)性能的目的；王玉川等[15]利用CFX 對(duì)無(wú)導(dǎo)葉和帶前置導(dǎo)葉大預(yù)旋角度下的離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了葉片表面的壓力分布規(guī)律；陳山等[16]研究了跨聲速離心壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉與離心葉輪葉片排的干涉作用，表明葉片排間距減小會(huì)造成流場(chǎng)內(nèi)壓力波動(dòng)增大，同時(shí)，葉輪激波使葉輪對(duì)導(dǎo)葉流場(chǎng)的影響較導(dǎo)葉對(duì)葉輪的影響大幾倍甚至十幾倍。由此可見(jiàn)，離心葉輪與可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉之間的非定常干涉已成為影響離心壓氣機(jī)安全性和可靠性的重大問(wèn)題，必須引起足夠重視。

與離心壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片相比，可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉工作時(shí)由于沒(méi)有離心力的存在，其疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)通常較低，但不排除在一些偶然或者極端條件下發(fā)生疲勞失效的可能。本文以某型APU 負(fù)載壓氣機(jī)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉失效故障為例，通過(guò)有限元仿真分析及應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證，揭示了其失效機(jī)理。

1 導(dǎo)葉失效現(xiàn)象

典型的帶負(fù)載壓氣機(jī)APU 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中右邊由動(dòng)力段壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等部件組成APU的核心機(jī)，左邊的負(fù)載壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與核心機(jī)相連，并與動(dòng)力段壓氣機(jī)共用1 個(gè)徑向進(jìn)氣道。如前所述，為了滿足APU 恒轉(zhuǎn)速條件下飛行器對(duì)壓縮空氣流量的需求，負(fù)載壓氣機(jī)采用可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)。故障APU 按計(jì)劃進(jìn)行1000 h 長(zhǎng)試時(shí)，在可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉角度為22°狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)5 min 后，動(dòng)力段壓氣機(jī)出口壓力出現(xiàn)異常，隨后緊急停車(chē)，并進(jìn)行孔探儀檢查，發(fā)現(xiàn)負(fù)載壓氣機(jī)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉有4 片斷裂，同時(shí)有多片產(chǎn)生了裂紋和變形，葉片裂紋及斷口宏觀形貌如圖2 所示。

圖1 典型的帶負(fù)載壓氣機(jī)APU 結(jié)構(gòu)[1]

圖2 葉片裂紋及斷口宏觀形貌

將所有斷口超聲清洗后在掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)斷裂葉片的主要斷口特征基本一致。導(dǎo)葉進(jìn)氣邊葉根倒圓一側(cè)線源為主疲勞源，側(cè)面局部小線源為次疲勞源，如圖3 所示。由此可知導(dǎo)葉疲勞裂紋主要起源于葉盆側(cè)靠近葉根倒圓處，沿葉片厚度方向擴(kuò)展，部分葉片存在次疲勞源，位于進(jìn)氣邊靠近葉根表面。疲勞裂紋源區(qū)未見(jiàn)材質(zhì)、加工等缺陷。盡管側(cè)表面存在一定量的腐蝕產(chǎn)物，但在源區(qū)未見(jiàn)腐蝕凹坑，斷面源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)均有氧化腐蝕產(chǎn)物覆蓋，宏觀可見(jiàn)黑色氧化物附著，初步推斷為開(kāi)裂后高溫燃?xì)鉀_刷所致。材料金相組織正常，各截面抗拉強(qiáng)度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，可基本排除表面腐蝕導(dǎo)致初始疲勞裂紋的可能。

圖3 葉片斷口微觀形貌

進(jìn)一步的斷口分析表明，疲勞裂紋均為線性起源，擴(kuò)展棱線明顯，為承受較大應(yīng)力所致。在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，低倍觀察可見(jiàn)清晰的疲勞弧線，且弧線間距較寬，高倍可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶。低倍下裂紋擴(kuò)展區(qū)較寬的疲勞弧線為較大載荷變化所致；而細(xì)密疲勞條帶則一般由較小的載荷變化所致。因此，可判斷導(dǎo)葉的失效模式為帶有低周特征的高周疲勞開(kāi)裂。

通過(guò)對(duì)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉前期的氣動(dòng)、強(qiáng)度與振動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)查，發(fā)現(xiàn)在正常情況下導(dǎo)葉的氣動(dòng)載荷相對(duì)較低，導(dǎo)葉產(chǎn)生疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)較小。為了進(jìn)一步明確非正常失效載荷出現(xiàn)的原因，對(duì)導(dǎo)葉執(zhí)行裝置進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)其中的“活塞桿”與“接耳”沒(méi)有貼合。于是重新復(fù)裝了執(zhí)行裝置和導(dǎo)葉調(diào)節(jié)組件，同時(shí)將執(zhí)行裝置復(fù)位后檢查導(dǎo)葉角度，發(fā)現(xiàn)比正常狀態(tài)普遍減小了9°～11°，在極限情況下的實(shí)際工作角度甚至只有4°左右（如圖4 所示），嚴(yán)重偏離了導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)使用規(guī)定。因此，在導(dǎo)葉角度為22°狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)5 min后，負(fù)載壓氣機(jī)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉有4 片斷裂，同時(shí)多片產(chǎn)生了裂紋和變形。檢查后發(fā)現(xiàn)這些故障葉片的共同特點(diǎn)是工作角度均接近4°的極限條件。

圖4 正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下導(dǎo)葉最小角度對(duì)比

理論上，導(dǎo)葉角度減小對(duì)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷和交變氣動(dòng)載荷均會(huì)產(chǎn)生影響，因此，結(jié)合導(dǎo)葉失效模式，認(rèn)為“活塞桿”與“接耳”配合狀態(tài)改變引起的導(dǎo)葉角度減小可能是導(dǎo)致非正常失效載荷出現(xiàn)的根本原因。下文基于有限元分析及應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證等手段深入研究了導(dǎo)葉角度變化對(duì)其自身靜強(qiáng)度及振動(dòng)特性的影響。

2 導(dǎo)葉角度對(duì)氣動(dòng)載荷的影響分析

2.1 穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷

可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉角度減小對(duì)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷的影響分析主要基于定常數(shù)值模擬進(jìn)行。

首先對(duì)正常關(guān)閉（22°）和全開(kāi)（92°）2 種狀態(tài)下導(dǎo)葉表面所受的氣動(dòng)載荷進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

（1）在導(dǎo)葉正常關(guān)閉（22°）狀態(tài)下，葉片吸力面的靜壓明顯低于壓力面的，這一點(diǎn)在葉尖區(qū)域體現(xiàn)得更為明顯，如圖5 所示，葉片表面的靜壓分布如圖6 所示。圖中曲線所圍成的面積就是壓力面和吸力面的靜壓差，亦即葉片所受的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷。通過(guò)計(jì)算可知葉片表面由靜壓差帶來(lái)的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷約為20 N，這一載荷相對(duì)而言是比較低的。

（2）在導(dǎo)葉正常全開(kāi)（92°）狀態(tài)下，葉片壓力面和吸力面靜壓差很?。ㄈ鐖D7 所示），葉片所受穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷比正常關(guān)閉狀態(tài)下的更低。

基于上述分析可知，在正常狀態(tài)下（導(dǎo)葉角度為22°～92°），導(dǎo)葉的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷均很小，理論上不會(huì)給導(dǎo)葉帶來(lái)大的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力。但是不難發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉角度越小，壓力面和吸力面靜壓差越大，導(dǎo)葉所受的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷也增大。因此，為進(jìn)一步了解非正常狀態(tài)（導(dǎo)葉角度在22°基礎(chǔ)上減小9°～11°，甚至達(dá)到極限條件下的4°）下導(dǎo)葉所受的氣動(dòng)載荷，分別分析了導(dǎo)葉角度為15°、12°、7°和4°時(shí)的葉片表面靜壓分布，如圖8 所示。結(jié)果表明，導(dǎo)葉角度在一定范圍內(nèi)繼續(xù)減小時(shí)，壓力面的氣動(dòng)壓力略有升高，而吸力面的氣動(dòng)壓力則顯著降低，即導(dǎo)葉表面的靜壓差進(jìn)一步增大，葉片所受穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷增大。但導(dǎo)葉角度減小到一定程度后，穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷趨于穩(wěn)定（圖8（c）、（d）），當(dāng)導(dǎo)葉角度分別減小到7°、4°時(shí)，穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷已經(jīng)沒(méi)有明顯變化，甚至導(dǎo)葉角度為4°時(shí)的氣動(dòng)力載荷比7°時(shí)的氣動(dòng)力載荷還略小。

圖6 22°時(shí)葉片表面靜壓分布

圖7 92°時(shí)葉片表面靜壓（進(jìn)口總壓無(wú)量綱化）

圖8 不同導(dǎo)葉角度下的葉片表面靜壓分布

2.2 交變氣動(dòng)載荷

可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉角度減小對(duì)交變氣動(dòng)載荷的影響分析主要基于非定常數(shù)值模擬進(jìn)行。由于工程上結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)響應(yīng)分析預(yù)測(cè)方法并不成熟，因此只關(guān)注導(dǎo)葉角度變化對(duì)交變載荷的影響規(guī)律，具體的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果則借助于后續(xù)的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試獲得。

在不同導(dǎo)葉角度下10%葉高位置的絕對(duì)馬赫數(shù)如圖9 所示。從圖9（a）中可見(jiàn)，附面層低速區(qū)速度變化并不明顯，在前緣至60%導(dǎo)葉弦長(zhǎng)范圍由于葉片前緣攻角很大，形成了分離泡；在60%弦長(zhǎng)位置因存在激波附面層干擾而發(fā)生了分離，故此時(shí)導(dǎo)葉在10%葉高處整個(gè)吸力面的靜壓均較低。從圖9（b）、（c）可見(jiàn)，隨著導(dǎo)葉角度的減小，吸力面分離區(qū)起始位置往上游∑動(dòng)，在導(dǎo)葉角度為12°、7°時(shí)分別到達(dá)約50%、25%弦長(zhǎng)位置，而且氣流馬赫數(shù)也顯著增大，吸力面靜壓減小，葉片氣動(dòng)負(fù)荷越來(lái)越大。同時(shí)，葉尖區(qū)域吸力面分離并不穩(wěn)定，而且存在一定的脫落頻率，分離區(qū)大小和葉片吸力面壓力分布均呈周期性變化，對(duì)導(dǎo)葉產(chǎn)生周期性的彎曲作用力，而且導(dǎo)葉角度越小，周期性的彎曲作用力變化越明顯。

圖9 不同導(dǎo)葉角度下10%葉高的絕對(duì)馬赫數(shù)

3 導(dǎo)葉角度對(duì)強(qiáng)度與振動(dòng)的影響分析

3.1 導(dǎo)葉角度對(duì)強(qiáng)度的影響

根據(jù)第2.1 節(jié)中的氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果對(duì)不同角度下的導(dǎo)葉靜強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，得到的導(dǎo)葉應(yīng)力結(jié)果和強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)分別見(jiàn)表1，并如圖10 所示。從表中可見(jiàn)，在導(dǎo)葉正常關(guān)閉狀態(tài)（22°）下，葉身最大當(dāng)量應(yīng)力只有約130 MPa，對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)與極限強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)分別為2.12、2.38，均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著導(dǎo)葉角度逐步偏離正常狀態(tài)（逐步減?。?，葉身的最大當(dāng)量應(yīng)力也隨之較為明顯地增大。但是，即便在角度達(dá)到4°的極限條件下，導(dǎo)葉強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)仍然滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，由此可以推斷，單純因靜強(qiáng)度不足使得導(dǎo)葉提前出現(xiàn)疲勞失效的可能性較小。從圖10 中可見(jiàn)，導(dǎo)葉最大穩(wěn)態(tài)應(yīng)力位置與本次故障中的裂紋起始位置較為吻合。

表1 不同導(dǎo)葉角度下的導(dǎo)葉應(yīng)力和強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)

圖10 進(jìn)口導(dǎo)葉當(dāng)量應(yīng)力分布

3.2 導(dǎo)葉角度對(duì)振動(dòng)的影響

由于當(dāng)前工程上有關(guān)結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)方法并不成熟，同時(shí)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉邊界條件也比較復(fù)雜，基于非定常氣動(dòng)載荷的導(dǎo)葉振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)結(jié)果可信度較低。因此，只對(duì)裝配狀態(tài)下的導(dǎo)葉振動(dòng)特性進(jìn)行分析評(píng)估，旨在明確導(dǎo)葉在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的潛在有害共振，為導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證提供參考。

本文中可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉固有頻率及裕度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn)，導(dǎo)葉在2 倍低階激振下的1 階頻率裕度僅為4.6%，低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定裕度要求值的10%，此時(shí)導(dǎo)葉共振頻率約為1672 Hz。由此可知，不能排除導(dǎo)葉因1 階共振導(dǎo)致疲勞失效的可能。導(dǎo)葉1 階振型和振動(dòng)應(yīng)力分布如圖11 所示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉1 階最大振動(dòng)應(yīng)力部位同樣與導(dǎo)葉裂紋起始位置相吻合。

4 導(dǎo)葉應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證及評(píng)估

4.1 應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證

如第3.2 節(jié)所述，由于當(dāng)前無(wú)法通過(guò)計(jì)算獲得較為可靠的可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，因此，本文通過(guò)在單級(jí)試驗(yàn)件上模擬負(fù)載壓氣機(jī)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，以驗(yàn)證導(dǎo)葉振動(dòng)應(yīng)力水平隨工作角度調(diào)節(jié)時(shí)的變化規(guī)律。通過(guò)測(cè)試還獲得了葉身裂紋起源部位附近的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力。

導(dǎo)葉振動(dòng)應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，不同導(dǎo)葉角度和工作轉(zhuǎn)速下的動(dòng)應(yīng)力頻譜及時(shí)域如圖12～14 所示。通過(guò)分析可以得到如下結(jié)論：

表3 在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下不同導(dǎo)葉角度的應(yīng)力值

（1）從圖12 中可見(jiàn)，導(dǎo)葉角度為22°時(shí)導(dǎo)葉的最大應(yīng)力幅值始終出現(xiàn)在1500 Hz 左右，較表2 中的1672 Hz 低，初步分析主要是由于模擬的安裝邊界條件比真實(shí)狀態(tài)的剛性更高。在40%～100%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，該振動(dòng)峰值一直存在，盡管其振動(dòng)頻率會(huì)有少量偏∑（初步推斷該偏∑是因不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)的氣動(dòng)載荷不同導(dǎo)致葉片安裝狀態(tài)發(fā)生變化所致）。據(jù)此可判定，導(dǎo)葉在40%～100%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在以1 階振型為主的強(qiáng)迫振動(dòng)。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉角度為22°時(shí)，該強(qiáng)迫振動(dòng)導(dǎo)致的葉片振動(dòng)應(yīng)力很小，最大只有約7.63 MPa（見(jiàn)表3），不足以導(dǎo)致葉片出現(xiàn)高周疲勞破壞。而在共振頻率裕度只有4.6%的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，這一振動(dòng)應(yīng)力則更小，因此，在正常狀態(tài)下由第3.2 節(jié)中的共振導(dǎo)致導(dǎo)葉發(fā)生疲勞失效的可能性基本可以排除。另外，根據(jù)第2.2 節(jié)的研究，在一定范圍內(nèi)導(dǎo)葉角度越大，葉片吸力面分離越穩(wěn)定，所承受的交變載荷也越小，葉片高周疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)降低。

圖12 導(dǎo)葉角度為22°時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力頻譜

（2）從圖13 中可見(jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到70%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片振動(dòng)應(yīng)力峰值已經(jīng)達(dá)到約102 MPa，且測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力水平隨著轉(zhuǎn)速的增加一直在增大（圖14（b）），為了確保試驗(yàn)件與測(cè)試設(shè)備的安全，只能選擇停車(chē)。導(dǎo)葉角度為4°時(shí)的導(dǎo)葉振動(dòng)響應(yīng)遠(yuǎn)大于22°時(shí)的，不難預(yù)見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加直至100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，導(dǎo)葉振動(dòng)應(yīng)力將進(jìn)一步加大，從而使葉片在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)疲勞失效。由此可知，導(dǎo)葉角度嚴(yán)重偏離正常值導(dǎo)致的過(guò)大的振動(dòng)應(yīng)力是造成葉片在5 min 內(nèi)即出現(xiàn)多片葉片斷裂或裂紋的主要原因。同時(shí)，也驗(yàn)證了第2.2 節(jié)中隨著導(dǎo)葉角度減小葉片的交變氣動(dòng)載荷越來(lái)越大的預(yù)測(cè)。

圖13 導(dǎo)葉角度為4°時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力頻譜

（3）通過(guò)分析圖14 中的時(shí)域響應(yīng)圖譜可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉角度為22°時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力小于4°時(shí)的，這一結(jié)果也驗(yàn)證了第2.1 節(jié)中導(dǎo)葉角度減小會(huì)導(dǎo)致葉片穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷增大的預(yù)測(cè)。同時(shí)，從圖14（a）中可見(jiàn)，導(dǎo)葉角度為22°時(shí)，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)導(dǎo)葉的振動(dòng)響應(yīng)幅值均較小，且隨轉(zhuǎn)速升高變化不大；從圖14（b）中可見(jiàn)，當(dāng)角度為4°時(shí)，導(dǎo)葉的振動(dòng)響應(yīng)幅值顯著增大，且隨轉(zhuǎn)速升高變化明顯。

圖14 不同導(dǎo)葉角度下的應(yīng)力時(shí)域

（4）對(duì)比表1、3 可知，表1 中的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果要顯著高于表3 中的實(shí)測(cè)結(jié)果。這是因?yàn)榉逯祽?yīng)力一般會(huì)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的幾何突變位置，這些位置通常存在明顯的應(yīng)力集中，但不適合貼片操作，只能選取離該峰值應(yīng)力點(diǎn)較近的位置進(jìn)行測(cè)試，因此所測(cè)的應(yīng)力值會(huì)比實(shí)際的最大穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值低。同時(shí)，表3 中的結(jié)果還表明，導(dǎo)葉角度為4°時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力比10°時(shí)的略小，這也驗(yàn)證了第2.1 節(jié)中關(guān)于葉片角度減小到一定程度后穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷趨于穩(wěn)定的結(jié)論。

4.2 高周疲勞評(píng)估

目前工程上零件高周疲勞評(píng)估普遍采用修正的Goodman 圖進(jìn)行，根據(jù)Goodman 圖得到導(dǎo)葉最高許用振動(dòng)應(yīng)力為

式中：σa為許用振動(dòng)應(yīng)力；ka為許用振動(dòng)應(yīng)力儲(chǔ)備系數(shù)，取1.4；kb為穩(wěn)態(tài)應(yīng)力儲(chǔ)備系數(shù)，取1.0；σ-1為對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力的疲勞極限；σb為拉伸強(qiáng)度極限；σm為考核點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力。

根據(jù)式（1）得到高周疲勞評(píng)估結(jié)果如圖15 所示。圖中實(shí)線表示根據(jù)試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力換算得到的許用振動(dòng)應(yīng)力，虛線表示動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，虛線上的點(diǎn)超過(guò)實(shí)線即表示導(dǎo)葉在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)應(yīng)力過(guò)大，可導(dǎo)致葉片出現(xiàn)高周疲勞。經(jīng)分析可知：

圖15 不同導(dǎo)葉角度和轉(zhuǎn)速下的高周疲勞評(píng)估結(jié)果

（1）隨著轉(zhuǎn)速的增加，同顏色的實(shí)線與虛線相互接近，表示二者的疲勞裕度在逐步降低；

（2）在同轉(zhuǎn)速下，導(dǎo)葉角度越小，實(shí)線與虛線越接近，導(dǎo)葉振動(dòng)應(yīng)力越靠近許用值，說(shuō)明越容易發(fā)生疲勞斷裂，其中在導(dǎo)葉角度為4°，轉(zhuǎn)速為37000 r/min時(shí)，虛線已經(jīng)高于實(shí)線，導(dǎo)葉的振動(dòng)應(yīng)力已經(jīng)高于安全值。

上述分析說(shuō)明在非正常狀態(tài)下過(guò)大的振動(dòng)應(yīng)力是導(dǎo)致導(dǎo)葉過(guò)早出現(xiàn)斷裂或裂紋的主要原因。

5 結(jié)論

本文以某型APU 負(fù)載壓氣機(jī)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉疲勞失效故障為例，深入研究了導(dǎo)葉工作角度變化對(duì)自身穩(wěn)態(tài)與交變氣動(dòng)載荷的影響，并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

（1）在正常狀態(tài)下，通過(guò)合理設(shè)計(jì)可調(diào)導(dǎo)葉角度，導(dǎo)葉的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷可以得到有效控制，不會(huì)給導(dǎo)葉帶來(lái)大的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力。但如果設(shè)計(jì)或裝配不合理，使得導(dǎo)葉角度偏小，則可能加大導(dǎo)葉的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷，使自身穩(wěn)態(tài)應(yīng)力惡化。

（2）可調(diào)導(dǎo)葉因設(shè)計(jì)或裝配不合理導(dǎo)致角度偏小，容易使得葉片吸力面產(chǎn)生氣動(dòng)分離并不穩(wěn)定，而且存在一定的脫落頻率，分離區(qū)大小和葉片吸力面壓力分布均呈周期性變化，將對(duì)導(dǎo)葉產(chǎn)生周期性的彎曲作用力，導(dǎo)葉角度越小，周期性的彎曲作用力變化越明顯，導(dǎo)葉受到的振動(dòng)交變載荷也就越大。

（3）本文中可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉執(zhí)行裝置的“活塞桿”與“接耳”裝配不到位，導(dǎo)葉角度嚴(yán)重偏離正常值，使得氣動(dòng)交變載荷顯著增大，導(dǎo)致出現(xiàn)過(guò)大的振動(dòng)應(yīng)力，是導(dǎo)葉短時(shí)間內(nèi)疲勞失效的主要原因。同時(shí)，導(dǎo)葉角度偏離提高了葉片的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平，這也加劇了導(dǎo)葉的失效進(jìn)程。

根據(jù)上述分析和所得結(jié)論，完善了相應(yīng)的裝配工藝，以保證導(dǎo)葉及其作動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常裝配并嚴(yán)格控制導(dǎo)葉執(zhí)行裝置的檢驗(yàn)過(guò)程；從提高導(dǎo)葉疲勞抗力的角度出發(fā)，適當(dāng)增大葉根圓角，以降低葉根的應(yīng)力水平。通過(guò)貫徹這些改進(jìn)措施，最終該型APU 可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉斷裂故障得到有效解決并順利通過(guò)1000 h 長(zhǎng)試。