一种航空涡扇发动机用变形风扇及优化方法技术

本发明专利技术公开的一种航空涡扇发动机用变形风扇及优化方法，属于航空发动机领域。本发明专利技术包括叶片、轮毂和机匣。叶片、轮毂和机匣均由碳纤维和压电材料组成的层合结构构成，由电极驱动压电材料带动整个层合结构产生叶片、轮毂和机匣所需微变形，通过压电材料的布局优化，实现对变形风扇局部、阵列、整体三个层次的高精度微变形；通过三段式变弯度叶片的快响应和大尺度变形实现对弯角、进气攻角和出口气流角更为宽广的调节能力；通过融合基于机械结构驱动的变弯度叶片变形量大和智能压电材料驱动叶片变形精度高的优势，实现对叶片通道旋涡、激波的精准调控，削弱流动分离，在宽来流马赫数和宽折合转速下提升航空涡扇发动机用变形风扇的效率和稳定性。扇的效率和稳定性。扇的效率和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种航空涡扇发动机用变形风扇及优化方法


[0001]本专利技术属于航空发动机
，尤其涉及一种高精度、快响应的可控变形风扇及优化方法。

技术介绍

[0002]未来先进航空发动机风扇需满足在宽速域、大空域以及宽折合转速范围内兼具高气动性能和宽工作裕度。现有技术中通常采用可调静/导叶技术，即叶片绕轴旋转改变安装角来调节出口气流角，以满足后排叶片对进口气流方向的需求，拓宽稳定工作裕度。然而，当静/导叶安装角调节幅度较大时，攻角随之增大，这会导致静/导叶片自身较大的总压损失，并破坏进气气流的均匀性和稳定性。进一步，作为可调叶片的一种特例——变弯度叶片，可有效拓宽可调叶片的出口气流角调节范围、大幅降低自身损失，具备单次作动变形量大的优点。但同时存在两方面缺点：a)变弯度叶片固定和转动部分存在缝隙，在后叶大转角情况下会诱发较大损失；b)后叶转动难以保证吸压力面连续光滑，从而导致流动分离过早发生，降低气动性能。

技术实现思路

[0003]为解决现有机械式变弯度叶片的不足之处，本专利技术主要目的是提供一种航空涡扇发动机用变形风扇及优化方法，所述叶片、轮毂和机匣均由碳纤维和压电材料组成的层合结构构成，由电极驱动压电材料带动整个层合结构产生叶片、轮毂和机匣所需微变形，通过压电材料的布局优化，实现对变形风扇局部、阵列、整体三个层次的高精度微变形；通过三段式变弯度叶片的快响应和大尺度变形实现对弯角、进气攻角和出口气流角更为宽广的调节能力；此外，通过融合基于机械结构驱动的变弯度叶片变形量大和智能压电材料驱动叶片变形精度高的优势，实现对叶片通道旋涡、激波的精准调控，进一步削弱流动分离，在宽来流马赫数和宽折合转速下提升航空涡扇发动机用变形风扇的效率和稳定性。
[0004]为实现本专利技术公开的第一个目的，所采用的技术方案如下：
[0005]本专利技术公开的一种航空涡扇发动机用变形风扇，包括叶片、轮毂和机匣。所述叶片、轮毂和机匣均由碳纤维和压电材料组成的层合结构构成。在层合结构中，碳纤维包裹压电材料和驱动电极。由电极驱动压电材料带动整个层合结构产生叶片、轮毂和机匣所需微变形，通过压电材料的布局优化，实现对变形风扇局部、阵列、整体三个层次的高精度微变形。叶片微变形无法满足变循环发动机或涡轮冲压组合发动机对宽速域、大空域高效稳定工作要求，采用基于机械结构驱动的三段式变弯度叶片构型，所述三段式变弯度构型基于电机驱动下的多铰链连接机械结构，驱动前叶和尾叶绕轴转动，实现随前叶、中叶、尾叶三段式叶片构型的快响应和大尺度变形，进而实现对弯角、进气攻角和出口气流角更为宽广的调节能力；在快响应和大尺度变形基础上，为进一步解决所述三段式变弯度叶片构型在旋转时存在叶表不连续光滑的问题，由于叶片的层合结构采用智能压电纤维复合材料，通过施加在驱动电极的电压变化实现三段式变弯度叶片构型的高精度微变形，即三段式变弯
度叶片构型通过融合基于机械结构驱动的变弯度叶片变形量大和智能压电材料驱动叶片变形精度高的优势，实现对叶片通道旋涡、激波的精准调控，进一步削弱流动分离，在宽来流马赫数和宽折合转速下提升航空涡扇发动机用变形风扇的效率和稳定性。
[0006]所述叶片分为转子叶片和静子叶片。
[0007]本专利技术公开的一种航空涡扇发动机用变形风扇的工作方法为：
[0008]低折合转速或低速巡航下，通过电机驱动变弯度叶片绕轴旋转，分别增加变弯度转子前叶、转子尾叶和变弯度静子前叶和静子尾叶的安装角，从而降低转静子叶片进气攻角。进一步，针对风扇增压比调节需求，通过减小转子尾叶沿逆时针转角β增加做功量、提升总增压比同时通过增加静子前叶沿顺时针转角γ、降低静子尾叶沿顺时针转角δ提升静压比；通过增加转子尾叶沿逆时针转角β减少做功量、降低总增压比同时通过降低静子前叶沿顺时针转角γ、增加静子尾叶沿顺时针转角δ降低静压比。另一方面，通过调节电压调控叶表上的碳纤维/压电材料层合结构产生所需变形，从而调整叶片整体弯度、厚度、高度和弦长，保证前叶、尾叶与中叶光滑过度，并缩小缝道间隙，削弱泄漏损失；同时，通过电压变化调控轮毂和机匣形状，增加通流面积，降低叶顶间隙，提升低速巡航下发动机推力。
[0009]在高折合转速或高速巡航下，通过电机驱动变弯度叶片绕轴旋转，分别降低变弯度转子前叶、尾叶和变弯度静子前叶和尾叶的安装角，从而降低转静叶进气攻角。进一步，针对风扇增压比调节需求，通过增加转子尾叶沿顺时针转角β增加做功量、提升总增压比同时通过减小静子前叶沿逆时针转角γ、增加静子尾叶沿逆时针转角δ提升静压比；通过减小转子尾叶沿顺时针转角β减少做功量、降低总增压比同时通过增加静子前叶沿逆时针转角γ、减小静子尾叶沿逆时针转角δ降低静压比。另一方面，通过调节电压调控叶表上的碳纤维/压电材料层合结构产生所需变形，从而调整叶片整体弯度、厚度、高度和弦长等，保证前/尾叶与中叶光滑过度，并缩小缝道间隙，削弱泄漏损失；同时，通过电压变化调控轮毂和机匣形状，调节通流面积，降低叶顶间隙，从而调节发动机在高速巡航下的推力。
[0010]本专利技术还公开一种航空涡扇发动机用变形风扇优化方法，用于优化所述航空涡扇发动机用变形风扇。所述航空涡扇发动机用变形风扇优化方法，包括如下步骤：
[0011]a)根据飞行器巡航速度确定发动机来流速度，当来流速度或折合转速低于设计值时，变弯度转静子叶片前、尾叶绕轴朝安装角增大方向旋转；当来流速度或折合转速高于设计值时，变弯度转静子叶片前、尾叶绕轴朝安装角减小方向旋转。根据轴向来流速度、折合转速，结合速度三角形确定进气相对速度方向，结合攻角损失特性进而确定转子前叶旋转角度，同时结合总增压比需求，确定转子尾叶旋转角度；根据静子叶片攻角损失特性和转子出口绝对气流角确定静子叶片前叶旋转角度，再由静压比和出口气流方向要求确定静子尾叶的旋转角度。
[0012]b)根据碳纤维/压电材料层合结构的力学特征和压电驱动变形特性，获取三维叶片典型截面叶型和叶高受气动力和离心力变形特性，并获取叠加一定电压和位置布局碳纤维/压电材料层合结构作用下的耦合变形特性。
[0013]c)基于步骤b)获取采用碳纤维/压电材料层合结构的三段式变弯度叶片，结合在步骤a)所述两种工况下的受力变形特性，获取叶片形状、前尾叶/中叶间缝道在受气动力、离心力和压电驱动耦合作用下的变形特性，并通过数值仿真工具获得变形风扇气动损失和压比特性。将仿真结果与优化目标对比，若性能未达到要求，则调整步骤a)中转静子叶片前
尾叶旋转角度和步骤b)中压电材料布局，循环迭代，直至气动性能达到指标要求，即实现所述航空涡扇发动机用变形风扇优化。
[0014]通过压电材料的布局优化，实现对变形风扇局部、阵列、整体三个层次的高精度微变形，实现方法为：
[0015]步骤
①
：通过将压电材料整体包裹在叶片表面，从而对叶型厚度、叶型弯度、叶片角、叶身曲率、叶片高度、叶片弦长进行整体调节，实现调节量相对较大、覆盖范围广的整体调节。
[0016]步骤
②
：通过将压电材料布置在叶片通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空涡扇发动机用变形风扇，其特征在于：包括叶片、轮毂和机匣；所述叶片、轮毂和机匣均由碳纤维和压电材料组成的层合结构构成；在层合结构中，碳纤维包裹压电材料和驱动电极；由电极驱动压电材料带动整个层合结构产生叶片、轮毂和机匣所需微变形，通过压电材料的布局优化，实现对变形风扇局部、阵列、整体三个层次的高精度微变形；叶片微变形无法满足变循环发动机或涡轮冲压组合发动机对宽速域、大空域高效稳定工作要求，采用基于机械结构驱动的三段式变弯度叶片构型，所述三段式变弯度构型基于电机驱动下的多铰链连接机械结构，驱动前叶和尾叶绕轴转动，实现随前叶、中叶、尾叶三段式叶片构型的快响应和大尺度变形，进而实现对弯角、进气攻角和出口气流角更为宽广的调节能力；在快响应和大尺度变形基础上，为进一步解决所述三段式变弯度叶片构型在旋转时存在叶表不连续光滑的问题，由于叶片的层合结构采用智能压电纤维复合材料，通过施加在驱动电极的电压变化实现三段式变弯度叶片构型的高精度微变形，即三段式变弯度叶片构型通过融合基于机械结构驱动的变弯度叶片变形量大和智能压电材料驱动叶片变形精度高的优势，实现对叶片通道旋涡、激波的精准调控，进一步削弱流动分离，在宽来流马赫数和宽折合转速下提升航空涡扇发动机用变形风扇的效率和稳定性；所述叶片分为转子叶片和静子叶片。2.如权利要求1所述的一种航空涡扇发动机用变形风扇，其特征在于：低折合转速或低速巡航下，通过电机驱动变弯度叶片绕轴旋转，分别增加变弯度转子前叶、转子尾叶和变弯度静子前叶和静子尾叶的安装角，从而降低转静子叶片进气攻角；进一步，针对风扇增压比调节需求，通过减小转子尾叶沿逆时针转角β增加做功量、提升总增压比同时通过增加静子前叶沿顺时针转角γ、降低静子尾叶沿顺时针转角δ提升静压比；通过增加转子尾叶沿逆时针转角β减少做功量、降低总增压比同时通过降低静子前叶沿顺时针转角γ、增加静子尾叶沿顺时针转角δ降低静压比；另一方面，通过调节电压调控叶表上的碳纤维/压电材料层合结构产生所需变形，从而调整叶片整体弯度、厚度、高度和弦长，保证前叶、尾叶与中叶光滑过度，并缩小缝道间隙，削弱泄漏损失；同时，通过电压变化调控轮毂和机匣形状，增加通流面积，降低叶顶间隙，提升低速巡航下发动机推力；在高折合转速或高速巡航下，通过电机驱动变弯度叶片绕轴旋转，分别降低变弯度转子前叶、尾叶和变弯度静子前叶和尾叶的安装角，从而降低转静叶进气攻角；进一步，针对风扇增压比调节需求，通过增加转子尾叶沿顺时针转角β增加做功量、提升总增压比同时通过减小静子前叶沿逆时针转角γ、增加静子尾叶沿逆时针转角δ提升静压比；通过减小转子尾叶沿顺时针转角β减少做功量、降低总增压比同时通过增加静子前叶沿逆时针转角γ、减小静子尾叶沿逆时针转角δ降低静压比；另一方面，通过调节电压调控叶表上的碳纤维/压电材料层合结构产生所需变形，从而调整叶片整...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙士珺，李晓龙，张英刚，王骥翔，黄叶红，马奕然，李心唱，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：