[发明专利]一种可控变形风扇及其设计方法

说明书

发明公开了一种可控变形风扇及其设计方法，设计方法包括获得层合板的受力变形规律和压电变形规律；根据叶型截面形状变化，获得对应扇叶形状的叶型气动特征；根据叶高的变化，获得对应扇叶形状的叶高气动特征；综合叶型气动特征、叶高气动特征、受力变形规律和压电变形规律，对扇叶进行结构设计。本申请通过碳纤维/压电复合变形结构的设计，包括碳纤维材料/压电材料层合结构的力学特性提取；可控变形风扇叶型设计方法，包括可控变形超跨音叶型气动特征提取方法及设计方法等；耦合上述技术形成可控变形超高压比风扇设计技术。

技术领域

本公开属于扇叶技术领域，具体涉及一种可控变形风扇及其设计方法。

背景技术

现有技术中，重量轻、经济性好、使用可靠、安全性高是先进航空发动机的发展趋势，低密度、高比强度、高比刚度、易成型、耐腐蚀、耐疲劳的碳纤维材料已成为航空发动机冷端部件的较佳候选材料。结合先进复合材料叶片刚度可设计性强的特点，通过智能可控的主动变形(复合材料与压电材料耦合设计)和被动变形(考虑流固耦合的真实叶片形变预估)，联合实现不同工作转速下风扇几何的可控定量形变形。

现阶段航空发动机风扇叶片的固定叶型设计已经无法兼顾高气动特征和宽工作范围的需求，对于未来更高推重比的发动机设计，亟需发展一种叶型可随工况变化的高性能风扇。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开的第一目的在于提供了一种可控变形风扇。

本公开的第二目的在于提供一种设计上述可控变形风扇的设计方法。

为了实现本公开的第一目的，本公开所采用的技术方案如下：

一种可控变形风扇，包括扇叶，所述扇叶上具有复合板部，所述复合板部包括碳纤维材料和压电材料组成的层合板，所述碳纤维材料和压电材料相互连接；所述压电材料上还安装有驱动电极，驱动电极用于驱动压电材料变形，压电材料带动复合板部变形。

为了实现本公开的第二目的，本公开所采用的技术方案如下：

一种设计上述可控变形风扇的方法，包括：

获得层合板的受力变形规律和压电变形规律；

根据叶型截面形状变化，获得对应扇叶形状的叶型气动特征；根据叶高的变化，获得对应扇叶形状的叶高气动特征；

综合叶型气动特征、叶高气动特征、受力变形规律和压电变形规律，对扇叶进行结构设计。

可选的，获得层合板的受力变形规律和压电变形规律具体包括：

获得层合板受外载荷下的应力与应变的受力变形规律，层合板受驱动电压作用下产生局部或全场弯曲、扭转、拉伸变形的压电变形规律；还获得层合板的材料、结构对压电变形的结构影响规律。

可选的，根据受力变形规律、压电变形规律、结构影响规律选择复合板的材料和结构。

可选的，根据受力变形规律、压电变形规律、结构影响规律，分析扇叶的基元级平面内变形规律、沿叶高方向变形规律和叶片局部变形规律；再根据基元级平面内变形规律、沿叶高方向变形规律、叶片局部变形规律、叶型气动特征和叶高气动特征对扇叶进行结构设计。

可选的，分析扇叶的基元级平面内变形规律、沿叶高方向变形规律和叶片局部变形规律具体包括：

根据受力变形规律、压电变形规律、结构影响规律建立扇叶力学及作动性能的有限元模型，根据有限元模型分析扇叶的基元级平面内变形规律、沿叶高方向变形规律和叶片局部变形规律。

可选的，根据叶型截面形状变化，获得对应扇叶形状的叶型气动特征具体包括：

根据叶片局部变形规律获得扇叶整体均匀变弯度、固定进口几何角变弯度和固定出口几何角变弯度的叶型气动特征。