一种升力风扇排气叶栅减振方法及系统与流程

1.本发明涉及航空发动机减振技术领域，具体涉及一种升力风扇排气叶栅减振方法及系统。


背景技术：

2.当前，升力风扇排气叶栅多用于stovl推进系统中，这种排气叶栅在工作时，往往会受到不同工况下气流的影响，导致振动应力过大，严重制约了排气叶栅的可靠性和寿命。因此，需要研究针对升力风扇排气叶栅的减振技术。
3.传统的排气叶栅减振手段是修改叶型，避开长时间运行在振动应力大的工况，以及在叶栅中间加一道或若干道起到减振作用的分隔片。这样会导致排气叶栅气动性能降低、可使用工况受限、结构复杂且重量增加。
4.如何在避免排气叶栅气动性降低的情况下，对升力风扇排气叶栅进行减振，是本领域亟待解决的重要问题之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种升力风扇排气叶栅减振方法及系统，以解决现有技术中的不足，它能够在避免排气叶栅气动性降低的情况下，对升力风扇排气叶栅进行减振。
6.本发明提供了一种升力风扇排气叶栅减振方法，其中，包括以下步骤，
7.s1，获取升力风扇排气叶栅的工作状态；
8.s2，根据工作状态，选取预先给定的控制量，控制预先安装在控制部位的作动器产生减小或抵消形变的作动力。
9.如上所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其中，可选的是，预先给定的控制量通过以下步骤得到：
10.s21，确定控制部位；
11.s22，计算出不同工作状态下，将振动应力控制到允许范围之内的作动器输出力，并反推出所需的作动器输入电压作为预先给定的控制量。
12.如上所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其中，可选的是，确定控制步骤的方法包括：
13.s211，根据激振气流的频率和升力风扇排气叶栅的固有频率，确定升力风扇排气叶栅工作范围内的共振点；
14.s212，对升力风扇排气叶栅进行模态分析，获取共振点所对应模态阶次下的模态应力，选取模态应力较大的位置作为振动应力的监测点；
15.s213，在共振对应的工作状态下，交替迭代计算非定常流场和结构瞬态响应，获取各监测点的振动应力；
16.s214，根据所述振动应力确定各监测点是否为控制部位。
17.如上所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其中，可选的是，步骤s214包括：
18.判断振动应力是否大于设定的应力阈值，如果是，该振动应力对应的共振点所处的位置为控制部位。
19.如上所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其中，可选的是，步骤s22中，计算作动器输出力的方法为有限单元法和压电驱动载荷比拟方法。
20.如上所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其中，可选的是，步骤s2中，作动器由压电纤维复合材料制成。
21.如上所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其中，可选的是，步骤s2中，作动力用于抵消升力风扇排气叶栅的叶片弯曲变形或扭转变形；所述作动器的压电纤维具有两个朝向，两个朝向的压电纤维分别用于产生抵消升力风扇排气叶栅的叶片弯曲变形或扭转变形。
22.如上所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其中，可选的是，压电纤维的两个朝向为别为0度或45度。
23.本发明还提出了一种升力风扇排气叶栅减振系统，用于如上任一项所述的方法；包括，
24.作动器，设置于升力风扇排气叶栅的控制部位；所述作动器由压电纤维复合材料制成，用于产生能够抵消升力风扇排气叶栅的叶片变形的作动力；
25.控制器，与所述作动器电连接，所述控制器用于获取升力风扇排气叶栅工作状态，并根据该工作状态选取预先设置的控制量，按该控制量控制对应的作动器产生作动力。
26.如上所述的升力风扇排气叶栅减振系统，其中，可选的是，还包括电压放大器，所述电压放大器与各个作动器及控制器电连接；
27.所述电压放大器用于对控制器输出给各作动器的电压放大。
28.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
29.本发明通过在控制部位设置作动器，利用作动器产生的作动力来抵消升力风扇排气叶栅的振动。具体地，根据共振点来确定控制部位，即，每个控制部位均处于共振点附近。根据升力风扇排气叶栅的工作状态，能够有针对性地进行动态减振。
30.本发明为升力风扇排气叶栅提供了一种高效动态的减振方法。该方法不需要改变原始气动叶型和工作范围，也不需要增加额外的分隔片，能够避免排气叶栅气动性能降低，具有较高的普适性和工程适用性。
附图说明
31.图1是本发明的整体步骤流程图；
32.图2是本发明步骤s2的具体步骤流程图；
33.图3是本发明步骤s21的步骤流程图；
34.图4是本发明步骤s214的步骤流程图；
35.图5是本发明实施例2提出的方法的步骤流程图；
36.图6是本发明实施例3的结构示意图。
37.附图标记说明：
38.1－升力风扇排气叶栅，2－作动器，3－电压放大器，4－控制器。
具体实施方式
39.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
40.为了解决背景技术中提出的问题，本发明提出了以下实施例，旨在提出一种能够在尽可能不影响排气叶栅气动性能的情况下减少排气叶栅振动的解决方案。
41.实施例1
42.请参照图1到图4，本实施例提出了一种升力风扇排气叶栅减振方法，其中，包括以下步骤，
43.s1，获取升力风扇排气叶栅1的工作状态；具体实施时，所述升力风扇排气叶栅1的工作状态可以是从推进系统上其他控制部件获取，也可以通过配置传感器进行检测，考虑到不增加过多部件，在使用时，优先考虑从推进系统上的控制部件获取，或由现有的传感器的检测结果来判断。对于如何获取升力风扇排气叶栅1的工作状态，对于本领域技术人员来讲，结合现有技术及上述内容，能够实现，此处不再赘述。
44.s2，根据工作状态，选取预先给定的控制量，控制预先安装在控制部位的作动器2产生减小或抵消形变的作动力。
45.在具体实施时，步骤s2是本方案实现的关键。即，控制量是预先设定的多个数据或函数关系式；每个作动器2根据工作状态的不同，对应一个或多个数值。在控制时，根据工作状态的不同，选择对应的控制量来分别控制对应的作动器，使其产生能够抵消对应的形变。进而实现对于升力风扇排气叶栅1的动态减振。
46.具体地，预先给定的控制量通过以下步骤得到：
47.s21，确定控制部位。如何确定控制部位是本方法中实现控制动态减振的关键，具体地，本实施例通过步骤s211到步骤s214来实现。
48.s211，根据激振气流的频率和升力风扇排气叶栅1的固有频率，确定升力风扇排气叶栅1工作范围内的共振点；共振点是振动幅度最大的点，即，振动最为剧烈的点。在共振点中选择控制部位，一方面能够有利于实现减振效果最好，另一方面，当共振点的振动符合要求后，其他各点也能满足相应要求。
49.s212，对升力风扇排气叶栅1进行模态分析，获取共振点所对应模态阶次下的模态应力，选取模态应力较大的位置作为振动应力的监测点；具体地，利用有限元软件，对升力风扇排气叶栅1的叶片进行模态分析。
50.s213，在共振对应的工作状态下，交替迭代计算非定常流场和结构瞬态响应，获取各监测点的振动应力。具体实施时，分别通过cfd软件和有限元软件，交替迭代计算非定常流场和结构瞬态响应，获取监测点的振动应力。即，将振动应力作为确定控制部位的依据。
51.s214，根据所述振动应力确定各监测点是否为控制部位。在实施时，可通过将振动应力与对应的要求应力进行比较，以振动应力是否满足要求为依据来确定各监测点是否应作为控制部位。具体地，判断振动应力是否大于设定的应力阈值，如果是，该振动应力对应的共振点所处的位置为控制部位；如果否，该振动应力对应的共振点所处的位置无需作为控制部位。
52.s22，计算出不同工作状态下，将振动应力控制到允许范围之内的作动器2输出力，并反推出所需的作动器2输入电压作为预先给定的控制量。控制量的计算，是本实施例的另
一关键。具体地，计算作动器2输出力的方法为有限单元法和压电驱动载荷比拟方法。
53.为了减小对于排气叶栅气动性能的影响，本实施例中，作动器2由压电纤维复合材料(macro fiber composite，mfc)制成。作动器2粘贴或嵌入在控制部位处，相比于传统压电材料，压电纤维复合材料具有柔性特点，可完好贴敷于曲面上。要根据所需抑制的振动应力方向选择的纤维方向。
54.具体地，作动力用于抵消升力风扇排气叶栅1的叶片弯曲变形或扭转变形；所述作动器2的压电纤维可能具有两个朝向；两个朝向的压电纤维分别用于产生抵消升力风扇排气叶栅1的叶片弯曲变形或扭转变形。实施时，压电纤维朝向为0
°
，即沿叶片的长度方向布置，加载电压后能够产生弯曲变形，主要用于控制弯曲变形，用于弯曲控制；压电纤维朝向为45
°
，即，与叶片的长度方向有45度夹角，加载电压后能够产生扭转变形，主要用于扭转控制。如此，能够降低弯曲和/或扭转引起的振动。
55.实施例2
56.本实施例与实施例1实质相同，不同之处在于，实施例1从控制的角度进行了充分说明，本实施例则是从设计的角度对整个设计及实施过程进行了充分的说明。
57.请参照图5和图6，本实施例公开了一种升力风扇排气叶栅减振的实现方法。包括以下步骤：
58.s01，针对升力风扇排气叶栅1激振气流的频率和升力风扇排气叶栅1本身的固有频率，找出升力风扇排气叶栅1工作范围内的共振点。
59.s02，采用有限元软件，对升力风扇排气叶栅1的叶片进行模态分析，获取共振点所对应模态阶次下的模态应力，选取模态应力较大的位置作为振动应力的监测点。
60.s03，在共振点对应的工况下，分别通过cfd软件和有限元软件，交替迭代计算非定常流场和结构瞬态响应，获取监测点的振动应力。如果振动应力大于许用振动应力，则将该监测点作为需要控制振动应力的部位，作为应力控制部位。
61.s04，使用压电纤维复合材料mfc作为作动器2，粘贴在对应应力控制部位表面上，具体实施时，也可嵌入到对应部位的叶片内部。其中压电纤维复合材料是一种新型的基于压电效应的功能复合材料，与传统压电材料相比，具有柔性特点，可完好贴敷于曲面上。要根据所需抑制的振动应力方向选择mfc的纤维方向。压电纤维朝向为0
°
，加载电压后能够产生弯曲变形，主要用于弯曲控制；压电纤维朝向为45
°
，加载电压后能够产生扭转变形，主要用于扭转控制。
62.s05，将每个作动器2分别采用导线连接到电压放大器3上，而电压放大器3通过导线连接到控制器4上。
63.s06，采用有限单元法和压电驱动载荷比拟方法，计算出将振动应力控制到许用振动应用之内的mfc输出力，并反推出所需的mfc输入电压作为控制量。
64.s07，将mfc输入电压作为控制量，预先输入到控制器4中，在工作状态中不同工况下，控制器4就将预先给定的控制量，将控制信号经过电压放大器3放大后传递到各个不同的作动器2，驱动作动器2产生作动力，从而对升力风扇排气叶栅1叶片上不同部位的形变量进行抵消，起到减振作用。
65.实施例3
66.请参照图6，本实施例提出了一种升力风扇排气叶栅减振系统，用于如实施例1或
实施例2所述的方法；包括作动器2、电压放大器3和控制器4。作动器2用于产生作动力，以抵消升力风扇排气叶栅1的变形，控制器4用于控制的作动器2产生的作动力。
67.具体地，作动器2设置于升力风扇排气叶栅1的控制部位；所述作动器2由压电纤维复合材料制成，用于产生能够抵消升力风扇排气叶栅1的叶片变形的作动力。控制器4与所述作动器2电连接，所述控制器4用于获取升力风扇排气叶栅1工作状态，并根据该工作状态选取预先设置的控制量，按该控制量控制对应的作动器2产生作动力。所述电压放大器3与各个作动器2及控制器4电连接；所述电压放大器3用于对控制器4输出给各作动器2的电压放大。通过以上结构，将mfc输入电压作为控制量，预先输入到控制器4中，在工作状态中不同工况下，控制器4就将预先给定的控制量，将控制信号经过电压放大器3放大后传递到各个不同的作动器2，驱动作动器2产生作动力，从而对升力风扇排气叶栅叶片上不同部位的形变量进行抵消，起到减振作用。
68.通过以上实施例1到3，本发明至少具有以下效果：
69.本发明通过在控制部位设置作动器，利用作动器产生的作动力来抵消升力风扇排气叶栅的振动。具体地，根据共振点来确定控制部位，即，每个控制部位均处于共振点附近。根据升力风扇排气叶栅的工作状态，能够有针对性地进行动态减振。
70.本发明为升力风扇排气叶栅提供了一种高效动态的减振方法。该方法不需要改变原始气动叶型和工作范围，也不需要增加额外的分隔片，能够避免排气叶栅气动性能降低，具有较高的普适性和工程适用性。
71.以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种升力风扇排气叶栅减振方法，其特征在于：包括以下步骤，s1，获取升力风扇排气叶栅(1)的工作状态；s2，根据工作状态，选取预先给定的控制量，控制预先安装在控制部位的作动器(2)产生减小或抵消形变的作动力。2.根据权利要求1所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其特征在于：预先给定的控制量通过以下步骤得到：s21，确定控制部位；s22，计算出不同工作状态下，将振动应力控制到允许范围之内的作动器(2)输出力，并反推出所需的作动器(2)输入电压作为预先给定的控制量。3.根据权利要求2所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其特征在于：确定控制步骤的方法包括：s211，根据激振气流的频率和升力风扇排气叶栅(1)的固有频率，确定升力风扇排气叶栅(1)工作范围内的共振点；s212，对升力风扇排气叶栅(1)进行模态分析，获取共振点所对应模态阶次下的模态应力，选取模态应力较大的位置作为振动应力的监测点；s213，在共振对应的工作状态下，交替迭代计算非定常流场和结构瞬态响应，获取各监测点的振动应力；s214，根据所述振动应力确定各监测点是否为控制部位。4.根据权利要求3所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其特征在于：步骤s214包括：判断振动应力是否大于设定的应力阈值，如果是，该振动应力对应的共振点所处的位置为控制部位。5.根据权利要求2所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其特征在于：步骤s22中，计算作动器(2)输出力的方法为有限单元法和压电驱动载荷比拟方法。6.根据权利要求1－5任一项所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其特征在于：步骤s2中，作动器(2)由压电纤维复合材料制成。7.根据权利要求6所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其特征在于：步骤s2中，作动力用于抵消升力风扇排气叶栅(1)的叶片弯曲变形或扭转变形；所述作动器(2)的压电纤维具有两个朝向，两个朝向的压电纤维分别用于产生抵消升力风扇排气叶栅的叶片弯曲变形或扭转变形。8.根据权利要求7所述的升力风扇排气叶栅减振方法，其特征在于：压电纤维的两个朝向为别为0度或45度。9.一种升力风扇排气叶栅减振系统，其特征在于：用于如权利要求1－8任一项所述的方法；包括，作动器(2)，设置于升力风扇排气叶栅(1)的控制部位；所述作动器(2)由压电纤维复合材料制成，用于产生能够抵消升力风扇排气叶栅(1)的叶片变形的作动力；控制器(4)，与所述作动器(2)电连接，所述控制器(4)用于获取升力风扇排气叶栅(1)工作状态，并根据该工作状态选取预先设置的控制量，按该控制量控制对应的作动器(2)产生作动力。10.根据权利要求9所述的升力风扇排气叶栅减振系统，其特征在于：还包括电压放大
器(3)，所述电压放大器(3)与各个作动器(2)及控制器(4)电连接；所述电压放大器(3)用于对控制器(4)输出给各作动器(2)的电压放大。

技术总结
本发明公开了一种升力风扇排气叶栅减振方法及系统，其中该方法包括以下步骤，S1，获取升力风扇排气叶栅的工作状态；S2，根据工作状态，选取预先给定的控制量，控制预先安装在控制部位的作动器产生减小或抵消形变的作动力。本发明能够在避免排气叶栅气动性降低的情况下，对升力风扇排气叶栅进行减振。对升力风扇排气叶栅进行减振。对升力风扇排气叶栅进行减振。


技术研发人员：徐可宁 李雯 梁东
受保护的技术使用者：中国航空发动机研究院
技术研发日：2023.01.06
技术公布日：2023/4/25