(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111624834.6 (22)申请日 2021.12.28 (71)申请人 中国科学院工程热物理研究所 地址 100190 北京市海淀区北四环西路1 1 号 (72)发明人 张华良　尹钊　王嘉辉　汤宏涛　 徐玉杰　陈海生　吴琼　 (74)专利代理 机构 北京锺维联合知识产权代理 有限公司 1 1579 代理人 原春香 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) F01D 5/14(2006.01) F01D 5/28(2006.01)F01D 7/00(2006.01) F04D 27/00(2006.01) F04D 29/26(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 基于压电纤维复合材料的自适应变形叶片 及其设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于压电纤维复合材料 的自适应变形叶片及其设计方法， 在不同叶片高 度处， 叶身内表面贴有压电纤维复合材料作动 器， 并且在不同弦长位置布置压电纤维 复合材料 作动器连接叶身和骨架； 作动器的布局方式以数 值模拟及实验为依据进行选取， 以使叶片能实现 多自由度的大幅连续变形； 进一步通过实验或者 数值模拟获得不同作动器驱动电压组合下的叶 片数据集； 选取典型特征工况， 采用数值模拟获 得叶型数据集中各叶型对应的性能参数， 建立驱 动电压、 折合转速、 压比/膨胀比与效率之间的近 似模型； 根据叶轮机械实际折合转速和压比/膨 胀比， 通过近似模型优化， 获得最优效率对应的 驱动电压并施加该电压进行控制， 从而实现高效 自适应叶片变形。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 114329831 A 2022.04.12 CN 114329831 A 1.一种基于压电纤维复合材料的自适应变形叶片的设计方法， 其特征在于， 所述设计 方法至少包括以下步骤： S1.可变形叶片的结构设计 所述可变形叶片在结构上至少包括四部分： 碳纤维复合材料叶身、 碳纤维复合材料骨 架、 常规材料尾缘、 压电纤维复合材料作动器， 其中， 所述压电纤维复合材料作动器在弦向 上布置在临近叶片前缘的叶身和/或骨架的不同弦长位置， 且在在不同叶片高度 处布置有 多处， 用以实现叶片进口几何角变化和/或叶身 前部型线变化， 可通过控制不同作动器在不 同运行工况实现最佳效率叶片； S2.压电纤维复合材 料作动器布局设计 通过数值模拟和实验相结合的方式， 搜寻 能使叶片进口几何角改变达到变形要求的作 动器布局方式； S3.可变形叶片数据集建立 采用实验方式或数值模拟的方式， 获得不同作动器驱动电压组合下对应的变形叶片， 并形成可变形叶片数据集； S4.近似模型建立 选取典型特征工况(不同转速和压比/膨胀比)， 采用数值模拟获得叶型数据集中各叶 片对应的性能参数， 从而建立驱动电压、 折 合转速、 压比/膨胀比与效率之间的近似 模型； S5.不同工况最佳驱动电压控制 根据叶轮机械实际测量所得折合转速和压比/膨胀比， 基于步骤S4中建立的近似模型 优化， 获得最优效率对应的驱动电压， 并施加该电压进 行控制， 从而实现高效自适应叶片变 形。 2.根据权利要求1所述方法， 其特征在于， 步骤S1中， 所述压电纤维复合材料作动器安 装形式包括但不限于以下情况： (1)粘贴在叶身表面或骨架； (2)连接叶片型线和中 弧线骨架。 (3)以上述(1)(2)的形式在不同叶高及流向位置多处分布。 3.根据权利要求1所述方法， 其特征在于， 步骤S1中， 所述变形叶片的变形形式包括但 不限于以下情况： (1)进口几何角改变； (2)叶身型线改变。 4.根据权利要求1所述方法， 其特征在于， 步骤S1中， 所述沿展向设置多个作动器的目 的包括但不限于控制各个叶高的变形量 为最佳值， 以适应进口不均匀来 流条件。 5.根据权利要求1所述方法， 其特征在于， 步骤S1中， 所述各叶高截面的压电纤维复合 材料作动器布局方式 需满足的要求包括但不限于以下情况： (1)进口几何角可以实现一定角度的变化； (2)变形时的曲率连续 性。 6.一种根据上述权利要求1～5任一项所述的方法得到的自适应 变形叶片。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114329831 A 2基于压电纤维复合材料的 自适应变形叶片及其设计方 法 技术领域 [0001]本发明属于叶轮机械设计与控制 领域， 涉及一种自适应变形 叶片及其设计方法， 尤其涉及一种基于 压电纤维复合材 料的自适应 变形叶片及其设计方法。 背景技术 [0002]叶轮机械被广泛应用于能源和动力领域， 如航空发动机、 地面和船用燃气轮机、 汽 轮机以及压缩空气储能系统等等。 由于运行环境和功率需求的变化， 压气机和涡轮等叶轮 机械频繁地工作在非设计状态， 特别是攻角发生大幅波动， 造成叶轮机械部件及能源动力 系统的性能严重恶化。 [0003]对于叶片来说， 改善宽工况运行 效率的方法主要包括两种： (1)一定程度上适应宽 工况的固定几何 叶型设计； (2)变几何 叶片， 如可调 导叶和扩压器等。 但是上述方法存在以 下问题： (1)适应性有限， 不能完全满足宽工况高效运行需求； (2)在 减小非设计运行工况损 失的同时， 也常常伴随着设计点效率的降低。 例如 采用大前缘半径的固定几何叶型， 在大攻 角范围内效率下降较小， 但设计工况效率较低； 而采用可调导叶可明显改善非设计工况效 率， 但带来较大的顶部和底部间隙泄漏损失， 以及调节作动装置的设计与控制问题。 因此如 何能兼顾设计点和非设计点性能一直是一个挑战。 近年来， 材料科学迅猛 发展， 新型材料的 应用有望大幅改善传统叶片设计的短板， 例如将形状记忆合金(SMA)应用于机翼等部件改 善飞行器气动性能， 但SMA的控制需依靠温度的变化， 温度的调节惯性较大， 难以保证调节 的实时性。 如何在不降低设计性能的前提下， 拓宽叶轮机械高效运行工况并保持控制系统 的可靠性与实时性， 本领域亟需一种新型变几何叶片设计及其设计方法。 发明内容 [0004]有鉴于此， 本发明的主要目的在于提供一种基于压电纤维复合材料的自适应变形 叶片及其设计方法， 以期至少 部分地解决上述技术问题中的至少之一。 所述自适应变形叶 片包括但不限于碳纤维复合材料叶身、 碳纤维骨架、 常规尾缘和压电纤维复合材料作动器； 在不同叶片 高度处， 叶身内表面贴有压电纤维复合材料作动器， 并且在不同弦长位置布置 压电纤维复合材料作动器连接叶身和骨架； 作动器的布局方式(数量、 尺寸及位置)以数值 模拟及实验为依据进行选取， 以使叶片能实现多自由度的大幅连续变形； 进一步通过实验 或者数值模拟获得不同作动器驱动电压组合下 的叶片数据集； 选取典型特征工况(不同转 速和压比/膨胀比)， 采用数值模拟获得叶型数据集中各叶型对应的性能参数， 建立驱动电 压、 折合转速、 压比/膨胀比与效率之 间的近似模 型； 根据叶轮机械实际折合转速和压比/膨 胀比， 通过近似模型优化， 获得最优效率对应的驱动电压并施加该电压进 行控制， 从而实现 高效自适应叶片 变形。 所述基于压电纤维复合材料的自适应变形叶片及其设计方法能够在 不降低设计点性能的前提下， 有效改善叶轮机械非设计工况运行时性能， 防止气动性能的 严重恶化。 [0005]为了实现上述目的， 本发明提供的技 术方案如下：说　明　书 1/4 页 3 CN 114329831 A 3