[发明专利]压电纤维复合材料驱动的发动机扇形降噪喷嘴

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种航空航天领域的技术，具体是一种压电纤维复合材料驱动的发动机扇形降噪喷嘴。

背景技术

飞机的噪声来源可分为动力系统噪声，如发动机风扇、压气机、喷流等产生的噪声，及无动力噪声，如增升装置噪声、起落架噪声和辅助系统噪声。

其中，对于发动机而言，发动机出口的高速气流与大气自由气流混合，形成高速湍流剪切层，产生高强度的湍流噪声。在起飞和降落阶段，发动机喷流噪声会对机场及周围居民造成严重的噪声污染。基于此，国际民航组织制定了严格的噪声适航标准；而在飞机巡航阶段，需要发动机提供大推力，尽量避免推力损失从而获得较高的燃料利用率。先进航空发动机的设计，期望在飞机起降阶段具有较小的噪声指标，同时在巡航状态下能够尽可能地减小发动机推力损失。

利用扇形喷嘴替代传统的圆形喷嘴，是一种被动的发动机噪声控制技术，可增加发动机核心气流与大气自由气流的湍流混合，达到降低噪声的目的，但会产生额外的推力损失。并且，常规的扇形喷嘴大多是降噪效果与推力损失的折中设计，难以实现最优的噪声控制作用。

扇形喷嘴的渗透度(扇瓣尖部所在切面圆与扇瓣底部所在切面圆的半径之差)是发动机噪声控制的关键参数，直接影响了噪声控制效果。由于常规的扇形喷嘴结构固定，不能主动调节渗透度，限制了降噪效果的最优实现；而大渗透度的扇形喷嘴设计会增大飞机巡航状态下的推力损失，难以获得较好的巡航性能。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103171757A，公布日2013.6.26，公开了一种运用压电纤维复合材料的自适应后缘驱动装置，压电纤维复合材料通过环氧树脂呈阵列式粘贴在基板上下两侧的表面上，压电纤维复合材料各自连接一个独立的高压电源，电源输出范围为‐500V～+1500V。但该技术直接通过额外电源对压电纤维复合材料施加电压，材料尺寸较大时内部电场分布不均匀，无法实现同时形变。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种压电纤维复合材料驱动的发动机扇形降噪喷嘴，将压电纤维复合材料应用于发动机扇形喷嘴，实现喷嘴扇瓣均匀形变，可主动、快速地改变喷嘴扇瓣的渗透度，降低喷流噪声的同时保证较小的推力损失。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：扇形喷嘴和固定设置于喷嘴扇瓣上下表面的若干驱动装置。

所述的驱动装置包括：双层压电纤维复合材料、排布于每层压电纤维复合材料上下表面的交叉指形电极以及与交叉指形电极相连并位于喷嘴扇瓣根部的控制模块。

所述的双层压电纤维复合材料包括压电陶瓷和有机高分子材料，其中任意一层压电纤维复合材料的厚度等于喷嘴扇瓣的整体最大厚度的1/4～1/3。

所述的双层压电纤维复合材料的宽度等于喷嘴扇瓣的尖部至根部长度的1/5～1/4。

所述的双层压电纤维复合材料的整体面积大于等于喷嘴扇瓣面积的1/3。

所述的双层压电纤维复合材料通过铆钉、紧固和键合等方式与喷嘴扇瓣固定连接。

所述的压电陶瓷和有机高分子材料满足以下任意组合：

1)1‐3结构，即压电陶瓷是一维联通，有机高分子材料是三维联通；

2)2‐2结构，即压电陶瓷和有机高分子材料均为二维联通。

所述的压电陶瓷的纤维截面可选圆形、椭圆形、方形或不规则形。

所述的压电陶瓷的纤维平行于喷嘴扇瓣并从喷嘴扇瓣根部指向尖部，以使喷嘴扇瓣在工作状态下产生理想的变形结果驱动喷嘴扇瓣偏转。

所述的压电陶瓷的纤维长度与双层压电纤维复合材料的整体长度一致，纤维间距为纤维长度的1/6～1/5。

所述的有机高分子材料可选用耐高温型环氧树脂及相关合适的聚合物，材料的长度、厚度和宽度与压电纤维复合材料的整体相同。

所述的交叉指形电极在压电纤维复合材料的上下表面沿两个方向对称排布，包括一对异性主电极和若干异性分支电极，其中：一对主电极沿双层压电纤维复合材料的长度方向排布，分支电极沿双层压电纤维复合材料的宽度方向排布，每层压电纤维复合材料上下表面对应位置电极为同极。

所述的控制模块向分别位于喷嘴扇瓣上下表面的双层压电纤维复合材料施加相反方向的驱动电压，形成相反电场。

所述的驱动电压范围为‐500V～+500V。