扑翼式合成射流激励器制造技术

技术编号:21162419 阅读:86 留言:0更新日期:2019-05-22 08:37
本实用新型专利技术属于流体机械领域,具体地说是一种扑翼式合成射流激励器,两对翼面安装在柔性旋转关节内,柔性旋转关节固连在翼根上;电机通过传动机构驱动连杆A推动翼根上、下往复运动,从而使上、下翼面产生大小相等,方向相反的扑动。在惯性、材料弹性、流体粘性共同作用下,翼面绕自身前缘产生旋转;通过拍合在翼面尾缘产生射流,在翼面旋转运动反转时,从翼面前缘吸入流体,从而实现合成射流。本实用新型专利技术使用被动柔性旋转关节实现翼面二自由度运动,不仅通过合成射流的方式产生推力,还能通过翼面二自由度运动生成的动态涡产生升力,是一种具有新型结构形式的合成射流激励器,并能产生二维驱动力,提供了流体控制的灵活性。

Flapping-wing synthetic jet actuator

The utility model belongs to the field of fluid mechanics, in particular to a flapping-wing synthetic jet actuator, in which two pairs of wings are installed in flexible rotating joints, and the flexible rotating joints are fixed on the wing roots; the motor drives the connecting rod A to drive the reciprocating motion of the wing roots, so that the upper and lower wings flutter in the same size and opposite direction. Under the combined action of inertia, material elasticity and fluid viscosity, the wing surface rotates around its leading edge, and the jet is produced by clapping at the trailing edge of the wing surface. When the wing rotates backward, the fluid is sucked from the front edge of the wing to realize the synthetic jet. The utility model uses a passive flexible rotating joint to realize two-degree-of-freedom motion of the wing surface, which not only generates thrust by means of synthetic jet, but also generates lift by means of dynamic vortices generated by two-degree-of-freedom motion of the wing surface. The utility model is a synthetic jet actuator with a new structural form, which can generate two-dimensional driving force, and provides flexibility of fluid control.

【技术实现步骤摘要】
扑翼式合成射流激励器
本技术属于流体机械领域,具体地说是一种扑翼式合成射流激励器。
技术介绍
合成射流技术是一种全新的流动控制技术,它通过控制漩涡结构的融合,可以有效地提升推力和推进效率。合成射流技术不需要流体供应和管道输送系统,因此结构非常简单。传统的合成射流激励器主要由激励器腔体和振动部件两部分组成,在电/磁/机械激励下,振动膜片发生振动,在吹程压缩腔内空气形成喷流,在吸程从孔隙从周围补充流体。其具体的结构形式主要有压电膜振动式,如于2018年6月2日公开的、公开号为CN108194461A的“一种利用压电振动薄膜和三电极等离子体组合式合成射流激励器”,于2006年8月16日公开的、公开号为CN1818399A的“单膜双腔双口合成射流激励器”;活塞振动式,如于2015年7月22日公开的、公开号为CN104791218A的“一种带辅助进气槽的活塞式合成射流激励器”。这些传统的合成射流激励器均用于改变局部流场,从而影响气动力和力矩。但这些传统的合成射流激励器,由于其腔体的孔隙位置固定,只能产生一维的气动力。此外,由于其腔体相对密闭,在实现高速射流时,导致吸气过程的腔体和环境的压比很小,导致吸气变得困难。扑翼飞行器是模仿鸟类、昆虫的飞行方式,以扑动翼面的方式产生气涡,并以此作为气动力的来源。扑翼飞行器产生的气动力为非定常气动力,其气动力的生成机制为“动态涡延迟失速”、“旋转环流”、“尾迹捕获”等。扑翼飞行器按照翼面的布局方式,有单层翼(singlewing)、双层翼(biplanewings)、串联翼(tandemwings)。目前研究较多的是单层翼、双层翼的扑翼飞行器。单层扑翼飞行器在翅膀扑动过程中,气涡依次经历翼根涡、前缘涡、翼尖涡等形态,最后在翅膀尾缘以尾迹的形式脱落。在此之后,可以通过改变翅膀的运动形式,重新捕获尾迹,进一步增加升力;如于2018年5月8日公开的、公开号为CN108001680A的“一种多层微型仿生扑翼飞行器”中,利用clap—and—fling气动机制,为单层扑翼设计了一种驱动机构,以产生翅膀旋转的方式,将从尾缘脱落尾迹重新卷入以达到提高升力的效果。但是单层扑翼的一个特点是,它的涡的形式始终是以尾迹(而非射流)的形式脱落,无法形成“合成射流”气动效应。对于双层扑翼飞行器,荷兰Delft大学设计了一系列不同尺寸的样机,其中以DelflyII的工程完成度最高(deCroon,Percin,Remes,Ruijsink,&DeWagter,2016)。这些样机均有两对翅膀,呈“X”型布局,上下翅膀反向扑动,依靠翅膀的柔性变形在翅膀拍合处向翅膀尾缘产生射流;在翅膀扑动反转时,依靠翅膀的柔性变形从翅膀前缘吸入空气。双层扑翼飞行器的这种翼型布局、翅膀柔性、运动方式,正好构成了“合成射流”的基本技术要素。但Delfly系列双层扑翼飞行器的每个翅膀只有一个运动自由度(扑动),目前只能依靠翅膀的柔性模拟少量的翅膀旋转运动;这导致射流的流量比较小,从而限制了推力的进一步提高。
技术实现思路
针对传统的合成射流激励器(压电膜振动式、活塞振动式)存在的上述问题,本技术的目的在于提供一种能产生二维力的扑翼式合成射流激励器。本技术的目的是通过以下技术方案来实现的:本技术包括电机、支架、传动机构、连杆A、柔性旋转关节、翼根、翼面及机身连杆,其中电机及机身连杆分别安装在支架上,该机身连杆上安装有呈“X”形的翼根,“X”的两条边可相对转动,翼根的左右两侧对称设有连杆A,所述电机的输出端通过传动机构分别与两侧的连杆A的一端相连,两侧的连杆A的另一端分别与“X”形的两条边连接;所述“X”形每条边的两端均设有柔性旋转关节,每个柔性旋转关节上均安装有具有扑动和旋转两个自由度的翼面,所述电机通过传动机构驱动两侧的连杆A同步、反向转动,进而带动每侧上下两个翼面反向扑动,每个所述翼面在扑动过程中绕自身前缘被动转动;其中:所述柔性旋转关节包括内关节及外关节,该内关节与外关节均沿轴向设有开口,所述翼面由内关节上的开口插入、并与内关节相连,所述外关节安装在翼根上,所述内关节由外关节上的开口放入,翼面绕其自身的前缘可相对外关节转动;所述外关节内设容置内关节的安装孔,该内关节的外径大于所述安装孔的直径,即内关节与外关节过盈配合;所述翼面上设有片状结构,该片状结构的一部分插入所述内关节的开口中、并与内关节连接,所述片状结构的另一部分沿径向向外延伸至外关节的开口位置;所述传动机构为齿轮组,该齿轮组包括齿轮A、齿轮B、齿轮C、齿轮D及齿轮E,齿轮A与所述电机的输出轴相连,所述齿轮B与齿轮C同轴设置,齿轮轴转动安装于所述支架上,该齿轮B与齿轮A相啮合;所述齿轮D及齿轮E分别位于齿轮C下方的左右两侧,且齿轮轴分别转动安装在支架上,该齿轮D分别与齿轮C及齿轮E相啮合;两侧的所述连杆A的一端分别连接于齿轮D及齿轮E上;所述齿轮D、连接于齿轮D上的一侧的连杆A、该侧连杆A另一端连接的翼根组成曲柄摇杆机构,所述齿轮E、连接于齿轮E上的另一侧的连杆A、该侧连杆A另一端连接的翼根组成曲柄摇杆机构;所述齿轮A、齿轮B、齿轮C、齿轮D及齿轮E位于支架的同侧,该齿轮B、齿轮D及齿轮E上均开设有弧形孔;所述翼根为两个,每个翼根均呈“V”形,该“V”形两边的交汇处与所述机身连杆转动连接,其中一个翼根“V”形的一边位于另一个翼根“V”形的两边之间,即两个翼根呈“X”形;所述翼面包括柔性膜及位于该柔性膜上下两侧的支撑结构,两侧的所述支撑结构将柔性膜夹在中间;所述支撑结构包括连杆C、连杆D及连杆E,该连杆C即为翼面的前缘,所述连杆D及连杆E分别与连杆C相连,在连杆C上连接有与所述柔性旋转关节连接的片状结构;所述机身连杆的尾部设有用于调整扑翼式合成射流激励器安装角度的“L”形弯曲。本技术的优点与积极效果为:1.本技术通过翼面(而非腔体)的二自由度运动产生合成射流:通过上、下翼面绕纵轴的扑动,在水平面位置拍合,从翼面后缘产生喷流;通过左、右翼面绕纵轴的扑动,在垂直面位置拍合,从翼面尾缘形成喷流。在翼面拍合之后,利用翼面旋转运动(旋转轴为翼面前缘)在翼面前缘从周围环境吸入流体,从两个位置单独的进行“吸气”、“喷射”,解决了高工作频率时吸气困难的难题;此外,本技术在一个周期内可以形成两次射流,提高了推进效率。2.本技术相比于传统合成射流激励器,更加充分地利用气动机理:除了可以像传统的合成射流激励器一样产生射流,还可以利用扑翼飞行器的“延迟失速”、“旋转环流”等非定常气动力机制,其效果是:可以同时提供推力、升力两个方向的力;推力产生方式:通过往翼面后缘喷射流体,产生沿纵轴的推力。升力产生方式(有两种机理):(1)通过翼面扑动产生的动态涡,产生升力;(2)通过翼面旋转“吸入流体”,在翼面上表面产生的低压区,产生升力。在一个翼面运动周期内同时产生推力和升力,可以对载荷进行更灵活的控制。3.相比于刚性翼面,本技术的柔性翼面可以有效地抑制涡的脱落,提高升力和动态稳定性。4.本技术的柔性旋转关节可以:(1)通过改变填充物改变翼面旋转阻尼,从而改变翼面旋转的动力学特性,进而根据不同工作条件,改善翼面周围动态涡的稳定性、提高升力;(2本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种扑翼式合成射流激励器,其特征在于:包括电机(1)、支架(2)、传动机构、连杆A(5)、柔性旋转关节(6)、翼根、翼面及机身连杆(10),其中电机(1)及机身连杆(10)分别安装在支架(2)上,该机身连杆(10)上安装有呈“X”形的翼根,“X”的两条边可相对转动,翼根的左右两侧对称设有连杆A(5),所述电机(1)的输出端通过传动机构分别与两侧的连杆A(5)的一端相连,两侧的连杆A(5)的另一端分别与“X”形的两条边连接;所述“X”形每条边的两端均设有柔性旋转关节(6),每个柔性旋转关节(6)上均安装有具有扑动和旋转两个自由度的翼面,所述电机(1)通过传动机构驱动两侧的连杆A(5)同步、反向转动,进而带动每侧上下两个翼面反向扑动,每个所述翼面在扑动过程中绕自身前缘被动转动。

【技术特征摘要】
1.一种扑翼式合成射流激励器,其特征在于:包括电机(1)、支架(2)、传动机构、连杆A(5)、柔性旋转关节(6)、翼根、翼面及机身连杆(10),其中电机(1)及机身连杆(10)分别安装在支架(2)上,该机身连杆(10)上安装有呈“X”形的翼根,“X”的两条边可相对转动,翼根的左右两侧对称设有连杆A(5),所述电机(1)的输出端通过传动机构分别与两侧的连杆A(5)的一端相连,两侧的连杆A(5)的另一端分别与“X”形的两条边连接;所述“X”形每条边的两端均设有柔性旋转关节(6),每个柔性旋转关节(6)上均安装有具有扑动和旋转两个自由度的翼面,所述电机(1)通过传动机构驱动两侧的连杆A(5)同步、反向转动,进而带动每侧上下两个翼面反向扑动,每个所述翼面在扑动过程中绕自身前缘被动转动。2.根据权利要求1所述的扑翼式合成射流激励器,其特征在于:所述柔性旋转关节(6)包括内关节及外关节(603),该内关节与外关节(603)均沿轴向设有开口,所述翼面由内关节上的开口插入、并与内关节相连,所述外关节(603)安装在翼根上,所述内关节由外关节(603)上的开口放入,翼面绕其自身的前缘可相对外关节(603)转动。3.根据权利要求2所述的扑翼式合成射流激励器,其特征在于:所述外关节(603)内设容置内关节的安装孔,该内关节的外径大于所述安装孔的直径,即内关节与外关节(603)过盈配合。4.根据权利要求2所述的扑翼式合成射流激励器,其特征在于:所述翼面上设有片状结构(901),该片状结构(901)的一部分插入所述内关节的开口中、并与内关节连接,所述片状结构(901)的另一部分沿径向向外延伸至外关节(603)的开口位置。5.根据权利要求1所述的扑翼式合成射流激励器,其特征在于:所述传动机构为齿轮组(3),该齿轮组(3)包括齿轮A(301)、齿轮B(302)、齿轮C(303)、齿轮D(304)及齿轮E(305),齿轮A(301)与所述电机(1)的输出轴相连,所述齿轮B(302)与齿轮C(30...

【专利技术属性】
技术研发人员:江涛崔龙王宏伟田申白宁张峰许伟
申请(专利权)人:中国科学院沈阳自动化研究所
类型:新型
国别省市:辽宁,21

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