CN101423115A - 具有气动反效的翼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有气动反效的翼，其中包括一柔性翼，该柔性翼包括：多个并排设置的翼段；贯穿所述多个翼段的一根柔性翼梁。本发明还提供了一种气动反效发生装置，其包括：支持装置；柔性翼，以可旋转的方式与所述支持装置相耦合。所述的具有气动反效的翼可以方便的产生明显的操纵反效现象。其中，单一贯穿的翼梁和分段翼段，使得翼的扭转刚度、刚心位置均较容易掌握；选择开口梁作为单一贯穿的翼梁，使得翼具有较小的扭转刚度和足够大的弯曲刚度，进而使发生器在较低风速下便可以产生操纵反效现象；可以更换具有不同对称偏角的副翼，进而证实操纵反效的反效速度不受副翼偏角影响；卡盘式机身使发生器具有了翼可方便拆卸更换的特点。

Description

具有气动反效的翼

技术领域

本发明涉及一种操纵反效发生器，具体涉及气动弹性领域中具有气动反效的翼。

背景技术

操纵反效是气动弹性领域中已经得到了比较深入的研究的一个课题，对反效产生的机理以及预防措施也都有了比较成功的探索。但迄今却没有人去对操纵反效的发生装置进行开发，这样不仅对进一步深入科研反效这种现象有不利影响，而且也使得对反效现象的工程利用变得无从谈起。

如何设计一种操纵反效发生器，使其可以满足如下要求，是亟待解决的课题之一：

(1)、完成合理的方案设计和精确的计算，在此基础上制作出与设计理念相符、与计算所得数据相接近的实际操纵反效发生器。诸如发生器的装配、实验方式等必须符合设计理念，而翼扭转刚度、刚心与气动中心的位置、副翼反对称偏角等各项实际数据都要尽可能的与计算所得数据接近。

(2)、设计并制作出的操纵反效发生器要能够在教学实验条件所允许的范围内，比较容易的按照操纵反效理论和设计要求、尽可能真实的模拟出应有的现象；并要以一定的精度来感应风速。

(3)、操纵反效发生器要能够在原有支架及卡槽式机身不换的情况下安装多种刚心位置不同的翼，甚至在翼也不换的情况下，要能安装多对不同反对称偏角的副翼。这样也方便用来感应一定范围的风速，成为一种单纯机械机构的风速感应器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操纵反效发生器，即具有气动反效的翼，其可以方便的产生操纵反效现象。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种具有气动反效的翼，其初始外形对应于在一种具体的空气动力环境下的空气动力学效果，其特征在于：所述翼具有提高其柔性的结构。

根据本发明的一个实施例，所述的具有气动反效的翼，其中包括一柔性翼。所述柔性翼包括：多个并排设置的翼段；贯穿所述多个翼段的一根柔性翼梁。

优选的，所述翼梁是开口梁。

优选的，每一个所述翼段包括至少一个肋片，每一个所述肋片均开有孔，且所有这些孔的形心与所述翼的气动中心的距离均相等；所述翼梁穿过所述孔。至少一部分所述孔的尺寸大于所述柔性翼梁截面的轮廓的尺寸。

根据本发明的一个实施例，在所述柔性翼的两端处反对称地安装有两块腹板，两个可更换的副翼分别固定在所述的两块腹板上。所述副翼包括副翼肋片，所述翼肋片的前端形成有第一矩形卡槽，所述腹板上形成有第二矩形卡槽，所述第一矩形卡槽和第二矩形卡槽配合安装，所述第一矩形卡槽相对所述副翼肋片形成一定的偏角。

根据本发明的另一个方面，提供了一种气动反效发生装置，其特征在于，其包括：支持装置；柔性翼，以可旋转的方式与所述支持装置相耦合。

根据本发明的一个实施例，所述柔性翼包括：多个并排设置的翼段；贯穿所述多个翼段的一根柔性翼梁。

根据本发明的一个实施例，所述支持装置包括：卡盘式机身，其上可拆卸地安装所述柔性翼；以及发生器支架，其中的两根转轴沿着所述卡盘式机身的中心轴线安装在所述卡盘式机身的两侧。

优选的，所述卡盘式机身包括：两个特殊机身隔框，其上开有第三矩形卡槽，用于插接所述柔性翼的一翼段；翼卡罩，其被设置为可以绕着一固定的后锁紧销转动，并可以被一可拆卸的前锁紧销锁紧，锁紧时，所述翼卡罩和所述卡盘式机身的一机身侧板形成翼型形状的孔，以配合安装所述柔性翼。

优选的，所述的气动反效发生装置，其中，在所述柔性翼的展向端处安装有一转速测量仪。

本发明的有益效果主要体现在：

1、目前绝大多数的风速感应器都是通过光或电传导来感应的，但本发明的发生器可以只通过机械机构来感应和判断一定的风速范围，并显示很明显的正反向滚转现象。

2、单一贯穿的翼梁和分段翼段，使得翼的扭转刚度、刚心位置均较容易掌握，在不影响气动外形的情况下使翼的结构数据、气动数据和理论计算的数据一致。

3、选择开口梁作为单一贯穿的翼梁，使得翼具有较小的扭转刚度和足够大的弯曲刚度，进而使发生器在较低风速下便可以产生操纵反效现象。

4、采用了固定式的、可更换的副翼，所以可以更换具有不同对称偏角的副翼，进而证实操纵反效的反效速度不受副翼偏角影响。

5、卡盘式机身使发生器具有了翼可方便拆卸更换的特点。

6、该发生器具有结构精巧又简单、制作方便、制作成本低等的特点，可以用于机械风速感应器。

附图说明

图1是本发明的具有气动反效的翼的一个具体实施例的结构示意图；

图2是柔性翼的结构示意图；

图3是柔性翼梁的结构示意图；

图4是加强梁的结构示意图；

图5是柔性翼的翼身相交处的翼段的结构示意图；

图6是柔性翼的翼根处的翼段的结构示意图；

图7是柔性翼的左右半翼中段的翼段的结构示意图；

图8是柔性翼的翼端处的翼段的结构示意图；

图9是腹板的结构示意图；

图10是固定式副翼的结构示意图；

图11是副翼肋片的结构示意图；

图12是卡盘式机身的结构示意图；

图13是普通机身隔框的结构示意图；

图14是特殊机身隔框的结构示意图；

图15显示了翼卡罩和机身侧板所形成的翼型形状的孔。

具体实施方式

从本发明所涉及的一般原理上看，所谓的“正效”，就是翼的初始外形所对应的空气动力学效果(即翼为理想刚性情况下的空气动力学效果)，即在具体的空气动力环境下所发生的效果，例如扭转。而所谓的“反效”，是由于翼在所述空气动力环境下的柔性变形而发生的对正效的反动。本发明在这个原理的理解的基础上，提出了柔性可调控的翼设计技术方案。

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1以示例性的方式，显示了本发明的操纵反效发生器，即具有气动反效的翼，的一个具体实施例，其包括：柔性翼1、可更换的固定式副翼3、卡盘式机身4以及发生器支架5。另外，为了达到测试的目的，还可包括转速测量仪2。

如图2所示，在图1的实施例中，柔性翼1包括：单一贯穿的柔性翼梁6、翼身相交处的加强梁7、一个置于翼身相交处的翼段8、两块腹板9、多个(诸如16个)对称分布于卡盘式机身4两侧的翼段，包括位于柔性翼1翼根处的翼段10、11，位于柔性翼1左右半翼中段的翼段12，位于柔性翼1翼端处的翼段13、14。柔性翼1的翼展、弦长、翼型均影响该操纵反效发生器的反效风速。

如图3所示，为了增大柔性，翼梁6采用开口梁(即梁的截面为非闭合形)，梁的截面是凹槽状。采用开口梁能提高梁的扭转柔性，同时保证足够的弯曲刚度。该梁的扭转刚度直接影响操纵反效发生器的反效风速，所以可通过扭转实验选定。

如图4所示，翼身相交处的加强梁7外形为长方体；在一个具体实施例中，加强梁7为木质的。该加强梁7可以镶嵌在柔性翼梁6的凹槽中，起到加强柔性翼梁6的与卡盘式机身4相交段的扭转刚度的作用，使柔性翼梁6的该段不产生扭转。

如图5至图8所示，根据本发明的一个实施例，多个翼段8、10、11、12、13、14各有多个肋片。每个翼段的所有肋片均开有方孔，且所有方孔形心与翼型气动中心的距离均相等；(该距离的大小直接影响装置的反效风速，且本领域的人员可以通过相应的理论计算得出)，但方孔的尺寸却不一致。

如图5所示，翼身相交处的翼段8由多片(例如四片)翼肋15、若干根(例如七根)桁条16以及蒙板构成。多片翼肋15各开有与翼梁截面尺寸相符的方孔17，整个翼段可以通过这些方孔与柔性翼梁6固连，防止柔性翼梁6在该固连处的扭转，并且该翼段可以和卡盘式机身4配合安装。

位于柔性翼1翼根处的翼段10、11的结构是一致的，如图6所示，其均由例如两片肋片18、19和七根桁条20以及蒙板构成。肋片18、19分别开有方孔21、22，但方孔21的尺寸与翼梁截面尺寸相符，翼段10、11均通过方孔21与柔性翼梁6固连；而方孔22的尺寸大于柔性翼梁6的截面尺寸，肋片19与柔性翼梁6无接触，所以肋片19起围形作用。在装配时，翼段10的肋片18必须与卡盘式机身4靠近，这样能够满足翼根不扭转的要求。而对翼段11并无特殊要求。

如图7所示，位于柔性翼1左右半翼中段的翼段12由肋片23、24和若干根(例如为七根)桁条25以及蒙板构成。作为提高柔性的一个进一步的手段，肋片23、24分别开有方孔26、27，方孔26的尺寸与翼梁截面尺寸相符，翼段12通过方孔26与柔性翼梁6固连；而方孔27尺寸大于翼梁截面尺寸，肋片24与柔性翼梁6无接触，故这些有较大的孔26的肋片24不与柔性翼梁6发生作用，从而保证了整个翼的柔性。

在图1所示的实施例中，位于柔性翼1翼端处的翼段13、14的结构是完全一致的，如图8所示，其均由两片肋片28、29和若干根(图1的实施例中为七根)桁条30以及蒙板构成。肋片28、29分别开有方孔31、32，但方孔31的尺寸与翼梁截面尺寸相符，翼段13、14均通过方孔31与柔性翼梁6固连；而方孔32的尺寸大于柔性翼梁6的截面尺寸，肋片29与柔性翼梁6无接触，所以肋片29不与翼梁6发生作用。在装配时，翼段14的肋片29位于柔性翼梁6的端处，保证柔性翼1端处的合理扭转，而对翼段13并无特殊要求。

作为一种具体实施方案，对边上的肋片，例如对图1的实施例中的肋片28、29，其尾部均可被截掉相应的长度，该长度和可更换的固定式副翼3的副翼展长相同，也正为副翼的装配留出相应的空间和结构；

在该实施例中，如上所述的多个(如16个)分段翼段只起围形和传递扭矩的作用，却丝毫不产生抗扭效应，也就是丝毫不会增添柔性翼1的扭转刚度。如此一来，柔性翼1的扭转刚度和刚心位置完全由柔性翼梁6来决定，柔性翼梁6较小的扭转刚度可以使发生器处于较小速度的来流中便发生反效现象。显然，可以根据具体的来流速度要求，调整与翼梁6发生约束作用的肋片的数目和分布，更换不同扭转刚度的柔性翼梁，或者适当调整翼段以及翼段肋片的数目与分布，以实现不同的设计要求。

可选的转速测量仪2安装在在柔性翼1的展向端处(如图1所示)，可以方便地测量发生器在一定风速下的滚转速度。

作为一种可选实施例，腹板9开有矩形卡槽33，如图9所示，用来以可更换的方式装配可更换的固定式副翼3；腹板9固定在翼段13、14的尾部，并且，如图2所示，两块相同的腹板需要反对称的安装在柔性翼1的两端，即两块腹板的的矩形卡槽所朝向的方向应该恰好相反。

如图10所示，可更换的固定式副翼3包括副翼肋片34以及蒙板，肋片34与蒙板组成一个副翼整体，如图11A所示，肋片34的前端开有矩形卡槽35，该矩形卡槽34刚好和腹板9上的矩形卡槽33相配合安装，并方便拆卸。如图11B所示，矩形卡槽35相对副翼肋片34倾斜的角度36可以直接决定可更换的固定式副翼3的偏角，因此可以做成不同偏角的多套副翼，由于可拆卸，所以方便更换不同偏角的副翼。可更换的固定式副翼3的展长、弦长以及其在柔性翼1上的安装位置都影响着操纵反效发生器反效风速。

如图12所示，卡盘式机身4包括：机身侧板37，7个普通机身隔框38，两个特殊机身隔框39、40，翼卡罩41，翼卡罩前锁紧销42、后锁紧销43以及发生器转轴44、45。

如图13所示，多个(如7个)普通机身隔框38为尺寸不同的方板，而方板上均开有以方板的形心为圆心的圆孔46，圆孔的直径和转轴44、45的直径相等，所以转轴可以穿过圆孔并得以固定，便于满足同轴性和对称性。

如图14所示，两个特殊的机身隔框39、40位于机身中段翼卡罩41的下方，其上开有矩形卡槽47，矩形卡槽47的深度由机身侧板37的宽度、翼型尺寸以及特殊机身隔框39、40共同确定，矩形卡槽47宽度恰好是翼段肋片的厚度；如此的两个特殊隔框39、40可以和翼身相交处的翼段8相配合，进而限制柔性翼1的展向自由度。

翼卡罩41的前锁紧销42具有可拆卸功能，而后锁紧销43是固定不可拆卸的。翼卡罩41可以绕固定的后锁紧销43转动，当其转动到可以被前锁紧销42锁紧时，刚好和机身侧板37形成翼型形状的孔48，如图15所示；这样可以和两个特殊机身隔框39、40一起限制柔性翼1的所有自由度，使柔性翼1和卡槽机身4配合安装成为一体，而且方便更换不同配置的翼。

转轴44、45是直径相同的两段圆柱形转轴，两个转轴成一条直线安装，并且这条直线和卡盘式机身的中心轴线重合，发生器通过这两个转轴进行滚转。

发生器支架5上固定有轴承座49(见图1)，进而固定轴承，发生器支架本身可以固定于固定台上。

实例：

实验所用风洞的相关参数：

实验段尺寸：长度——3.5m，宽度——1.5m，高度——1.5m，收缩比——9；

实验段风速：V₀＝10～80m/s；Re＝1.03×10⁵～8.2×10⁵；

实验段闭口设计风速：V₀＝80m/s；

实验段开口设计风速：V₀＝60m/s；(本实验采用的是开口实验)

闭口湍流度：ε＝0.08％；

将发生器固定在实验台上，并置于风洞之中吹风，风洞的初始风速设定为10m/s，从发生器的前端看过去，此时发生器顺时针滚转；逐渐增大风速，在风速小于20m/s情况下，发生器一直顺时针滚转；但风速比较接近20m/s时，发生器滚转速度降得很低，当风速达到20m/s时，滚转速度变为零，此时处于平衡的静止状态；风速继续增大时，发生器便有逆时针滚转的趋势，直至风速达到30m/s时，发生器有了较慢的逆时针滚转速度。这便演示了操纵反效的整个过程。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1、一种具有气动反效的翼，其初始外形对应于在一种具体的空气动力环境下的空气动力学效果，其特征在于：所述翼具有提高其柔性的结构。

2、根据权利要求1所述的具有气动反效的翼，其特征在于，其包括：

多个并排设置的翼段(8、10、11、12、13、14)；

贯穿所述多个翼段(8、10、11、12、13、14)的一根柔性翼梁(6)。

3、根据权利要求2所述的具有气动反效的翼，其特征在于，所述翼梁(6)是开口梁。

4、根据权利要求2所述的具有气动反效的翼，其特征在于，每一个所述翼段(8、10、11、12、13、14)包括至少一个肋片，每一个所述肋片均开有孔，且所有这些孔的形心与所述翼的气动中心的距离均相等，所述翼梁(6)穿过所述孔，至少一部分所述孔的尺寸大于所述柔性翼梁(6)截面的轮廓的尺寸。

5、根据权利要求2所述的具有气动反效的翼，其特征在于，在所述翼的两端处反对称地安装有两块腹板(9)，两个可更换的副翼(3)分别固定在所述的两块腹板(9)上，所述副翼(3)包括副翼肋片(34)，所述翼肋片(34)的前端形成有第一矩形卡槽(35)，所述腹板(9)上形成有第二矩形卡槽(33)，所述第一矩形卡槽(35)和第二矩形卡槽(33)配合安装，所述第一矩形卡槽(35)相对所述副翼肋片(34)形成一定的偏角(36)。

6、一种气动反效发生装置，其特征在于，其包括：

转轴(44，45)；

以可旋转的方式与所述转轴(44、45)相耦合的翼(1)。

7、根据权利要求6所述的气动反效发生装置，其特征在于，所述翼包括：

多个并排设置的翼段(8、10、11、12、13、14)；

贯穿所述多个翼段(8、10、11、12、13、14)的一根柔性翼梁(6)。

8、根据权利要求6所述的气动反效发生装置，其特征在于进一步包括：

以可旋转的方式与所述转轴(44、45)耦合的卡盘式机身(4)，所述翼(1)以可拆卸的方式安装在所述机身(4)上；以及

支架(5)，所述转轴(44、45)固定在所述支架(5)上。

9、根据权利要求8所述的气动反效发生装置，其特征在于，所述卡盘式机身(4)包括：

两个特殊机身隔框(39、40)，其上开有第三矩形卡槽(47)，用于插接所述翼(1)的翼段(8)；

翼卡罩(41)，其被设置为可以绕着一固定的后锁紧销(43)转动，并可以被一可拆卸的前锁紧销(42)锁紧，锁紧时，所述翼卡罩(41)和所述卡盘式机身(4)的一机身侧板(37)形成翼型形状的孔(48)，以配合安装所述翼(1)。

10、根据权利要求6所述的气动反效发生装置，其特征在于，在所述翼(1)的展向端处安装有一转速测量仪(2)。

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