CN108374751A - 可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置 - Google Patents

可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置。在带有翼缝的分段翼型的主翼上表面切一长方形凹槽，挡板盖在此凹槽上。挡板前端与翼型凹槽前端铰接，且流体不会在此铰接处流入挡板下凹槽，铰接处的压力为P1。在靠近翼缝的挡板后端，与翼型凹槽后端留有缝隙，保证挡板下凹槽流体与外部流体连通，底部凹槽内压力近似等于挡板后端的压力P2。翼型上表面的流动状态决定了P1和P2之间的压力差，进而改变挡板两侧的压力差实现其偏转，从而接通或断开控制电路，实现翼缝的开启或关闭。该装置可在翼型上表面流动分离较小时关闭射流防止其影响流动，流动分离较大时开启射流改善流动分离。

Description

可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置
技术领域
本发明涉及一种带有翼缝的分段式叶片，特别涉及一种可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置。
背景技术
翼型：飞机或风力发电机等的叶片横截面；攻角：来流与翼型弦线（前缘与后缘的连线）的夹角；升力：翼型所受与来流垂直向上的力；阻力：翼型所受与来流方向相同的力。
如图1a所示攻角4°的翼型周围流线图，流体流过叶片时，小攻角情况下一般为附着流动，此时产生的升力系数较大，阻力较小。如图1b所示攻角14°的翼型周围流线图，攻角增大到一定程度后，叶片后缘上表面较易发生流体分离，即发生失速，导致升力下降，阻力增大。叶片失速不仅导致能量的损失，严重时还将导致事故发生。因此，控制或减缓翼型流动分离已经成为叶片设计中的热门问题。
如图2a为原始翼型，一种有效地减缓流动分离的手段是将翼型分段，分段处的缝隙可使翼型下表面的流体流到上表面形成射流，射流具有减缓流动分离的能力，如图2b所示带有翼缝射流的分段翼型翼缝射流减缓流动分离示意图。
翼缝射流能够在翼型大攻角流动分离较大时抑制流动分离，而在小攻角分离较小或者无分离时，仍不可避免流体从下表面经过翼缝流向上表面，这种情况会导致翼型在小攻角的时候升力下降。
发明内容
本发明是针对合理控制或减缓翼型流动分离的问题，提出了一种可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置，可根据翼型上表面流动状态自动开闭翼缝射流。
本发明的技术方案为：一种可自动开闭翼缝射流的分段式叶片，包括可使下表面流体流至上表面形成射流的翼缝，以及可以通过拉拽开启或关闭翼缝的弹性带。在带有翼缝射流的分段翼型的主翼上表面切一长方形凹槽，挡板盖在此凹槽上，挡板前端与翼型凹槽前端铰接，且流体不会在此铰接处流入挡板下凹槽，铰接处的压力为P1；在靠近翼缝的挡板后端，与翼型凹槽后端留有缝隙，保证挡板下凹槽流体与外部流体连通，底部凹槽内压力近似等于挡板后端的压力P2，根据由流态决定的P2和P1之间压力差实现挡板的偏转，接通或断开控制电路，从而开启或关闭翼缝。
所述可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置，还包括磁连杆、弹性带、磁感应线圈、直流电源、电阻及开关；铰接处给定使挡板向内凹槽侧偏转的力矩，在P1和P2相差不大时，受到铰接处偏转力矩，挡板后端向凹槽内偏，挡板后端压合开关，磁感应线圈得电，磁感应线圈中磁导体产生磁性，吸引正对磁导体的磁连杆靠近，磁连杆另一端接翼缝的弹性带，弹性带受到拉力从而将翼缝拉开，开启射流；当P2大于P1，P2和P1之间压力差克服铰接处给定的力矩时，开关弹开，电路断开，磁导体磁性丧失，磁连杆回位，翼缝将被弹性带弹回挤压关闭。
本发明的有益效果在于：本发明可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置，可根据翼型上表面的流动状态自动开闭翼缝射流，实现只在需要射流时开启翼缝，不需要射流时关闭翼缝。流动分离较小或未分离时，翼缝处的射流会影响翼型原本较好的流动状态。分离较大时，翼缝处的射流可以减缓分离，用于改善流动状态。本发明根据不同流动分离状态时上表面压力的变化特点，在翼缝前方设置了可根据不同的压力变化而动作的压力挡板。根据挡板的位置变化，设置了可自动接通与断开的电路，电路接通后，磁感应线圈将具有磁性。磁感性线圈通过吸附用于开闭翼缝的磁连杆，实现翼缝的开闭。流动分离较小或未分离时，压力挡板导致电路断开，翼缝通过弹性带的挤压而关闭；流动分离较大时，压力挡板使电路接通，磁感应线圈吸引连杆打开翼缝。
附图说明
图1a为攻角4°的翼型周围流线图；
图1b为攻角14°的翼型周围流线图；
图2a为原始翼型图；
图2b为带有翼缝射流的分段翼型翼缝射流减缓流动分离示意图；
图3a为攻角5.13°翼的型上表面压力变化图；
图3b为攻角10.21°翼的型上表面压力变化图；
图4为本发明可自动开闭翼缝射流示意图；
图5为本发明流动未分离时机构状态图；
图6为本发明流动分离时机构状态图。
具体实施方式
研究发现，如图3a所示攻角5.13°翼的型上表面压力变化图，（图3中横坐标x/c是指实际横坐标值除以翼型的长度）当翼型小攻角上表面流动未发生流动分离时，上表面的压力会从中部向尾缘持续增大；如图3b所示攻角10.21°翼的型上表面压力变化图，而当大攻角流动出现分离后，分离区域的上表面压力基本不发生变化。本发明根据这一特点，设计一种可根据叶片上表面是否发生流动分离而自动开闭翼缝射流，以使翼缝在未发生流动分离时关闭，在发生流动分离时开启。
如图4所示可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置示意图。在带有翼缝射流的分段翼型的主翼上切一长方形凹槽，一块压力挡板1盖在此凹槽上，压力挡板1前端与翼型凹槽一端铰接，且保证流体不会在此铰接处流入挡板1下凹槽，铰接处的压力为P1。而在靠近翼缝的压力挡板1后端，与翼型凹槽留有缝隙，保证挡板底部流体与外部流体连通。由于挡板1下凹槽流体在其后端与外部流体连通，因此底部凹槽内压力近似等于挡板后端的压力P2。挡板上部压力即为原翼型相同位置表面的压力，处于P1与P2之间。小攻角流动未分离时，结合图3a、3b，P2大于P1，可知此时挡板下表面整体压力大于上表面压力，而大攻角流动分离时，P2与P1近似相等，可知此时挡板上下表面的压力几乎相同。为了保证在小攻角流动未分离时，挡板1不动，与主翼保持在一平面上，预先在铰接处给定使挡板1向凹槽内侧偏转的力矩，同时约束其不向外偏转。当挡板1上下表面压差几乎相同或较小时，挡板偏向内侧；当挡板1下表面压力较大时，可抵消预先给定的力矩，保持与翼型表面相平。
如图4所示，开关7一端接磁感应线圈4线圈一端，开关7另一端通过电阻6接直流电源5负极，直流电源5正极接磁感应线圈4线圈另一端，当大攻角流动出现分离时，挡板1后端会向凹槽内偏，挡板1后端压合开关7，接通磁感应线圈4回路，磁感应线圈4得电，磁感应线圈4中磁导体产生磁性，吸引正对磁导体磁连杆2靠近，磁连杆2另一端接翼缝的弹性带3，弹性带3受到拉力从而将翼缝拉开，开启射流。当小攻角流动未出现分离时，挡板1下表面压力较大，挡板1恢复与翼型表面相平，开关7弹开，电路断开，磁导体磁性丧失，磁连杆2回位，翼缝将被弹性带3弹回挤压关闭。
叶片在小攻角流动未分离时，机构状态如图5所示。由图3a可知，此时翼型上表面，尤其是翼型后半段，压力向尾缘方向持续增大。因此图5中的压力挡板1外表面前端的铰接处压力小于尾端的压力，由于挡板1下凹槽在尾端与外部流体连通，因此凹槽内整体压力与尾端出口处的压力几乎相等，从而导致挡板下凹槽压力普遍大于外表面压力。这种压力差产生的力矩与铰点处内转力矩平衡，使得挡板1处于与叶片表面相平的位置，一方面保证了翼型外表面流动不受影响，另一方面断开了图5中的电路，磁感线失去磁性。磁感线失去磁性后，磁连杆2不对弹性带3施加作用力，弹性带3向两端拉伸，从而将翼缝关闭。
叶片在攻角增大后流动分离出现，机构状态如图6所示。由图3b可知，此时翼型外表面，后半段位置，由于发生了流动分离出现了压力平台。当挡板1处于分离区域时，挡板1前端和尾端压力几乎相同，又因挡板下凹槽压力与尾端压力相同，挡板1整体受到的压力力矩几乎为零。由于挡板1在铰点处预先给定了可使其向凹槽偏转的力矩，因此挡板1处于图6所示的状态。挡板向下偏转尽管影响了对应位置翼型表面的轮廓，但因处于分离区域，对流动影响较小。挡板1向凹槽偏转后，图6中电路接通，磁感应线圈具有磁性，将会对磁连杆2产生吸引力。吸引力将磁连杆2向左拉动，从而将翼缝拉开。翼缝拉开后，流体从下部流入上部形成射流，改善流动分离。
本发明根据叶片在不同流动分离工况时表面压力的变化特点，在翼缝前方设置了可根据不同的压力变化而动作的压力挡板。根据挡板的位置变化，设置了可自动接通与断开的电路，电路接通后，磁感应线圈将具有磁性。磁感性线圈通过吸附用于开闭翼缝的连杆，实现翼缝的开闭。流动分离较小或未分离时，压力挡板导致电路断开，翼缝通过弹性带的挤压而关闭；流动分离较大时，压力挡板使电路接通，磁感应线圈吸引连杆打开翼缝。

Claims (2)

1.一种可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置，其特征在于，在带有翼缝射流的分段翼型的主翼上表面切一长方形凹槽，挡板（1）盖在此凹槽上，挡板（1）前端与翼型凹槽前端铰接，且流体不会在此铰接处流入挡板（1）下凹槽，铰接处的压力为P1；在靠近翼缝的挡板（1）后端，与翼型凹槽后端留有缝隙，保证挡板（1）下凹槽流体与外部流体连通，底部凹槽内压力近似等于挡板后端的压力P2，根据由流态决定的P2和P1之间压力差实现挡板（1）的偏转，接通或断开控制电路，从而开启或关闭翼缝。
2.根据权利要求1所述可自动开闭翼缝射流的分段式叶片装置，其特征在于，还包括磁连杆（2）、弹性带（3）、磁感应线圈（4）、直流电源（5）、电阻（6）及开关（7）；铰接处给定使挡板（1）向内凹槽侧偏转的力矩，在P1和P2相差不大时，受到铰接处偏转力矩，挡板（1）后端向凹槽内偏，挡板（1）后端压合开关（7），磁感应线圈（4）得电，磁感应线圈（4）中磁导体产生磁性，吸引正对磁导体的磁连杆（2）靠近，磁连杆（2）另一端接翼缝的弹性带（3），弹性带（3）受到拉力从而将翼缝拉开，开启射流；当P2大于P1，P2和P1之间压力差克服铰接处给定的力矩时，开关（7）弹开，电路断开，磁导体磁性丧失，磁连杆（2）回位，翼缝将被弹性带（3）弹回挤压关闭。
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