CN110027706A - 摆动尾缘的新型扑翼式获能装置及控制方法 - Google Patents

摆动尾缘的新型扑翼式获能装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置及控制方法，该装置包括叶片，叶片具有前缘和尾缘，叶片设置有可上下对称摆动的叶片可摆动尾缘部，叶片可摆动尾缘部通过可转动机构安装于叶片，叶片内设置有驱动叶片可摆动尾缘部摆动的摆动机构；摆动机构连接于控制模块，叶片设置有监测叶片俯仰角度的监测元件，监测元件连接于控制模块。当翼型开始向下做升沉运动时其叶片可摆动尾缘部向上表面方向摆动，从而让翼型产生一定的弯度；当翼型运动到最低点并开始向上做往返运动时其叶片可摆动尾缘部向下表面方向摆动，并维持一定弯度，从而增大升力，提高获能效率。

Description

摆动尾缘的新型扑翼式获能装置及控制方法
技术领域
本发明涉及扑翼式获能装置，尤其涉及一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置及控制方法。
背景技术
鸟类振翅，鱼类摆尾，人们从自然界动物的运动中获得启发，从而运用机械设计方法研制模仿各种生物运动(比如扑动或波动)的推进装置。然而近几年的研究表明在不同的运动参数组合下这些运动方式还可以从风或水等流体中获得能量，变成一类新型的将风能(水流能)转化成机械能的能量转换装置。
与传统的旋转叶轮式的风力机的不同，扑翼式获能装置中的翼型可进行升沉和俯仰的叠加运动(升沉运动是翼型在平面内的上下平动，俯仰运动是翼型绕平动平面内一点的转动，如图1所示)，流体通过时在翼型表面产生的合力在竖直方向上的分量称之为升沉力，因升沉力方向与翼型运动方向一致，从而流体对翼型做正功，这是扑翼可以从流体中获能的原因。扑翼式获能装置具有设计简单、噪音低、和适应范围广等优点，而且环保性更好，但其效率与传统的水平轴式风力机相比仍然较低。如果在翼型扑动的过程中，能有效的增加升沉力就可以显著提高这类获能装置的能量转换效率。
现有的扑翼获能装置中普遍采用具有较好升力特性的NACA系列对称翼型，采用在翼型表面施加主动或被动的控制方法来改善翼型周边的流动状态从而进一步提高翼型升力。研制简单、高效、低耗能和可靠的增升方法对进一步推广扑翼式获能装置的应用具有重要意义。
现用于扑翼增升的方法中：被动式方法如开槽/缝、凹腔、强制转捩装置等适用工况范围窄，且效果有限；主动式方法如安装射流、附面层抽吸或吹除、等离子体等，虽然适用工况范围广、增升的效果显著但往往需要从外部施加能量、耗能高且结构复杂。
有研究表明具有一定弯度的翼型比对称式翼型具有更好的气动特性，可在更大的攻角范围内保持较高的升力。本发明为一种尾缘可摆动式的扑翼获能装置：当翼型向下做升沉运动时，其上表面为压力面，下表面为吸力面，此时翼型尾缘向上表面压力面摆动直至翼型运动到升沉幅值的最低点B点(图1)；当翼型达到到升沉幅值的最低点B并开始向上运动时，此时翼型上表面为吸力面，下表面为压力面，翼型尾缘开始向下表面摆动使翼型产生一定弯度，并保持不变直至运动到升沉幅值的最高点A点。这种扑翼仅在运动到升沉幅值的最高点和最低点处驱动尾缘发生摆动，因此需要的耗能少，但在翼型扑动的过程中始终保持一定弯度，可提高翼型升力增加获能效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置及控制方法，其能够有效的提高翼型升力并增加获能效率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其包括：叶片，叶片具有前缘和尾缘，叶片设置有可上下对称摆动的叶片可摆动尾缘部，叶片可摆动尾缘部通过可转动机构安装于叶片，叶片内设置有驱动叶片可摆动尾缘部摆动的摆动机构；摆动机构连接于控制模块，叶片设置有监测叶片俯仰角度的监测元件，监测元件连接于控制模块。
与现有技术相比，本发明提供的一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，当翼型向下做升沉运动时，其上表面为压力面，下表面为吸力面，此时翼型尾缘向上表面压力面摆动直至翼型运动到升沉幅值的最低点B点；当翼型达到最低点B并开始向上运动时，此时翼型上表面变为吸力面，下表面变为压力面，翼型尾缘开始向下表面摆动使翼型产生一定弯度，并保持不变直至运动到升沉运动幅值的最高点A点。这种扑翼仅在运动到升沉幅值的最高点和最低点处驱动尾缘发生摆动，因此需要的能量输入可显著降低，而且在翼型扑动的过程中始终保持一定弯度，可提高翼型升力以增加获能效率。
本发明的角度传感器监测扑翼主体的旋转俯仰角度方向：当扑翼旋转俯仰角θ(t)度(如图1所示)为正值(0<θ(t)<75°)时，通过PLC系统发出信号施加电场于悬臂梁，使尾缘向上转动；当旋转俯仰角度为负值(-75°<θ(t)<0)时，施加反向电场使尾缘向下转动。尾缘的转动仅通过交替电场控制，且摆动角度β在其升沉运动过程中保持不变不需要监测其旋转角度。
本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，摆动机构为可产生周期性上下摆动的压电悬臂梁结构，通过可编程逻辑控制器(PLC)施加周期性电场，产生压电效应使悬臂式压电双晶片振子发生周期性弯曲运动，从而使悬臂梁弯曲间接控制动尾缘的位置,摆动机构采用压电悬臂梁结构让摆动幅度变得可控性更强，可以提高本装置工作的稳定性和可靠性。
本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，叶片可摆动尾缘部通过铰轴而可转动地安装于叶片，从而让可摆动尾缘可上下对称摆动。
本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，叶片可摆动尾缘部具有与摆动机构配合的凹槽，通过该凹槽可以方便安装摆动机构的带动结构，并且，该凹槽也有利于带动结构的安装。
本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，控制模块为可编程逻辑控制器，通过可编程逻辑控制器(PLC)施加周期性电场，产生压电效应使悬臂式压电双晶片振子发生周期性弯曲运动，从而使悬臂梁弯曲间接控制动尾缘的位置。
本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，叶片可摆动尾缘部的铰轴安装于翼型弦线3/4处。
本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，摆动机构的端部设置有带动可摆动的叶片可摆动尾缘部上下摆动的带动体，例如榫接棒。
本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，可摆动的叶片可摆动尾缘部的摆动角度为β，β的取值范围为：20°≥β≥-20°。
本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，叶片为对称翼型。
一种控制前述摆动尾缘的新型扑翼式获能装置的方法，该方法为：当翼型开始向下做升沉运动时其叶片可摆动尾缘部向上表面方向摆动，从而让翼型产生一定的弯度；当翼型运动到最低点并开始向上做往返运动时其叶片可摆动尾缘部向下表面方向摆动，并维持一定弯度。
附图说明
图1为背景技术提到的扑翼式获能装置示意图。
图2为本发明实施例中一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置的结构示意图。
图3为本发明实施例中压电悬臂梁模型示意图。
图4为本发明实施例中一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中PLC组件控制流程框图。
图5为一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置处于扑翼向下运动和扑翼向上运动效果图，该图中，扑翼向下运动，尾缘部(叶片可摆动尾缘部)弯向上翼面(压力面)；扑翼向上运动时，尾缘部(叶片可摆动尾缘部)方向改变，弯向下翼面(压力面)。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。
本发明的实施方式提供了一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，参见图2，其包括：叶片(翼型主体)1，叶片1具有前缘F和尾缘B，该叶片为对称翼型，叶片1设置有可上下对称摆动的叶片可摆动尾缘部3，在图2所示的叶片1中，叶片靠近尾缘B设置开口，叶片可摆动尾缘部3则安装于该开口处，叶片可摆动尾缘部3通过可转动机构安装于叶片，这里的可转动机构例如选择铰接结构，叶片可摆动尾缘部3通过铰轴8而可转动地安装于叶片，从而可以让可摆动尾缘可上下对称摆动。叶片内设置有驱动叶片可摆动尾缘部摆动的摆动机构，通过摆动机构驱动叶片可摆动尾缘部在摆动幅度角范围内进行上下对称摆动。摆动机构连接于控制模块4，该控制模块用于控制叶片可摆动尾缘部3按照预设要求进行上下摆动动作，叶片1设置有监测叶片俯仰角度的监测元件，例如角度传感器，监测元件连接于控制模块，利用角度传感器，监测叶片转过的角度，翼型开始向下做升沉运动时其尾缘向上表面(压力面)方向摆动，使翼型产生一定弯度；当翼型运动到最低点并开始向上做往返运动时其尾缘向下表面(压力面)方向摆动，并维持相同弯度。
值得一提的是，本发明的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置中，摆动机构选择可产生周期性上下摆动的压电悬臂梁结构，通过可编程逻辑控制器(PLC)施加周期性电场，产生压电效应使悬臂式压电双晶片振子发生周期性弯曲运动，从而使悬臂梁弯曲间接控制动尾缘的位置,摆动机构采用压电悬臂梁结构让摆动幅度变得可控性更强，可以提高本装置工作的稳定性和可靠性。压电悬臂梁是压电材料应用中最常见的结构形式，具有低功耗、结构简单、无电磁干扰和变形量可观的优点。本发明中的压电双晶片振子由4个PZT片和1个金属基板悬臂梁组成：参见图2，将PZT片5对称粘贴在金属基板6的上下表面，上下两层为压电层，中间为基体层。将金属基板悬臂梁的一端固定在翼型主体前半部分(在叶片内腔体设置一个竖向隔离板，该竖向隔离板为压电悬臂梁的安装座体，而PLC等电子元器件可以考虑布置在竖向隔离板左侧的腔体中，竖向隔离板需要开设开孔，以便于竖向隔离板两侧的元器件的电连接线的布线)，另一端连接一根榫接棒嵌入到动尾缘前部凹槽中。PLC系统控制信号发生器使其发出电信号，经功率放大器放大后在悬臂式压电晶片上施加周期性电场，PLC组件的控制流程图如图4所示，该图中，角度传感器连接至PLC，而PLC连接于信号发生器，信号发生器连接于功率放大器，功率放大器连接至压电陶瓷晶片。在电场作用下，悬臂梁弯曲使得榫接棒下压撬动尾缘向上摆动，施加反向电场则可控制尾缘反向摆动。压电悬臂梁运动模型如图3所示，悬臂梁在弯曲运动过程中，位置A为平衡位置，位置B和位置C为端部最大位置，X为端部位移幅值。
参见图2，叶片可摆动尾缘部3具有与摆动机构配合的凹槽2，通过该凹槽可以方便安装摆动机构的带动结构，凹槽的槽底朝向槽口的槽宽(图2所示图形中叶片可摆动尾缘部3的高度方向为凹槽的宽度)逐渐变小，通过宽度的递减结构可以让容纳于凹槽的带动结构不容易发生脱出，在图2中，铰接结构位于凹槽的右侧，铰接轴安装于叶片上，叶片可摆动尾缘部位于叶片开口外部的截面大体上为三角形，而叶片可摆动尾缘部位于开口内侧(叶片的内腔体中)则需要与叶片内腔的形状匹配，这里的叶片可摆动尾缘部位于开口内侧的部分为厚度(图2所示的上下方向为叶片可摆动尾缘的厚度方向)逐渐变小的梯形状结构，在梯形状结构的左侧则设置凹槽来用于安装带动结构，即榫接棒，榫接棒沿着凹槽的前后方向布置，由于采用棒状体，让摆动机构对于叶片可摆动尾缘部施加的力更加均匀。
需要指出的是，叶片可摆动尾缘部的铰轴安装于翼型弦线3/4处，由于通过对翼型应用动尾缘，当动尾缘上下摆动时，相当于增加了翼型的几何弦长及弯度效应，增大了环量，从而提高了翼型在给定攻角下的升力。动尾缘铰轴位置设置在翼型弦线3/4处，动尾缘可上下对称摆动，摆动幅度角β＝20°。
摆动机构的端部设置的带动可摆动的叶片可摆动尾缘部3上下摆动的带动体7可以考虑榫接棒，还可以是球铰结构，此时，需要在叶片可摆动尾缘部的左端部设置一个容纳球体的球体容纳槽，将球铰结构的球体安装于球体容纳槽中，此结构同样可以满足利用摆动机构带动叶片可摆动尾缘部3的效果，这里优选前文提到的榫接棒。
一种控制前述摆动尾缘的新型扑翼式获能装置的方法，该方法为：当翼型开始向下做升沉运动时其叶片可摆动尾缘部向上表面方向摆动，从而让翼型产生一定的弯度；当翼型运动到最低点并开始向上做往返运动时其叶片可摆动尾缘部向下表面方向摆动，并维持一定弯度。下面结合附图对该方法进行详细说明，参见图5，扑翼从最高位置A处向下做升沉运动，同时绕俯仰轴O点做俯仰运动(其中俯仰轴位置在翼型弦线1/3处)，如图5中①至④位置所示，俯仰角θ(t)范围为：0<θ(t)<75°(对于俯仰角，规定逆时针转动为正，顺时针转动为负)，该过程中扑翼上表面为压力面P。利用角度传感器，可监测扑翼俯仰运动的角度：角度传感器监测到俯仰角度处于正值时，施加电场使悬臂梁弯曲控制尾缘移至扑翼上表面，直至运行到最低处B；在最低位置B处，开始由④位置向上做升沉运动直至①位置，此时，俯仰角θ(t)范围为：-75°<θ(t)<0，角度传感器监测到俯仰角度处于负值时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制尾缘移至翼型下表面。以此即可满足动尾缘始终处于压力面位置，从而提高翼型弯度以增加升力，在最大程度上提高扑翼的能量利用率。该装置只在升沉运动的最高点和最低点使扑翼尾缘发生摆动，因此这种方法的耗能较小。
在图5中，箭头V为叶片可摆动尾缘部3朝向发生变化的方向。而压力面为P，吸力面为S。
本发明由于采用主动控制的方法，使扑翼在运动过程中其尾缘发生自主摆动的新型获能装置可显著提高翼型升力以增加获能效率。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其包括：叶片，所述叶片具有前缘和尾缘，其特征在于，所述叶片设置有可上下对称摆动的叶片可摆动尾缘部，所述叶片可摆动尾缘部通过可转动机构安装于叶片，所述叶片内设置有驱动叶片可摆动尾缘部摆动的摆动机构；
所述摆动机构连接于控制模块，所述叶片设置有监测叶片俯仰角度的监测元件，所述监测元件连接于控制模块。
2.根据权利要求1所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其特征在于，所述摆动机构为可产生周期性上下摆动的压电悬臂梁结构。
3.根据权利要求1所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其特征在于，所述叶片可摆动尾缘部通过铰轴而可转动地安装于所述叶片。
4.根据权利要求1所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其特征在于，所述叶片可摆动尾缘部具有与摆动机构配合的凹槽。
5.根据权利要求1所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其特征在于，所述控制模块为可编程逻辑控制器。
6.根据权利要求1或3所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其特征在于，所述叶片可摆动尾缘部的铰轴安装于翼型弦线3/4处。
7.根据权利要求1所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其特征在于，所述摆动机构的端部设置有带动可摆动的叶片可摆动尾缘部上下摆动的带动体。
8.根据权利要求1所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其特征在于，所述可摆动的叶片可摆动尾缘部的摆动角度为β，β的取值范围为：20°≥β≥-20°。
9.根据权利要求1所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置，其特征在于，所述叶片为对称翼型。
10.一种控制如权利要求1-9任一项所述的摆动尾缘的新型扑翼式获能装置的方法，其特征在于，该方法为：
当翼型开始向下做升沉运动时其叶片可摆动尾缘部向上表面方向摆动，从而让翼型产生一定的弯度；
当翼型运动到最低点并开始向上做往返运动时其叶片可摆动尾缘部向下表面方向摆动，并维持一定弯度。
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