CN111404421B - 转捩颤振能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转捩颤振能量收集装置，属于航空气动弹性和能源技术领域。本发明装置包括转捩颤振发生装置和能量收集结构；转捩颤振发生装置安装在机翼翼段上，包括固定支架、限位器、钢丝绳、悬臂梁、轴承、滑轮和转轴；能量收集结构包括压电片。当翼段发生转捩颤振时，带动滑轮旋转，使钢丝绳长度发生变化，悬臂梁在钢丝绳牵引力作用下发生弯曲变形，粘贴在悬臂梁上的压电片发生应变，压电片利用压电效应将应变能转化为电能。本发明装置安装在飞行器上利用转捩颤振现象进行能量收集，转捩颤振的振幅变化较小，电压输出较为稳定，可为飞行器健康监测传感器网络供电或者对锂电池充电，并且装置结构简单、附加质量小、成本低，使用寿命长。

Description

转捩颤振能量收集装置

技术领域

本发明涉及一种针对低雷诺数下翼段的转捩颤振现象进行能量收集的装置，属于航空气动弹性和能源技术领域。

背景技术

随着经济和技术的不断发展，人们对于能源的需求不断增加。目前作为主要能源的化石燃料资源不断枯竭，且对环境造成严重的污染。而振动现象在日常生活中非常常见，而且振动还可能会对生产和生活带来不利的影响。这些振动产生的机械能是潜在的可利用能源，从振动中收集能量既能缓解能源紧张问题，又能减小振动对生产和生活带来的不利影响。

飞行器在飞行过程中，气流产生的气动力和飞机结构部件进行相互作用，就会产生各种各样的振动。在振动过程中，空气动力源源不断地向飞机结构部件做正功，维持结构部件的振动。这种振动对于飞行器设计来说是不利的，可能会导致飞机结构的破坏。但是，从能量收集的角度来说，可以利用这种气动弹性效应收集能量。在低雷诺数下，气体会出现复杂的黏性流动现象，比如涡脱落、边界层转捩以及由层流分离和湍流再附形成的分离泡，在这种复杂的流动现象作用下，翼段会出现一种中等幅度的俯仰单自由度极限环振荡，这种振动称为转捩颤振。该气动弹性现象在一个特定的雷诺数范围内才会发生，当气流速度过高时，雷诺数增大，气流将始终附着在机翼的表面，不再发生转捩颤振。

目前，现有文献1(Poirel D,Yuan W.Aerodynamics of laminar separationflutter at a transitional Reynolds number[J].Journal of Fluids andStructures,2010,26(7-8):1174-1194.)记载有转捩颤振的实验装置，但用于探究不同因素对转捩颤振特性的影响，并没有利用该振动现象进行能量收集。公布号为CN101419117A的中国专利申请在2009年4月29日公开了一种气动弹性颤振发生装置，气动弹性颤振是一种经典颤振。利用经典颤振速度进行能量收集存在以下几个缺点：(1)经典颤振存在一个临界颤振速度，超过这个速度，结构响应发散，导致结构破坏，低于这个速度，只有在有外部扰动的情况下，结构才会发生振动，因此，能够进行能量收集的速度范围较小，且速度一旦超过临界颤振速度就可能由于结构响应发散导致装置破坏；(2)经典颤振装置需要同时存在沉浮和俯仰两个刚体自由度，装置结构复杂。公布号为CN107525647A的中国专利申请在2017年12月29日公开了一种气动失速的动态分岔发生装置，基于失速颤振收集能量，由于失速颤振的振幅较大，有时可达到40-50°攻角，导致结构振动幅度过大，结构寿命降低。

要利用转捩颤振进行能量收集，目前主要存在以下问题：(1)如何设计装置使其在日常风速情况下产生转捩颤振现象；(2)如何设计机械结构将转捩颤振的机械能转化为压电材料的应变能进而利用压电效应转化为可利用的电能；(3)在实际应用中，可能出现扰动或者极端天气导致振荡幅值过大，使装置使用寿命减少。

发明内容

本发明针对目前转捩颤振现象对飞行器不利，以及利用转捩颤振进行能量收集所存在的问题，提供了一种应用在飞行器的机翼翼段的转捩颤振能量收集装置，可实现在日常2-5级风下产生转捩颤振现象，并通过压电效应对该振动能量进行收集和存储。

本发明提供了一种转捩颤振能量收集装置，包括转捩颤振发生装置和能量收集结构。其中，转捩颤振发生装置安装在机翼翼段上，包括固定支架、限位器、钢丝绳、悬臂梁、轴承、滑轮和转轴；能量收集结构包括压电片、AD-DC转化电路等。

在翼段的上下两端分别通过转轴与固定支架连接。固定支架为一框架结构，在其底部和顶部端面上通过轴承将所述的转轴与固定支架连接。上下两个转轴都固定连接一个圆盘结构的滑轮，滑轮沿圆周方向设有滑槽。在固定支架的底部和顶部端面上分别设置有两个悬臂梁和两个限位器。悬臂梁的一端固定在固定支架的框架上，另一端设置在限位器的限位孔中。限位器的一端固定在固定支架的框架上，另一端设置有限位孔。所述的钢丝绳一端固定在滑轮上，盘绕在滑轮的滑槽中，另一端与悬臂梁固定连接。在悬臂梁靠近与固定支架固定的一端的端面上，粘贴有压电片。

当自然界中的风速达到2-5级风时，翼段发生转捩颤振，带动滑轮旋转，使钢丝绳的长度发生变化，由于钢丝绳的一端与悬臂梁自由端固连，此时悬臂梁在钢丝绳的牵引力作用下发生弯曲变形，粘贴在悬臂梁上的压电片发生应变，压电片利用压电效应将应变能转化为电能。电能经过滤波等处理之后可给锂电池进行充电，或者为飞行器健康监测传感器网络进行供电。当自然界中的风速超过5级风以后，雷诺数超过转捩颤振发生范围，转捩颤振不再发生。

本发明与现有技术相比，具有以下优势和积极效果：

(1)本发明首次提出了在飞行器上利用转捩颤振现象进行能量收集的装置，可以通过压电效应将振动能量转化为可利用的电能。

(2)本发明装置结构简单、附加质量小、成本低，且由于转捩颤振极限环振荡幅值适中，装置使用寿命长。相对于经典颤振，本发明只有一个俯仰自由度就可以发生颤振，而经典颤振必须有两个自由度，因此本发明装置结构更加简单，易于维护。相对于经典颤振，超过颤振速度，振幅瞬间变大，结构发散的问题，以及失速颤振产生很大幅度的振荡的问题，本发明装置在翼段发生转捩颤振时产生中等振幅，装置的使用寿命更长。

(3)本发明装置可在较大的风速范围进行使用，能源输出稳定，对风速较为不敏感，同时当风速过大时，本发明装置的振动会自动减缓，同时加入限位器，保障装置在极端天气下不发生破坏。

(4)本发明装置可以通过改变转轴位置来改变发生转捩颤振的风速范围以及转捩颤振的振荡幅值，从而改变能量收集效率。

(5)本发明装置用于机翼在一定的雷诺数范围内发生的转捩颤振现象，当来流速度较大时，振幅会减小直至消失，不会出现风速过大结构破坏的问题，更突显了本发明装置使用寿命长的优势；本发明装置的转捩颤振的振幅随来流速度的变化较小，因此电压输出较为稳定，降低了能量收集电路的设计难度。

附图说明

图1是本发明的转捩颤振能量收集装置的整体结构示意图；其中，a是转捩颤振发生装置部分，b是转捩颤振能量收集结构部分，c是转轴连接翼段的局部放大图。

图中：

1-AD-DC转化电路；2-控制器；3-锂离子充电电池；4-压电片；5-固定支架；6-限位器；

7-钢丝绳；8-悬臂梁；9-轴承；10-滑轮；11-转轴；12-翼段。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

如图1所示，本发明实施例实现的一种转捩颤振能量收集装置，包括：AD-DC转化电路1、控制器2、锂离子充电电池3、压电片4、固定支架5、限位器6、钢丝绳7、悬臂梁8、轴承9、滑轮10、转轴11和翼段12。其中，AD-DC转化电路1、控制器2、锂离子充电电池3和压电片4组成转捩颤振能量收集结构；固定支架5、限位器6、钢丝绳7、悬臂梁8、轴承9、滑轮10和转轴11组成转捩颤振发生装置。在飞行器机翼的翼段12上安装转捩颤振发生装置，由能量收集结构对转捩颤振所产生的振动能量进行收集和存储。AD-DC转化是指将模拟信号转化为数字信号，将交流电转化为直流电。

如图1所示，在翼段12的上下两端，分别通过螺栓与一转轴11进行连接，转轴11通过轴承9固定在固定支架5上。如图1中c所示，翼段12与转轴11的连接端设置有一排等间隔的螺纹孔，可通过选择与转轴11连接的螺纹孔位置，来改变转轴11相对于翼段12的弦向位。

如图1的a所示，固定支架5用于安装和固定相关部件，本发明实施例中，固定支架5的整体外形为一个长方体的框架结构。在固定支架5的顶部与底部分别安装两个限位器6，两个悬臂梁8和一个H型部件。

在固定支架5的底部和顶部的中间位置各固定有一个H型部件。H型部件的两端分别固定在固定支架5的框架上，H型部件的中心开有孔，并设有轴承9，用于将转轴11固定在固定支架5上。圆盘结构的滑轮10与转轴11固定连接，滑轮10沿圆周方向设有滑槽，用于盘绕钢丝绳7。

分别在固定支架5的底部和顶部的一个对角位置上设置有一对悬臂梁8。悬臂梁8的一端固定在固定支架5的框架上，另一端设置在限位器6的限位孔中。限位器6一端固定在固定支架5的框架上，另一端设有限位孔，限位孔对悬臂梁8弯曲程度进行限制。另外，在限位器6设置限位孔的一端还开有一个小孔，用于穿过钢丝绳7。本发明装置中设置限位器6的目的是为了防止翼段12俯仰角度过大时导致装置发生故障。悬臂梁8的长度应满足两个悬臂梁8的长度加滑轮10的直径略大于固定支架5的顶部或底部的相对的两个框架的内部间距。

钢丝绳7一端固定在滑轮10上，盘绕在滑轮10的滑槽中，另一端通过限位器6的小孔与悬臂梁8固定连接。在悬臂梁8靠近与固定支架5的框架固定的一端的端面上，粘贴有压电片4。将悬臂梁8与固定支架5固定的一端称为固定端，设置在限位器6中的一端为自由端。滑轮10和钢丝绳7，将气流作用在翼段12上的俯仰力矩转化为力，加在悬臂梁8的自由端，使其产生弯曲变形。

压电片4粘贴在悬臂梁8靠近固定端的端面上，当悬臂梁8发生弯曲变形时，粘贴于其上的压电片4利用压电效应将应变能转化为电能，电压经过AD-DC转化电路1和控制器2的平整化处理后，将电能储存在锂离子充电电池3中。AD-DC转化电路1是整流滤波电路，将压电片4输出的交流电转化为直流电，并使直流电压平整化。控制器2置于AD-DC转化电路1的输出端和电池3之间，用于控制AD-DC转化电路1的输出电压。图1中的b中的虚线代表信号线，用来传输电信号。AD-DC转化电路1、控制器2、锂离子充电电池3通过信号线引出，在装置外放置，以免干扰风洞流场。AD-DC转化电路1、控制器2和锂离子充电电池3都是电子元件，通过信号线设置在转捩颤振发生装置外，以免干扰风洞流场。

当自然界中的风速达到2-5级风时，翼段12发生转捩颤振，带动滑轮10旋转，滑轮10的旋转导致钢丝绳7的长度发生变化，由于钢丝绳7的一端与悬臂梁8自由端固连，此时悬臂梁8在钢丝绳7的牵引力的作用下发生弯曲变形，粘贴在悬臂梁8上的压电片4发生应变，压电片4利用压电效应将应变能转化为电能，电能经过滤波等处理之后给锂离子充电电池3进行充电。当自然界中的风速超过5级风以后，雷诺数超过转捩颤振发生范围，转捩颤振不再发生。

本发明的转捩颤振能量收集装置的一个应用实例如下：

弦长为0.25米的NACA0012翼形翼段12通过两个螺栓与转轴11进行连接，翼段12两端有一排等间隔的螺纹孔，通过选择连接的螺纹孔位置改变转轴11相对于翼段12的弦向位置，转轴11通过轴承9固定在固定支架5上，这样翼段12具有俯仰刚体自由度。滑轮10与转轴11固连，翼段12在气流的作用下发生层流分离颤振，带动滑轮10旋转，钢丝绳7缠绕在滑轮10上，钢丝绳7另一端与悬臂梁8的自由端固定，此时钢丝绳7给悬臂梁8的自由端施加牵引力，悬臂梁8发生弯曲变形，粘贴于悬臂梁8上的压电片4利用压电效应将应变能转化为电能，电压经过AD-DC转化电路1和控制器2的平整化处理后，将电能储存在锂离子充电电池3中。当遭遇极端大风天气时，限位器6会限制悬臂梁8的变形，进而保护装置不受破坏。同时，限位器6开有一个圆孔供钢丝绳7穿过，以便于钢丝绳7与悬臂梁8连接，因此限位器6不会影响本发明装置正常能量收集过程。

本发明利用翼段12从气流中吸收能量产生单自由度俯仰极限环振荡，同时可以通过改变翼段12转轴的位置来改变发生转捩颤振的风速范围以及转捩颤振的振荡幅值。

通过本发明的机械装置可以将翼段俯仰运动转化为悬臂梁结构的弯曲变形，在悬臂梁上粘贴压电片，利用压电片的压电效应，将转捩颤振的能量转化为电能，相比于传统的电磁式振动能量收集装置，本发明装置具有结构简单、附加质量小及绿色无污染等优点，收集得到的能量可以为飞行器健康监测传感器网络进行供电或者对电池进行充电。

Claims (4)

1.一种转捩颤振能量收集装置，安装在机翼翼段上，其特征在于，所述的装置包括：固定支架、限位器、钢丝绳、悬臂梁、轴承、滑轮、转轴和压电片；

其中，翼段的上下两端分别通过转轴与固定支架连接；固定支架为一框架结构，在其底部和顶部端面上通过轴承将所述的转轴与固定支架连接；上下两个转轴都固定连接一个圆盘结构的滑轮，滑轮沿圆周方向设有滑槽；在固定支架的底部和顶部端面上分别设置有两个悬臂梁和两个限位器；悬臂梁的一端固定在固定支架的框架上，另一端设置在限位器的限位孔中；限位器的一端固定在固定支架的框架上，另一端设置有限位孔；所述的钢丝绳一端固定在滑轮上，盘绕在滑轮的滑槽中，另一端与悬臂梁固定连接；在悬臂梁靠近与固定支架固定的一端的端面上，粘贴有压电片；

当翼段发生转捩颤振时，带动滑轮旋转，使钢丝绳的长度发生变化，悬臂梁在钢丝绳的牵引力作用下发生弯曲变形，粘贴在悬臂梁上的压电片发生应变，压电片利用压电效应将应变能转化为电能。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的翼段，与转轴的连接端设置有一排等间隔的螺纹孔，通过选择与转轴连接的螺纹孔位置，用螺栓与转轴连接，改变转轴相对于翼段的弦向位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的固定支架，其底部和顶部端面的中间位置都固定连接一个H型部件，H型部件的两端固定在固定支架的框架上，中心开孔，通过轴承与转轴连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的限位器，设置限位孔的一端开有用于穿过钢丝绳的孔。

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