CN114852316A - 一种感知-驱动一体化智能动态涡流发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种感知‑驱动一体化智能动态涡流发生器，属于流场感知与主动控制领域，通过将八字形涡流发生器安装于压电梁驱动器两端面，利用压电梁弯曲变形时端部的偏转力矩来带动发生器产生旋转，从而改变其与来流的夹角。涡流发生器受到来流作用下的气动力并作用于压电片，通过感知气动力大小来获得当前运行参数。本发明通过将压电梁与涡流发生器相结合，利用压电陶瓷的正压电效应感知流场，逆压电效应驱动涡流发生器实现对流场的主动控制，同时具备了自适应控制能力，适用于机翼表面、发动机进气道、高度列车底部，在抑制机体表面分离、提高运行安全性和稳定性方面具有更好的效果。

Description

一种感知-驱动一体化智能动态涡流发生器
技术领域
本发明属于流场感知与主动控制领域，尤其涉及一种感知-驱动一体化智能动态涡流发生器。
背景技术
机翼作为各类飞机的关键部件，其升/阻性能的好坏决定着飞机的飞行效率、安全与稳定性。其中，低速飞行时的流动分离现象以及高速飞行状态下产生的激波都会导致机翼升/阻特性的恶化，因此，增升减阻一直是机翼亟待攻克的两大技术难关。现有的技术方案主要是通过将涡流发生器固定在机翼表面，这种被动控制的方式虽然在一定程度上可以抑制气流的过早分离，但也是仅对某些特殊的飞行工况有一定效果，适应性不强，对于马赫数、攻角变化等特殊情况下效果并不理想。对于高速列车，其在高速行驶时车轮风阻可达到25%，且汽车旋转车轮产生的分离流对汽车外流场也会产生较大影响，急需一种高效可靠的流动控制方式。基于正压电效应和逆压电效应相结合的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，能够感知流场的变化获得当前的飞行状态，并驱动压电梁带动动态涡流发生器产生偏转，这种自适应的驱动控制方式不仅可以适用于各种飞行工况，同时对于高速列车底板导流减阻、车轮处减少紊流以及刹车片处的引流降温均有明显作用，大大拓宽了传统涡流发生器的使用范围。
发明内容
本发明提供了一种感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，利用粘贴在涡流发生器侧面的压电陶瓷感知当前状态下受到的气动力，从而评估当前的运行状态，在此基础上通过压电梁产生弯曲变形，带动八字形涡流发生器偏转，使其迎风角发生变化，以适应不同复杂运行环境。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，包括：压电梁驱动器和转动部；所述转动部分别安装于压电梁驱动器的两端；所述的压电梁驱动器为一方形原片结构，由两侧的压电陶瓷片和中间的基体层组成；所述的转动部有两套且结构一致，每套转动部分别包括上轴承、下轴承、转动轴和流动控制片；
所述转动轴为阶梯轴结构且中部设置有限位槽，将压电梁驱动器端部插入阶梯轴的限位槽内，利用压电梁驱动器弯曲变形时端部的转角带动转动轴旋转，转动轴两端设置有轴承内圈安装面，上轴承和下轴承的外圈安装于机翼骨架上，内圈分别安装于转动轴的上轴承内圈安装面和下轴承内圈安装面上；
所述流动控制片有摆动片和感知压电片组成，摆动片为三角形结构，其底部设置有安装孔，将底部安装孔插入转动轴的上轴承内圈安装面顶端进行固定，通过转动轴旋转来带动摆动片进行偏转；感知压电片有两片且分别粘贴于摆动片两侧，通过测量其受到的气动力来获得运行参数；
两个转动部上摆动片偏转角度大小一样，呈八字形分布；
每个摆动片两侧均粘贴有感知压电片，当流场产生的气动力作用于迎风面上的感知压电片时，通过采集压电片上输出的电信号来分析涡流发生器上摆动片受力，从而获得运行参数；
所述压电梁驱动器由基体和两片压电陶瓷粘接而成，通过分别给压电梁驱动器上基体和两片压电陶瓷供电可以使其产生不同的形变，从而带动两端的摆动片呈现“内八字”或“外八字”的偏转方式；
通过调节压电梁驱动器的供电电压可以改变其弯曲的方向和大小，从而改变摆动片的偏转角度；
将设计的智能动态涡流发生器分间隔固安装在机翼骨架上，在飞行器飞行过程中对翼面流动分离进行主动控制。
有益效果：本发明提供了一种感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，利用压电梁驱动器弯曲变形时端部的偏转力矩来带动发生器产生旋转，从而改变其与来流的夹角。同时，涡流发生器受到来流作用下的气动力并作用于粘贴在其侧面的压电片，通过感知气动力大小来获得当前运行参数。本发明通过将压电梁与涡流发生器相结合，利用压电陶瓷的正压电效应感知流场，逆压电效应驱动涡流发生器实现对流场的主动控制，这种集感知、驱动一体化的设计方案不仅具有结构简单、设计灵活的优势，同时具备了自适应控制能力，在抑制机体表面分离、提高飞行安全性和稳定性方面具有更好的效果，将本发明的涡流发生器安装于高速列车底部能够导流减阻，安装于车轮处可以减少紊流，安装于刹车片处可以引流降温。
附图说明
图1是本发明的智能动态涡流发生器结构示意图；
图2是本发明的摆动片结构示意图；
图3是本发明的转动轴结构示意图；
图4是本发明的智能动态涡流发生器在机翼上安装方式示意图；
图5是本发明的智能动态涡流发生器偏转方式示意图；
图6是本发明压电梁驱动器结构组成示意图；
图中，1为摆动片，2为感知压电片，3为上轴承，4为转动轴，5为下轴承，6为压电梁驱动器，7为机翼骨架。101为底部安装孔，401为限位槽，402为上轴承内圈安装面，403为下轴承内圈安装面，601为基体，602为上压电陶瓷，603为下压电陶瓷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种感知—驱动一体化智能动态涡流发生器，包括：包括压电梁驱动器6和转动部；所述的压电梁驱动器为一方形原片结构，如图6所示，压电梁驱动器6由基体601和两片压电陶瓷602、603粘接而成；所述转动部有两套且结构一致，两个转动部分别安装于压电梁驱动器6的两端部，每套转动部分别包括上轴承3、下轴承5、转动轴4和和流动控制片；如图3所示，转动轴4为阶梯轴结构且中部设置有限位槽401，将压电梁端部插入阶梯轴的限位槽401内，利用压电梁驱动器弯曲变形时端部的转角带动转动轴4旋转。转动轴4两端设置有轴承内圈安装面，上轴承3和下轴承5的外圈安装于机翼骨架7上，内圈安装于转动轴4的上轴承内圈安装面402、下轴承内圈安装面403上。所述的流动控制片有摆动片1和感知压电片2组成，如图2所示，摆动片1为三角形结构，其底部设置有安装孔101，将底部安装孔101插入转动轴4的输出端进行固定，通过转动轴4旋转来带动摆动片1进行偏转；感知压电片2有两片且分别粘贴于摆动片1两面，通过测量其受到的气动力来获得飞行器的飞行参数。
每个摆动片1两侧均粘贴有感知压电片2，当流场产生的气动力作用于迎风面上的感知压电片2时，通过采集压电片上输出的电信号来分析涡流发生器上摆动片1受力，从而获得飞行器的飞行参数。
如图5所示，通过分别给压电梁驱动器6上基体601和两片压电陶瓷602、603供电可以使其产生不同的形变，利用压电梁驱动器6弯曲变形时端部的输出转角带动摆动片1发生偏转，两转动部上摆动片1偏转角度大小一样，呈八字形分布，从而带动两端的摆动片1呈现“内八字”或“外八字”的偏转方式，通过调节压电梁驱动器6的供电电压可以改变其弯曲的方向和大小，从而改变摆动片1的偏转角度，将设计的智能动态涡流发生器分间隔固安装在机翼骨架上，具体安装间隔与机翼大小、翼型、飞行参数和设计参数有关，在飞行器设计中根据需求进行设置，在飞行器飞行过程中对翼面流动分离进行主动控制。
将上述涡流发生器安装于高速列车底部能够导流减阻，安装于车轮处可以减少紊流，安装于刹车片处可以引流降温。
以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，其特征在于，包括：压电梁驱动器和转动部；所述转动部有两套分别安装于压电梁驱动器的两端；所述转动部上安装流动控制片，所述流动控制片包括摆动片和感知压电片，所述感知压电片粘贴于摆动片两面，用于测量其受到的气动力来获得运行参数。
2.根据权利要求1所述的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，其特征在于，所述的压电梁驱动器为一方形原片结构，由两侧的压电陶瓷片和中间的基体层组成。
3.根据权利要求1所述的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，其特征在于，所述转动部包括上轴承、下轴承、转动轴和流动控制片；所述上轴承和下轴承分别安装于转动轴的上下两端，所述流动控制片安装于转动轴上上轴承上方。
4.根据权利要求3所述的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，其特征在于，所述转动轴为阶梯轴结构，转动轴两端设置有轴承内圈安装面，上轴承和下轴承的外圈安装于机体骨架上，内圈分别安装于转动轴的上轴承内圈安装面和下轴承内圈安装面上。
5.根据权利要求3或4所述的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，其特征在于，所述转动轴中部设置有限位槽，用于安装压电梁驱动器端部。
6.根据权利要求3所述的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，其特征在于，所述摆动片为三角形结构，其底部设置有安装孔，将底部安装孔插入转动轴的轴承内圈安装面顶端进行固定。
7.根据权利要求1所述的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，其特征在于，所述感知压电片有两片分别粘贴于摆动片两侧。
8.根据权利要求1或6所述的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器，其特征在于，两片摆动片偏转角度大小一样，呈八字形分布。
9.权利要求1-8任一项所述的感知-驱动一体化智能动态涡流发生器应用于机翼表面、高速列车底部。
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