CN208882108U - 扑翼式合成射流激励器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于流体机械领域，具体地说是一种扑翼式合成射流激励器，两对翼面安装在柔性旋转关节内，柔性旋转关节固连在翼根上；电机通过传动机构驱动连杆A推动翼根上、下往复运动，从而使上、下翼面产生大小相等，方向相反的扑动。在惯性、材料弹性、流体粘性共同作用下，翼面绕自身前缘产生旋转；通过拍合在翼面尾缘产生射流，在翼面旋转运动反转时，从翼面前缘吸入流体，从而实现合成射流。本实用新型使用被动柔性旋转关节实现翼面二自由度运动，不仅通过合成射流的方式产生推力，还能通过翼面二自由度运动生成的动态涡产生升力，是一种具有新型结构形式的合成射流激励器，并能产生二维驱动力，提供了流体控制的灵活性。

Description

扑翼式合成射流激励器

技术领域

本实用新型属于流体机械领域，具体地说是一种扑翼式合成射流激励器。

背景技术

合成射流技术是一种全新的流动控制技术，它通过控制漩涡结构的融合，可以有效地提升推力和推进效率。合成射流技术不需要流体供应和管道输送系统，因此结构非常简单。传统的合成射流激励器主要由激励器腔体和振动部件两部分组成，在电/磁/机械激励下，振动膜片发生振动，在吹程压缩腔内空气形成喷流，在吸程从孔隙从周围补充流体。其具体的结构形式主要有压电膜振动式，如于2018年6 月2日公开的、公开号为CN108194461A的“一种利用压电振动薄膜和三电极等离子体组合式合成射流激励器”，于2006年8月16日公开的、公开号为CN1818399A的“单膜双腔双口合成射流激励器”；活塞振动式，如于2015年7月22日公开的、公开号为CN104791218A 的“一种带辅助进气槽的活塞式合成射流激励器”。这些传统的合成射流激励器均用于改变局部流场，从而影响气动力和力矩。但这些传统的合成射流激励器，由于其腔体的孔隙位置固定，只能产生一维的气动力。此外，由于其腔体相对密闭，在实现高速射流时，导致吸气过程的腔体和环境的压比很小，导致吸气变得困难。

扑翼飞行器是模仿鸟类、昆虫的飞行方式，以扑动翼面的方式产生气涡，并以此作为气动力的来源。扑翼飞行器产生的气动力为非定常气动力，其气动力的生成机制为“动态涡延迟失速”、“旋转环流”、“尾迹捕获”等。扑翼飞行器按照翼面的布局方式，有单层翼(single wing)、双层翼(biplane wings)、串联翼(tandem wings)。目前研究较多的是单层翼、双层翼的扑翼飞行器。单层扑翼飞行器在翅膀扑动过程中，气涡依次经历翼根涡、前缘涡、翼尖涡等形态，最后在翅膀尾缘以尾迹的形式脱落。在此之后，可以通过改变翅膀的运动形式，重新捕获尾迹，进一步增加升力；如于2018年5月8日公开的、公开号为CN108001680A的“一种多层微型仿生扑翼飞行器”中，利用 clap—and—fling气动机制，为单层扑翼设计了一种驱动机构，以产生翅膀旋转的方式，将从尾缘脱落尾迹重新卷入以达到提高升力的效果。但是单层扑翼的一个特点是，它的涡的形式始终是以尾迹(而非射流)的形式脱落，无法形成“合成射流”气动效应。对于双层扑翼飞行器，荷兰Delft大学设计了一系列不同尺寸的样机，其中以 DelflyII的工程完成度最高(de Croon,Percin，Remes,Ruijsink, &De Wagter,2016)。这些样机均有两对翅膀，呈“X”型布局，上下翅膀反向扑动，依靠翅膀的柔性变形在翅膀拍合处向翅膀尾缘产生射流；在翅膀扑动反转时，依靠翅膀的柔性变形从翅膀前缘吸入空气。双层扑翼飞行器的这种翼型布局、翅膀柔性、运动方式，正好构成了“合成射流”的基本技术要素。但Delfly系列双层扑翼飞行器的每个翅膀只有一个运动自由度(扑动)，目前只能依靠翅膀的柔性模拟少量的翅膀旋转运动；这导致射流的流量比较小，从而限制了推力的进一步提高。

实用新型内容

针对传统的合成射流激励器(压电膜振动式、活塞振动式)存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能产生二维力的扑翼式合成射流激励器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型包括电机、支架、传动机构、连杆A、柔性旋转关节、翼根、翼面及机身连杆，其中电机及机身连杆分别安装在支架上，该机身连杆上安装有呈“X”形的翼根，“X”的两条边可相对转动，翼根的左右两侧对称设有连杆A，所述电机的输出端通过传动机构分别与两侧的连杆A的一端相连，两侧的连杆A的另一端分别与“X”形的两条边连接；所述“X”形每条边的两端均设有柔性旋转关节，每个柔性旋转关节上均安装有具有扑动和旋转两个自由度的翼面，所述电机通过传动机构驱动两侧的连杆A同步、反向转动，进而带动每侧上下两个翼面反向扑动，每个所述翼面在扑动过程中绕自身前缘被动转动；

其中：所述柔性旋转关节包括内关节及外关节，该内关节与外关节均沿轴向设有开口，所述翼面由内关节上的开口插入、并与内关节相连，所述外关节安装在翼根上，所述内关节由外关节上的开口放入，翼面绕其自身的前缘可相对外关节转动；

所述外关节内设容置内关节的安装孔，该内关节的外径大于所述安装孔的直径，即内关节与外关节过盈配合；

所述翼面上设有片状结构，该片状结构的一部分插入所述内关节的开口中、并与内关节连接，所述片状结构的另一部分沿径向向外延伸至外关节的开口位置；

所述传动机构为齿轮组，该齿轮组包括齿轮A、齿轮B、齿轮C、齿轮D及齿轮E，齿轮A与所述电机的输出轴相连，所述齿轮B与齿轮C同轴设置，齿轮轴转动安装于所述支架上，该齿轮B与齿轮A相啮合；所述齿轮D及齿轮E分别位于齿轮C下方的左右两侧，且齿轮轴分别转动安装在支架上，该齿轮D分别与齿轮C及齿轮E相啮合；两侧的所述连杆A的一端分别连接于齿轮D及齿轮E上；

所述齿轮D、连接于齿轮D上的一侧的连杆A、该侧连杆A另一端连接的翼根组成曲柄摇杆机构，所述齿轮E、连接于齿轮E上的另一侧的连杆A、该侧连杆A另一端连接的翼根组成曲柄摇杆机构；

所述齿轮A、齿轮B、齿轮C、齿轮D及齿轮E位于支架的同侧，该齿轮B、齿轮D及齿轮E上均开设有弧形孔；

所述翼根为两个，每个翼根均呈“V”形，该“V”形两边的交汇处与所述机身连杆转动连接，其中一个翼根“V”形的一边位于另一个翼根“V”形的两边之间，即两个翼根呈“X”形；

所述翼面包括柔性膜及位于该柔性膜上下两侧的支撑结构，两侧的所述支撑结构将柔性膜夹在中间；所述支撑结构包括连杆C、连杆 D及连杆E，该连杆C即为翼面的前缘，所述连杆D及连杆E分别与连杆C相连，在连杆C上连接有与所述柔性旋转关节连接的片状结构；

所述机身连杆的尾部设有用于调整扑翼式合成射流激励器安装角度的“L”形弯曲。

本实用新型的优点与积极效果为：

1.本实用新型通过翼面(而非腔体)的二自由度运动产生合成射流：通过上、下翼面绕纵轴的扑动，在水平面位置拍合，从翼面后缘产生喷流；通过左、右翼面绕纵轴的扑动，在垂直面位置拍合，从翼面尾缘形成喷流。在翼面拍合之后，利用翼面旋转运动(旋转轴为翼面前缘)在翼面前缘从周围环境吸入流体，从两个位置单独的进行“吸气”、“喷射”，解决了高工作频率时吸气困难的难题；此外，本实用新型在一个周期内可以形成两次射流，提高了推进效率。

2.本实用新型相比于传统合成射流激励器，更加充分地利用气动机理：除了可以像传统的合成射流激励器一样产生射流，还可以利用扑翼飞行器的“延迟失速”、“旋转环流”等非定常气动力机制，其效果是：可以同时提供推力、升力两个方向的力；推力产生方式：通过往翼面后缘喷射流体，产生沿纵轴的推力。升力产生方式(有两种机理)：(1)通过翼面扑动产生的动态涡，产生升力；(2)通过翼面旋转“吸入流体”，在翼面上表面产生的低压区，产生升力。在一个翼面运动周期内同时产生推力和升力，可以对载荷进行更灵活的控制。

3.相比于刚性翼面，本实用新型的柔性翼面可以有效地抑制涡的脱落，提高升力和动态稳定性。

4.本实用新型的柔性旋转关节可以：(1)通过改变填充物改变翼面旋转阻尼，从而改变翼面旋转的动力学特性，进而根据不同工作条件，改善翼面周围动态涡的稳定性、提高升力；(2)减少翼面运动时产生的振动；(3)存储机械能，提高能效。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型的结构主视图；

图3为本实用新型的结构后视图；

图4为本实用新型的结构俯视图；

图5A为本实用新型的结构左视图；

图5B为图5A中的A处放大图；

图6为图1中支架的立体结构示意图；

图7为图1中齿轮组的立体结构示意图；

图8为图1中齿轮组的结构主视图；

图9为图8的右视图；

图10为图1中柔性旋转关节的立体结构示意图之一；

图11为图10中内关节的立体结构示意图；

图12为图10中外关节的立体结构示意图；

图13为图1中柔性旋转关节的立体结构示意图之二；

图14为图13中的A—A剖视图；

图15为图1中翼根的立体结构示意图；

图16为图1中翼面的结构俯视图；

图17为本实用新型翼面的制作工艺示意图；

其中：1为电机，2为支架，201为孔A，202为孔B，203为孔C， 204为孔D，205为孔E，3为齿轮组，301为齿轮A，302为齿轮B， 303为齿轮C，304为齿轮D，305为齿轮E，306为弧形孔，4为套筒， 5为连杆A，6为柔性旋转关节，601为内关节A，602为内关节B， 603为外关节，7为翼根A，8为连杆B，9为翼面，901为片状结构， 902为连杆C，903为连杆D，904为连杆E，905为柔性膜，10为机身连杆，11为翼根B，12为翼面B，13为翼面C，14为翼面D。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1～4及图5A、图5B所示，本实用新型包括电机1、支架2、传动机构、连杆A5、柔性旋转关节6、翼根、翼面及机身连杆10，其中电机1及机身连杆10的头部分别安装在支架2上，机身连杆10 的尾部设有一“L”形弯曲，用于调整扑翼式合成射流激励器的安装角度。如图6所示，支架2上分别开设有孔A201、孔B202、孔C203、孔D204及孔E205，电机1位于支架2的后面，安装在孔B202上，机身连杆10的头部安装在孔A201上。

机身连杆10上安装有呈“X”形的翼根，“X”的两条边可相对转动，翼根的左右两侧对称设有连杆A5，电机1的输出端通过传动机构分别与两侧的连杆A5的一端相连，两侧的连杆A5的另一端分别与“X”形的两条边连接；“X”形每条边的两端均设有柔性旋转关节6，每个柔性旋转关节6上均安装有具有扑动和旋转两个自由度的翼面，电机1通过传动机构驱动两侧的连杆A5同步、反向转动，进而带动每侧上下两个翼面反向扑动，每个翼面在扑动过程中绕自身前缘被动转动。本实施例为左右对称结构，具有两个翼根，分别为翼根A7及翼根B11；具有四个翼面，分别为翼面A9、翼面B12、翼面C13及翼面D14。

本实施例的传动机构为齿轮组3，位于支架2的前面；如图7～9 所示，齿轮组3包括齿轮A301、齿轮B302、齿轮C303、齿轮D304 及齿轮E305，齿轮A301位于最上方，与电机1的输出轴相连，齿轮 B302与齿轮C303同轴设置、均位于齿轮A301的下方，齿轮轴转动安装于支架2的孔C203上，该齿轮B302与齿轮A301外啮合；齿轮 D304及齿轮E305分别位于齿轮C303下方的左右两侧，齿轮D304的齿轮轴转动安装在支架2的孔E205上，齿轮E305的齿轮轴转动安装在支架2的孔D204上；齿轮D304分别与齿轮C303及齿轮E305外啮合。齿轮B302、齿轮D304及齿轮E305上各沿圆周方向均匀开设了多个(本实施例为四个)弧形孔306，可以降低本实用新型的负重，减少齿轮组一侧湍功能，降低对翼面周围涡流的干扰。

右侧连杆A5的一端通过套筒4和连杆B8连接于齿轮D304上，左侧连杆A5的一端通过套筒4和连杆B8连接于齿轮E305上。套筒 4上开有连接孔，连杆B8的一端插入套筒4上的连接孔，另一端插入齿轮D304或齿轮E305上的连接孔。套筒4与连杆A5进行过盈配合。右侧连杆A5的另一端与另一个套筒4进行同样方式的过盈配合，连杆B8的一端插入另一个套筒4上的连接孔，连杆B8的另一端插入翼根A7上的连接孔。左侧连杆A5的另一端也与另一个套筒4进行同样方式的过盈配合，连杆B8的一端插入另一侧的另一个套筒4上的连接孔，连杆B8的另一端插入翼根B11上的连接孔。柔性旋转关节6通过胶水固连在“V”形翼根7一条边的下方和另一条边的上端。齿轮D304、连接于齿轮D304上的右侧的连杆A5、右侧连杆A5另一端连接的翼根A7组成曲柄摇杆机构，齿轮E305、连接于齿轮E305 上的左侧的连杆A5、左侧连杆A5另一端连接的翼根B11组成曲柄摇杆机构。

如图10～14所示，柔性旋转关节6包括内关节及外关节603，本实施例的内关节为两个，分别为内关节A601和内关节B602；内关节A601、内关节B602及外关节603均为圆柱状，且沿轴向均设有端面呈“V”形的开口；翼面由内关节A601和内关节B602上的开口插入、并与内关节相连。外关节603安装在翼根上，外关节603内设容置内关节的安装孔，内关节A601和内关节B602由外关节603上的开口放入，内关节A601和内关节B602的外径大于安装孔的直径，即内关节A601和内关节B602均与外关节603过盈配合。外关节603的中心沿轴向设有开孔，该开孔与安装孔相连通。翼面绕其自身的前缘可相对外关节603转动。本实用新型的内、外关节的材质分别为橡胶、柔性树脂、聚酰亚胺中的一种或几种组合。

如图15所示，翼根A7和翼根B11均呈“V”形，该“V”形两边的交汇处与机身连杆10的头部转动连接，其中一个翼根“V”形的一边位于另一个翼根“V”形的两边之间，即两个翼根呈“X”形。每个“V”形翼根的一边开设有与连杆B8连接的连接孔。

如图16、图17所示，每个翼面均为三明治结构，包括柔性膜905 及位于该柔性膜905上下两侧的支撑结构，两侧的支撑结构分别从柔性膜905的上下两侧将柔性膜905夹在中间，然后用胶水固定。支撑结构包括连杆C902、连杆D903及连杆E904，该连杆C902即为翼面的前缘，连杆D903及连杆E904分别与连杆C902相连，在连杆C902 上连接有与柔性旋转关节6连接的片状结构901。翼面A9与翼面C13 均与翼根A7上的柔性旋转关节6相连，翼面B12与翼面D14均翼根 B11上的柔性旋转关节6相连，翼面A9与翼面B12同处于左侧，翼面C13与翼面D14同处于右侧；翼面B12与翼面C13之间以机身连杆 10的轴向中心线对称设置，翼面A9与翼面D14之间以机身连杆10 的轴向中心线对称设置。柔性旋转关节6的内关节A601和内关节B602 通过胶水固定在翼面左上角的片状结构901上，然后将柔性旋转关节 6的外部关节603的开口扩开，将翼面放入。由于内关节A601、内关节B602的外径比外关节603的开孔大，因此可以起到轴向限位的作用。翼面上的片状结构901的一部分插入内关节A601和内关节B602 的开口中，并由内关节A601和内关节B602夹持，片状结构901的另一部分沿径向向外延伸至外关节603的开口位置。翼面的前缘(即连杆C902)作为转动轴，放在外关节603两边端面的开孔处。因此，翼面可以绕自身的前缘作被动转动，其转动的范围由柔性旋转关节6 的开孔的弧度决定；在本实施例中，开孔弧度依次取16°、14°、 12°、10°。开口的弧度越大，翅膀旋转的幅度越大，产生的射流流量也越大。但射流强度还与翼面的旋转速度有关。在本实用新型中，翼面绕柔性旋转关节6的两端面的中心线旋转的速度由以下三个因素决定：内、外关节的弹性(杨氏模量)、流体的粘性、翅膀扑动的速度。对于本实用新型，可以通过选用不同的弹性材料，改变内外关节的弹性，从而改变射流的强度。

本实用新型的工作原理为：

1.电机1转动，驱动齿轮A301转动，并最终驱动齿轮D304和齿轮E305转动；齿轮D304和齿轮E305分别带动每侧的曲柄摇杆机构运动，使每侧的两个翅膀(即左侧的翼面A9与翼面B12和右侧的翼面C13与翼面D14)绕机身连杆10的轴向中心线拍动；每个翼面在惯性作用下，绕自身的前缘(即连杆C902)发生旋转运动。在柔性旋转关节6的内关节A601、内关节B602的开口限位下，片状结构 901与内关节发生弹性碰撞，并使翼面的旋转运动发生反转。该过程称之为“翼面的旋转运动”。

2.上、下两对翼面：本实用新型每侧的上、下两个翼面扑动速度大小相同、方向相反；旋转速度大小相同、方向相反。

左、右两对翼面：扑动速度大小相同、方向相反；旋转速度大小相同、方向相反。

在一个运动周期内，每个翅膀有两次拍合：上、下两对翅膀在水平位置拍合(即翼面A9与翼面B12、翼面C13与翼面D14)；左、右两对翅膀在垂直面拍合(即翼面A9与翼面D14、翼面B12与翼面C13)。翅膀每次拍合之后，扑动速度、旋转速度的方向均反转。

3.当翅膀拍合时，由于翅膀的挤压，在翼面后缘形成射流。当扑动速度、旋转速度的方向反转时，由于惯性作用，翼面前缘先张开；然后沿着机身连杆10的轴向中心线，翼面渐次张开；最后翼面尾缘张开。在这个过程中，周围环境中的流体，从翼面前缘被吸入两翼面之间。这就是流体吸入。整个过程形成合成射流。

4.二维力的形成。在翼面运动的整个过程中，动态涡从翼根处形成，沿着翼面展向朝翼尖运动；同时由于翼面旋转，动态涡同时朝着翼面尾缘运动。动态涡造成翼面压力变化，进而形成升力。在翼面拍合的时候，动态涡运动到尾缘；在翼面的拍合、挤压作用下，从尾缘形成射流，导致推力的产生。

Claims (10)

1.一种扑翼式合成射流激励器，其特征在于：包括电机(1)、支架(2)、传动机构、连杆A(5)、柔性旋转关节(6)、翼根、翼面及机身连杆(10)，其中电机(1)及机身连杆(10)分别安装在支架(2)上，该机身连杆(10)上安装有呈“X”形的翼根，“X”的两条边可相对转动，翼根的左右两侧对称设有连杆A(5)，所述电机(1)的输出端通过传动机构分别与两侧的连杆A(5)的一端相连，两侧的连杆A(5)的另一端分别与“X”形的两条边连接；所述“X”形每条边的两端均设有柔性旋转关节(6)，每个柔性旋转关节(6)上均安装有具有扑动和旋转两个自由度的翼面，所述电机(1)通过传动机构驱动两侧的连杆A(5)同步、反向转动，进而带动每侧上下两个翼面反向扑动，每个所述翼面在扑动过程中绕自身前缘被动转动。

2.根据权利要求1所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述柔性旋转关节(6)包括内关节及外关节(603)，该内关节与外关节(603)均沿轴向设有开口，所述翼面由内关节上的开口插入、并与内关节相连，所述外关节(603)安装在翼根上，所述内关节由外关节(603)上的开口放入，翼面绕其自身的前缘可相对外关节(603)转动。

3.根据权利要求2所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述外关节(603)内设容置内关节的安装孔，该内关节的外径大于所述安装孔的直径，即内关节与外关节(603)过盈配合。

4.根据权利要求2所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述翼面上设有片状结构(901)，该片状结构(901)的一部分插入所述内关节的开口中、并与内关节连接，所述片状结构(901)的另一部分沿径向向外延伸至外关节(603)的开口位置。

5.根据权利要求1所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述传动机构为齿轮组(3)，该齿轮组(3)包括齿轮A(301)、齿轮B(302)、齿轮C(303)、齿轮D(304)及齿轮E(305)，齿轮A(301)与所述电机(1)的输出轴相连，所述齿轮B(302)与齿轮C(303)同轴设置，齿轮轴转动安装于所述支架(2)上，该齿轮B(302)与齿轮A(301)相啮合；所述齿轮D(304)及齿轮E(305)分别位于齿轮C(303)下方的左右两侧，且齿轮轴分别转动安装在支架(2)上，该齿轮D(304)分别与齿轮C(303)及齿轮E(305)相啮合；两侧的所述连杆A(5)的一端分别连接于齿轮D(304)及齿轮E(305)上。

6.根据权利要求5所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述齿轮D(304)、连接于齿轮D(304)上的一侧的连杆A(5)、该侧连杆A(5)另一端连接的翼根组成曲柄摇杆机构，所述齿轮E(305)、连接于齿轮E(305)上的另一侧的连杆A(5)、该侧连杆A(5)另一端连接的翼根组成曲柄摇杆机构。

7.根据权利要求5所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述齿轮A(301)、齿轮B(302)、齿轮C(303)、齿轮D(304)及齿轮E(305)位于支架(2)的同侧，该齿轮B(302)、齿轮D(304)及齿轮E(305)上均开设有弧形孔(306)。

8.根据权利要求1所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述翼根为两个，每个翼根均呈“V”形，该“V”形两边的交汇处与所述机身连杆(10)转动连接，其中一个翼根“V”形的一边位于另一个翼根“V”形的两边之间，即两个翼根呈“X”形。

9.根据权利要求1所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述翼面包括柔性膜(905)及位于该柔性膜(905)上下两侧的支撑结构，两侧的所述支撑结构将柔性膜(905)夹在中间；所述支撑结构包括连杆C(902)、连杆D(903)及连杆E(904)，该连杆C(902)即为翼面的前缘，所述连杆D(903)及连杆E(904)分别与连杆C(902)相连，在连杆C(902)上连接有与所述柔性旋转关节(6)连接的片状结构(901)。

10.根据权利要求1所述的扑翼式合成射流激励器，其特征在于：所述机身连杆(10)的尾部设有用于调整扑翼式合成射流激励器安装角度的“L”形弯曲。