RU101008U1

RU101008U1 - AERODYNAMIC FLOW CONTROL DEVICE

Info

Publication number: RU101008U1
Application number: RU2010131418/11U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Каблов; Дмитрий Васильевич Сиваков; Иван Николаевич Гуляев; Михаил Юрьевич Федотов
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-01-10

Abstract

1. Устройство управления аэродинамическим потоком, обтекающим конструкцию обшивки, состоящей из внешней отклоняемой части, пьезоэлектрического элемента и внутренней неподвижной части, путем отклонения внешней части конструкции обшивки относительно неподвижной части обшивки с использованием многослойных пьезоэлектрических элементов, отличающееся тем, что внешние отклоняемые части обшивки выполнены из полимерного или металло-полимерного слоистого композиционного материала и расположены на внешней поверхности конструкции обшивки в одном направлении последовательно друг за другом и образовывают периодически повторяющуюся геометрическую структуру, каждый элемент которой расположен частично над следующим, и содержит между своими слоями два или более многослойных пьезоэлектрических элементов. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя неподвижная часть обшивки выполнена из полимерного или металло-полимерного слоистого композиционного материала, в котором имеются токопроводящие дорожки для подвода управляющих сигналов пьезоэлектрическим элементам. 1. A device for controlling the aerodynamic flow around the skin structure, consisting of an outer deflectable part, a piezoelectric element and an internal fixed part, by deflecting the outer part of the skin structure relative to the fixed part of the skin using multilayer piezoelectric elements, characterized in that the outer deflectable parts of the skin are made of polymer or metal-polymer layered composite material and are located on the outer surface of the skin structure in one direction sequentially one after the other and form a periodically repeating geometric structure, each element of which is located partially above the next, and contains two or more multilayer piezoelectric elements between its layers. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the inner fixed part of the skin is made of a polymer or metal-polymer laminated composite material, in which there are conductive tracks for supplying control signals to the piezoelectric elements.

Description

Полезная модель относится к области средств управления аэродинамическими характеристиками планеров летательных аппаратов, лопастей вертолетов, турбин компрессоров и морских судов, в том числе и подводных аппаратов без использования элементов механизации и рулей, за счет изменения геометрического профиля аэро- или гидродинамической поверхности, выполненной из полимерных или металло-полимерных слоистых композиционных материалов.The utility model relates to the field of aerodynamic control tools for airframes, helicopter blades, compressor turbines and marine vessels, including underwater vehicles without the use of mechanization elements and rudders, by changing the geometric profile of an aerodynamic or hydrodynamic surface made of polymeric or metal-polymer layered composite materials.

Известно устройство управления аэродинамическим потоком на внешней поверхности обшивки воздушного или морского судна, состоящее из двух уровней (слоев) пьезоэлектрических элементов, расположенных в двух параллельных плоскостях, и слоя между пьезоэлектрическими элементами, в котором расположены электрические дорожки, подводимые к обеим плоскостям пьезоэлектрических элементов. Устройство предназначено для снижения шумов и преобразования турбулентных потоков в ламинарные (патент Великобритании №2366603).A device for controlling the aerodynamic flow on the outer surface of the skin of an aircraft or marine vessel, consisting of two levels (layers) of piezoelectric elements located in two parallel planes, and a layer between the piezoelectric elements, in which there are electric tracks leading to both planes of the piezoelectric elements. The device is designed to reduce noise and convert turbulent flows to laminar (UK patent No. 2366603).

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления обтекающими потоками, так как основное назначение двух плоскостей пьезоэлементов - регистрация акустической волны внутренним слоем и подача зарегистрированного сигнала в противофазе на внешние силовые пьезоэлементы. Снижение уровня акустических волн на внешней поверхности обшивки способствует снижению турбулентного потока (числа Рейнольдса), но не позволяет изменять направление потока.The disadvantage of this device is the inability to control the flow around, since the main purpose of the two planes of the piezoelectric elements is the registration of the acoustic wave by the inner layer and the supply of the registered signal in antiphase to the external power piezoelectric elements. A decrease in the level of acoustic waves on the outer surface of the casing contributes to a decrease in turbulent flow (Reynolds number), but does not allow changing the direction of flow.

Известно устройство управления аэродинамическим потоком за счет изменения геометрии внешней поверхности обшивки и осуществления контроля за данным воздействием. Данное устройство предназначено для законцовок крыльев, лопастей и состоит из пьезоэлектрических актюаторов и волоконно-оптических сенсорных элементов на основе брэгговских решеток (патент США №4922096).A device for controlling the aerodynamic flow due to changes in the geometry of the outer surface of the skin and control over this effect. This device is intended for wingtips, blades and consists of piezoelectric actuators and fiber optic sensor elements based on Bragg gratings (US patent No. 4922096).

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления воздушными потоками, так как хотя технической задачей, решаемой данным устройством, является изменение геометрии аэродинамического элемента с контролем изменений при помощи волоконно-оптических брэгговских решеток, данное техническое решение не позволяет преобразовывать турбулентный поток в ламинарный.The disadvantage of this device is the inability to control air flows, since although the technical problem solved by this device is to change the geometry of the aerodynamic element with the control of changes using fiber-optic Bragg gratings, this technical solution does not allow the turbulent flow to be converted to laminar.

Известно устройство изменения потока на поверхности аэродинамической конструкции крыла или лопасти вертолета посредством выброса сжатого воздуха через управляемые каналы (патент США №6142425).A device is known for changing the flow on the surface of the aerodynamic structure of a wing or blade of a helicopter by ejecting compressed air through controlled channels (US Patent No. 6142425).

Недостатком данного устройства является наличие канала со сжатым воздухом, давление которого в данном устройстве может колебаться в зависимости от условий полета, а, следовательно, могут возникать неконтролируемые изменения в управляемых потоках. К тому же данные колебания будут только способствовать увеличению числа Рейнольдса, что будет негативно сказываться на увеличении турбулентности обтекающего потока, и, как следствие, приводят к снижению аэродинамических характеристик.The disadvantage of this device is the presence of a channel with compressed air, the pressure of which in this device can fluctuate depending on the flight conditions, and, therefore, uncontrolled changes in controlled flows can occur. In addition, these fluctuations will only contribute to an increase in the Reynolds number, which will adversely affect the increase in turbulence of the flowing stream, and, as a result, lead to a decrease in aerodynamic characteristics.

Известно устройство управления аэродинамическим потоком за счет изменения геометрического профиля поверхности полимерных углеродных композиционных материалов с использованием пьезоэлектрических волокон для управления геометрической формой и волоконно-оптических сенсоров на основе брэгговских решеток для осуществления контроля за деформированным состоянием (патент США №7017421).A device for controlling aerodynamic flow by changing the geometric profile of the surface of polymer carbon composite materials using piezoelectric fibers to control the geometric shape and fiber optic sensors based on Bragg gratings for monitoring the deformed state (US patent No. 7017421).

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления потоками, так как пьезоэлектрические волокна предназначены для гашения продольных акустических волн (волн Лэмба), возникающих в элементах конструкций, на частотах, равных собственным резонансным частотам, а волоконно-оптические сенсорные элементы предназначены для контроля за деформационно-напряженным состоянием конструкции. Применение данного устройства возможно только для снижения числа Рейнольдса потока, огибающего аэродинамическую конструкцию, но не пригодно для изменения его направления.The disadvantage of this device is the inability to control flows, since piezoelectric fibers are designed to absorb longitudinal acoustic waves (Lamb waves) arising in structural elements at frequencies equal to their own resonant frequencies, and fiber-optic sensor elements are designed to control strain-strain state of construction. The use of this device is possible only to reduce the Reynolds number of the stream enveloping the aerodynamic structure, but is not suitable for changing its direction.

Известно устройство управления аэродинамическим потоком за счет изменения геометрического профиля поверхностей с целью изменения числа Рейнольдса огибающего потока за счет использования массива пьезоэлектрических элементов или электрических соленоидов, расположенных в виде ячеек матрицы в приповерхностной области, закрытой гибкой защитной обшивкой. Изменение геометрии поверхности происходит по определенному закону со сдвигом фаз в управлении электрическими элементами (заявка США №2008128560 А1).A device for controlling the aerodynamic flow by changing the geometric profile of the surfaces in order to change the Reynolds number of the envelope flow through the use of an array of piezoelectric elements or electric solenoids located in the form of matrix cells in the surface region, closed by a flexible protective sheathing. The change in surface geometry occurs according to a certain law with a phase shift in the control of electrical elements (US application No. 2008128560 A1).

Недостатком данного устройства является наличие на аэродинамической поверхности эластичного слоя, через который производится изменение геометрического профиля конструкции, которая при резких колебаниях набегающего потока может привести к эффекту «шарпея» и тем самых способствовать обратному эффекту - увеличению числа Рейнольдса данной аэродинамической конструкции. По тем же причинам данное устройство не позволяет изменять направление потока.The disadvantage of this device is the presence on the aerodynamic surface of an elastic layer through which the geometric profile of the structure is changed, which, with sharp fluctuations in the incoming flow, can lead to a “sharpei” effect and thereby contribute to the opposite effect - an increase in the Reynolds number of this aerodynamic structure. For the same reasons, this device does not allow changing the direction of flow.

Известно устройство управления аэродинамическим потоком на внешней поверхности обшивки планера самолета за счет массива направляющих спрямителей потока, изготовленных из двух металлов с памятью формы, таким образом, что при нормальных температурах спрямители расправлены и переводят поток из турбулентного в пограничный (снижают число Рейнольдса), а при низких температурах загибаются и не вносят изменений в турбулентный поток. Основным преимуществом данного устройства является отсутствие систем питания (заявка США №2008217485).A device for controlling the aerodynamic flow on the outer surface of the skin of an airframe due to an array of guiding flow straighteners made of two metals with shape memory, so that at normal temperatures the straighteners are straightened and transfer the flow from turbulent to boundary (reduce the Reynolds number), and when at low temperatures they bend and do not introduce changes in the turbulent flow. The main advantage of this device is the lack of power systems (US application No. 2008217485).

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности активного управления, так как спрямители изменяют свою форму только при изменении температуры набегающего потока.The disadvantage of this device is the lack of active control, since the rectifiers change their shape only when the temperature of the incoming flow changes.

Наиболее близким и принятым за прототип является устройство управления аэродинамическим потоком, обтекающим конструкцию обшивки, состоящей из внешней отклоняемой части, пьезоэлектрического элемента и внутренней неподвижной части, путем отклонения внешней части конструкции обшивки относительно неподвижной части обшивки с использованием многослойных пьезоэлектрических элементов. Элементы отклоняемых обшивок сгруппированы в виде секторов различной формы в окружность, и представляют собой поверхности, способные образовывать выпуклые или вогнутые поверхности на внешней части обшивки. Для управления внешними отклоняемыми частями обшивки применяются кольца или диски из многослойной пьезокерамики. Подвод управляющего сигнала к пьезоэлектрическим элементам происходит посредством электропроводящей подложки и электропроводящей отклоняемой обшивки аэродинамической поверхности, изолированных друг от друга посредством непроводящего ток клеевого соединения (заявка Германии WO 2009124913).The closest and adopted as a prototype is an aerodynamic flow control device flowing around a skin structure consisting of an external deflected part, a piezoelectric element and an internal fixed part, by deflecting the external part of the skin structure relative to the fixed part of the skin using multilayer piezoelectric elements. Elements of deflectable skins are grouped in the form of sectors of various shapes in a circle, and are surfaces capable of forming convex or concave surfaces on the outer part of the skin. To control the external deflectable parts of the casing, rings or discs made of multilayer piezoceramics are used. The control signal is supplied to the piezoelectric elements by means of an electrically conductive substrate and an electrically conductive deflectable sheathing of the aerodynamic surface, isolated from each other by a non-conductive adhesive joint (German application WO 2009124913).

Недостатком данного устройства является отсутствие защищенности канала управления пьезоэлектрическими элементами управления потоком, так как на электропроводящей аэродинамической поверхности под воздействием потока возможно появление блуждающих статических зарядов, которые приводят к спонтанным отклонениям амплитуды выпуклости или вогнутости данного устройства. Возникновении подобных явлений может приводить к мгновенному увеличению числа Рейнольдса, даже в условиях высокочастотного управляющего сигнала с постоянной составляющей.The disadvantage of this device is the lack of protection of the control channel of the piezoelectric flow control elements, since on the electrically conductive aerodynamic surface under the influence of the flow, the appearance of stray static charges, which lead to spontaneous deviations of the amplitude of the convexity or concavity of this device. The occurrence of such phenomena can lead to an instant increase in the Reynolds number, even under conditions of a high-frequency control signal with a constant component.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства управления потоком для уменьшения числа Рейнольдса и изменения направления потока посредством изменения геометрического профиля аэродинамической поверхности конструкции, выполненной из полимерного или металло-полимерного слоистого композиционного материала.The technical task of the proposed utility model is to develop a flow control device to reduce the Reynolds number and change the flow direction by changing the geometric profile of the aerodynamic surface of the structure made of a polymer or metal-polymer layered composite material.

Для решения поставленной задачи предложено устройство управления аэродинамическим потоком, обтекающим конструкцию обшивки, состоящей из внешней отклоняемой части, пьезоэлектрического элемента и внутренней неподвижной части, путем отклонения внешней части конструкции обшивки относительно неподвижной части обшивки с использованием многослойных пьезоэлектрических элементов, отличающееся тем, что внешние отклоняемые части обшивки выполнены из полимерного или металло-полимерного слоистого композиционного материала и расположены на внешней поверхности конструкции обшивки в одном направлении последовательно друг за другом и образовывают периодически повторяющуюся геометрическую структуру, каждый элемент которой расположен частично над следующим и содержит между своими слоями два или более многослойных пьезоэлектрических элементов.To solve this problem, a device is proposed for controlling the aerodynamic flow around the casing structure, consisting of an external deflected part, a piezoelectric element and an internal fixed part, by deflecting the external part of the casing structure relative to the fixed part of the casing using multilayer piezoelectric elements, characterized in that the external deflected parts the casing is made of a polymer or metal-polymer laminated composite material and is located on the outer surface of the sheathing structure in one direction sequentially one after another and form a periodically repeating geometric structure, each element of which is located partially above the next and contains two or more multilayer piezoelectric elements between its layers.

Внутренняя неподвижная часть обшивки выполнена из полимерного или металло-полимерного слоистого композиционного материала, в котором имеются токопроводящие дорожки для подвода управляющих сигналов пьезоэлектрическим элементам.The inner fixed part of the casing is made of a polymer or metal-polymer layered composite material, in which there are conductive tracks for supplying control signals to the piezoelectric elements.

На фигурах 1, 2, 3, 4 и 5 представлено устройство управления аэродинамическим потоком, где:In figures 1, 2, 3, 4 and 5, an aerodynamic flow control device is shown, where:

1 - внутренняя неподвижная часть конструкции обшивки;1 - inner fixed part of the skin structure;

2 - внешняя отклоняемая часть конструкции обшивки;2 - external deflectable part of the structure of the skin;

3 - зона крепления внешней отклоняемой и внутренней неподвижной частей конструкции обшивки;3 - zone of fastening of the external deflected and internal stationary parts of the skin structure;

4 - пьезоэлектрический элемент управления отклонением внешней части конструкции обшивки;4 - a piezoelectric control element deviation of the outer part of the structure of the skin;

5 - пьезоэлектрический элемент;5 - a piezoelectric element;

6 - пространство, образующееся под внешней отклоняемой частью конструкции обшивки;6 - the space formed under the external deflected part of the structure of the skin;

7 - набегающий аэродинамический поток;7 - oncoming aerodynamic flow;

8 - управляемый аэродинамический поток;8 - controlled aerodynamic flow;

9 - зона возникновения турбулентности.9 - zone of turbulence.

На фигурах 1-3 изображено устройство управления аэродинамическим потоком.In figures 1-3, an aerodynamic flow control device is shown.

На фигурах 4 и 5 показаны направления аэродинамического потока.In figures 4 and 5 shows the directions of the aerodynamic flow.

Внешняя отклоняемая часть обшивки (2) изготовлена из слоистого полимерного композиционного материала, между монослоями которого поместили пьезоэлектрические элементы (4 и 5) таким образом, что пьезоэлектрический элемент (4) имеет возможность изгибаться в направлении аэродинамического потока (7) и отклонять его от прямолинейного его направления (8). Законцовка внешней отклоняемой обшивки (2) между своими монослоями содержит пьезоэлектрический элемент (5), который выполняет функцию гашения вибраций на законцовке отклоняемой обшивки и тем самым снижает число Рейнольдса турбулентного потока (9). Так же между монослоями внешней отклоняемой обшивки (2) расположены электрические проводники для управления пьезоэлектрическими элементами (4 и 5), которые подключены к электропроводящим дорожкам, расположенным между монослоями внутренней неподвижной части конструкции обшивки (1), аналогично электрическим платам в микроэлектронике. Подача управляющего напряжения на пьезоэлектрические элементы (4 и 5) осуществляется посредством электропроводящих дорожек и электрических проводников, соединенных в зоне крепления внешней отклоняемой и внутренней неподвижной частей конструкции обшивки (3).The external deflectable part of the casing (2) is made of a layered polymer composite material, between the monolayers of which the piezoelectric elements (4 and 5) are placed so that the piezoelectric element (4) has the ability to bend in the direction of the aerodynamic flow (7) and deviate it from its straight-line directions (8). The tip of the external deflectable sheathing (2) between its monolayers contains a piezoelectric element (5) that performs the function of damping the vibrations at the tip of the deflectable sheathing and thereby reduces the Reynolds number of the turbulent flow (9). Also, between the monolayers of the external deflectable sheathing (2), there are electrical conductors for controlling the piezoelectric elements (4 and 5), which are connected to the electrically conductive tracks located between the monolayers of the inner stationary part of the sheathing structure (1), similar to electrical boards in microelectronics. The supply of control voltage to the piezoelectric elements (4 and 5) is carried out by means of electrically conductive tracks and electrical conductors connected in the attachment zone of the external deflected and internal stationary parts of the skin structure (3).

Пространство, образующееся под внешней отклоняемой частью конструкции обшивки (6), защищено эластичной пленкой от попадания инородных предметов.The space formed under the external deflectable part of the casing structure (6) is protected by an elastic film from foreign objects.

Располагают в качестве обшивки лопасти вертолета устройство управления аэродинамическим потоком и подключают управляющие контакты к внутренней неподвижной части обшивки конструкции лопасти (1). Лопасть имеет свой аэродинамический профиль, полученный при изготовлении этой конструкции, а устройство управления аэродинамическим потоком находится в исходном состоянии таким образом, что не вносит изменений в данный профиль лопасти. Начинают вращение лопастей относительно оси, на которой они закреплены, образуется набегающий поток (7), который огибает аэродинамическую поверхность лопасти со скоростями, соответствующими геометрическому профилю изготовленной лопасти. Подают управляющее напряжение к пьезоэлектрическому элементу (4), который отклоняет внешнюю часть обшивки (2) и тем самым изменяет геометрический профиль поверхности лопасти на конкретном участке или на всей его протяженности. Подают переменное управляющее напряжение на пьезоэлектрический элемент (5) со спектром, равным спектру акустических волн, но с противоположной фазой. Акустические волны (шум) возникают в процессе образования турбулентного потока на поверхности лопасти, а подаваемое управляемое напряжение с определенным спектром и обратной фазой способствуют снижению акустических волн на поверхности лопасти и тем самым снижают число Рейнольдса. При одновременной подаче управляющего напряжения на пьезоэлектрические элементы (4 и 5) происходит отклонение внешней части обшивки (2), что позволяет изменить направление аэродинамического потока (7) в направлении (8), а, в свою очередь, подаваемое управляющее напряжение к пьезоэлектрическому элементу (5) позволяет снизить уровень турбулентности (9) и дополнительные искривления, возникшие в результате появления потока (8).A device for controlling the aerodynamic flow is arranged as the sheathing of the blade of the helicopter, and control contacts are connected to the inner stationary part of the sheathing structure of the blade (1). The blade has its own aerodynamic profile obtained in the manufacture of this design, and the aerodynamic flow control device is in its original state in such a way that it does not make changes to this blade profile. The rotation of the blades relative to the axis on which they are fixed begins, an incident flow (7) is formed, which envelops the aerodynamic surface of the blade with speeds corresponding to the geometric profile of the manufactured blade. A control voltage is applied to the piezoelectric element (4), which deflects the outer part of the casing (2) and thereby changes the geometric profile of the surface of the blade in a particular area or throughout its length. An alternating control voltage is applied to the piezoelectric element (5) with a spectrum equal to the spectrum of acoustic waves, but with the opposite phase. Acoustic waves (noise) occur during the formation of a turbulent flow on the surface of the blade, and the supplied controlled voltage with a certain spectrum and reverse phase helps to reduce acoustic waves on the surface of the blade and thereby reduce the Reynolds number. When the control voltage is applied simultaneously to the piezoelectric elements (4 and 5), the outer part of the skin (2) deviates, which allows you to change the direction of the aerodynamic flow (7) in the direction (8), and, in turn, the applied control voltage to the piezoelectric element ( 5) allows you to reduce the level of turbulence (9) and additional curvature resulting from the appearance of the flow (8).

Скорость изменения управляющих напряжений для пьезоэлектрического элемента (4) может достигать скорости вращения лопастей, и тем самым обеспечивает активное управление аэродинамическими характеристиками лопасти в зависимости от углового положения лопасти, а пьезоэлектрический элемент (5) позволяет снижать уровень турбулентности и тем самым также способствовать улучшению аэродинамических характеристик лопасти.The rate of change of control stresses for the piezoelectric element (4) can reach the rotational speed of the blades, and thereby provides active control of the aerodynamic characteristics of the blade depending on the angular position of the blade, and the piezoelectric element (5) allows to reduce the level of turbulence and thereby also contribute to the improvement of aerodynamic characteristics the blades.

Таким образом, предлагаемое устройство управления аэродинамическим потоком позволяет без использования элементов механизации изменять геометрический профиль аэродинамических поверхностей со скоростями, равными скоростям вращения этих поверхностей, с одновременным гашением вибраций на их поверхностях.Thus, the proposed aerodynamic flow control device allows without the use of mechanization elements to change the geometric profile of aerodynamic surfaces with speeds equal to the rotational speeds of these surfaces, while damping vibrations on their surfaces.

Claims

1. The control device for the aerodynamic flow around the structure of the casing, consisting of an external deflected part, the piezoelectric element and the inner fixed part, by deflecting the external part of the casing structure relative to the fixed part of the casing using multilayer piezoelectric elements, characterized in that the external deflectable parts of the casing are made polymer or metal-polymer layered composite material and are located on the outer surface of the skin structure one direction one after the other and form a periodically repeating geometrical structure, each element of which is situated partly above the next, and comprises between its two or more layers of the multilayer piezoelectric elements.

2. The device according to claim 1, characterized in that the inner stationary part of the skin is made of a polymer or metal-polymer layered composite material, in which there are conductive tracks for supplying control signals to the piezoelectric elements.