[发明专利]转捩颤振能量收集装置

说明书

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。

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。