CN101718235A - 双膜单腔单喷口合成射流致动器 - Google Patents

Abstract

一种双膜单腔单喷口合成射流致动器，在薄膜支架(2)一端内孔表面有振动薄膜(6)的安装面4，由PZT陶瓷片(9)和弓形的铜箔片(8)组成的弓形振动薄膜(6)固定在该安装面(4)上。在盒体(3)的两端分别固定有薄膜支架(2)。PZT陶瓷片(9)的直径与铜箔片(8)直径的比例为0.4～0.8，铜箔片(8)梯形下底直径与铜箔片直径的比例为0.3～0.7，铜箔片(8)梯形上底的直径与铜箔片梯形下底直径的比例为0.4～0.95；梯形角度为22°～56°。本发明能够获得更高的变形量，提高了能量转化能力，使喷口产生更大的动能，在提高翼型的升力、改善翼型的失速特性，以及在增强混合方面都具有良好的应用前景。

Description

双膜单腔单喷口合成射流致动器

技术领域

本发明涉及航空航天领域，是一种双膜单腔单喷口合成射流致动器。

背景技术

合成射流技术是一种出现于20世纪90年代的新型流动控制技术。通过合成射流技术可以有效地推迟分离、延缓失速，从而达到大幅度提高升力、降低阻力，提高飞行性能的目的；可以实现推力矢量的控制；可以增强混合及提高微型飞行器的操纵力；也可以实现对前体涡的控制及直升机旋翼动态失速控制，经过近十年来的发展，已经成为各个国家航空航天领域研究的热点，而且极有可能发展成为主动流动控制领域内的重大突破性技术。

合成射流技术实现流动控制的一个重要挑战就是如何发展效率更高、更可靠的流动控制致动器。合成射流致动器通常由空腔、振动膜、喷口等部分组成，实质上是一种单膜单腔单喷口的激励器，其中振动薄膜为平板型。当振动膜向下运动，周围流体通过喷口被吸入空腔。当振动膜向上运动，流体从喷口喷出，并在喷流与周围流体间形成了一个剪切层，剪切层卷起形成旋涡对(圆形喷口时为涡环)。而后当振动膜背向喷口运动，再将周围流体拽回空腔时，此时旋涡对在自身的诱导速度作用下已远离喷口，几乎不再受影响。所以当薄膜周期性振动时，会形成一系列的旋涡，旋涡不断的往下游迁移。在迁移的过程中，旋涡能量不断耗散，其相干结构不断逐渐消失，最后演变为散乱的湍流，与周围的环境流体融为一体。周期性运动的薄膜导致喷口处不断产生旋涡，旋涡源源不断地将动量输送到远离喷口的流场中并且重复整个演化过程，在离开喷口一定距离后形成类似于定常射流的流型。

合成射流致动器是一种小型或微型流体控制器件，作为产生合成射流的动作部件，是合成射流技术发展的一个核心问题。振动薄膜是致动器的核心部件，它把所输入的电能或其它形式能量转化为动能，通过激励源激励而产生合成射流。根据激励源形式的不同可以大致分为以下几类：压电式激励、电磁式激励、声学激励、活塞激励、形状记忆合金金属膜振动式、聚偏二氟乙烯膜振动式等。目前研究结果表明：压电激励式致动器具有提供能量较大、工作频段宽、易小型化、结构重量轻等特点，是目前研究最多、最具有应用前景的一种致动器。现有的压电式合成射流致动器大都采用单膜单喷口形式，而且振动薄膜通常采用平板型，其平面形状呈现圆形，振动方向与喷口同心，致动器两侧是圆柱型腔体实壁，腔体底部布置振动薄膜，其剖面结构如图1所示。通过薄膜的振动实现电能的转化，在喷口处获得较高的动能。

发明内容

为克服现有技术中存在的能量转化能力低的不足，本发明提出了一种双膜单腔单喷口合成射流致动器。

本发明包括两个薄膜支架、两个弓形振动薄膜、盒体和两对电极导线，并且两个弓形振动薄膜的外缘分别粘接固定在薄膜支架内孔一端的安装面上。固定有弓形振动薄膜的两个薄膜支架分别位于盒体的两端，并与盒体固定连接。

弓形振动薄膜包括PZT陶瓷片和弓形的铜箔片，陶瓷片和铜箔片粘结在一起，环铜箔片下底外圆周的端面通过导电粘结剂与PZT陶瓷片粘结在一起，形成了纵剖面呈弓形的振动薄膜；铜箔片的弓形内表面与PZT陶瓷片的上表面之间形成了梯形的薄膜空腔。压电陶瓷片直径与铜箔片直径的比例为0.4～0.8，铜箔片梯形下底直径与铜箔片直径的比例为0.3～0.7，铜箔片梯形上底的直径与铜箔片梯形下底直径的比例为0.4～0.95；梯形角度为22°～56°。

薄膜支架内孔的直径同振动薄膜的外径；薄膜支架一端内孔表面有弓形振动薄膜的安装面。

盒体的内径同薄膜支架一端内孔的最大直径。在盒体壳体的圆周上、盒体轴向对称线上有垂直于盒体中心线的方形或圆形喷口。

本发明中，通过两对电极导线分别对两个弓形振动薄膜加载交流电信号，实现薄膜水平振动，且使两个弓形振动薄膜在同一时刻振动方向相反，振动薄膜振动方向与喷口中心线之间相互垂直，则在喷口处能有经电能转换为动能后的气流喷出。

由于本发明所采取的技术方案，使压电陶瓷和铜箔片之间为梯形空腔，并且二者的接触部分不产生相对移动。Cymbal型压电陶瓷与铜箔片所组成的复合体具有正压电效应，并且该复合体不仅在d₃₃作用下发生纵向的振动，而且还在d₃₁作用下发生横向的拉伸和收缩作用，从而间接反应到纵向的振动，增加了纵向的振动量，即综合利用了d₃₃和d₃₁，使Cymbal型压电陶瓷与铜箔片复合体获得较高的有效d₃₃值，比平板型结构振动薄膜(仅d₃₃发挥作用)而言能够获得更高的变形量，提高其能量转化的能力，使喷口产生更大的动能，即提高了致动器通过电能转化为喷口动能的能力。本发明用于提高翼型的升力，改善翼型的失速特性，以及在增强混合等方面都具有良好的应用前景。

附图说明

附图1是现有技术中合成射流致动器结构示意图；

附图2是双膜单腔单喷口合成射流致动器结构示意图；

附图3是弓形振动薄膜结构剖面示意图；

附图4是弓形振动薄膜俯视图；

附图5是薄膜支架结构俯视图；

附图6是薄膜支架结构剖面示意图；

附图7是腔体盖结构俯视图；

附图8是腔体盖结构剖面示意图。其中：

1.平板型振动薄膜  2.薄膜支架  3.盒体    4.安装面    5.喷口

6.弓形振动薄膜    7.薄膜空腔  8.铜箔片  9.PZT陶瓷片

具体实施方式

实施例一

本实施例包括两个薄膜支架2、两个弓形振动薄膜6、盒体3和两对电极导线，并且两个弓形振动薄膜6的外缘分别粘接固定在薄膜支架2内孔一端的安装面4上。固定有弓形振动薄膜6的两个薄膜支架2分别位于盒体3的两端，并与盒体固定连接。

弓形振动薄膜6包括PZT陶瓷片9和铜箔片8。PZT陶瓷片9为圆形薄片，其外径小于薄膜支架2的内径。铜箔片8为圆形，其外径同支架2内孔上台阶状的弓形振动薄膜6安装面；铜箔片的中心处为凸出的梯形台。环铜箔片8下底外圆周的端面通过导电粘结剂与PZT陶瓷片9粘结在一起，形成了纵剖面呈弓形的振动薄膜；铜箔片8的弓形内表面与PZT陶瓷片9的上表面之间形成了梯形的薄膜空腔7。压电陶瓷片直径与铜箔片直径的比例为0.8，铜箔片8梯形下底直径与铜箔片直径的比例为0.7，铜箔片8梯形上底的直径与铜箔片梯形下底直径的比例为0.95；梯形角度为22°。在两个弓形振动薄膜的PZT陶瓷片9的圆心处和铜箔片8的外缘处分别焊接有一根电极导线，电极导线的另一端与激励装置连接。

薄膜支架2为用环氧树脂板制成的圆形壳体杆件。薄膜支架2内孔的直径同振动薄膜1的外径；薄膜支架2一端的内孔为台阶孔，台阶孔的内台阶面形成了弓形振动薄膜的安装面4；弓形振动薄膜6的外缘粘接固定在安装面4上。环薄膜支架2的一端端面均匀分布有连接孔。

盒体3为圆形筒体，其内径同薄膜支架2一端内孔的最大直径。盒体3的高度须高于弓形振动薄膜6的振幅。在盒体3壳体的圆周上、盒体3轴向对称线上有垂直于盒体3中心线的方形喷口5。

使用时，本实施例中的盒体水平放置，通过两对电极导线分别对两个弓形振动薄膜加载交流电信号，实现薄膜水平振动，且使两个弓形振动薄膜在同一时刻振动方向相反，振动薄膜振动方向与喷口中心线之间相互垂直，则在喷口处能有经电能转换为动能后的气流喷出。

实施例二

本实施例包括两个薄膜支架2、两个弓形振动薄膜6、盒体3和两对电极导线，并且两个弓形振动薄膜6的外缘分别粘接固定在薄膜支架2内孔一端的安装面4上。固定有弓形振动薄膜6的两个薄膜支架2分别位于盒体3的两端，并与盒体固定连接。

弓形振动薄膜6包括PZT陶瓷片9和铜箔片8。PZT陶瓷片9为圆形薄片，其外径小于薄膜支架2的内径。铜箔片8为圆形，其外径同支架2内孔上台阶状的弓形振动薄膜6安装面；铜箔片的中心处为凸出的梯形台。环铜箔片8下底外圆周的端面通过导电粘结剂与PZT陶瓷片9粘结在一起，形成了纵剖面呈弓形的振动薄膜；铜箔片8的弓形内表面与PZT陶瓷片9的上表面之间形成了梯形的薄膜空腔7。压电陶瓷片直径与铜箔片直径的比例为0.4，铜箔片8梯形下底直径与铜箔片直径的比例为0.3，铜箔片8梯形上底的直径与铜箔片梯形下底直径的比例为0.4；梯形角度为56°。在两个弓形振动薄膜的PZT陶瓷片9的圆心处和铜箔片8的外缘处分别焊接有一根电极导线，电极导线的另一端与激励装置连接。

薄膜支架2为用环氧树脂板制成的圆形壳体杆件。薄膜支架2内孔的直径同振动薄膜1的外径；薄膜支架2一端的内孔为台阶孔，台阶孔的内台阶面形成了弓形振动薄膜的安装面4；弓形振动薄膜6的外缘粘接固定在安装面4上。环薄膜支架2的一端端面均匀分布有连接孔。

盒体3为圆形筒体，其内径同薄膜支架2一端内孔的最大直径。盒体3的高度须高于弓形振动薄膜6的振幅。在盒体3壳体的圆周上、盒体3轴向对称线上有垂直于盒体3中心线的圆形喷口5。

使用时，本实施例中的盒体水平放置，通过两对电极导线分别对两个弓形振动薄膜加载交流电信号，实现薄膜水平振动，且使两个弓形振动薄膜在同一时刻振动方向相反，振动薄膜振动方向与喷口中心线之间相互垂直，则在喷口处能有经电能转换为动能后的气流喷出。

实施例三

本实施例包括两个薄膜支架2、两个弓形振动薄膜6、盒体3和两对电极导线，并且两个弓形振动薄膜6的外缘分别粘接固定在薄膜支架2内孔一端的安装面4上。固定有弓形振动薄膜6的两个薄膜支架2分别位于盒体3的两端，并与盒体固定连接。

弓形振动薄膜6包括PZT陶瓷片9和铜箔片8。PZT陶瓷片9为圆形薄片，其外径小于薄膜支架2的内径。铜箔片8为圆形，其外径同支架2内孔上台阶状的弓形振动薄膜6安装面；铜箔片的中心处为凸出的梯形台。环铜箔片8下底外圆周的端面通过导电粘结剂与PZT陶瓷片9粘结在一起，形成了纵剖面呈弓形的振动薄膜；铜箔片8的弓形内表面与PZT陶瓷片9的上表面之间形成了梯形的薄膜空腔7。压电陶瓷片直径与铜箔片直径的比例为0.6，铜箔片8梯形下底直径与铜箔片直径的比例为05，铜箔片8梯形上底的直径与铜箔片梯形下底直径的比例为0.8；梯形角度为30°。在两个弓形振动薄膜的PZT陶瓷片9的圆心处和铜箔片8的外缘处分别焊接有一根电极导线，电极导线的另一端与激励装置连接。

薄膜支架2为用环氧树脂板制成的圆形壳体杆件。薄膜支架2内孔的直径同振动薄膜1的外径；薄膜支架2一端的内孔为台阶孔，台阶孔的内台阶面形成了弓形振动薄膜的安装面4；弓形振动薄膜6的外缘粘接固定在安装面4上。环薄膜支架2的一端端面均匀分布有连接孔。

盒体3为圆形筒体，其内径同薄膜支架2一端内孔的最大直径。盒体3的高度须高于弓形振动薄膜6的振幅。在盒体3壳体的圆周上、盒体3轴向对称线上有垂直于盒体3中心线的方形喷口5。

使用时，本实施例中的盒体水平放置，通过两对电极导线分别对两个弓形振动薄膜加载交流电信号，实现薄膜水平振动，且使两个弓形振动薄膜在同一时刻振动方向相反，振动薄膜振动方向与喷口中心线之间相互垂直，则在喷口处能有经电能转换为动能后的气流喷出。

实施例四

本实施例包括两个薄膜支架2、两个弓形振动薄膜6、盒体3和两对电极导线，并且两个弓形振动薄膜6的外缘分别粘接固定在薄膜支架2内孔一端的安装面4上。固定有弓形振动薄膜6的两个薄膜支架2分别位于盒体3的两端，并与盒体固定连接。

弓形振动薄膜6包括PZT陶瓷片9和铜箔片8。PZT陶瓷片9为圆形薄片，其外径小于薄膜支架2的内径。铜箔片8为圆形，其外径同支架2内孔上台阶状的弓形振动薄膜6安装面；铜箔片的中心处为凸出的梯形台。环铜箔片8下底外圆周的端面通过导电粘结剂与PZT陶瓷片9粘结在一起，形成了纵剖面呈弓形的振动薄膜；铜箔片8的弓形内表面与PZT陶瓷片9的上表面之间形成了梯形的薄膜空腔7。压电陶瓷片直径与铜箔片直径的比例为0.6，铜箔片8梯形下底直径与铜箔片直径的比例为0.5，铜箔片8梯形上底的直径与铜箔片梯形下底直径的比例为0.6；梯形角度为40°。在两个弓形振动薄膜的PZT陶瓷片9的圆心处和铜箔片8的外缘处分别焊接有一根电极导线，电极导线的另一端与激励装置连接。

薄膜支架2为用环氧树脂板制成的圆形壳体杆件。薄膜支架2内孔的直径同振动薄膜1的外径；薄膜支架2一端的内孔为台阶孔，台阶孔的内台阶面形成了弓形振动薄膜的安装面4；弓形振动薄膜6的外缘粘接固定在安装面4上。环薄膜支架2的一端端面均匀分布有连接孔。

盒体3为圆形筒体，其内径同薄膜支架2一端内孔的最大直径。盒体3的高度须高于弓形振动薄膜6的振幅。在盒体3壳体的圆周上、盒体3轴向对称线上有垂直于盒体3中心线的圆形喷口5。

使用时，本实施例中的盒体水平放置，通过两对电极导线分别对两个弓形振动薄膜加载交流电信号，实现薄膜水平振动，且使两个弓形振动薄膜在同一时刻振动方向相反，振动薄膜振动方向与喷口中心线之间相互垂直，则在喷口处能有经电能转换为动能后的气流喷出。

Claims (2)

1.一种双膜单腔单喷口合成射流致动器，包括薄膜支架、由PZT陶瓷片(9)和弓形的铜箔片(8)组成的振动薄膜、盒体和电极导线，并且两个振动薄膜的外缘固定在薄膜支架上，盒体与薄膜支架的壳体之间相连接，其特征在于，组成振动薄膜(6)的铜箔片(8)的剖面为弓形，形成了弓形振动薄膜(6)；在薄膜支架(2)一端内孔表面有振动薄膜(6)的安装面(4)，振动薄膜(6)固定在该安装面(4)上；固定有弓形振动薄膜(6)的两个薄膜支架(2)分别位于盒体(3)的两端；在盒体(3)的圆周上、盒体(3)轴向对称线上有垂直于盒体(3)中心线的喷口(5)。

2.如权利要求1所述一种双膜单腔单喷口合成射流致动器，其特征在于，PZT陶瓷片(9)的直径与铜箔片(8)直径的比例为0.4～0.8，铜箔片(8)梯形下底直径与铜箔片直径的比例为0.3～0.7，铜箔片(8)梯形上底的直径与铜箔片梯形下底直径的比例为0.4～0.95；梯形角度为22°～56°。

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