1.本发明属于扑翼叶片技术领域，特别涉及一种前缘表面带有长度可调肋片的扑翼结构。


背景技术：

2.振荡扑翼是一种新型流体动能采集装置，基于流体(空气或水)流过浸没扑翼叶片的颤振运动利用涡激振荡提取能量。流体流经阻流体时会发生边界层分离、形成脱落涡，周期性的脱落涡会导致周期性的气动力，通过控制适当的扑翼运动(垂荡和俯仰的组合)，可以获得高效率的流体能量采集，实现振荡扑翼发电。大量研究表明，在俯仰和垂荡运动中振荡刚性翼可以实现40％的能量提取，与传统风力涡轮机实现的45％效率相当。
3.与传统的水轮机和风力涡轮机相比，扑翼叶片发电有两个主要优点：第一，该系统是多功能的，可以应用在空间有限的风场、浅水系统(如河流或溪流)以及较大的水流系统(如潮汐盆地)中实施，其空间和地域适应性强，尤其在低速流体能量采集方面具有显著的优势；第二，传统水轮机和风力涡轮机的大叶尖速度导致噪音运行以及鱼类和鸟类死亡，而扑翼叶片能量采集可以大幅消除旋转叶轮对环境的负面影响。
4.显著提高扑翼叶片的流体能利用系数是大幅度降低扑翼发电成本的最根本、最有效的措施，在飞行昆虫和游泳动物身上观察到的波纹和弧度被发现可以提高扑翼的推进性能，大量的研究结果表明，与naca0012翼型相比，具有波纹和弧度的优化翼型可使效率提高10％左右。受这一概念的启发，人们尝试了许多技术措施来提高扑翼叶片的气动性能，但基本上是简单的研究和修改扑翼叶片的尾翼形状，例如gurney襟翼以及襟翼加后缘锯齿。为提升扑翼叶片的流体能利用系数，打破现有单一的改变扑翼叶片尾翼的研究思路，本发明提出了深度模拟飞行昆虫和游泳动物身上波纹和弧度的一种仿生扑翼叶片结构，及一种前缘表面带有长度可调肋片的扑翼结构，扑翼叶片表面肋片的结构对扑翼周围的流场有很大影响，肋片改变了振荡扑翼表面涡脱落的过程，同时改变了扑翼表面的压力分布，对提升扑翼叶片的整体效率是有益的。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种前缘表面带有长度可调肋片的扑翼结构，深度模拟飞行昆虫和游泳动物身上波纹和弧度的结构，扑翼叶片表面肋片的结构对扑翼周围的流场有很大影响，肋片改变了振荡扑翼表面涡脱落的过程和压力分布，对提升扑翼叶片的整体效率是有益的，同时肋片的伸长长度可以灵活控制和调节，极大的拓展了目前扑翼叶片的应用范围，为提升扑翼叶片的气动性能提供了新的技术路线。
6.本发明采用如下技术方案来实现：
7.一种前缘表面带有长度可调肋片的扑翼结构，包括扑翼机体组机构和扑翼肋片运动执行机构；
8.扑翼机体组机构包括扑翼叶片本体、内部支撑台，输入轴，扑翼叶片顶板，以及扑
翼叶片底板；扑翼肋片运动执行机构包括扑翼肋片，曲轴，以及连杆；
9.在扑翼叶片本体的不同弦长位置开设有多道肋片槽，扑翼叶片本体内安装有多块内部支撑台，扑翼叶片本体与扑翼叶片顶板无缝紧密连接，扑翼叶片本体与扑翼叶片底板无缝紧密连接，多段曲轴的两端分别与扑翼叶片顶板和扑翼叶片底板活动连接，且曲轴连接处穿过内部支撑台，由内部支撑台提供支撑强度，多段曲轴的下方连接有输入轴；
10.每个曲轴通过一个连杆活动连接有一个扑翼肋片。
11.本发明进一步的改进在于，扑翼叶片顶板内开有孔用于安装扑翼叶顶轴承。
12.本发明进一步的改进在于，扑翼叶片底板内开有孔用于安装扑翼叶底轴承。
13.本发明进一步的改进在于，输入轴连接用于提供扭矩的外部输入装置。
14.本发明进一步的改进在于，多个扑翼肋片位于扑翼叶片顶板和扑翼叶片底板之间垂直布置，扑翼肋片的上下表面与扑翼叶片顶板和扑翼叶片底板紧密贴合，扑翼肋片的侧面与扑翼叶片本体1上开设的肋片槽平行贴合，扑翼肋片在曲轴连杆的带动下能够在扑翼叶片本体1上开设的肋片槽做往复运动。
15.本发明进一步的改进在于，多个扑翼肋片分别为位于扑翼叶片顶板和扑翼叶片底板之间的上扑翼20％弦长位置肋片、上扑翼10％弦长位置肋片、扑翼前缘肋片、下扑翼20％弦长位置肋片和下扑翼10％弦长位置肋片。
16.本发明进一步的改进在于，内部支撑台的整体结构形式为凸台结构，沿曲轴的轴心方向等距布置有四个内部支撑台，内部支撑台内部开有通孔，镶嵌有支撑台轴承。
17.本发明进一步的改进在于，内部支撑台上开有圆弧凹槽，避免在扑翼肋片在往复运动中形成相互干涉与碰撞。
18.本发明进一步的改进在于，每个曲轴包括上主心轴，下主心轴，凸轮和偏心轴，上主心轴和下主心轴同轴心，不同曲轴的上主心轴和下主心轴相互固定连接，不同的曲轴之间始终保持固定的安装角度；偏心轴与凸轮的一端上下固定连接，在曲轴旋转的过程中，偏心轴绕主心轴同步旋转。
19.本发明进一步的改进在于，凸轮为上下两层结构，避免在旋转过程中与连杆发生碰撞。
20.本发明至少具有如下有益的技术效果：
21.1、本发明一种前缘表面带有长度可调肋片的扑翼结构，该扑翼结构可根据实际使用需要灵活调整，包含有多块伸出长度可调的肋片，每块肋片包含独立的肋片传动轴，在曲轴连杆机构的传动控制下实现扑翼肋片的往复直线运动，通过改变扑翼结构的方式形成不同的型线，达到流动控制的效果。
22.2、本发明深度模拟飞行昆虫和游泳动物身上波纹和弧度的结构，扑翼叶片表面肋片的结构对扑翼周围的流场有很大影响，肋片改变了振荡扑翼表面涡脱落的过程和压力分布，对提升扑翼叶片的整体效率是有益的，同时肋片的伸长长度可以灵活控制和调节，极大的拓展了目前扑翼叶片的应用范围，为提升扑翼叶片的气动性能提供了新的技术路线。
附图说明
23.图1为本发明一种前缘表面带有长度可调肋片的扑翼结构示意图。
24.图2为本发明扑翼机体组结构示意图。
25.图3为本发明扑翼内部结构示意图。
26.图4为本发明扑翼内部支撑台结构示意图。
27.图5为本发明曲轴结构示意图。
28.图6为本发明连杆结构示意图。
29.图7为本发明扑翼肋片结构示意图。
30.图8中(a)-(c)为本发明扑翼肋片长度调节位置示意图。
31.附图标记说明：
32.1-扑翼叶片本体，2-上扑翼20％弦长位置肋片，3-上扑翼10％弦长位置肋片，4-扑翼前缘肋片，5-内部支撑台，6-下扑翼20％弦长位置肋片，7-曲轴，8-连杆，9-下扑翼10％弦长位置肋片，10-输入轴，11-扑翼叶顶轴承，12-扑翼叶片顶板，13-扑翼叶底轴承，14-扑翼叶片底板，15-支撑台轴承，16-上主心轴，17-凸轮，18-偏心轴，19-下主心轴，20-连杆曲轴连接孔，21-连杆肋片连接孔，22-肋片传动轴。
具体实施方式
33.下面将结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
34.请参阅图1和图2，本发明提供的一种前缘表面带有长度可调肋片的扑翼结构，包括扑翼机体组机构和扑翼肋片运动执行机构。其中，扑翼机体组机构包括：扑翼叶片本体1、内部支撑台5，输入轴10，扑翼叶顶轴承11，扑翼叶片顶板12，扑翼叶底轴承13，以及扑翼叶片底板14；扑翼肋片运动执行机构包括：扑翼肋片(上扑翼20％弦长位置肋片2，上扑翼10％弦长位置肋片3，扑翼前缘肋片4，下扑翼20％弦长位置肋片6，下扑翼10％弦长位置肋片9)，曲轴7，以及连杆8。
35.请参阅图2，本发明提供的扑翼机体组机构，扑翼机体组机构是整套扑翼结构的骨架和肋片运动执行机构的安装基础，承受各种载荷，具有足够的强度和刚度。在扑翼叶片本体1的不同弦长位置开设有多道肋片槽，肋片槽的设置与肋片(上扑翼20％弦长位置肋片2，上扑翼10％弦长位置肋片3，扑翼前缘肋片4，下扑翼20％弦长位置肋片6，下扑翼10％弦长位置肋片9)表面平行且紧密贴合，扑翼叶片本体1内安装有多块内部支撑台5，内部支撑台5与扑翼叶片本体1紧密连接，提供了曲轴7的支撑强度。扑翼叶片本体1与扑翼叶片顶板12无缝紧密连接，扑翼叶片顶板12内开有孔用于安装扑翼叶顶轴承11；扑翼叶片本体1与扑翼叶片底板14无缝紧密连接，扑翼叶片底板14内开有孔用于安装扑翼叶底轴承13。扑翼叶顶轴承11与扑翼叶底轴承13之间连接有多段曲轴7，连接处穿过内部支撑台5，由内部支撑台5提供支撑强度，扑翼叶底轴承13下方连接有输入轴10，输入轴10连接了扑翼装置的外部输入装置，提供扭矩，为控制扑翼叶片往复运动提供动力来源。
36.请参阅图3，本发明提供的扑翼肋片运动执行机构，扑翼肋片运动执行机构是扑翼表面肋片完成往复运动、实现工作循环的主要结构，包括：扑翼肋片(上扑翼20％弦长位置肋片2，上扑翼10％弦长位置肋片3，扑翼前缘肋片4，下扑翼20％弦长位置肋片6，下扑翼10％弦长位置肋片9)，曲轴7，以及连杆8。曲轴7是运动执行机构的关键部件，其作用是将输入轴10的旋转力矩通过连杆8转变成扑翼肋片(上扑翼20％弦长位置肋片2，上扑翼10％弦长位置肋片3，扑翼前缘肋片4，下扑翼20％弦长位置肋片6，下扑翼10％弦长位置肋片9)往复运动的作用力。连杆8的作用是将曲轴7的旋转运动转化为扑翼肋片的往复直线运动，将
曲轴7传递的扭矩作用到肋片的一端。扑翼肋片(上扑翼20％弦长位置肋片2，上扑翼10％弦长位置肋片3，扑翼前缘肋片4，下扑翼20％弦长位置肋片6，下扑翼10％弦长位置肋片9)位于扑翼叶片顶板12和扑翼叶片底板14之间垂直布置，扑翼肋片(上扑翼20％弦长位置肋片2，上扑翼10％弦长位置肋片3，扑翼前缘肋片4，下扑翼20％弦长位置肋片6，下扑翼10％弦长位置肋片9)的上下表面与扑翼叶片顶板12和扑翼叶片底板14紧密贴合，扑翼肋片的侧面与扑翼叶片本体1上开设的肋片槽平行贴合，扑翼肋片在曲轴连杆的带动下可在扑翼叶片本体1上开设的肋片槽做往复运动。
37.请参阅图4，本发明提供的扑翼机体组机构中的内部支撑台5，整体的结构形式为凸台结构，位于扑翼叶片本体1内部，与扑翼叶片本体1紧密结合，沿曲轴7的轴心方向等距布置有四个内部支撑台5。内部支撑台5内部开有通孔，镶嵌有支撑台轴承15，曲轴7通过支撑台轴承15、扑翼叶顶轴承11和扑翼叶底轴承13固定安装在同一轴心，不同的曲轴7之间固接，同步旋转，在旋转过程中始终保持初始安装角度差。内部支撑台5上开有圆弧凹槽，避免在扑翼肋片2和扑翼肋片6的往复运动中形成相互干涉与碰撞。
38.请参阅图5，本发明提供的扑翼运动执行机构中的曲轴7，曲轴结构包括上主心轴16，下主心轴19，凸轮17和偏心轴18，其中，上主心轴16和下主心轴19同轴心，安装于扑翼机体组机构的轴承内，不同曲轴7的上主心轴16和下主心轴19相互固定连接，由最底部的输入轴10驱动所有曲轴同步旋转，不同的曲轴7之间始终保持固定的安装角度；偏心轴18与凸轮17的一端上下固定连接，在曲轴7旋转的过程中，偏心轴18绕主心轴同步旋转。曲轴7在装配前经过动平衡校验，在与偏心轴18对称的一侧增加凸轮17，以达到平衡的要求。凸轮17设计为上下两层结构，避免在旋转过程中与连杆8发生碰撞。
39.请参阅图6，本发明提供的扑翼运动执行机构中的连杆8，连杆8的作用是将曲轴输入的力矩传递给肋片，并使曲轴7的旋转运动转换为肋片的往复直线运动。连杆7的一头为连杆曲轴连接孔20，用来安装曲轴中的偏心轴18，在曲轴旋转的过程中，跟随偏心轴18绕主心轴旋转，连杆8的另一头为连杆肋片连接孔21，用来安装肋片，在运动过程中带动肋片完成往复直线运动。
40.请参阅图7，本发明提供的扑翼运动执行机构中的肋片，肋片由一块等厚度肋片板和一根肋片传动轴22组成。其中，肋片传动轴22穿过连杆肋片连接孔21，肋片在连杆8的带动下沿扑翼叶片本体1上开设的肋片槽做往复直线运动，每个肋片传动轴22与一个连杆8单独连接，连杆8在沿轴深的方向错开布置；肋片板厚度均匀，两个侧面与扑翼叶片本体1上开的肋片槽贴合且可以自由滑动，上下顶面与扑翼叶片顶板12和扑翼叶片底板14贴合，肋片板的前缘为弧面，其弧线线型与对应位置处的扑翼型线相同，在肋片运动到最短极限位置处，肋片板前缘与扑翼表面完全贴合，形成具有完整型线的扑翼翼型。
41.请参阅图8，本发明提供的扑翼肋片长度调节位置示意图，扑翼肋片的位置包含有最短极限位置、一般位置和最长极限位置。不同曲轴之间的初始安装角度差由扑翼肋片位于最短极限位置时的角度确定，并依据该时刻的扑翼肋片位置在扑翼内部支撑台5上开有圆弧凹槽，避免在扑翼肋片2和扑翼肋片6的往复运动中形成相互干涉与碰撞。当扑翼肋片位于最短极限位置时，不同位置处的肋片前缘面与扑翼叶片表面刚好贴合，形成光滑过渡，肋片传动轴22、曲轴主心轴与曲轴偏心轴依次在同一条直线上。当扑翼肋片位于最长极限位置时，不同位置处的肋片在叶片表面同时达到最大伸出长度，肋片传动轴22、曲轴偏心轴
与曲轴主心轴依次在同一条直线上。当扑翼肋片处于一般位置时，不同的曲轴之间在旋转过程中始终保持初始安装角度差，带动连杆同步旋转，连杆驱动扑翼肋片完成往复循环直线运动，同时达到最短极限位置与最长极限位置。
42.以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的改进、修饰或其他实施例等，均应包含在本发明的保护范围之内。