一种用于减缓流动分离的扰流板机构
技术领域
本发明涉及流体机械技术领域，具体为一种用于减缓流动分离的扰流板机构。
背景技术
流体机械中，流体流过叶片时，通常情况下，叶片为小攻角附着流动，此时叶片升力较大，阻力较小，设备性能较好。当设备偏离额定工况时，常引起攻角增大，进而引起叶片背流面发生流动分离，导致升力降低，阻力增大，设备性能降低，安全度降低。如图1中(a)，(b)所示。其他涉及扩压的流动通道内也常发生流动分离并导致设备扩压不足。
基于鸟类翅膀上的羽毛在应对流动分离时的行为，人们提出一种扰流板装置。该扰流板通常为刚性，前端铰接于叶片背流面，主体可受流体作用绕铰点自由转动。当叶片表面出现流动分离时，形成的顺时针旋转的分离回流会冲击扰流板抬起，扰流板抬起后可阻止分离后的流体进一步向上游发展，从而达到减缓流动分离的目的，如图2所示。同时由图3中(a)，(b)可以看出，安装扰流板后，叶片分离区域，即漩涡区域有所减小。
但该装置当前面临的主要问题是，一方面，当小攻角叶片未发生流动分离时，扰流板仍会受其下侧较大压力的影响而轻微抬起，从而减弱叶片性能；另一方面，通过研究发现，流动分离时，扰流板受流体作用抬起至的位置并非是最佳性能位置，其必须通过人为干预才可发挥最佳性能。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可自动调节稳定扰流板在最佳位置的用于减缓流动分离的扰流板机构，解决了上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于减缓流动分离的扰流板机构，包括铰接于叶片背流面的棘轮机构，所述棘轮机构包括外轮、内轮和棘爪，所述外轮连接有扰流板，所述内轮连接有平衡板，所述棘爪转动连接在内轮在并与外轮的齿槽配合，所述棘爪与内轮之间设有弹簧，所述内轮和外轮之间设有限制棘爪转动的挡板，所述叶片上对应平衡板的端部设有用于限制平衡板转动的上限位块和下限位块，所述叶片上设有用于推开平衡板与下限位块持续接触的电磁路系统。
优选的，所述平衡板的长度为扰流板长度的0.577倍，所述平衡板下侧流域与棘轮机构前方流域连通。
优选的，所述电磁路系统包括供电电路和与供电电路串联的磁感应线圈，所述平衡板和下限位块上分别设有供电电路接通触电，所述叶片上于磁感应线圈配合的铁块，所述铁块上设有用于推开平衡板的挡杆。
优选的，所述叶片上设有用于容纳扰流板的凹槽。
(三)有益效果
本发明提供了一种用于减缓流动分离的扰流板机构。具备以下有益效果：
1、流动分离发生时，扰流板能够稳定运行于最佳抬起位置，并发挥其最大性能。同时当流动分离范围增大或减小时，扰流板将会受到一定的力矩运动至并最终稳定于新的最佳抬起位置。
2、小攻角未发生流动分离时，扰流板能够贴附叶片表面，以避免其抬起干扰叶片附着流动，从而避免其减弱叶片性能。
3、扰流板具有较大的运动范围可改善不同程度的流动分离，而平衡板具有较小的运动范围，可减少叶片主体空间的占用，保证叶片结构强度。
附图说明
图1为翼型周围流线图；
图2为扰流板布置在叶片上表面示意图；
图3为扰流板控制流动分离图；
图4为不同抬起位置扰流板上下表面压力分布；
图5为本发明一种用于减缓流动分离的扰流板机构的结构示意图；
图6为图5中A部的放大图；
图7为图5中B部的放大图；
图8为流动分离范围较大时的状态图；
图9为流动分离范围变小时的状态图；
图10为棘轮机构的立体图一；
图11为棘轮机构的立体图二。
图中：1、扰流板；2、叶片；3、平衡板；4、外轮；5、棘爪；6、挡板；7、弹簧；8、内轮；9、铁块；10、磁感应线圈；11、供电电路；12、上限位块；13、挡杆；14、下限位块。
具体实施方式
参照图1至图11对本发明一种用于减缓流动分离的扰流板机构的实施例作进一步说明。
本发明首先通过计算机仿真获得了流动分离时扰流板1不同抬起位置的表面压力分布，如图4所示。其中扰流板1下表面流速较小，压力分布较为均匀，压力变化主要体现在上表面。由图中可以看出，抬起不足与适中时扰流板1上下两侧存在压差，如不加以干预，扰流板1将受压差作用进一步抬起至抬起过度位置，从而偏离最佳效果位置。此外，抬起适中位置扰流板1表面压力还存在一个特点，即上表面压力从根部到尾部近似线性变化。
基于上述仿真结果，本发明的出发点是为扰流板1提供额外力矩以平衡其在最佳效果位置两侧的压差，进而使其稳定于最佳效果位置。由于压差与流速、流体性质及结构尺寸相关，因此额外力矩必须与流场状态相关，且同时还需保证扰流板1偏离最佳效果位置时额外力矩可驱使其回复至最佳效果位置。
本发明的具体方案为：一种用于减缓流动分离的扰流板1机构，包括叶片2，所述叶片2背面铰接有棘轮机构，所述棘轮机构包括外轮4、内轮8和棘爪5，所述外轮4连接有扰流板1，所述内轮8连接有平衡板3，所述棘爪5转动连接在内轮8在并与外轮4的齿槽配合，所述棘爪5与内轮8之间设有弹簧7，所述内轮8和外轮4之间设有限制棘爪5转动的挡板6，所述叶片2上对应平衡板3的端部设有用于限制平衡板3转动的上限位块12和下限位块14，所述叶片2上设有用于推开平衡板3与下限位块14持续接触的电磁路系统，所述叶片2上设有用于容纳扰流板1的凹槽，所述电磁路系统包括供电电路11和与供电电路11串联的磁感应线圈10，所述平衡板3和下限位块14上分别设有供电电路11接通触电，所述叶片2上于磁感应线圈10配合的铁块9，所述铁块9上设有用于推开平衡板3的挡杆13。
其工作原理为：当扰流板1下侧压力较大，平衡板3上侧压力较大，因此，扰流板1主要受逆时针的力矩，而平衡板3主要受顺时针力矩。二者由棘轮中的棘爪5嵌入齿槽中限制其在力矩方向上的相对运动，从而可以使平衡板3起到平衡扰流板1力矩的作用。
当流动分离范围较大，扰流板1相对最佳位置略低时，受流场作用，扰流板1力矩略大于平衡板3力矩，因此整个装置将逆时针运动，扰流板1逐渐抬起。抬起过程中，当平衡板3达到运动范围上边界既与上限位块12接触时，棘爪5将受棘轮中的挡板6阻挡而失效，因此，扰流板1可以进一步抬起以趋于最佳位置。而此时平衡板3受顺时针力矩会向下运动，并使棘爪5生效，进而约束扰流板1，最终使扰流板1在平衡板3的作用下稳定于最佳位置，整个过程如图8所示。
当流动分离范围变小，扰流板1相对最佳位置略高时，受流场作用，扰流板1力矩略小于平衡板3力矩，整个装置将顺时针转动，扰流板1逐渐降低。降低过程中，当平衡板3运动至与下限位块14接触时，将受到下限位块14的作用力，如不加以干预，则平衡板3无法提供足够的力矩用于抵消扰流板1力矩，此时扰流板1将无法继续降低以接近最佳位置。因此，加装电磁路系统以防止平衡板3与下限位块14持续接触。当平衡板3与下限位块14接触时，使电路系统接通，磁感应线圈10获得磁性吸引铁块9向上运动，铁块9带动挡杆13运动，从而使挡杆13能够将平衡板3顶离下限位块14。平衡板3离开下限位块14后，电磁路断开，铁块9回复至初始位置。平衡板3离开下限位块14过程中，棘轮结构的单向约束性使平衡板3不对扰流板1提供作用力，而是运动至新的位置后继续提供平衡作用力。最终保证了扰流板1能够运动至最佳位置，并在最佳位置保持稳定，整个过程如图9所示。
当叶片2未发生流动分离时，若扰流板1高于叶片2主体，将在上游流体冲击下受到比平衡板3小的力矩，因此，最终将在平衡板3的作用下贴附在凹槽内，从而不影响叶片2的整体流动状态。
本实施例优选的所述平衡板3的长度为扰流板1长度的0.577倍，压力平衡板3被约束在叶片2主体内部运动，且不超出其后方壁面延长线。平衡板3下侧与棘轮机构前方流域连通，尾部上下两侧具有一定的封闭性，因此平衡板3下侧可获得与棘轮机构前方相近的压力分布。平衡板3上侧与扰流板1下侧区域连通，可保证压力分布与扰流板1下侧压力分布相近。为保证平衡板3两侧压差与扰流板1两侧压差导致的力矩可以在扰流板1最佳抬起位置相互抵消，因此平衡板3长度为扰流板1长度的0.577倍。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
