專利名稱：一種零質量射流致動器的制作方法
技術領域：
本發明涉及航空航天領域，是一種零質量射流致動器。
背景技術：
零質量射流技術是一種出現于20世紀90年代的新型流動控制技術。通過零質量 射流技術可以有效地推遲分離、延緩失速，從而達到大幅度提高升力、降低阻力，提高飛行 性能的目的；可以實現推力矢量的控制；可以增強混合及提高微型飛行器的操縱力；也可 以實現對前體渦的控制及直升機旋翼動態失速控制，經過近十年來的發展，已經成為各個 國家航空航天領域研究的熱點，而且極有可能發展成為主動流動控制領域內的重大突破性 技術。 零質量射流技術實現流動控制的一個重要挑戰就是如何發展效率更高、更可靠的 流動控制致動器。零質量射流致動器通常由空腔、振動膜、噴口等部分組成，實質上是一種 單膜單腔單噴口的激勵器，其中振動薄膜為平板型。當振動膜向下運動，周圍流體通過噴口
被吸入空腔。當振動膜向上運動，流體從噴口噴出，并在噴流與周圍流體間形成了一個剪切 層，剪切層巻起形成旋渦對(圓形噴口時為渦環)。而后當振動膜背向噴口運動，再將周圍 流體拽回空腔時，此時旋渦對在自身的誘導速度作用下已遠離噴口 ，幾乎不再受影響。所 以當薄膜周期性振動時，會形成一系列的旋渦，旋渦不斷的往下游遷移。在遷移的過程中， 旋渦能量不斷耗散，其相干結構不斷逐漸消失，最后演變為散亂的湍流，與周圍的環境流體 融為一體。周期性運動的薄膜導致噴口處不斷產生旋渦，旋渦源源不斷地將動量輸送到遠 離噴口的流場中并且重復整個演化過程，在離開噴口一定距離后形成類似于定常射流的流 型。 零質量射流致動器是一種小型或微型流體控制器件，作為產生零質量射流的動作 部件，是零質量射流技術發展的一個核心問題。振動薄膜是致動器的核心部件，它把所輸入 的電能或其它形式能量轉化為動能，通過激勵源激勵而產生零質量射流。根據激勵源形式 的不同可以大致分為以下幾類壓電式激勵、電磁式激勵、聲學激勵、活塞激勵、形狀記憶合
金金屬膜振動式、聚偏二氟乙烯膜振動式等。目前研究結果表明壓電激勵式致動器具有提 供能量較大、工作頻段寬、易小型化、結構重量輕等特點，是目前研究最多、最具有應用前景 的一種致動器。現有的壓電式零質量射流致動器大都采用單膜單噴口形式，而且振動薄膜 通常采用平板型，其平面形狀呈現圓形，振動方向與噴口同心，致動器兩側是圓柱型腔體實 壁，腔體底部布置振動薄膜，其剖面結構如圖l所示。通過薄膜的振動實現電能的轉化，在 噴口處獲得較高的動能。
發明內容為克服現有技術中存在的能量轉化能力低的不足，本發明提出了一種零質量射流 致動器。 本發明包括兩個薄膜支架、兩個弓形振動薄膜、盒體和兩對電極導線，并且兩個弓形振動薄膜的外緣分別粘接固定在薄膜支架內孔一端的安裝面上。固定有弓形振動薄膜的 兩個薄膜支架分別位于盒體的兩端，并與盒體固定連接。 弓形振動薄膜包括PZT陶瓷片和弓形的銅箔片，陶瓷片和銅箔片粘結在一起，環 銅箔片下底外圓周的端面通過導電粘結劑與PZT陶瓷片粘結在一起，形成了縱剖面呈弓形 的振動薄膜；銅箔片的弓形內表面與PZT陶瓷片的上表面之間形成了梯形的薄膜空腔。壓 電陶瓷片直徑與銅箔片直徑的比例為0. 4 0. 8，銅箔片梯形下底直徑與銅箔片直徑的比 例為0. 3 0. 7，銅箔片梯形上底的直徑與銅箔片梯形下底直徑的比例為0. 4 0. 95 ;梯形 角度為22° 56° 。 薄膜支架內孔的直徑同振動薄膜的外徑；薄膜支架一端內孔表面有弓形振動薄膜 的安裝面。 盒體的內徑同薄膜支架一端內孔的最大直徑。在盒體殼體的圓周上、盒體軸向對 稱線上有垂直于盒體中心線的方形或圓形噴口。 本發明中，通過兩對電極導線分別對兩個弓形振動薄膜加載交流電信號，實現薄 膜水平振動，且使兩個弓形振動薄膜在同一時刻振動方向相反，振動薄膜振動方向與噴口 中心線之間相互垂直，則在噴口處能有經電能轉換為動能后的氣流噴出。 由于本發明所采取的技術方案，使壓電陶瓷和銅箔片之間為梯形空腔，并且二者 的接觸部分不產生相對移動。Cymbal型壓電陶瓷與銅箔片所組成的復合體具有正壓電效 應，并且該復合體不僅在d33作用下發生縱向的振動，而且還在d31作用下發生橫向的拉伸 和收縮作用，從而間接反應到縱向的振動，增加了縱向的振動量，即綜合利用了 d33和d31，使 Cymbal型壓電陶瓷與銅箔片復合體獲得較高的有效d33值，比平板型結構振動薄膜(僅d33 發揮作用)而言能夠獲得更高的變形量，提高其能量轉化的能力，使噴口產生更大的動能， 即提高了致動器通過電能轉化為噴口動能的能力。本發明用于提高翼型的升力，改善翼型 的失速特性，以及在增強混合等方面都具有良好的應用前景。
附圖1是現有技術中零質量射流致動器結構示意圖； 附圖2是零質量射流致動器結構示意圖； 附圖3是弓形振動薄膜結構剖面示意圖； 附圖4是弓形振動薄膜俯視圖； 附圖5是薄膜支架結構俯視圖； 附圖6是薄膜支架結構剖面示意圖； 附圖7是腔體蓋結構俯視圖； 附圖8是腔體蓋結構剖面示意圖。其中 1.平板型振動薄膜2.薄膜支架3.盒體4.安裝面5.噴口6.弓形振動薄膜7.薄 膜空腔8.銅箔片9. PZT陶瓷片
具體實施方式實施例一 本實施例包括兩個薄膜支架2、兩個弓形振動薄膜6、盒體3和兩對電極導線，并且兩個弓形振動薄膜6的外緣分別粘接固定在薄膜支架2內孔一端的安裝面4上。固定有弓 形振動薄膜6的兩個薄膜支架2分別位于盒體3的兩端，并與盒體固定連接。 弓形振動薄膜6包括PZT陶瓷片9和銅箔片8。 PZT陶瓷片9為圓形薄片，其外徑 小于薄膜支架2的內徑。銅箔片8為圓形，其外徑同支架2內孔上臺階狀的弓形振動薄膜 6安裝面；銅箔片的中心處為凸出的梯形臺。環銅箔片8下底外圓周的端面通過導電粘結 劑與PZT陶瓷片9粘結在一起，形成了縱剖面呈弓形的振動薄膜；銅箔片8的弓形內表面與 PZT陶瓷片9的上表面之間形成了梯形的薄膜空腔7。壓電陶瓷片直徑與銅箔片直徑的比 例為0. 8，銅箔片8梯形下底直徑與銅箔片直徑的比例為0. 7，銅箔片8梯形上底的直徑與 銅箔片梯形下底直徑的比例為0.95;梯形角度為22。。在兩個弓形振動薄膜的PZT陶瓷片 9的圓心處和銅箔片8的外緣處分別焊接有一根電極導線，電極導線的另一端與激勵裝置 連接。 薄膜支架2為用環氧樹脂板制成的圓形殼體桿件。薄膜支架2內孔的直徑同振動 薄膜1的外徑；薄膜支架2—端的內孔為臺階孔，臺階孔的內臺階面形成了弓形振動薄膜的 安裝面4 ;弓形振動薄膜6的外緣粘接固定在安裝面4上。環薄膜支架2的一端端面均勻 分布有連接孔。 盒體3為圓形筒體，其內徑同薄膜支架2 —端內孔的最大直徑。盒體3的高度須 高于弓形振動薄膜6的振幅。在盒體3殼體的圓周上、盒體3軸向對稱線上有垂直于盒體 3中心線的方形噴口 5。 使用時，本實施例中的盒體水平放置，通過兩對電極導線分別對兩個弓形振動薄 膜加載交流電信號，實現薄膜水平振動，且使兩個弓形振動薄膜在同一時刻振動方向相反， 振動薄膜振動方向與噴口中心線之間相互垂直，則在噴口處能有經電能轉換為動能后的氣 流噴出。 實施例二 本實施例包括兩個薄膜支架2、兩個弓形振動薄膜6、盒體3和兩對電極導線，并且 兩個弓形振動薄膜6的外緣分別粘接固定在薄膜支架2內孔一端的安裝面4上。固定有弓 形振動薄膜6的兩個薄膜支架2分別位于盒體3的兩端，并與盒體固定連接。 弓形振動薄膜6包括PZT陶瓷片9和銅箔片8。 PZT陶瓷片9為圓形薄片，其外徑 小于薄膜支架2的內徑。銅箔片8為圓形，其外徑同支架2內孔上臺階狀的弓形振動薄膜 6安裝面；銅箔片的中心處為凸出的梯形臺。環銅箔片8下底外圓周的端面通過導電粘結 劑與PZT陶瓷片9粘結在一起，形成了縱剖面呈弓形的振動薄膜；銅箔片8的弓形內表面與 PZT陶瓷片9的上表面之間形成了梯形的薄膜空腔7。壓電陶瓷片直徑與銅箔片直徑的比 例為0. 4，銅箔片8梯形下底直徑與銅箔片直徑的比例為0. 3，銅箔片8梯形上底的直徑與 銅箔片梯形下底直徑的比例為0.4;梯形角度為56。。在兩個弓形振動薄膜的PZT陶瓷片 9的圓心處和銅箔片8的外緣處分別焊接有一根電極導線，電極導線的另一端與激勵裝置 連接。 薄膜支架2為用環氧樹脂板制成的圓形殼體桿件。薄膜支架2內孔的直徑同振動 薄膜1的外徑；薄膜支架2—端的內孔為臺階孔，臺階孔的內臺階面形成了弓形振動薄膜的 安裝面4 ;弓形振動薄膜6的外緣粘接固定在安裝面4上。環薄膜支架2的一端端面均勻 分布有連接孔。[0031] 盒體3為圓形筒體，其內徑同薄膜支架2 —端內孔的最大直徑。盒體3的高度須 高于弓形振動薄膜6的振幅。在盒體3殼體的圓周上、盒體3軸向對稱線上有垂直于盒體 3中心線的圓形噴口 5。 使用時，本實施例中的盒體水平放置，通過兩對電極導線分別對兩個弓形振動薄 膜加載交流電信號，實現薄膜水平振動，且使兩個弓形振動薄膜在同一時刻振動方向相反， 振動薄膜振動方向與噴口中心線之間相互垂直，則在噴口處能有經電能轉換為動能后的氣 流噴出。 實施例三 本實施例包括兩個薄膜支架2、兩個弓形振動薄膜6、盒體3和兩對電極導線，并且 兩個弓形振動薄膜6的外緣分別粘接固定在薄膜支架2內孔一端的安裝面4上。固定有弓 形振動薄膜6的兩個薄膜支架2分別位于盒體3的兩端，并與盒體固定連接。 弓形振動薄膜6包括PZT陶瓷片9和銅箔片8。 PZT陶瓷片9為圓形薄片，其外徑 小于薄膜支架2的內徑。銅箔片8為圓形，其外徑同支架2內孔上臺階狀的弓形振動薄膜 6安裝面；銅箔片的中心處為凸出的梯形臺。環銅箔片8下底外圓周的端面通過導電粘結 劑與PZT陶瓷片9粘結在一起，形成了縱剖面呈弓形的振動薄膜；銅箔片8的弓形內表面與 PZT陶瓷片9的上表面之間形成了梯形的薄膜空腔7。壓電陶瓷片直徑與銅箔片直徑的比 例為0. 6，銅箔片8梯形下底直徑與銅箔片直徑的比例為0. 5，銅箔片8梯形上底的直徑與 銅箔片梯形下底直徑的比例為0.8;梯形角度為30。。在兩個弓形振動薄膜的PZT陶瓷片 9的圓心處和銅箔片8的外緣處分別焊接有一根電極導線，電極導線的另一端與激勵裝置 連接。 薄膜支架2為用環氧樹脂板制成的圓形殼體桿件。薄膜支架2內孔的直徑同振動 薄膜1的外徑；薄膜支架2—端的內孔為臺階孔，臺階孔的內臺階面形成了弓形振動薄膜的 安裝面4 ;弓形振動薄膜6的外緣粘接固定在安裝面4上。環薄膜支架2的一端端面均勻 分布有連接孔。 盒體3為圓形筒體，其內徑同薄膜支架2 —端內孔的最大直徑。盒體3的高度須 高于弓形振動薄膜6的振幅。在盒體3殼體的圓周上、盒體3軸向對稱線上有垂直于盒體 3中心線的方形噴口 5。 使用時，本實施例中的盒體水平放置，通過兩對電極導線分別對兩個弓形振動薄 膜加載交流電信號，實現薄膜水平振動，且使兩個弓形振動薄膜在同一時刻振動方向相反， 振動薄膜振動方向與噴口中心線之間相互垂直，則在噴口處能有經電能轉換為動能后的氣 流噴出。 實施例四 本實施例包括兩個薄膜支架2、兩個弓形振動薄膜6、盒體3和兩對電極導線，并且 兩個弓形振動薄膜6的外緣分別粘接固定在薄膜支架2內孔一端的安裝面4上。固定有弓 形振動薄膜6的兩個薄膜支架2分別位于盒體3的兩端，并與盒體固定連接。 弓形振動薄膜6包括PZT陶瓷片9和銅箔片8。 PZT陶瓷片9為圓形薄片，其外徑 小于薄膜支架2的內徑。銅箔片8為圓形，其外徑同支架2內孔上臺階狀的弓形振動薄膜 6安裝面；銅箔片的中心處為凸出的梯形臺。環銅箔片8下底外圓周的端面通過導電粘結 劑與PZT陶瓷片9粘結在一起，形成了縱剖面呈弓形的振動薄膜；銅箔片8的弓形內表面與PZT陶瓷片9的上表面之間形成了梯形的薄膜空腔7。壓電陶瓷片直徑與銅箔片直徑的比 例為0. 6，銅箔片8梯形下底直徑與銅箔片直徑的比例為0. 5，銅箔片8梯形上底的直徑與 銅箔片梯形下底直徑的比例為0.6;梯形角度為40。。在兩個弓形振動薄膜的PZT陶瓷片 9的圓心處和銅箔片8的外緣處分別焊接有一根電極導線，電極導線的另一端與激勵裝置 連接。 薄膜支架2為用環氧樹脂板制成的圓形殼體桿件。薄膜支架2內孔的直徑同振動 薄膜1的外徑；薄膜支架2—端的內孔為臺階孔，臺階孔的內臺階面形成了弓形振動薄膜的 安裝面4 ;弓形振動薄膜6的外緣粘接固定在安裝面4上。環薄膜支架2的一端端面均勻 分布有連接孔。 盒體3為圓形筒體，其內徑同薄膜支架2 —端內孔的最大直徑。盒體3的高度須 高于弓形振動薄膜6的振幅。在盒體3殼體的圓周上、盒體3軸向對稱線上有垂直于盒體 3中心線的圓形噴口 5。 使用時，本實施例中的盒體水平放置，通過兩對電極導線分別對兩個弓形振動薄 膜加載交流電信號，實現薄膜水平振動，且使兩個弓形振動薄膜在同一時刻振動方向相反， 振動薄膜振動方向與噴 中心線之間相互垂直，則在噴口處能有經電能轉換為動能后的氣 流噴出。
權利要求一種零質量射流致動器，包括薄膜支架、由PZT陶瓷片(9)和弓形的銅箔片(8)組成的振動薄膜、盒體和電極導線，并且兩個振動薄膜的外緣固定在薄膜支架上，盒體與薄膜支架的殼體之間相連接，其特征在于，組成振動薄膜(6)的銅箔片(8)的剖面為弓形，形成了弓形振動薄膜(6)；在薄膜支架(2)一端內孔表面有振動薄膜(6)的安裝面(4)，振動薄膜(6)固定在該安裝面(4)上；固定有弓形振動薄膜(6)的兩個薄膜支架(2)分別位于盒體(3)的兩端；在盒體(3)的圓周上、盒體(3)軸向對稱線上有垂直于盒體(3)中心線的噴口(5)。
2. 如權利要求1所述一種零質量射流致動器，其特征在于，PZT陶瓷片(9)的直徑與銅 箔片(8)直徑的比例為0. 4 0. 8，銅箔片(8)梯形下底直徑與銅箔片直徑的比例為0. 3 0. 7，銅箔片(8)梯形上底的直徑與銅箔片梯形下底直徑的比例為0. 4 0. 95 ;梯形角度為 22° 56° 。
專利摘要一種零質量射流致動器，在薄膜支架(2)一端內孔表面有振動薄膜(6)的安裝面(4)，由PZT陶瓷片(9)和弓形的銅箔片(8)組成的弓形振動薄膜(6)固定在該安裝面(4)上。在盒體(3)的兩端分別固定有薄膜支架(2)。PZT陶瓷片(9)的直徑與銅箔片(8)直徑的比例為0.4～0.8，銅箔片(8)梯形下底直徑與銅箔片直徑的比例為0.3～0.7，銅箔片(8)梯形上底的直徑與銅箔片梯形下底直徑的比例為0.4～0.95；梯形角度為22°～56°。本實用新型能夠獲得更高的變形量，提高了能量轉化能力，使噴口產生更大的動能，在提高翼型的升力、改善翼型的失速特性，以及在增強混合方面都具有良好的應用前景。
文檔編號B64D31/02GK201530476SQ20092024534
公開日2010年7月21日 申請日期2009年11月19日 優先權日2009年11月19日
發明者喬志德, 宋文萍, 郝禮書, 韓忠華 申請人:西北工業大學