CN103852235A - 连续式风洞翼型动态特性试验机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，包括风洞、转窗机构、驱动装置、曲柄装置、连杆、模型支撑振荡装置；通过驱动装置、曲柄装置、连杆、模型支撑振荡装置实现了连续式风洞翼型动态特性试验，通过曲柄装置中滑块沿滑杆轴线位置的调节，以及连杆中两段杆长度调节，实现翼型动态运动范围调节；通过振荡轴法兰盘和平均迎角法兰盘不同销孔配合，实现翼型初始角度的精确选择；通过设计专用的转窗机构优化了传统转窗结构中由于模型变化而需要拆卸的转窗部件，比如窗门在一次安装后就不要再拆卸，从而有效的避免了模型拆装一次就需要重新校准的工作，为翼型实验的准备工作节约了大量的宝贵时间，有效的提高了实验效率。

Description

连续式风洞翼型动态特性试验机构

技术领域

本发明属于航空航天风洞试验设备领域，具体为一种连续式风洞翼型动态特性试验机构。

背景技术

直升机在民用领域和军事领域使用十分广泛，直升机旋翼的动态特性与其使用的翼型的动态特性息息相关，翼型的动态特性对旋翼气动载荷、操纵特性、旋翼动部件寿命乃至直升机性能的发挥有着重要影响。当直升机前飞时，旋转速度与前飞速度叠加，前行桨叶可能出现跨声速激波失速，后行桨叶可能出现大迎角动态失速和气流分离。因此，为旋翼设计提供可靠的设计依据，必须对翼型动态特性开展深入细致的研究；另外，翼型动态特性的研究也能够为飞机机翼、平尾、垂尾以及操纵舵面的颤振特性研究提供了较好的技术支持。因此，研究翼型的动态特性对于直升机和飞机的研制都具有十分重要的现实意义。

国外对翼型动态特性和振荡翼型动态失速特性的机理研究相对较早。20世纪60年代初，国外就开始相关问题的研究，早期主要是利用热线、热膜及烟流态、高速摄影等手段对翼型动态振荡以及振荡翼型动态失速的流场进行观测和研究。从70年代开始，国外对翼型动态特性的研究更加深入；Lionel L、Levy Jr等针对一个18%厚度的翼型进行了数值模拟和实验研究，在风洞实验中，实现了对翼型表面动态压力分布的测量；Carr L W、McAlister K W等开展了大量的翼型动态特性实验研究工作。70-80年代，Hermann Triebstein对翼型动态特性进行了大量的实验研究，特别是对NACA0012翼型进行了静、动态压力分布测量实验，研究了M数、平均迎角、振荡频率和振幅对翼型动态特性的影响。

国内在翼型动态特性和振荡翼型动态失速特性起步较晚。80年代，汪乔森、朱春华在NH-1风洞中，采用动态压力测量的方法对NACA0012翼型在跨声速时的动态特性进行了研究；由于条件的限制，模型动态压力测点仅为10个，获得的翼型动态信息较为有限。90年代，西北工业大学夏玉顺、郗忠祥和周瑞兴等在NF-3风洞中建立了翼型动态特性实验技术，采用动态压力测量的方法对NACA0012翼型低速动态特性进行了研究，模型动态压力测点达到了26个，获得了较为完整的翼型动态压力分布，为我国翼型低速动态特性研究积累了大量资料。与此同时，汤瑞源、赵明亮和吴永健等在NH-1风洞中，采用测力法对NACA0012翼型低速静、动态特性进行对比研究，从宏观上获得了NACA0012翼型的动态特性。

但目前国内的翼型动态特性实验装置普遍存在翼型动态运动控制不精确，试验设备复杂等问题。

发明内容

技术方案

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种连续式风洞翼型动态特性试验机构。

本发明的技术方案为：

所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，包括风洞、转窗机构，其特征在于：还包括有驱动装置、曲柄装置、连杆、模型支撑振荡装置；所述曲柄装置包括旋转体、滑杆、滑块；驱动装置带动旋转体转动，滑杆安装在旋转体内，且滑杆轴线垂直于旋转体的旋转轴线；滑块与滑杆固定配合，滑块的中心轴线与旋转体的旋转轴线平行且不重合；所述连杆由端部转动配合的两段杆组成；模型支撑振荡装置包括振荡轴和振荡轴支撑结构，振荡轴中心轴线与滑块中心轴线平行；振荡轴分为模型左侧振荡轴和模型右侧振荡轴，模型左侧振荡轴的一端通过连接法兰与穿过风洞左侧转窗机构的翼型模型耳片固定连接，模型左侧振荡轴的另一端与外部模型动态运动检测设备连接，模型右侧振荡轴的一端通过连接法兰与穿过风洞右侧转窗机构的翼型模型耳片固定连接，模型右侧振荡轴的另一端与连杆一端转动配合，连杆另一端与滑块端部转动配合；曲柄装置受控转动后，通过连杆带动振荡轴振荡转动。

作为优选方案，所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：曲柄装置的滑杆为螺杆结构，滑块与滑杆螺纹固定配合，滑块沿滑杆轴向位置可调。

作为优选方案，所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：曲柄装置上有锁定销，用于锁定滑块在滑杆的轴向位置。

作为优选方案，所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：所述连杆中的的两段杆为长度可调杆。

作为优选方案，所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：模型右侧振荡轴分为两段轴，两段轴之间通过振荡轴法兰盘和平均迎角法兰盘同轴固定连接；所述振荡轴法兰盘以及平均迎角法兰盘的配合端面上沿周向开有若干配合销孔。

作为优选方案，所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：所述转窗机构包括窗门、填块和压盖；窗门为圆形结构，窗门与风洞试验段侧壁配合，且窗门能够绕自身轴线在风洞试验段侧壁上转动；窗门上开有异形通孔，窗门的圆心处于异形通孔内，翼型模型能够穿过异形通孔；窗门上还开有压盖安装孔；所述填块为异形板件，填块上开有与压盖连接的通孔；当填块安装嵌入窗门的异形通孔内时，窗门异形通孔的剩余空间仅供翼型模型的连接段穿过，且翼型模型的连接段与窗门及填块紧配合；压盖分别与窗门和填块固定连接，用于将填块固定在窗门的异形通孔内。

有益效果

本发明通过驱动装置、曲柄装置、连杆、模型支撑振荡装置实现了连续式风洞翼型动态特性试验，通过曲柄装置中滑块沿滑杆轴线位置的调节，以及连杆中两段杆长度调节，实现翼型动态运动范围调节；通过振荡轴法兰盘和平均迎角法兰盘不同销孔配合，实现翼型初始角度的精确选择；通过设计专用的转窗机构优化了传统转窗结构中由于模型变化而需要拆卸的转窗部件，比如窗门在一次安装后就不要再拆卸，从而有效的避免了模型拆装一次就需要重新校准的工作，为翼型实验的准备工作节约了大量的宝贵时间，有效的提高了实验效率。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：驱动装置及曲柄装置的结构示意图；

图3：曲柄装置的结构示意图；

图4：曲柄装置及连杆的结构示意图；

图5：振荡轴法兰盘剖视图；

图6：振荡轴法兰盘端面示意图；

图7：平均迎角法兰盘剖视图；

图8：平均迎角法兰盘端面示意图；

图9：转窗结构示意图；

图10：转窗结构剖视图。

其中：1、编码器；2、模型左侧振荡轴；3、待测翼型模型；4、模型右侧振荡轴；5、模型右侧振荡轴连接法兰；6、连杆；7、曲柄装置；8、电机；9、减速器；10、旋转体；11、滑杆；12、滑块。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

如图1所示，本实施例中的连续式风洞翼型动态特性试验机构，包括风洞、转窗机构、驱动装置、曲柄装置、连杆、模型支撑振荡装置。

驱动装置为运动机构提供原始动力，包括电机及其支座、减速器、旋转轴及其支座等，如图2所示。大齿轮安装在旋转轴上；小齿轮安装在电机轴上，电机功率为2.5Kw，转速为3000转/分钟，电机带动小齿轮旋转，通过齿轮传动和减速之后，大齿轮扭矩有所增大，确保了足够的动力输出。通过齿轮减速之后，机构的振荡频率仍能够达到33Hz左右，能够满足当前和今后相当长的一段时期内的试验需求。转轴支座内嵌轴承，转轴和支座通过轴承连接，能够减小功率损失。电机的转速可调，能够实现对机构振荡频率的调整。

曲柄装置包括旋转体10、滑杆11、滑块12。图3给出了相应结构示意图。驱动装置带动旋转体转动，滑杆安装在旋转体内，且滑杆轴线垂直于旋转体的旋转轴线。本实施例中优选曲柄装置的滑杆为螺杆结构，在滑块大端设计了与螺杆相对应的内螺纹，滑块与滑杆螺纹固定配合，滑杆的转动使得滑块沿滑杆轴向位置可调，当滑块到达指定位置后，将滑杆锁紧固定，滑块在滑杆上的位置就完全确定了；在滑块小端上设计了一个圆柱，突出旋转体表面一定长度，以便滑块与连杆相连。圆柱的中心轴线与旋转体的旋转轴线平行且不重合。另外在旋转体上还设置有锁定销，用于锁定滑块在滑杆的轴向位置，确保了滑块的位置在机构振荡过程中不发生变化。

连杆由端部转动配合的两段杆组成。本实施例中优选两段杆为长度可调杆。如图4所示，长度可调杆由滑块连接件、长度调节螺杆和锁紧螺母组成，通过正、反螺纹调节长度，转动螺杆可以调节连杆装置的整体长度；当调节螺杆装置的长度确定以后，通过锁紧螺母将长度调节螺杆锁紧固定，保证了整个连杆装置的长度在机构振荡过程中始终保持不变。

模型支撑振荡装置包括振荡轴和振荡轴支撑结构，振荡轴中心轴线与滑块圆柱中心轴线平行；振荡轴分为模型左侧振荡轴和模型右侧振荡轴，模型左侧振荡轴的一端通过连接法兰与穿过风洞左侧转窗机构的翼型模型耳片固定连接，模型左侧振荡轴的另一端与外部模型动态运动检测设备即编码器连接，模型右侧振荡轴的一端通过连接法兰与穿过风洞右侧转窗机构的翼型模型耳片固定连接，模型右侧振荡轴的另一端与连杆一端转动配合，连杆另一端与滑块端部转动配合；曲柄装置受控转动后，通过连杆带动振荡轴振荡转动。

本实施例中为了实现翼型模型迎角预偏的功能，优选将模型右侧振荡轴分为两段轴，两段轴之间通过振荡轴法兰盘和平均迎角法兰盘同轴固定连接；所述振荡轴法兰盘以及平均迎角法兰盘的配合端面上沿周向开有若干配合销孔，如图5至图8所示，通过振荡轴法兰盘以及平均迎角法兰盘用不同的销孔配合同轴固定，实现翼型模型迎角的高精度预偏，本实施例中，翼型模型迎角从0°～19°实现每度预偏。

翼型平均迎角是通过模型支撑振荡装置中振荡轴法兰盘和平均迎角法兰盘的相对旋转来实现的；在摇臂长度固定不变的情况下，振幅是通过曲柄装置和连杆装置来进行调节的；振荡频率是通过改变电机的转速来实现的。

如图9和图10所示，为了方便机构和模型的安装调试，本实施例中的转窗机构包括窗门、填块和压盖；窗门为圆形结构，窗门与风洞试验段侧壁配合，且窗门能够绕自身轴线在风洞试验段侧壁上转动；窗门上开有异形通孔，窗门的圆心处于异形通孔内，翼型模型能够穿过异形通孔；窗门上还开有压盖安装孔；所述填块为异形板件，填块上开有与压盖连接的通孔；当填块安装嵌入窗门的异形通孔内时，窗门异形通孔的剩余空间仅供翼型模型的连接段穿过，且翼型模型的连接段与窗门及填块紧配合；压盖分别与窗门和填块固定连接，用于将填块固定在窗门的异形通孔内。

在安装调试时，先将左侧转窗结构和右侧转窗结构的主体即窗门安装好，然后将模型左侧振荡轴及其支座安装到位，再将模型及模型右侧振荡轴从右侧转窗结构插入到风洞试验段进行安装固定。模型及模型支承轴安装到位后，要使其能够活动自如，然后再进行其它装置的安装和调试。

在实际安装过程中，转窗结构安装在风洞侧壁后，转窗结构的窗门倒角斜面与风洞侧壁配合斜面会密切配合，转窗结构的凸面与风洞壁面之间不会存在阶差或阶差很小。但实际上，由于转窗结构上的安装螺钉拉紧程度不可能完全一样，即做不到一致压紧，以及转窗结构倒角斜面存在一定的加工误差，致使转窗结构压紧之后，转窗结构的凸面与风洞侧壁之间可能会存在一定的阶差，这就需要对阶差进行适当的调节。

阶差的调节主要是通过对转窗结构上的螺钉的松紧程度进行调节的。由于转窗结构外形简单，加工精度容易得到保证，在安装过程中，只需要对转窗结构的凸面与风洞侧壁的阶差进行调整，尽量保证较小的阶差，就能够保证左、右转窗的中心轴线处于同一条直线上。在转窗结构安装完毕之后，为了方便模型安装以及调平，右侧转窗结构的压盖及填块需要进行拆卸，保证右侧转窗结构处有较大的模型安装空间。

而模型支撑振荡装置中要保证振荡轴和编码器的轴线完全处于垂直风洞侧壁的一条直线上，并且要保证这条轴线基本处于转窗结构的中心。由于振荡轴的轴线与其端面的垂直度在加工过程中很容易保证，在转窗结构安装完毕之后，只需要两端面分别与左、右转窗结构凸面齐平，与转窗结构中心孔的间隙均匀就能够保证振荡轴的安装要求。

Claims (6)

1.一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，包括风洞、转窗机构，其特征在于：还包括有驱动装置、曲柄装置、连杆、模型支撑振荡装置；所述曲柄装置包括旋转体、滑杆、滑块；驱动装置带动旋转体转动，滑杆安装在旋转体内，且滑杆轴线垂直于旋转体的旋转轴线；滑块与滑杆固定配合，滑块的中心轴线与旋转体的旋转轴线平行且不重合；所述连杆由端部转动配合的两段杆组成；模型支撑振荡装置包括振荡轴和振荡轴支撑结构，振荡轴中心轴线与滑块中心轴线平行；振荡轴分为模型左侧振荡轴和模型右侧振荡轴，模型左侧振荡轴的一端通过连接法兰与穿过风洞左侧转窗机构的翼型模型耳片固定连接，模型左侧振荡轴的另一端与外部模型动态运动检测设备连接，模型右侧振荡轴的一端通过连接法兰与穿过风洞右侧转窗机构的翼型模型耳片固定连接，模型右侧振荡轴的另一端与连杆一端转动配合，连杆另一端与滑块端部转动配合；曲柄装置受控转动后，通过连杆带动振荡轴振荡转动。

2.根据权利要求1所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：模型右侧振荡轴分为两段轴，两段轴之间通过振荡轴法兰盘和平均迎角法兰盘同轴固定连接；所述振荡轴法兰盘以及平均迎角法兰盘的配合端面上沿周向开有若干配合销孔。

3.根据权利要求1所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：所述连杆中的的两段杆为长度可调杆。

4.根据权利要求1或2或3所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：曲柄装置的滑杆为螺杆结构，滑块与滑杆螺纹固定配合，滑块沿滑杆轴向位置可调。

5.根据权利要求4所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：曲柄装置上有锁定销，用于锁定滑块在滑杆的轴向位置。

6.根据权利要求5所述一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，其特征在于：所述转窗机构包括窗门、填块和压盖；窗门为圆形结构，窗门与风洞试验段侧壁配合，且窗门能够绕自身轴线在风洞试验段侧壁上转动；窗门上开有异形通孔，窗门的圆心处于异形通孔内，翼型模型能够穿过异形通孔；窗门上还开有压盖安装孔；所述填块为异形板件，填块上开有与压盖连接的通孔；当填块安装嵌入窗门的异形通孔内时，窗门异形通孔的剩余空间仅供翼型模型的连接段穿过，且翼型模型的连接段与窗门及填块紧配合；压盖分别与窗门和填块固定连接，用于将填块固定在窗门的异形通孔内。

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