CN106610333A - 用于空间低气压环境下的风速发生装置 - Google Patents

用于空间低气压环境下的风速发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于空间低气压环境下的风速发生装置，包括试验平台(1)、风扇系统(2)、传动系统(3)、驱动系统(4)及已有空间环境模拟器(5)。所述试验平台(1)由整流涵道(11)、热球式风速仪(12)、试验件支架(13)组成，试验段气流流速可控；所述低压风扇系统(2)由多片高雷诺数风扇叶片组成，提高了风速发生效率；所述的传动系统(3)包括：磁流体密封传动装置(31)、传动轴承机构(32)，该传动方案使驱动系统(4)能在常温常压下工作，保证其调速稳定性且避免了低压环境下电机冷却不足和低气压放电的问题；所述驱动系统(4)用于驱动风扇系统(2)，具有调速、定速及保护功能。

Description

用于空间低气压环境下的风速发生装置
技术领域
本发明公开了一种用于空间低气压环境下的风速发生装置，属于空间环境模拟技术领域。
背景技术
火星探测是我国今后航天技术领域发展的热点方向,尤其着陆探测具有广泛的现实性意义，而火星表面环境特点为：具有较为稀薄的大气层，大气主要成分为为二氧化碳和氮气等，且有沙尘暴。火星表面温度白天最高可达28℃，夜晚降低到－132℃，平均－57℃。
目前对于火星表面综合环境的模拟技术在国内还处于空白,尤其是火星表面低气压环境下的气流模拟,而在火星着陆探测器发射之前需要在地面进行充分的环境试验验证,用于充分暴露探测器潜在的设计和制造缺陷,尽量减小其失效的可能性,提高可靠性。本发明中的低气压风速发生装置即是用于火星表面低气压条件下的气流模拟。
当前对于空间环境模拟器虽然具备了热真空环境试验能力，但无法模拟火星表面气体流动及风速分布情况。因此，在已有空间环境模拟器的基础上，研究一种高效、可拆装的低气压风速发生装置，能有效解决火星着陆器环境试验中气流模拟的问题。
发明内容
本发明的目的是为了在已有空间环境模拟器中对低气压环境下的气体流动及风速分布情况进行有效模拟，旨在解决火星表面综合环境的模拟问题，同时满足了火星着陆探测器等火星表面综合环境的试验需求。
本发明提供了一种高效，可拆装，操作方便简单的低气压风速发生装置，该装置包括试验平台、风扇系统、传动系统、驱动系统和由模拟器筒体与模拟器封头组成的空间环境模拟器，试验平台通过底部支架设置在模拟器筒体内，传动系统穿设固定在模拟器封头上，模拟器封头外部的驱动系统传送动力给传动系统并带动模拟器封头内的传送系统输出端固定设置的风扇系统转动供风，试验平台包括整流涵道、热球式风速仪和试验件支架，整流涵道具有圆筒形的中间段和两端外接的倒圆台柱形的导风筒，进风端的导风筒还外接有供设置风速发生装置的进风筒，整流涵道的内底面上设置试验件支架，试验件支架顶部挂设有热球式风速仪以测量风速，供送的风从整流涵道的进风端进入，从整流涵道另一端流出，以便在空间环境模拟器的基础上模拟低气压气体流动及风速分布环境。
其中，风扇系统在低气压环境下工作，改变涵道的内外压力，使试验段产生稳定风速。
其中，试验件支架从其底部到顶部逆着方向延伸且支撑高度逐渐升高，且位于整流涵道中间截面的圆心上。
其中，驱动系统由调速电机和电机支架组成，驱动系统独立工作。
其中，传动系统包括磁流体密封传动装置、传动轴承机构，驱动系统的驱动动力通过传动轴承机构(外部)传至固定在空间环境模拟器封上的磁流体密封传动装置，磁流体密封传动装置用以隔绝空间环境模拟器内外环境，同时有效传递驱动动力；随后，驱动动力再经过传动轴承机构(内部)传至风扇系统。
其中，传动轴承机构由轴承、内外梅花联轴器、轴承支架组成，轴承支架支撑在模拟器封头的内壁上，并保证其与空间环境模拟器筒体同轴。
进一步地，轴承支架包括三根支腿，支腿的两端分别连接轴承和空间环境模拟器封头内壁上固定的耳片。
其中，风扇系统由多片低雷诺数风扇叶片组成。
其中，整流涵道通过底部支架固定在空间环境模拟器筒体内部，保证整流涵道中心与空间环境模拟器筒体同轴，整流涵道与空间环境模拟器体的轴向相对位置应不与风扇系统的结构产生干涉。
其中，热球式风速测量仪的信号线沿着整流涵道的外壁布置，与空间环境模拟器筒体上预留的数据传输接口相连。
根据本发明的低气压风速发生装置结构简单，且在不改变现有空间环境模拟器结构的情况下，该装置可重复拆装，多次使用。这一特点使得该低气压风速发生装置可在现有空间环境模拟器的基础上模拟低气压气体流动及风速分布环境，避免了空间环境模拟器的重新设计或空间环境模拟器结构修改所带来的新问题。
根据本发明的低气压风速发生装置的风扇系统采用低雷诺数风扇，经CFD仿真分析及实验验证，风扇系统能有效产生稳定风速。
根据本发明的，该风扇系统在低压环境下能有效产生稳定风速，且与CFD仿真分析结果相近，风扇叶片数量是以效率最大为目标，通过CFD仿真分析优化得到的结果。
根据本发明的低气压风速发生装置的传动系统将驱动系统动力经传动轴承机构(外部)传递到磁流体密封传动装置，进一步通过传动轴传递到风扇系统。该传动方案使得驱动系统在空间环境模拟器外工作，保证了调速电机的调速稳定性并且避免了低压环境下电机冷却不足和低气压放电的问题。
附图说明
以下，结合附图详细说明本发明的实施例，其中：
图1是本发明总体结构示意图；
图2是本发明试验平台的结构示意图；
图3是本发明风扇系统的结构示意图；
图4是本发明传动系统的结构示意图；
图中：
1-试验平台；2-风扇系统；3-传动系统；4-驱动系统；5-空间环境模拟器；11-整流涵道；12-热球式风速仪；13-试验件支架；31-磁流体密封传动装置；32-传动轴承机构；51-模拟器筒体；52-模拟器封头。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的低气压风速发生装置总体上包括试验平台1，风扇系统2，传动系统3，驱动系统4，空间环境模拟器5，具体参见图1。在所示图1的实施方式中，试验平台1包括整流涵道11、热球式风速仪12和试验件支架13(其设置方式具体参见图2)。风扇系统2由多片低雷诺数风扇叶片组成，采用翼型。传动系统3包括磁流体密封传动装置31，传动轴承机构32,传动轴承机构32包括内外梅花连轴器、轴承、轴承支架，传动系统3依次序为：梅花联轴器(外部)-磁流体密封传动装置-梅花联轴器(内部)-轴承，将驱动系统4动力传至风扇系统2。驱动系统4包括调速电机和电机支架。本发明的低气压风速发生装置通过风扇驱动，改变风速发生截面前后压力差实现了空间环境模拟器内气体的循环，又通过涵道整流，得到较为稳定的试验段。
本发明一实施方式的低气压风速发生装置中试验平台的结构示意图见图2，本发明试验平台1中，整流涵道11内将形成稳定风速，即为试验段，整流涵道11的内底面上设置试验件支架13，试验件支架13顶部挂设有热球式风速仪12以测量风速，试验件支架13从其底部到顶部逆着方向延伸且支撑高度逐渐升高。热球式风速仪12和试验件支架13不局限于图2所示的实施例，根据不同工况，应以试验段流场扰动最小为目标，优选或优化热球式风速仪的布置方案及试验支架的结构形式。
气流经过气流发生系统加速，通过试验段后在涵道扩张段分流，再沿涵道外壁与试验箱内壁之间的空间回流至风扇系统2，如此循环工作，具体参见图2。
整流涵道11通过底部支架固定在空间环境模拟器筒体51内部，保证整流涵道中心与空间环境模拟器筒体51同轴，整流涵道与空间环境模拟器筒体51的轴向相对位置应不与风扇系统的结构产生干涉。
本发明的试验平台1中的热球式风速测量仪12的信号线与沿着整流涵道11外壁布置，与空间环境模拟器5预留的数据传输接口相连。
根据本发明的低气压风速发生装置中试验平台1的所有部件均安装在空间环境模拟器筒体51上，这一装配方案避免了试验平台1的装配受到空间环境模拟器封头52的干涉，有利于试验平台1的装配与调整。
本发明的风扇系统2中单个风扇叶片的结构及其装配结构，具体参见图3，通过定位螺栓限位，多片风扇叶片依次首尾相连，装配后的风扇与传动轴法兰相连。该装配方案将风扇整体分解成多个单个叶片，这有利于叶片的成型加工，同时，每个风扇叶片21的结构形式和尺寸均相同，这也提高了加工效率。
本发明的风扇系统2的风扇叶片数量不局限于图3所示的实施例，实际应用中，叶片数量应以效率最优为目标，优化出最优风扇结构形式。
本发明的传动系统3中各传动部件的相对位置及连接形式见图4，驱动系统4的驱动动力通过传动轴承机构32传至固定在空间环境模拟器封头52上的磁流体密封传动装置31，磁流体密封传动装置31用以隔绝空间环境模拟器内外环境，同时有效传递驱动动力。随后，驱动动力再经过传动轴承机构传至风扇系统2。传动轴承机构由轴承、内外梅花联轴器、轴承支架组成，轴承支架支撑在模拟器封头的内壁上，并保证其与空间环境模拟器筒体同轴。3根轴承支架两端分别连接轴承和空间环境模拟器封头的耳片。
本发明的传动系统3中传动轴承机构32的轴承支架与空间环境模拟器封头52通过长螺栓孔连接，长螺栓孔连接方式保证了轴承的局部位置调整，装配过程中应尽量保证轴承传动机构32与空间环境模拟器筒体51同轴，以保证传动部件运转的稳定性，见图4。
本发明的传动系统3中轴承均采用润滑脂进行润滑，以防止试验过程中空间环境模拟器5受到污染。
本发明的传动系统3中磁流体密封传动装置31的大部分结构处于空间环境模拟器5外侧，因为试验过程中，高转速的情况下，磁流体密封传动装置31会出现发热现象，在长时间工作状态时，应在空间环境模拟器5外侧对磁流体密封装置31采取强制冷却措施。
本发明的传动系统3中磁流体密封传动装置31两侧均通过联轴器与传动系统3的传动轴承机构连接，其中，联轴器能有效隔振，以保证磁流体密封传动装置31的正常工作，见图4。
根据本发明的低气压风速发生装置中风扇系统2和传动系统3都固定在空间环境模拟器大门52上，这一装配方案避免了风扇系统2和传动系统3的装配过程受到空间环境模拟器筒体51的干涉，有利于风扇系统2和传动系统3的装配与调整。
本发明驱动系统4可根据空间环境模拟器5的具体结构调整驱源位置。驱动系统的安装形式应根据具体试验环境进行设计。例如，调速电机也可以采用将电机固定在空间环境模拟器封头52上的支承形式，电机振动可通过空间环境模拟器承载。
根据本发明的驱动系统4具备调速及定速功能，例如，要使试验段气流达到预定流速，需进行动力源调速；要稳定试验段气流流速，需稳定动力源转速。此外，调速系统具有调速保护功能。例如用于当测量系统测得的选定参数的值超过或达到预定的阈值时可通过调速或停止的方式保护本发明的低气压风速发生装置各部件的安全运转。
本发明的低气压风速发生装置中驱动系统4的驱动动力是通过本发明的传动系统3传递至风扇系统2的，因此，驱动系统4在空间环境模拟器5外工作，这一方案使驱动系统4在常温常压环境下工作，保证了调速稳定性并且避免了低压环境下电机冷却不足和低压放电的问题。
本发明的一种低气压风速发生装置的装配方法，包括以下几个步骤：
步骤一：打开空间环境模拟器大门52，在预留的窗口上安装磁流体密封传动装置31，并在两侧安装传动轴承机构32的联轴器。
步骤二：在空间环境模拟器大门52上安装传动轴承机构32的轴承及轴承支架。
步骤三：调整传动轴承机构32与空间环境模拟器大门52连接处螺栓与长孔(未示出)的相对位置，保证传动轴与空间环境模拟器5同轴。
步骤四：在传动轴承机构一侧安装风扇系统2，将多片风扇叶片用螺栓依次首尾定位，并与传动轴上的风扇法兰连接。
步骤五：安装试验平台1，根据试验件尺寸将试验件安装到试验件支架13上，并根据试验设计将热球式风速测量仪12安装到整流涵道11的相应位置。
步骤六：将装配好的试验平台1到空间环境模拟器筒体51上，保证整流涵道11与空间环境模拟器5同轴，并将热球式风速仪12的信号线连接到空间环境模拟器5预留的信号采集接口上。
步骤七：关闭空间环境模拟器大门52，并根据风扇系统2的位置，调整整流涵道11与空间环境模拟器筒体51的相对轴向位置。
步骤八：关闭空间环境模拟器大门52，调整驱动系统4动力源安装位置，保证其与磁流体密封传动装置31同轴。
步骤九：将空间环境模拟器5上信号采集接口输出的信号以及调速电机上的输出信号均接入驱动系统4的采集及控制计算机上，装配完成
以上实施例仅是本发明有代表性的例子，只是为了说明本发明，而并非是对本发明的限定，根据所给出的上述说明本领域技术人员可以做出其他不同形式的变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而基于本发明所引出的等同、变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于空间低气压环境下的风速发生装置，其包括试验平台、风扇系统、传动系统、驱动系统和由模拟器筒体与模拟器封头组成的空间环境模拟器，试验平台通过底部支架设置在模拟器筒体内，传动系统穿设固定在模拟器封头上，模拟器封头外部的驱动系统传送动力给传动系统并带动模拟器封头内的传送系统输出端固定设置的风扇系统转动供风，试验平台包括整流涵道、热球式风速仪和试验件支架，整流涵道具有圆筒形的中间段和两端外接的倒圆台柱形的导风筒，进风端的导风筒还外接有供设置风速发生装置的进风筒，整流涵道的内底面上设置试验件支架，试验件支架顶部挂设有热球式风速仪以测量风速，供送的风从整流涵道的进风端进入，从整流涵道另一端流出，以便在空间环境模拟器的基础上模拟低气压气体流动及风速分布环境。
2.如权利要求1所述的风速发生装置，其中，风扇系统在低气压环境下工作，改变涵道的内外压力，使试验段产生稳定风速。
3.如权利要求1所述的风速发生装置，其中，试验件支架从其底部到顶部逆着方向延伸且支撑高度逐渐升高，且位于整流涵道中间截面的圆心上。
4.如权利要求1所述的风速发生装置，其中，驱动系统由调速电机和电机支架组成，驱动系统独立工作。
5.如权利要求1所述的风速发生装置，其中，传动系统包括磁流体密封传动装置、传动轴承机构，驱动系统的驱动动力通过梅花联轴器减振并传至固定在空间环境模拟器封上的磁流体密封传动装置，磁流体密封传动装置用以隔绝空间环境模拟器内外环境，同时有效传递驱动动力；随后，驱动动力再经过梅花联轴器减振，传至风扇系统。
6.如权利要求1-5任一项所述的风速发生装置，其中，传动轴承机构由轴承、内外梅花连轴器、轴承支架组成，轴承支架支撑在模拟器封头的内壁上，并保证其与空间环境模拟器筒体同轴。
7.如权利要求6所述的风速发生装置，其中，轴承支架包括三根支腿，支腿的两端分别连接轴承和空间环境模拟器封头内壁上固定的耳片。
8.如权利要求1所述的风速发生装置，其中，风扇系统由多片低雷诺数风扇叶片组成。
9.如权利要求1所述的风速发生装置，其中，整流涵道通过底部支架固定在空间环境模拟器筒体内部，保证整流涵道中心与空间环境模拟器筒体同轴，整流涵道与空间环境模拟器体的轴向相对位置应不与风扇系统的结构产生干涉。
10.如权利要求1-5任一项所述的风速发生装置，其中，热球式风速测量仪的信号线沿着整流涵道的外壁布置，与空间环境模拟器筒体上预留的数据传输接口相连。
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