CN107894323A - 一种水洞实验用振荡水翼装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水洞实验用振荡水翼装置，属于水利水电工程、海洋船舶工程技术领域。装置包括传动机构固定板、伺服电机、调节套筒、装置固定板、旋转变压器和力矩传感器等；伺服电机、后外壳与前外壳依次固定连接；与轴套固定在伺服电机的电机轴上，力矩传感器安装在轴套上；传动轴穿过旋转变压器后与力矩传感器固定连接；两个传动机构固定板横向平行固定连接在后外壳两侧；传动机构固定板和装置固定板通过支撑柱固定连接；调节套筒套在支撑柱上，且位于传动机构固定板和装置固定板之间；传动轴与被测的水翼模型固定连接。本发明通过压紧方式实现装置良好密封，利用旋转变压器以及力矩传感器实现对水翼运动的精确控制以及力矩的实时监测测量。

Description

一种水洞实验用振荡水翼装置

技术领域

本发明涉及一种水洞实验用振荡水翼装置，属于水利水电工程、海洋船舶工程技术领域。

背景技术

在航空航天领域，为了避免动力失速、结构上颤振和共振，振荡翼型的动态特性受到越来越多的重视。在水力机械研究中，旋转产生的附加作用力以及动静部件的扰动对湍流过程、边界层的发展、流动结构的时空分布有着重要的影响，非转动/转动部件的流场相互干扰的物理机制一直是研究的重点和难点。在螺旋桨、涡轮泵、水轮机启停机、飞逸、增减负荷等瞬态过程中，暂态过程瞬变流动会使升力面的有效攻角发生改变，其内部流动复杂多变，呈现出强烈的不稳定性。因此，了解物体在动态变化下非稳态水动力载荷和振动的变化，对了解水力机械瞬态过程非定常流动机理及动力特性，优化水力机械的设计，提高水力性能有着重要的意义。

水翼是水力机械结构的基本单元。对水翼的研究工作主要在水洞中进行，然而对绕水翼流动的研究工作大多是基于静态物体下进行，对振荡水翼的流场结构及动力特性的研究相对较少。且现有对振荡水翼的实验装置大都存在密封性不好、无法实时测量转矩及转速等缺点，导致水洞实验结果不够准确，不能满足当前需要。例如专利(公告号CN103541328B)公布了一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，其结构包括支架系统、动力装置和传动机构；所述支架系统由托板和支杆组成；所述动力装置包括步进电机和减速器；所述传动机构包括内杆、套筒螺母、套筒、内杆轴承以及内杆薄片；所述内杆为圆柱形直杆，其圆柱直径沿轴向分三级成阶梯变化，依直径从小到大的顺序依次定义为内杆第一级、内杆第二级和内杆第三级；内杆第三级中心开有一孔；所述套筒为中截面“凸”字形的圆环柱体。然而该装置的转轴与水箱密封性不好，容易导致漏水现象；采用步进电机和减速器控制运动属于开式控制，水翼运动控制精度较差；与此同时该装置不能实现对水翼力矩的实时监测测量，综上容易影响实验结果的准确性，进而严重影响对振荡水翼水动力学问题的深入研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在密封性不好、运动控制精度不够且无法测量力矩的问题，提供一种用于水洞实验用的振荡水翼装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种水洞实验用振荡水翼装置，包括：传动机构固定板、伺服电机、调节套筒、前外壳、后外壳、支撑柱、水翼模型、密封胶垫、装置固定板、传动轴、旋转变压器、力矩传感器和轴套。

伺服电机、后外壳与前外壳依次固定连接；与轴套固定在伺服电机的电机轴上，力矩传感器安装在轴套上；传动轴穿过旋转变压器后与力矩传感器固定连接；两个传动机构固定板横向平行固定连接在后外壳两侧，且传动机构固定板与电机轴向垂直；两个装置固定板相互平行，并与电机轴向垂直和传动机构固定板相互垂直；传动机构固定板和装置固定板通过支撑柱固定连接；调节套筒套在支撑柱上，且位于传动机构固定板和装置固定板之间；密封胶垫位于前外壳顶端；传动轴与被测的水翼模型固定连接。

所述传动轴为圆柱形，其圆柱直径沿轴向并靠近所述伺服电机方向分七级成阶梯变化，直径从小到大依次为5mm、6mm、8mm、12mm、13mm、15mm和16mm，依直径从小到大的顺序依次定义为轴第一级、轴第二级、轴第三级、轴第四级、轴第五级、轴第六级和轴第七级；所述传动轴沿轴向并靠近所述伺服电机方向上依次安装设有密封圈、小轴承、大轴承，所述密封圈、所述小轴承分别依次安装在所述轴第一级并紧贴所述轴第二级上，所述大轴承安装在所述轴第六级并紧贴所述轴第七级上。

所述轴套为中截面为“凸”字型的圆环柱体，所述轴套与所述伺服电机的电机轴之间设有连接键、固定螺钉。

所述力矩传感器安装在所述传动轴靠近所述伺服电机的一端，其量程为50N/m，过载量程为300N/m，供电电源为5V，扭转刚度为80KNm/RAD；所述力矩传感器与所述传动轴、所述轴套之间分别设有螺栓连接。

所述旋转变压器安装在所述轴第五级上并紧贴所述轴第六级，所述旋转变压器上设有所述旋变垫片，所述旋变垫片与所述大轴承之间设有挡圈，所述挡圈与所述旋变垫片设有螺钉连接，所述挡圈内部设有与所述大轴承配合安装的通孔；所述旋转变压器与所述传动轴之间设有所述固定螺母，所述传动轴的轴第三级上设有所述固定螺母配合的螺纹。

所述水翼模型安装在所述水箱内部，所述水箱为空化水洞实验平台的实验段，所述水箱的截面为矩形状，所述水箱后侧设有凹槽；所述水箱后侧设有水箱连接板。

所述水翼模型可为NACA系列水翼模型、Clark系列水翼模型，所述水翼模型的展长为69mm，所述水翼模型的材料可为钢、复合材料、PCV，所述水翼模型的旋转角度在正负60度以内；

所述水翼模型靠近所述伺服电机的一侧开设长方形小凹槽，固定销穿插在所述传动轴上，所述固定销的一部分固定在小凹槽内；

所述水翼模型远离所述伺服电机的一侧开设大凹槽；中间带有通孔的轴端挡片固定在大凹槽底部；所述传动轴穿过所述轴端挡片后通过螺钉固定；

所述后外壳与所述伺服电机、所述前外壳均采用螺栓连接；所述前外壳靠近所述水箱的一侧设有与所述密封圈、所述小轴承配合安装的圆柱通孔，所述前外壳与所述水箱的后侧之间设有密封胶垫。

所述支撑柱为长150mm，直径为12mm的圆柱体，两端有45°的倒角，表面设有螺纹；所述支撑柱、所述调节套筒的数目均为4个；所述传动机构固定板与所述后外壳、所述支撑柱之间采用螺纹连接；所述装置固定板与所述支撑柱、所述水箱连接板之间采用螺纹连接。

工作过程：首先将整体装置固定安装完毕后，通过调节靠近所述伺服电机一侧的所述支撑住上的螺母，使所述调节套筒不断压紧在所述装置固定板，从而实现所述前外壳以及所述密封胶垫压紧在所述水箱后侧面板上，进而达到良好密封效果；然后将所述水翼模型安装在所述传动轴上，即可进行试验操作及测量；在工作过程中，通过所述旋转变压器实现对所述水翼模型转速的实时监测反馈，进而通过所述伺服电机精确控制所述水翼模型的运动轨迹状态，与此同时通过所述力矩传感器对所述传动轴的力矩进行实时监测记录，最终探究所述水翼模型的动力特性以及流场结构。

有益效果

1、本发明的一种水洞实验用振荡水翼装置，通过安装力矩传感器，可以实现水翼模型所受力矩的实时测量。

2、本发明的一种水洞实验用振荡水翼装置，通过安装旋转变压器，可以实现对转速和角度的实时测量反馈，进而通过伺服电机对水翼模型的旋转运动进行精确闭环控制。

3、本发明的一种水洞实验用振荡水翼装置，通过设置支撑柱、调整套筒以及密封胶垫，利用挤压的方式可实现水箱与前外壳的良好密封，能够保持驱动装置干燥，解决了驱动装置因密封性不够与水接触而导致的短路、失效等问题；与此同时通过设置密封圈实现机械密封，有效地避免了机械部件触水，也避免了因水洞渗水漏水而带来的测量数据不准确的问题。

4、本发明的一种水洞实验用振荡水翼装置，通过设置固定销以及轴端挡片，实现水翼模型以及传动轴的双重固定，有效地保证了水翼模型运动的稳定性，避免运动过程滑丝颤振的问题。

5、本发明的一种水洞实验用振荡水翼装置，可以灵活更换不同流体机械模型，该实验装置能够为流体机械结构的设计提供理论依据，为深入研究动态流动特性和流固耦合机理提供可靠的分析实验数据。

6、本发明的一种水洞实验用振荡水翼装置，结构简单，材料易得，成本低廉，节约资源，可适用于各种水洞实验。

附图说明

图1是本发明振荡水翼装置的三维轴视图；

图2是本发明振荡水翼装置与水箱安装的侧视图；

图3是本发明振荡水翼装置与水箱安装的A-A剖视图；

图4是本发明振荡水翼装置与水箱安装的俯视图；

图5是本发明振荡水翼装置与水箱安装示意图；

图6是本发明振荡水翼装置的主视图；

图7是本发明振荡水翼装置的B-B剖视图；

图8是本发明振荡水翼装置水翼模型的侧视图；

图9是本发明振荡水翼装置水翼模型的主剖图；

图10是本发明振荡水翼装置传动轴的主剖图；

图11是本发明振荡水翼装置传动轴的侧视图。

其中，1—水箱，2—传动机构固定板，3—伺服电机，4—调节套筒，5—前外壳，6—后外壳，7—支撑柱，8—水箱连接板，9—水翼模型，10—密封胶垫，11—装置固定板，12—传动轴，13—固定螺母，14—旋转变压器，15—大轴承，16—力矩传感器，17—固定销，18—密封圈，19—小轴承，20—旋变垫片，21—挡圈，22—轴套，23—轴端挡片。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1、图2、图6、图7所示，一种水洞实验用振荡水翼装置，包括：传动机构固定板2、伺服电机3、调节套筒4、前外壳5、后外壳6、支撑柱7、水翼模型9、密封胶垫10、装置固定板11、传动轴12、旋转变压器14、力矩传感器16和轴套22。

如图1、图2、图6、图7所示，伺服电机3、后外壳6与前外壳5依次固定连接；与轴套22固定在伺服电机3的电机轴上，力矩传感器16安装在轴套22上；传动轴12穿过旋转变压器14后与力矩传感器16固定连接；两个传动机构固定板2横向平行固定连接在后外壳6两侧，且传动机构固定板2与电机轴向垂直；两个装置固定板11相互平行，并与电机轴向垂直和传动机构固定板2相互垂直；传动机构固定板2和装置固定板11通过支撑柱7固定连接；调节套筒4套在支撑柱7上，且位于传动机构固定板2和装置固定板11之间；密封胶垫10位于前外壳5顶端；传动轴12与被测的水翼模型9固定连接。

如图7、图10、图11所示，传动轴12为圆柱形，其圆柱直径沿轴向并靠近伺服电机3方向分七级成阶梯变化，直径从小到大依次为5mm、6mm、8mm、12mm、13mm、15mm和16mm，依直径从小到大的顺序依次定义为轴第一级、轴第二级、轴第三级、轴第四级、轴第五级、轴第六级和轴第七级；传动轴12沿轴向并靠近伺服电机3方向上依次安装设有密封圈18、小轴承19、大轴承15，密封圈18、小轴承19分别依次安装在轴第一级并紧贴轴第二级上，大轴承15安装在轴第六级并紧贴轴第七级上；轴套22为中截面为“凸”字型的圆环柱体，轴套22与伺服电机3的电机轴之间设有连接键、固定螺钉。

如图7所示，力矩传感器16安装在传动轴12靠近伺服电机3的一端，其量程为50N/m，过载量程为300N/m，供电电源为5V，扭转刚度为80KNm/RAD；力矩传感器16与传动轴12、轴套22之间分别设有螺栓连接；旋转变压器14安装在轴第五级上并紧贴轴第六级，旋转变压器14上设有旋变垫片20，旋变垫片20与大轴承15之间设有挡圈21，挡圈21与旋变垫片20设有螺钉连接，挡圈21内部设有与大轴承15配合安装的通孔；旋转变压器14与传动轴12之间设有固定螺母13，传动轴12的轴第三级上设有固定螺母13配合的螺纹。

如图2、图3、图4、图5所示，水翼模型9安装在水箱1内部，水箱1为空化水洞实验平台的实验段，水箱1的截面为矩形状，水箱1后侧设有凹槽；水箱1后侧设有水箱连接板8；水翼模型9可为NACA系列水翼模型、Clark系列水翼模型，水翼模型9的展长为69mm，水翼模型9的材料可为钢、复合材料、PCV，水翼模型9的旋转角度在正负60度以内。

如图8、图9所示，水翼模型9靠近伺服电机3的一侧开设长方形小凹槽，固定销17穿插在传动轴12上，固定销17的一部分固定在小凹槽内；水翼模型9远离伺服电机3的一侧开设大凹槽；中间带有通孔的轴端挡片23固定在大凹槽底部；传动轴12穿过轴端挡片23后通过螺钉固定。

如图1、图5所示，后外壳6与伺服电机3、前外壳5均采用螺栓连接；前外壳5靠近所述水箱1的一侧设有与密封圈18、小轴承配19合安装的圆柱通孔，前外壳5与水箱1的后侧之间设有密封胶垫10；支撑柱7为长150mm，直径为12mm的圆柱体，两端有45°的倒角，表面设有螺纹；支撑柱7、调节套筒4的数目均为4个；传动机构固定板2与后外壳6、支撑柱7之间采用螺纹连接；装置固定板11与支撑柱7、水箱连接板8之间采用螺纹连接。

安装顺序关系：首先将轴套22通过连接键、螺钉安装在伺服电3上；再将力矩传感器16通过螺栓安装在轴套22上；然后将传动轴12通过螺栓和力矩传感器16连接；将后外壳6套在伺服电机3上；然后将大轴承15安装在传动轴12上；再将挡圈21卡在大轴承15上；然后将旋转变压器14的内圈安装在传动轴12上；把旋变垫片20卡在旋转变压器14上；然后将旋变垫片20安装在挡圈21上；再安装M10的固定螺母13；然后将密封圈18、小轴承19依次安装在传动轴12上；再将前外壳5与后外壳6通过螺栓对接，完成传动机构的安装。

然后将传动机构固定板2以及后外壳6通过螺栓连接与伺服电机3固定，然后在传动机构固定板2上安装4根支撑柱7，同时将支撑柱7上套上调节套筒4，然后将支撑柱7的另一端通过螺栓连接安装装置固定板11，则完成连接密封装置的安装。然后将传动轴12穿过水箱1后壁的通孔，同时在前外壳5与水箱1之间安装密封胶垫10，然后将装置固定板11通过螺栓连接与水箱连接板8固定；再通过调节支撑杆7端部的螺母实现前外壳5与水箱1后壁的挤压，进而实现良好的密封性。

然后取下水箱1前侧观察窗的有机玻璃面板，然后将固定销17安装在传动轴12上，然后将水翼模型9套在传动轴12上，再将轴端挡片23安装在水翼模型9的一侧，并通过螺纹将轴端挡片与传动轴12、水翼模型9连接固定，最后再将观察窗的有机玻璃面板安装上，即完成整体装置的安装。

实际工作过程：

在实际使用时，首先将整体装置固定安装完毕后，通过调节靠近伺服电机3一侧的所述支撑住7上的螺母，使调节套筒4不断压紧在装置固定板11，从而实现前外壳5以及密封胶垫10压紧在水箱1后侧面板上，进而达到良好密封效果；然后将水翼模型9安装在传动轴12上，即可进入试验操作及测量阶段；然后接通电源使用伺服电机3对实验所需振荡角度、振荡频率、振荡时间、启停机振荡加速度等参数进行换算，基于换算后的参数通过控制器对伺服电机3工作状态进行设置，确认无误后启动电机。此时，实验室流体机械模型将根据设置好的工况进行振荡运动，待水洞实验段即水箱1内流动稳定后即可开始实验观测和数据测量等工作。在工作测量过程中，通过旋转变压器14实现对水翼模型9转速的实时监测反馈，进而通过伺服电机3精确控制水翼模型9的运动轨迹状态，与此同时通过力矩传感器16对传动轴12的力矩进行实时监测记录，最终探究水翼模型9的动力特性以及流场结构。

例：将整体装置安装密封完毕后，通过监测水箱内部的压力为14kpa左右且长时间放置压强变化不超过0.5kpa，则改装置密封性较好；然后接通电源后，使用伺服电机3的控制器设定水翼模型9振荡角度为-20到20度，振荡形式为匀速振荡，振荡速度为40度/秒，振荡周期为50次；然后确认无误后启动电机。随后水翼模型9将根据设置好的工况进行振荡运动，在工作过程中，旋转变压器14将实时监测水翼模型9的振荡速度，当振荡速度偏离40度/秒且超过1度/秒(例38度/秒或者42.5度/秒)时，旋转变压器14监测数据将立刻传输反馈给控制器，进而控制器将对伺服电机3的振荡速度进行修正补偿，从而使水翼模型9的振荡速度始终保持在40度/秒；与此同时力矩传感器16将对水翼模型9所受的力矩进行实时监测记录，通过上位机显示随着振荡角度的变化水翼模型9的力矩在-5N/m到5N/m之间进行周期变化。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：包括：传动机构固定板(2)、伺服电机(3)、调节套筒(4)、前外壳(5)、后外壳(6)、支撑柱(7)、水翼模型(9)、密封胶垫(10)、装置固定板(11)、传动轴(12)、旋转变压器(14)、力矩传感器(16)和轴套(22)；

伺服电机(3)、后外壳(6)与前外壳(5)依次固定连接；与轴套(22)固定在伺服电机(3)的电机轴上，力矩传感器(16)安装在轴套(22)上；传动轴(12)穿过旋转变压器(14)后与力矩传感器(16)固定连接；两个传动机构固定板(2)横向平行固定连接在后外壳(6)两侧，且传动机构固定板(2)与电机轴向垂直；两个装置固定板(11)相互平行，并与电机轴向垂直和传动机构固定板(2)相互垂直；传动机构固定板(2)和装置固定板(11)通过支撑柱(7)固定连接；调节套筒(4)套在支撑柱(7)上，且位于传动机构固定板(2)和装置固定板(11)之间；密封胶垫(10)位于前外壳(5)顶端；传动轴(12)与被测的水翼模型(9)固定连接。

2.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：所述传动轴(12)为圆柱形，其圆柱直径沿轴向并靠近所述伺服电机(3)方向分七级成阶梯变化，依直径从小到大的顺序依次定义为轴第一级、轴第二级、轴第三级、轴第四级、轴第五级、轴第六级和轴第七级；所述传动轴(12)沿轴向并靠近所述伺服电机(3)方向上依次安装设有密封圈(18)、小轴承(19)、大轴承(15)，所述密封圈(18)和小轴承(19)分别依次安装在所述轴第一级并紧贴所述轴第二级上，所述大轴承(15)安装在所述轴第六级并紧贴所述轴第七级上。

3.如权利要求1或2所述的一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：所述传动轴(12)的直径从小到大依次为5mm、6mm、8mm、12mm、13mm、15mm和16mm。

4.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：所述力矩传感器(16)安装在所述传动轴(12)靠近所述伺服电机(3)的一端；所述旋转变压器(14)安装在所述轴第五级上并紧贴所述轴第六级。

5.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：所述旋转变压器(14)上设有所述旋变垫片(20)；旋变垫片(20)与大轴承(15)之间设有挡圈(21)；所述挡圈(21)内部设有与大轴承(15)配合安装的通孔；所述旋转变压器(14)与传动轴(12)之间设有固定螺母(13)；所述传动轴(12)的轴第三级上设有所述固定螺母(13)配合的螺纹。

6.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：所述水翼模型(9)靠近所述伺服电机(3)的一侧开设长方形小凹槽，固定销(17)穿插在所述传动轴(12)上，所述固定销(17)的一部分固定在小凹槽内。

7.如权利要求6所述的一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：所述水翼模型(9)远离伺服电机(3)的一侧开设大凹槽；中间带有通孔的轴端挡片(23)固定在大凹槽底部；所述传动轴(12)穿过所述轴端挡片(23)后通过螺钉固定。

8.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：所述前外壳(5)靠近所述水箱(1)的一侧设有与所述密封圈(18)和小轴承配(19)合安装的圆柱通孔，所述前外壳(5)与所述水箱(1)的后侧之间设有密封胶垫(10)。

9.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼装置，其特征在于：所述装置的工作过程为：首先将整体装置固定安装完毕后，通过调节靠近所述伺服电机(3)一侧的所述支撑住(7)上的螺母，使所述调节套筒(4)不断压紧在所述装置固定板(11)，从而实现所述前外壳(5)以及所述密封胶垫(10)压紧在所述水箱(1)后侧面板上，进而达到良好密封效果；然后将所述水翼模型(9)安装在所述传动轴(12)上，即可进行试验操作及测量；在工作过程中，通过所述旋转变压器(14)实现对所述水翼模型(9)转速的实时监测反馈，进而通过所述伺服电机(3)精确控制所述水翼模型(9)的运动轨迹状态，与此同时通过所述力矩传感器(16)对所述传动轴(12)的力矩进行实时监测记录，最终探究所述水翼模型(9)的动力特性以及流场结构。