CN110823512A - 一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶与海洋工程水动力学试验技术领域，具体涉及一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置。该装置包括位于水面上的测力机构和辅助调节机构以及位于水面下的水翼安装模块。位于上部的测力机构和辅助调节机构集成为一个三分力测量平台，位于下端的水翼安装模块通过连接轴来连接试验所用水翼。各平台安装有预紧压载，保证各测力天平初始受力为0；整体结构的薄弱处安装有加强件，用于防止受力过大而破坏。本发明用于循环水槽等实验室设施进行水翼绕流试验，采用直流电机操纵蜗轮蜗杆机控制水翼的往复摆动运动，使用测力天平和扭矩传感器测量固定攻角或是摆动攻角下水翼的水动力学特性。具有操作简单，测量精度高的特点。

Description

一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程水动力学试验技术领域，具体涉及一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置。

背景技术

水翼在水下航行器、水下机器人、水下潜器以及水面舰船的设计优化中有着非常广泛的应用，例如水下航行器的动力装置以及水面舰船的螺旋桨、舵、节能附体等结构；水翼的主要作用是用来产生升力，通过调节翼的厚度、安装位置、迎流攻角等影响因素可以依据实际所需获得不同方向、不同大小的升力；具体应用翼的结构有：船用舵、帆船龙骨、减摇鳍、附体支架、螺旋桨、水雷的附体鳍翼、水下装置整流片、喷水推进器转子的旋叶、各种水轮所用叶片等等。水翼在海洋工程领域内的的应用非常广泛，在船舶工业中具有优秀水动力性能的水翼能够为船舶提供减阻节能，提高稳性等效用，为实现绿色船舶、生态船舶提供新思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置。

一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置，该装置包括：位于水面上的测力机构和辅助调节机构以及位于水面下的水翼安装模块，所述的测力机构包括第二升力平台8，所述的辅助调节机构包括水翼整流罩9和水翼连接杆10，所述水翼安装模块包括第一阻力平台14和第二阻力平台17；所述测力机构和辅助调节机构安装在一套三层的支架上，该支架的外层平台为第一阻力平台14，该支架的中层平台为第二升力平台8，第一阻力平台14与第二升力平台8沿两个相互垂直的方向进行转动；所述辅助调节机构安装在支架的内层平台上，该平台上安装有水翼连接杆10，水翼连接杆10的上端与测力机构相连接，水翼连接杆10的另一端连接到水面下方的水翼安装模块；所述水翼整流罩9由两块由侧板连接的假底组成的，试验所用水翼连接杆10穿过水翼整流罩9的上假底安装于侧板之间。

所述的测力机构还包括：阻力测量天平1，阻力测量支架2，升力测量支架3，升力测量天平4，第一预紧压载5，第二预紧压载6，第一升力平台7；阻力测量天平1与阻力测量支架2相连，阻力测量支架2安装在水翼整流罩9的上假底上，升力测量天平4与升力测量支架3相连，升力测量支架3安装在水翼整流罩9的上假底上，阻力测量支架2的上端、升力测量支架3的上端和第一预紧压载5的上端与第一阻力平台14相连，第二预紧压载6安装在第二阻力平台17上，第二预紧压载6的上端与第二升力平台8相连，第一升力平台7安装在第一阻力平台14和第二阻力平台17之间，且与第一升力平台7水翼连接杆10相连。

所述的辅助调节机构还包括管道阀件11，所述的管道阀件11安装在水翼整流罩9内的水翼连接杆10上。

所述的水翼安装模块还包括：角度传感器12、角度传感器平台13、涡轮机构15、扭矩传感器16、直流电机和编码器18、联轴器19、紧固系统20和蜗杆机构21；所述的角度传感器平台13与第二升力平台8由铝合金材质的连接架相连，第二升力平台8与第一阻力平台14由铝合金材质的连接架相连，第一阻力平台14与第二阻力平台17由铝合金材质的连接架相连，连接架之间安装有紧固系统20，角度传感器平台13上安装有角度传感器12；角度传感器平台13与第二升力平台8之间依次安装有涡轮机构15和扭矩传感器16，且涡轮机构15和扭矩传感器16与水翼连接杆10相连，涡轮机构15和蜗杆机构21由直流电机和编码器18驱动直流电机控制，直流电机和编码器18安装在角度传感器平台13与第二升力平台8之间的连接架上，联轴器19安装在水翼连接杆10上，联轴器19位于扭矩传感器16下端。所述的假底为亚克力板。

本发明的有益效果在于：

本发明采用两个不同的测力传感器分别测量水翼的升力与阻力，避免了传统方法使用三分力天平所产生的两个方向受力干扰，可以得到更加准确的试验结果。此外，本装置采用编码器控制的电机对水翼的运动进行控制，不仅可以完成静态水翼的试验，还可以对正弦周期运动、拍动运动等动态水翼工况进行试验来测量其水动力性能。操作简便，测量结果准确，并具有广泛的通用性。

附图说明

图1是一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置的使用效果图。

图2是该试验装置的测力机构和辅助调节机构的局部放大图。

图3是该试验装置的水翼安装模块局部放大图。

图4是该试验装置辅助调节机构的局部放大图。

图5是该试验装置辅助调节机构截面的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置，包括位于水面上的测力机构和辅助调节机构以及位于水面下的水翼安装模块。所述测力机构和辅助调节机构安装在一套三层的支架上，该支架的外层和中层平台可以沿两个相互垂直的方向进行转动，使得应变式测力天平产生形变，进而测量作用在水翼上的升力和阻力。所述辅助调节机构安装在支架的内层平台上，该平台上安装有连接到鳍轴的连接杆，它的上端与一套蜗轮蜗杆机构相连接，对水翼的攻角进行辅助调节，平台顶部装有角度传感器，从而对水翼的攻角进行控制。连接杆的另一端连接到水面下方的水翼安装模块。所述水翼安装模块由两块由侧板连接的假底组成，试验所用水翼安装在假底之间，假底为有机玻璃材质，可以在试验的过程中观察水翼的运动情况。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述的测力机构，还包括两组预紧压载，通过调整压载的重量，使连接臂保持垂直，进而使升力力测量天平4与阻力测量天平1保持不受力状态，从而控制测量精度。

2.所述涡轮机构15和蜗杆机构21由编码器驱动直流电机进行控制，从而可以使水翼攻角可以按正弦曲线进行变化，得以进行摆动翼试验。

3.所述的安装支架平台之间由铝合金材质的连接架相连，此外，连接架之间的薄弱区还有加强连接件，防止由于水翼受力过大而发生连接处断裂导致损坏仪器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置，包括如下操作方法：

1)对应变式测力天平、力矩传感器进行标定，得到天平的灵敏度系数，将天平安装到连接臂和连接杆上，将试验装置安装在循环水槽的轨道上，检查编码器和电机是否正常工作，角度传感器是否实数准确，启动数采系统，安装试验所用水翼，完成试验的前期准备。

2)进行静态水翼水动力试验，启动水槽的流速控制器，调整改变水槽中水的流速至所需值，对水翼受力进行测量。改变模型的攻角，得到水翼在不同攻角下的阻力、升力以及扭矩曲线。

3)进行动态水翼水动力试验，设置直流电机的运动模式，控制水翼的摆动角度幅值和摆动频率，对水翼的升力、阻力及扭矩进行测量。

4)完成所有工况后，关闭数采系统，拆卸试验所用的水翼和各传感器。

一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置包括：位于水面上的测力机构和辅助调节机构以及位于水面下的水翼安装模块。所述位于水面上方的测力机构，包括位于外层和中层的安装平台，用于连接平台的连接臂，以及安装在各平台间的应变式测力天平。连接臂可以使平台沿两个相互垂直的方向进行转动，从而使安装在平台间的测力天平分别测量得出试验水翼的升力与阻力。所述位于水面上方的辅助调节机构，包括位于内层的安装平台，以及安装在平台上的连接杆。连接杆上端装有角度传感器，一组蜗轮蜗杆机构；连接杆下端装有扭矩传感器，并与试验所用水翼相连接。角度传感器用于精确地确定水翼的攻角，扭矩传感器用于测量作用水翼上的力矩。所述位于水面下方的水翼安装模块包括由两块侧板支撑的上下两段假底，以及试验所使用的水翼。假底可以用来消除水槽自由液面对水翼的影响，进而减小浸深效应。所述假底由亚克力板制成，使得在试验过程中可以清楚地观察水翼周围流场状态。

如图1、图2和图3所示，本发明包括一个测力机构、辅助调节机构和水翼安装机构3部分组成。测力机构包括升力测量天平4及其阻力测量支架2，阻力测量天平1及其升力测量支架3，此外还包括平台角度调节机构第一预紧压载5，第二预紧压载6，通过调整重物可使与其相连的测力机构所在的第一升力平台7，第二升力平台8与第二阻力平台17处于相对垂直于水翼连接杆10的位置，保证测量精度。

图中：阻力测量天平1，阻力测量支架2，升力测量支架3，升力测量天平4，第一预紧压载5，第二预紧压载6，第一升力平台7，第二升力平台8，水翼整流罩9，水翼连接杆10，管道阀件11，角度传感器12，角度传感器平台13，第一阻力平台14，涡轮机构15，扭矩传感器16，第二阻力平台17，直流电机和编码器18，联轴器19，紧固系统20，蜗杆机构21。

在进行试验之前先进行准备工作。首先调整第一预紧压载5和第二预紧压载6处的重物使第一升力平台7和第二升力平台8保持与水翼连接杆10处于同一水平面上，随后将阻力测量天平1、升力测量天平4、角度传感器12与扭矩传感器16接入数采系统，对其进行调零，将直流电机和编码器18接入控制箱。检查各传感器和电机编码器是否工作正常，各项参数是否准确，完成试验的前期准备。

之后开始将测量所用管道阀件11安装到水翼连接杆10上，再将整体机构吊放到循环水槽的合适位置。完成试验的调试环节，可以开始进行试验。

通过调整控制直流电机(18)的控制箱的各项参数，此时管道阀件11处于0度攻角位置，调整循环水槽的流速满足试验工况，开始记录各传感器阻力测量天平1、升力测量天平4、角度传感器12与扭矩传感器16的读数，将采集的数据文件保存。

通过调节直流电机和编码器18的控制箱，更改水翼的攻角，开始采集下一个试验工况的数据。重复操作，直至达到水翼失速角，完成静态水翼试验的工况。

调整控制直流电机和编码器18的控制箱参数，此时水翼连接杆10开始做正弦运动的摆动翼试验，采集各传感器阻力测量天平1、升力测量天平4、角度传感器12与扭矩传感器16的读数，将采集的数据文件保存。

完成所有工况后，关闭各个采集系统及电机控制系统，将整个试验装置从循环水槽中卸载，最后将试验所用管道阀件11拆卸收回。

本发明公开了一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置。该装置包括位于水面上的测力机构和辅助调节机构以及位于水面下的水翼安装模块。所述位于上部的测力机构和辅助调节机构集成为一个三分力测量平台，平台的外层和中层分别采用两个应变式测力天平测量阻力和升力；平台的内层装有连接轴用于连接试验所用水翼，其上装有扭矩传感器用以测量水翼的俯仰力矩。连接轴的另一端与辅助调节机构相连，该辅助调节机构包括一组由电机驱动的蜗轮蜗杆机构用来调节水翼的攻角，以及一个角度传感器以确定各瞬间的攻角值。所述位于下端的水翼安装模块通过连接轴来连接试验所用水翼，并使用两块假底以消除自由液面对水翼周围流场的干扰。此外，各平台安装有预紧压载，用于保证各测力天平初始受力为0；整体结构的薄弱处安装有加强件，用于防止受力过大而破坏。本发明可以用于循环水槽等实验室设施进行水翼绕流试验，采用直流电机操纵蜗轮蜗杆机控制水翼的往复摆动运动，使用测力天平和扭矩传感器测量固定攻角或是摆动攻角下水翼的水动力学特性。具有操作简单，测量精度高的特点。

Claims (5)

1.一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置，其特征在于，该装置包括：位于水面上的测力机构和辅助调节机构以及位于水面下的水翼安装模块，所述的测力机构包括第二升力平台(8)，所述的辅助调节机构包括水翼整流罩(9)和水翼连接杆(10)，所述水翼安装模块包括第一阻力平台(14)和第二阻力平台(17)；所述测力机构和辅助调节机构安装在一套三层的支架上，该支架的外层平台为第一阻力平台(14)，该支架的中层平台为第二升力平台(8)，第一阻力平台(14)与第二升力平台(8)沿两个相互垂直的方向进行转动；所述辅助调节机构安装在支架的内层平台上，该平台上安装有水翼连接杆(10)，水翼连接杆(10)的上端与测力机构相连接，水翼连接杆(10)的另一端连接到水面下方的水翼安装模块；所述水翼整流罩(9)由两块由侧板连接的假底组成的，试验所用水翼连接杆(10)穿过水翼整流罩(9)的上假底安装于侧板之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置，其特征在于，所述的测力机构还包括：阻力测量天平(1)，阻力测量支架(2)，升力测量支架(3)，升力测量天平(4)，第一预紧压载(5)，第二预紧压载(6)，第一升力平台(7)；阻力测量天平(1)与阻力测量支架(2)相连，阻力测量支架(2)安装在水翼整流罩(9)的上假底上，升力测量天平(4)与升力测量支架(3)相连，升力测量支架(3)安装在水翼整流罩(9)的上假底上，阻力测量支架(2)的上端、升力测量支架(3)的上端和第一预紧压载(5)的上端与第一阻力平台(14)相连，第二预紧压载(6)安装在第二阻力平台(17)上，第二预紧压载(6)的上端与第二升力平台(8)相连，第一升力平台(7)安装在第一阻力平台(14)和第二阻力平台(17)之间，且与第一升力平台(7)水翼连接杆(10)相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置，其特征在于：所述的辅助调节机构还包括管道阀件(11)，所述的管道阀件(11)安装在水翼整流罩(9)内的水翼连接杆(10)上。

4.根据权利要求1所述的一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置，其特征在于，所述的水翼安装模块还包括：角度传感器(12)、角度传感器平台(13)、涡轮机构(15)、扭矩传感器(16)、直流电机和编码器(18)、联轴器(19)、紧固系统(20)和蜗杆机构(21)；所述的角度传感器平台(13)与第二升力平台(8)由铝合金材质的连接架相连，第二升力平台(8)与第一阻力平台(14)由铝合金材质的连接架相连，第一阻力平台(14)与第二阻力平台(17)由铝合金材质的连接架相连，连接架之间安装有紧固系统(20)，角度传感器平台(13)上安装有角度传感器(12)；角度传感器平台(13)与第二升力平台(8)之间依次安装有涡轮机构(15)和扭矩传感器(16)，且涡轮机构(15)和扭矩传感器(16)与水翼连接杆(10)相连，涡轮机构(15)和蜗杆机构(21)由直流电机和编码器(18)驱动直流电机控制；直流电机和编码器(18)安装在角度传感器平台(13)与第二升力平台(8)之间的连接架上；联轴器(19)安装在水翼连接杆(10)上，联轴器(19)位于扭矩传感器(16)下端。

5.根据权利要求1所述的一种用于循环水槽中水翼测力的试验装置，其特征在于，所述的假底为亚克力板。

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