CN111521371A - 一种旋转圆柱模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转圆柱模型试验装置，包括支撑塔，支撑塔周向外侧转动套设圆筒；支撑塔内部固装驱动器，驱动器输出端安装转轮，转轮圆周边缘伸出支撑塔，转轮圆周边缘与圆筒内壁面贴合；支撑塔上部转动安装转轴，转轴上端向上伸出支撑塔，转轴上端端头安装转盘，转盘圆周方向与圆筒内壁面固装；支撑塔底面安装力天平；使用时，试验装置通过力天平安装于风洞测试地面，圆筒上方通过紧固件安装短圆筒获得预设长径比的旋转圆柱，驱动器带动转轮转动，转轮经圆周面摩擦力带动与其贴合的圆筒转动，旋转圆柱整体转动，从而通过扭矩仪测量转动扭矩，通过力天平测量升阻力；本发明用于旋转圆柱模型试验，转动可靠稳定，有力保障了试验效果。

Description

一种旋转圆柱模型试验装置

技术领域

本发明涉及旋转圆柱试验装备技术领域，尤其是一种旋转圆柱模型试验装置。

背景技术

模型试验方法是对设备的气动力特性进行评估的主要技术手段之一，旋转圆柱扰流是其中难度较高的模型试验。现有的旋转圆柱扰流试验均用于模拟理想状态下的旋转圆柱，其将旋转圆柱悬吊于空中进行试验，试验转速较低，难以达到较高的转速。

船用风力助推转子，是一种通过旋转圆柱利用风能为船舶航行提供助推力，从而实现船舶节能减排的装置，其实际上是一端固定于甲板之上的悬臂结构。使用过程中的船用风力助推转子受到大气边界层的影响，其与现有旋转圆柱扰流模型试验中旋转圆柱的流体态存在着较大区别。另一方面，为保证旋转圆柱的模型试验结果贴合实际并可以用于工程实际，需要保证试验过程中转子，即旋转圆柱的雷诺数Re满足临界条件，即试验风速不小于临界值，在试验转速比(转子表面线速度与风速的比值)一定的情况下，转子的表面速度也存在临界值。因此，转子模型的半径越小，需要的试验转速越高，而现有的试验装置因其本身结构的限制均难以满足对转速的需求。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的旋转圆柱模型试验装置，从而满足于旋转圆柱试验时对转速的要求，并且转动稳定可靠，有效保障了试验效果。

本发明所采用的技术方案如下：

一种旋转圆柱模型试验装置，包括支撑塔，支撑塔周向外侧转动套设有圆筒；所述支撑塔内部固装有驱动器，驱动器输出端安装有转轮，转轮圆周边缘伸出支撑塔，转轮圆周边缘与圆筒内壁面贴合或啮合；所述支撑塔上部转动安装有转轴，转轴上端向上伸出支撑塔，转轴上端端头安装有转盘，转盘圆周方向与圆筒内壁面固装；所述支撑塔底面安装有力天平。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述支撑塔容纳于圆筒内部，支撑塔外圆周面与圆筒内壁面之间存在间隔；支撑塔圆周面的下部与圆筒之间安装有大轴承或者滚珠机构。

所述支撑塔底部向着圆周方向延伸有基座，基座的直径大于支撑塔及圆筒的直径；

所述滚珠机构的结构为：包括沿着圆筒外圆周面的下边缘周向安装的支架，支架与支撑塔之间沿着周向安装有多个滚珠；所述滚珠与支架上对应的孔卡装，单个滚珠相对于支架转动；位于支架外部的滚珠贴合于支撑塔与基座的衔接处，滚珠与支撑塔外壁面下部、基座上表面同时接触。

所述支撑塔底面安装力天平，支撑塔通过力天平固装于外部风洞实验室地面上。

位于支撑塔顶面与转盘之间的转轴上固装有扭矩仪；所述转轮的轴向与圆筒的轴向平行。

位于转盘上方的圆筒上依次安装有多个短圆筒，圆筒与多个短圆筒共同构成旋转圆柱。

多个短圆筒沿着圆筒轴向依次向上衔接安装；所述圆筒与短圆筒之间、以及相邻短圆筒之间通过紧固件相连。

所述转盘位于旋转圆柱高度的1/2～3/4处。

所述支撑塔顶部为圆坛结构，沿着圆坛结构的轴心转动安装有转轴；所述转轴与圆坛结构之间安装有轴承。

所述圆坛结构与转轴之间安装有套筒，套筒外壁面与圆坛结构固装，套筒套设于转轴圆周面外侧，套筒两端孔口处与转轴之间均安装有轴承。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过支撑塔从圆筒内部对其进行支撑，并在支撑塔内部设置驱动器及转轮带动圆筒转动，从而获得高速、稳定的旋转，实现旋转圆柱模型试验，有效提升了旋转圆柱刚度，极大地助力于其转动的稳定可靠，并有力保障了试验效果。

本发明还包括如下优点：

圆筒底部通过大轴承或滚珠机构与支撑塔支承，圆筒上部通过转盘支承，从而构成圆筒轴向方向的两点简支结构，有效保障了旋转圆柱转动的稳定性；并且大轴承或滚珠机构与转盘均从周向与圆筒相接支撑，有效保证了旋转圆柱转动的同心；

圆筒顶部通过紧固件沿着轴向依次安装多个短圆筒，构成旋转圆柱，通过可拆卸的短圆筒结构，实现旋转圆柱高度的快速改变，灵活性好，从而适用于不同长径比要求的试验，减少换装时间，降低试验成本；

采用内置驱动器的方式带动圆筒转动，巧妙降低了转轴长度，亦使得整体结构更加紧凑合理；驱动器布置于支撑塔内部的中间位置，当驱动器较大较重时则可布置于支撑塔内部的底面。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A部的局部放大图。

图3为图1中B部的局部放大图。

其中：1、支撑塔；2、转轮；3、驱动器；4、力天平；5、转轴；6、转盘；7、圆筒；8、支架；9、滚珠；10、扭矩仪；11、基座；12、套筒；13、轴承；14、紧固件。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的一种旋转圆柱模型试验装置，包括支撑塔1，支撑塔1周向外侧转动套设有圆筒7；支撑塔1内部固装有驱动器3，驱动器3输出端安装有转轮2，转轮2圆周边缘伸出支撑塔1，转轮2圆周边缘与圆筒7内壁面贴合或啮合；支撑塔1上部转动安装有转轴5，转轴5上端向上伸出支撑塔1，转轴5上端端头安装有转盘6，转盘6圆周方向与圆筒7内壁面固装；支撑塔1底面安装有力天平4；通过支撑塔1从圆筒7内部对其进行支撑，并在支撑塔1内部设置驱动器3及转轮2带动圆筒7转动，从而获得高速、稳定的旋转，实现旋转圆柱模型试验，有效提升了旋转圆柱刚度，极大地助力于其转动的稳定可靠，并有力保障了试验效果。

转轮2圆周边缘与圆筒7内壁面贴合，转轮2在驱动器3的带动下，通过摩擦传动带动圆筒7转动；或者，转轮2圆周边缘与圆筒7内壁面啮合，转轮2圆周边缘设置有外齿，圆筒7内壁面设置有与外齿相啮合的内齿，转轮2在驱动器3带动下，通过啮合传动带动圆筒7转动。

支撑塔1底面安装力天平4，支撑塔1通过力天平4固装于外部风洞实验室地面上。

位于支撑塔1顶面与转盘6之间的转轴5上固装有扭矩仪10；转轮2的轴向与圆筒7的轴向平行；采用内置驱动器3的方式带动圆筒7转动，巧妙降低了转轴5长度，亦使得整体结构更加紧凑合理；驱动器3布置于支撑塔1内部的中间位置，当驱动器3较大较重时则可布置于支撑塔1内部的底面。

位于转盘6上方的圆筒7上依次安装有多个短圆筒，圆筒7与多个短圆筒共同构成旋转圆柱；通过可拆卸的短圆筒结构，实现旋转圆柱高度的快速改变，灵活性好，从而适用于不同长径比要求的试验，减少换装时间，降低试验成本。

多个短圆筒沿着圆筒7轴向依次向上衔接安装；圆筒7与短圆筒之间、以及相邻短圆筒之间通过紧固件14相连。

转盘6位于旋转圆柱高度的1/2～3/4处。

如图3所示，支撑塔1顶部为圆坛结构，沿着圆坛结构的轴心转动安装有转轴5；转轴5与圆坛结构之间安装有轴承13。

圆坛结构与转轴5之间安装有套筒12，套筒12外壁面与圆坛结构固装，套筒12套设于转轴5圆周面外侧，套筒12两端孔口处与转轴5之间均安装有轴承13；套筒12及其与转轴5之间两端轴承13的设置，有效保证了转轴5相对于支撑塔1的同轴度，从而保证了转轴5上方转盘6相对于支撑塔1的同轴度，进而助力于保证圆筒7相对于支撑塔1的同轴度，保障了旋转圆柱转动的稳定可靠性。

驱动器3为电机，电机通过齿轮传动等变速装置驱动转轴5转动。

实施例一：

支撑塔1容纳于圆筒7内部，支撑塔1外圆周面与圆筒7内壁面之间存在间隔；支撑塔1圆周面的下部与圆筒7之间安装有大轴承。

大轴承为角接触球轴承，该角接触球轴承安装于圆筒7内壁面与支撑塔1外壁面之间；角接触球轴承的外环与圆筒7内壁面固装，角接触球轴承的内环与支撑塔1外壁面固装；角接触球轴承为圆筒7提供相对于支撑塔1的周向约束和支点。

实施例二：

支撑塔1容纳于圆筒7内部，支撑塔1外圆周面与圆筒7内壁面之间存在间隔；支撑塔1圆周面的下部与圆筒7之间安装有大轴承。

支撑塔1底部向着圆周方向延伸有基座11，基座11的直径大于支撑塔1及圆筒7的直径。

大轴承为推力轴承，该推力轴承安装于圆筒7底面与支撑塔1的基座11之间；推力轴承的上环与圆筒7底面固装，推力轴承的下环与基座11上表面固装；推力轴承为圆筒7提供相对于支撑塔1的周向约束和支点。

实施例三：

支撑塔1容纳于圆筒7内部，支撑塔1外圆周面与圆筒7内壁面之间存在间隔；支撑塔1圆周面的下部与圆筒7之间安装有滚珠机构。

支撑塔1底部向着圆周方向延伸有基座11，基座11的直径大于支撑塔1及圆筒7的直径；如图2所示，滚珠机构的结构为：包括沿着圆筒7外圆周面的下边缘周向安装的支架8，支架8与支撑塔1之间沿着周向安装有多个滚珠9；所述滚珠9与支架8上对应的孔卡装，单个滚珠9相对于支架8转动；位于支架8外部的滚珠9贴合于支撑塔1与基座11的衔接处，滚珠9与支撑塔1外壁面下部、基座11上表面同时接触，周向布置的多个滚珠9经支架8为圆筒7提供轴向和周向约束。

圆筒7底部通过大轴承或滚珠机构与支撑塔1支承，圆筒7上部通过转盘6支承，从而构成圆筒7轴向方向的两点简支结构，有效保障了旋转圆柱转动的稳定性；并且大轴承或滚珠机构与转盘6均从周向与圆筒7相接支撑，有效保证了旋转圆柱转动的同心。

力天平4又称风洞天平，是风洞中用以测量气流作用在模型上的空气动力和力矩的测量设备；它能将空气动力和力矩沿三个相互垂直的坐标轴系分解并进行精确测量；本发明中，力天平4为外购标准件，选用三分力天平，量程为500N。使用时，圆筒7在风场中产生的气动力经两点简支结构传递给支撑塔1，再由支撑塔1传递至力天平4，从而通过力天平4测出旋转圆柱的气动力参数。

本发明的工作原理为：

在圆筒7顶部通过紧固件14沿着轴向依次安装多个短圆筒，获得需求长径比的旋转圆柱；

支撑塔1底部通过力天平4固装于外部风洞实验室地面上；

驱动器3工作，驱动转轴5转动，转轴5从圆筒7内部带动其共同转动，旋转圆柱转动；同步地，风洞实验室进行吹风；

旋转圆柱在风力来流作用下产生马格纳斯效应，从而在旋转圆柱上生成垂直于来流方向的升力；

通过固定驱动器3输出转速，同步调整吹风风速来测量不同转速比下旋转圆柱的升阻力与扭矩；然后，通过固定吹风风速，同步调整驱动器3输出转速来测量不同转速比下旋转圆柱的升阻力与扭矩，升阻力通过力天平4测量，扭矩通过扭矩仪10测量。

本发明操作简单，使用方便，实现了旋转圆柱试验时的稳定可靠转动，试验效果好。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：包括支撑塔(1)，支撑塔(1)周向外侧转动套设有圆筒(7)；所述支撑塔(1)内部固装有驱动器(3)，驱动器(3)输出端安装有转轮(2)，转轮(2)圆周边缘伸出支撑塔(1)，转轮(2)圆周边缘与圆筒(7)内壁面贴合或啮合；所述支撑塔(1)上部转动安装有转轴(5)，转轴(5)上端向上伸出支撑塔(1)，转轴(5)上端端头安装有转盘(6)，转盘(6)圆周方向与圆筒(7)内壁面固装；所述支撑塔(1)底面安装有力天平(4)。

2.如权利要求1所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：所述支撑塔(1)容纳于圆筒(7)内部，支撑塔(1)外圆周面与圆筒(7)内壁面之间存在间隔；支撑塔(1)圆周面的下部与圆筒(7)之间安装有大轴承或者滚珠机构。

3.如权利要求2所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：所述支撑塔(1)底部向着圆周方向延伸有基座(11)，基座(11)的直径大于支撑塔(1)及圆筒(7)的直径；

所述滚珠机构的结构为：包括沿着圆筒(7)外圆周面的下边缘周向安装的支架(8)，支架(8)与支撑塔(1)之间沿着周向安装有多个滚珠(9)；所述滚珠(9)与支架(8)上对应的孔卡装，单个滚珠(9)相对于支架(8)转动；位于支架(8)外部的滚珠(9)贴合于支撑塔(1)与基座(11)的衔接处，滚珠(9)与支撑塔(1)外壁面下部、基座(11)上表面同时接触。

4.如权利要求1所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：所述支撑塔(1)底面安装力天平(4)，支撑塔(1)通过力天平(4)固装于外部风洞实验室地面上。

5.如权利要求1所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：位于支撑塔(1)顶面与转盘(6)之间的转轴(5)上固装有扭矩仪(10)；所述转轮(2)的轴向与圆筒(7)的轴向平行。

6.如权利要求1所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：位于转盘(6)上方的圆筒(7)上依次安装有多个短圆筒，圆筒(7)与多个短圆筒共同构成旋转圆柱。

7.如权利要求6所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：多个短圆筒沿着圆筒(7)轴向依次向上衔接安装；所述圆筒(7)与短圆筒之间、以及相邻短圆筒之间通过紧固件(14)相连。

8.如权利要求6所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：所述转盘(6)位于旋转圆柱高度的1/2～3/4处。

9.如权利要求1所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：所述支撑塔(1)顶部为圆坛结构，沿着圆坛结构的轴心转动安装有转轴(5)；所述转轴(5)与圆坛结构之间安装有轴承(13)。

10.如权利要求9所述的一种旋转圆柱模型试验装置，其特征在于：所述圆坛结构与转轴(5)之间安装有套筒(12)，套筒(12)外壁面与圆坛结构固装，套筒(12)套设于转轴(5)圆周面外侧，套筒(12)两端孔口处与转轴(5)之间均安装有轴承(13)。

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