CN111981103A - 一种小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段，属于空气动力学风洞设计、制造、装配领域。该发明主要包括差速动力输入装置和差速器固定装置。所述差速输入装置包括输入轴、差速器、输出轴和叶轮等；所述差速器固定装置包括壳体联接件、整流翼、后部联接件、固定柱、尾部支撑杆和动力段支架等；其余零部件为风洞外壁、风洞整流罩、电机、联轴器等。其具有的特点是：(1)该发明方案使电机不再受小型直流风洞动力段内部体积、散热等限制，可以为风洞选择更高功率、更大体积的电机，明显地提高小型风动的功率上限，进而提高风洞最大风速；(2)传统内置电机方案需要定制长轴电机，造价不菲，同样动力水平的情况下，外置电机方案可节省80％的经费。
Description
技术领域
本发明属于空气动力学风洞设计、制造、装配技术领域，具体是一种小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段设计。
背景技术
小型低湍流度长时运行风洞一般用于气动教学演示、气动相关的仪器标定、大型风洞的技术验证、小型科学试验等方面。现绝大部分小型风洞风道长度不超过10米、试验段横截面积在1000平方厘米以下、湍流度在千分之五以下、风洞最佳风速在40m/s以下，少量风洞最佳风速可达80m/s左右、在最高风速情况下，稳定运行时间可超过60分钟、造价不超过100万人民币(2020年中国大陆的物价水平)，其动力段一般采用长轴电机或者外置一个电机通过单根长轴传动驱动叶轮转动，受限于小型风洞有限的内部尺寸，很难实现更高的功率输入。
现阶段部分科学研究亟需风速120m/s以上的小型风洞，甚至风速160m/s以上的小型风洞，而风洞的功率需求跟风速的三次方成正比。在同等条件情况下，最高风速160m/s的风洞功率需求约是最高风速80m/s的风洞的8倍，是最高风速40m/s的风洞的64倍。而现有的小型风洞的动力方案已经将尺寸空间基本充分利用，很难在现有基础上再提高一个数量级的功率输入。
值得注意的是，现阶段还存在一类以储气罐为动力的小型高速风洞，这类风洞甚至可以产生超音速的气流速度，但是对储气体量和压力都提出了较高的要求，为了实现较长时间的工作要求，储气系统的占地面积、成本、风险都是较高的。
纵观上述，目前国内应用的小型风洞存在设计风速低的问题，几乎都低于80m/s以下；即使有储气罐式的小型高速风洞，但工作条件和建造条件并不适合作为普及性的科学研究工具。
发明内容
针对国内应用的小型风洞存在的问题，本发明旨在发明一种低造价、高功率，可以为试验段提供极限极限可达160m/s风速的小型风洞外置双电机差速输入的动力段。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段，作为小型风洞的动力来源，设置在风洞末端，动力段主要包括风洞内的差速动力输入装置、差速器固定装置和相关零件，差速动力输入装置包括输入轴、差速器、输出轴、叶轮；所述差速器固定装置包括壳体联接件、整流翼、后部联接件、固定柱、尾部支撑杆和动力段支架等；其余零部件为风洞外壁、风洞整流罩、电机、联轴器等。差速器上安装2根输入轴和1根输出轴，叶轮安装在输出轴末端、差速器两侧安装壳体联接件；差速器上下安装有整流翼，两侧壳体联接件上也安装整流翼，整流翼另一端和动力段支架相关零件固定；差速器末尾安装后部联接件、固定柱和尾部支撑杆。差速器依靠整流翼和尾部支撑杆固定安装在风洞中。上述结构外依次安装整流罩和风洞外壁。2个电机安装在动力段支架两侧，分别通过联轴器联接输入轴。
优选的，左右整流翼设计出从截面贯穿整流翼的长孔，孔径大于输入轴轴径，输入轴穿入其中，轴与整流翼之间保持空隙。
优选的，所述整流翼和尾部支撑杆暴露在风洞中的部分截面曲线为翼型曲线，且翼型曲线前缘朝向来流方向。支撑结构的数量越多，单个支撑结构的体积就会越小、对风洞内流场影响越小，但支撑能力会下降。为保证差速器的安装稳定，同时避免支撑结构体积过大影响流场，所述整流翼和尾部支撑杆的总数量应为7～10个。
优选的，所述整流翼和尾部支撑杆的总数量为7个。
优选的，所述差速器、壳体联接件、整流翼和尾部支撑杆的根部均密封在风洞整流罩内。
本发明的有益作用：
该方案充分利用冠状差速器的特点，逆向使用冠状差速器，将原本的两输出轴改为输入轴，用两个高功率电机作为动力源，分别通过联轴器联接输入轴，安置在风洞外两侧，电机外置时其大小和功率不受风洞体积、散热等的限制，所以可以选择功率更高的电机；两侧各安置一个电机可大幅提高小型风洞输入功率，提高实验风速。经过调研，在同样大小的风洞中，传统动力段设计方法受制于整流罩空间和散热限制，定制的长轴电机功率一般小于1.5kW，而本方案双电机输入额定功率为15kW左右，可以将输入功率提高十倍有余。
由风洞动力系统功率估算公式：
式中:
ρ为空气密度，以风洞建设地西安为例，海拔约400米，在标准大气状态下约为1.15kg/m3；
V0为试验段风速，以取极限风速V0＝160m/s为例；
A0为试验段截面积，A0＝0.016m2；
ER为风洞的能量比，其数值大小为
而总损失系数
其中A0为试验段截面积；Ki为各段损失系数；Ai为各段截面积。NF-3闭口直流风洞估算出来约4.84；29基地FL-13闭口直流估算出来约5.23，一般认为闭口直流风洞能量比在2到5之间，本设计根据分段估算并带入上述数据，并留有30％的余量，计算得
ηF为风扇系统效率，以取0.80为例；
ηT为传动效率，本方案传动系统中考虑一个同轴减速器消耗的功率，初步估算ηT取0.9。代入计算得电机的需用功P＝13764.8W。考虑10％的余量以及采用插入段后损失增加和风速提高所需的能量，电机的功率定为15141.3W。本发明中双电机输入功率可达15kW，即15000W，基本符合要求，所以风洞试验段的最大风速大约为160m/s，实现了小型风洞风速、功率的大幅提高。
该方案中风洞差速器有多达7个固定点，这种方法可以最大限度地保障差速传动系统的稳定，并抵消叶轮盘高速旋转产生的动量矩。多达7个的支撑结构可以使每个结构的体积尽可能小，加之整流翼和尾部支撑杆的截面曲线都是翼型曲线，可以最大程度减小支撑结构对风洞流场的干扰。
附图说明
图1是本发明装置差速动力输入部分的正等轴侧示意图；
图2是本发明装置差速动力输入部分的俯视示意图；
图3是本发明装置差速动力输入部分装上整流罩后的示意图；
图4是本发明装置的总体装配示意图；
图5是本发明装置差速器内部结构示意图；
图6是本发明装置在小型直流风洞中的位置。
附图标记说明：
1、2是输入轴、3是差速装置、4是输出轴、5是叶轮盘、6～9是壳体联接件，10～13是整流翼、14是后部联接件、15是尾部支撑件、16是整流翼固定柱、17～19是整流罩、20是风洞动力段外壁，由多段组成，此处简化为一段、21是风洞动力段支架、22是电机、23是联轴器。
具体实施案例：
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本领域技术人员应该理解的是，这些实施方式仅仅用于解释发明的基本原理，并非旨在现在本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，所述“上”、“下”、“左”、“右”“内”“外”等旨在描述方向或者位置关系的属于基于附图所示的方向或者位置关系，这些只是为了便与描述，而不应该被理解为对本发明的限制。
除此以外，在本发明的描述中，除非有明确的规定和限定，所述“安装”、“联接”应做广义理解，例如，可以是固定的联接，也可以是可拆卸的联接，或一体地联接；可以是直接的联接，也可以是通过别的中间联接件联接。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述语言在发明中的具体含义。
如图1、图2所示，一种小型直流风洞叶轮差速动力输入部分，主要用于设置在小型直流风洞的动力段，为风洞提供动力。电机通过联轴器联接输入轴(1)、(2)、两轴另一端联接差速器(3)；差速器将动力从输出轴(4)传递给叶轮盘(5)，叶轮盘转动，在风洞中形成流场；差速器外壳两侧安装壳体联接件(6)～(9)，壳体联接件用来辅助联接上下两个差速器壳；壳体联接件分为左右两组，(6)和(7)为一组，(8)和(9)为一组，两组壳体联接件上安装的整流翼(10)、(11)；差速器上下安装整流翼(12)、(13)；四个整流翼另一端均与动力段支架相关零件联接；差速器尾部安装后部联接件(14)，后部联接件另一端安装固定柱(16)，固定柱(16)上有3个均布的卡槽，用来安装3个尾部支撑杆(15)，支撑杆另一端联接动力段支架，上述差速动力输入装置通过4个整流翼、3个尾部支撑杆和动力段支架相联，总计7个固定点。
如图3、图4所示，整流罩(17)、(18)、(19)依次安装包裹住差速器，风洞外壁(20)与整流罩同轴安装，上述所有结构(1)～(20)构成风洞动力段，安装在动力段支架(21)中部，电机(22)安装在支架(21)两侧，风洞输入轴和电机通过联轴器(23)联接。
如图3所示，整流罩包括前段整流罩(17)，中段整流罩(18)和后段整流罩(19)，差速器的全部结构和整流翼、尾部支撑杆的根部均包裹在整流罩内，整流罩安装好后，整流罩和风洞外壁之间仅有整流翼和尾部支撑杆，其余大量的空间用以空气的流动。
如图5所示，所述差速器两侧安装输入轴，输入轴末端均安装输入轴锥齿轮，两齿轮位置同轴、对顶且互不干涉；行星齿轮支架上安装两行星齿轮，两行星齿轮同轴、对顶且互不干涉，上述两组齿轮轴线垂直且齿轮间相互交替啮合；行星齿轮架与大锥齿轮固定在一起，大锥齿轮与输入轴同轴，与安装在输出轴上的小锥齿轮啮合，构成图中直角锥齿轮组。两输入轴同时转动时，两轴端锥齿轮转动但相对静止、两个行星齿轮公转但相对静止，这对行星齿带动行星齿轮架做旋转运动，进而通过直角锥齿轮组将动力传递给输出轴。即使两输入轴转速有细微的差别，上述动力传递的过程依旧成立，不过原本相对静止的两输入轴锥齿轮、两行星齿轮将有微小的相对转动。上述差速器结构与冠状差速器相同，可以采用相似功能的其他差速器进行代替。
如图6所示，装配好的动力段安装在该风洞末端，为风洞提供动力。
本实施方式中的小型风洞为闭口直流式，其试验段横截面积为160平方厘米，设计极限风速160米每秒，横向和纵向湍流度均控制在万分之二以下，全长6.14米，动力段的整流罩最大内半径仅为28厘米，可用以内置电机安置的长度在45厘米以下。根据发明人的市场调研，倘若电机安置在风洞内部，受空间、散热等因素所限，只能选择功率小于1.5kW的电机，风洞最大风速也只能达到78米/秒。依据本方案，使用两个7.5kW电机外置输入动力，使得输入功率达到远超内置电机方案上限的15kW。冠状差速器内部均为齿轮传动，传动效率极高，发热很低，且在常温条件下，只考虑极速运行(160米/秒)少于20分钟、最佳设计风速(130米/秒)稳定运行60分钟的情况，这样的宽松条件使得在整流罩内部无需设计制造散热系统，给差速器留下尽量大的设计安装空间。
选择外置双电机差速提供动力的方案，可以采购市场上在售的标准电机；但是内置电机提供动力的方案则需要向专业的公司定制长轴电机，与长轴电机相关的种种设计与配套将导致制造成本大幅增加。根据调研，建造同样动率的动力段，使用前者的造价仅为后者的六分之一。
风洞内差速器尺寸可以占到风洞直径的一半，倘若不进行支撑结构的改变，一来会使差速装置的固定结构十分庞大，影响风洞正常使用、二来将使风洞直径远超现有设计，成倍增加建造难度和费用。发明利用整流翼和尾部支撑杆提供多达7个固定点，直接联接差速装置和动力段支架相关零件，分散载荷，缩小单个支撑结构体积，并将其截面翼型化，避免影响流场流动效果。
输入轴(1)、(2)和输出轴(3)材质为合金钢；差速器(3)内部齿轮组和输出输入轴安装好后，在壳体左右安装壳体联接件(6)～(9)，加固上下壳体，前述壳体联接件的材质为铝6061；整流翼(10)～(13)的材均为合金钢，(10)、(11)截面为翼型naca0020，(12)、(13)截面为翼型naca0015，整流翼(10)、(11)安装在左右的壳体联接件上，整流翼(12)、(13)安装在差速器上下两位置；差速器壳体后部依次联接后部联接件(14)和固定柱(16)，(14)和(16)的材质为铝7075，此时先后安装整流罩(17)、(18)，整流罩(17)从前面推入安装，整流罩(18)从后面推入安装，然后在支撑杆固定柱上安装3个尾部支撑杆(15)，尾部支撑杆的材质为铝7075，截面翼型为naca0015；安装完毕后，从后面推入安装整流罩(19)，固定在支撑杆固定柱末端，整流罩(17)～(19)的材质均为树脂打印件，最后将叶轮盘(5)安装到输出轴(4)上，叶轮盘相关零件材质均为铝合金；风洞外壁(20)为装配体，其中的外壁零件由碳钢滚压焊接加工；前述所有零部件装配好后安装在动力段支架(21)上，电机(22)安装在支架两侧，支架由型材焊接加工；电机与输入轴通过标准联轴器(23)联接。
上述一种小型风洞差速动力输入及整流固定装置的全长约为830mm，全宽约为1839mm，全高约为1743mm。
最后需要指出的是：以上所述仅为发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应该理解：凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段，作为小型风洞的动力来源，设置在风洞末端，其特征在于，动力段主要包括风洞内的差速动力输入装置、差速器固定装置和相关零件，差速动力输入装置包括输入轴、差速器、输出轴、叶轮；所述差速器固定装置包括壳体联接件、整流翼、后部联接件、固定柱、尾部支撑杆和动力段支架等；其余零部件为风洞外壁、风洞整流罩、电机、联轴器等。差速器上安装2根输入轴和1根输出轴，叶轮安装在输出轴末端、差速器两侧安装壳体联接件；差速器上下安装有整流翼，两侧壳体联接件上也安装整流翼，整流翼另一端和动力段支架相关零件固定；差速器末尾安装后部联接件、固定柱和尾部支撑杆。差速器依靠整流翼和尾部支撑杆固定安装在风洞中。上述结构外依次安装整流罩和风洞外壁。2个电机安装在动力段支架两侧，分别通过联轴器联接输入轴。
2.一种如权利要求1所述的小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段，其特征在于，所述左右整流翼上有从截面贯穿整流翼的长孔，孔径大于输入轴轴径，输入轴穿入其中，轴与整流翼之间保持空隙。
3.一种如权利要求1所述的小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段，其特征在于，所述整流翼和尾部支撑杆暴露在风洞中的部分截面曲线为翼型曲线，且翼型曲线前缘朝向来流方向。
4.一种如权利要求3所述的小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段，其特征在于，所述整流翼和尾部支撑杆的总数量为7个。
5.一种如权利要求1所述的小型直流风洞外置双电机差速输入的动力段，其特征在于，所述差速器、壳体联接件、整流翼和尾部支撑杆的根部均密封在风洞整流罩内。
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- 2020-07-27 CN CN202010734636.4A patent/CN111981103B/zh active Active
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