CN112729756A - 一种适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统及测试方法。该测试系统包括总压耙模块、转动模块、驱动装置。通过驱动装置带动总压耙模块旋转，而使总压耙上的压力探针在风动运行中能够对进气道出口中不同位置的总压进行测试。本发明结构简单，尺寸小，测试范围宽广，量化精度高，获取数据丰富，避免了传统的米字耙、水字耙等总压测试系统对试验流道的附加阻塞，甚至造成进气道不起动的不利影响，并解决了传统总压耙结构位置固定、数据单一等问题，大大提高了试验精准度，减少了试验费用，而且对试验流场影响小，特别适合缩比模型较小、流道面积不大的总压测试试验。

Description

一种适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于进气道风洞试验领域，具体涉及一种风洞试验用进气道出口总压测试装置。

背景技术

进气道承担着向下游发动机提供充足捕获流量的重任，其性能的优劣对发动机的推力及发动机稳定性都有着举足轻重的影响。进气道性能的主要评价指标有进气道出口总压恢复系数和出口流场畸变指数，即出口流场品质的好坏，因此准确地对出口总压展开测量成为进气道风洞试验中的重要一环。由于风洞尺寸和实验经费所限，进气道试验往往会采用缩比模型，因此进气道试验模型中流道面积的微小改变都会对试验状态及测试准确性产生明显影响、严重时可能引起进气道不起动，造成风洞试验失败。故总压测试装置对进气道流通面积的影响大小成为出口总压测量的关键因素。

传统的总压测试方法是在测试截面布置8个或6个总压耙，即“米”字耙或“水”字耙结构，每个耙上按照等环面积分布安装5只总压探针，由此得到进气道出口截面总压的离散分布。这种方法在风洞试验和飞行试验中都得到广泛的应用，但由于安装的总压探针数量有限，“米”字耙或“水”字耙并不能得到出口总压的真实分布，测试误差较大，尤其是对于出口畸变的测量。且传统的“米”字耙或“水”字耙总迎风面积较大，明显加剧了出口的节流程度，对进气道内流场产生的影响较大，这种情况在小模型尺寸时更为显著。除却以上不利因素，传统总压耙由于其结构本身的局限性，总压耙及总压探针位置固定，因此总压数据所在周向角是固定的，相比风洞运行的高昂费用，单次实验所得的数据过于有限，经济性较差。特别是对于进气道设计关心的出口畸变指数，需要大量实验才能得到有效数据，无论是人员，物力还是时间，都是极大的损耗。

如公开号为107917793A的中国发明专利申请公开一种流体力学实验中使用的多排测压耙，但这种多排测压耙结构只是增加了展向探针的数量，却也加剧了流道的堵塞，易对流动产生不利影响。另外，支撑固定结构本身占据的面积太大，超过米字耙所占据的流道面积，对流道产生更大的不利影响。

因此尽可能减小总压耙结构对流场产生的不利影响、并尽可能多的在单次试验中得到更多的点总压数据成为了本发明要解决的关键问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统，能够扩大单次试验总压耙测试范围，并且本身对进气道流道形成堵塞程度大为减少。

为了达到上述目的，本发明的适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统采用的技术方案如下：

一种适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统，包括总压耙模块及转动模块、；所述的总压耙模块包括测试总压信号的总压探针和探针集成板，总压探针安装在探针集成板上并自探针集成板前端向前延伸；所述的转动模块包括尖锥、自尖锥向后同轴延伸的旋转轴、驱动旋转轴转动的驱动装置；所述尖锥与探针集成板的后端固定连接。

而上述适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统的测试方法可以采用如下技术方案，包括如下步骤：

(1)风洞运行时间测试，在风洞中安装试验模型及总压测试系统，采用纹影系统采集流场图像信息，得到风洞在具体试验状态下稳定流场运行时间t₁；

(2)所述驱动装置为步进电机，根据步进电机的步进角计算公式计算转动180°电机运行时间：

其中m为定子相数，Z为转子齿数，C为通电方式，t_f为单次脉冲信号时间；

(3)使t_2i≈0.85t₁；

(4)测试实际转动180°运行时间t_2s,通过与t_2i比较，对电机运行时间进行修正，直到实际运行时间t_2s与指导值接近。

本发明适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统通过转动总压耙模块，巧妙利用旋转总压耙上的压力探针，压力探针即可测试整个环形进气道出口流场，所获得的数据从传统的点式数据变为环形数据，极大提升了总压测试范围，满足对进气道流场中不同位置的总压测试，从而获得更为丰富的试验数据，也有利于与计算流体力学的仿真数据进行相应比对。通过对电机转动速度的精确设置，可以有效利用风洞运行时间，得到可靠稳定充足的实验数据。同时，总压探针的减少，试验所需压力信号传感器数量大为减少。压力探针及相应的扩张整流模块，减少进气道出口堵塞度的同时，扩大了出口面积，进一步减少进气道不起动导致实验失败的风险。本发明结构简单，尺寸小，测试范围宽广，量化精度高，获取数据丰富，转动速度可根据不同模型大小及试验风洞运行时间进行调节。避免了传统的米字耙、水字耙等总压测试系统对试验流道的附加阻塞，堵塞严重时造成进气道不起动导致试验失败，同时解决了传统结构位置相对固定单一，数据较少等一系列相应问题，大大提高了试验精准度，减少试验费用，而且对试验流场影响较小，特别适合缩比模型较小，流道面积不大的试验总压测试。

附图说明

图1是本发明的第一种结构示意图。

图2是本发明的第二种结构示意图。

图3是将本发明应用于实际进气道模型试验的示意图。17是总压测试系统，18是进气道模型示意图。

图中标号名称为：1、固定段，2、尖锥，3、扩张段，4、支板连接处，5、支架，6、等直段，7、步进电机，8、横向限位装置，9、旋转轴，10、探针集成板，11、总压探针，12、轴承，13、限位装置固定位置，14、螺杆，15、锥齿轮，16、锥齿轮。

具体实施方式

请参阅图1及图2，本发明公开了一种适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统。包括总压耙模块、转动模块、步进电机。所述的总压耙模块包括测试总压信号的总压探针5和探针集成板10，总压探针以进气道出口圆心为中点，均匀装配在探针集成板10上，作为总压耙上的总压采集部分。

针对不同的风洞尺寸和试验缩比模型大小对进气道出口堵塞敏感程度，本发明提供了两种传动实施方式，如图1所示，第一种实施方式中包含有整流定位模块；如图2所示，第二中实施方式中包含有传扭转向模块，且第二种实施方式中不含有模拟进气道的扩张段及整流段。其中，第一种实施方式中，整流定位模块适用于风洞试验段尺寸较大，缩比模型对出口堵塞度敏感度较低的试验条件。第二种实施方式中，采用传扭转向模块适用于缩比模型对出口堵塞度较为敏感，风洞试验段尺寸有限，难以加装整流模块的试验条件。

请再结合图1所示，第一种实施方式中，所述的组合采用整流定位模块，通过在试验进气道模型出口加装整流模块，并在整流模块基础上，加入定位模块。整流模块通过采用扩张结构，增加出口段面积，有效减少总压测试系统对进气道出口的堵塞。为获得整流定位模块参数，首先需进行对进气道模型的测试，明确连接段与进气道模型试验段的连接配合，确定连接段的结构尺寸，根据工程经验，给出扩张段半锥角θ为0-12°，结合所用风洞几何尺寸，给出扩张段长度。得到整流模块参数后，在等直段6处加装固定支板5，应注意支板连接处4在流道内，加工时需做锐化处理。由于风洞启动运行时，会对总压测试系统施加剧烈的冲量，且在风洞运行过程中持续施加动静态载荷，因此加装横向限位装置8，从而维持步进电机通过凹槽与整流模块连接的支架5，对步进电机进行限位，维持其沿纵向移动，避免因受外界载荷造成电机横向卡死。尖锥2为尖头，从而避免钝头在超声速流场中产生脱体激波，干扰上游试验段流场。通过在旋转轴头部开槽，实现集成板10与尖锥2之间过盈配合。旋转轴9和横向限位装置8之间加装的轴承12是按照国标GB/T272-1993生产的标准件。在旋转轴9尾部加装步进电机。

第二中实施方式中，通过第一锥齿轮15、第二锥齿轮16进行扭矩传递，且第一锥齿轮的齿轮轴15向前延伸并与旋转轴9同轴连接。第二锥齿轮16通过驱动装置如步进电机的驱动而转动。该实施方式中，避免采用整流模块及支板，进气道出口横截面堵塞大小仅为电机螺杆，适用于试验模型较小的情形。

对于总压测试系统，压力信号采集卡带宽是一定的，而由于一般的风洞特别是超声速风洞吹风时间非常短，一般不超过1分钟，高超声速风洞吹风时间更短，一般不超过10s，电机启动又需要一定时间，因此合理设计电机运行时间，得到电机旋转速度，对于能否充分利用风洞运行时得到可靠稳定充足的试验数据至关重要。为了确定电机运行速度，首先进行风洞模型运行时间测试。在风洞中安装试验模型及总压测试系统，采用纹影系统采集流场图像信息，得到具体风洞在试验状态下稳定流场运行时间t₁，根据步进电机的步进角计算公式计算转动180°电机运行时间：

其中m为定子相数，Z为转子齿数，C为通电方式，t_f为单次脉冲信号时间。对第二种方案，螺杆(14)的转动速度n₂根据传动比公式：

n₁为电机转动速度，Z₁为齿轮(16)齿数，Z₂为齿轮(15)齿数。因此计算t_2i时，取Z＝Z₂即可。由于总压采集信号传感器带宽有限，因此获得总压数据量与运行时间长度成正比，且步进电机启动过程需要一定时间，为保证采集信号的充分且稳定，应保证t_2i≈0.85t₁。理论计算结束后，应根据计算结果进行真实试验。由于风洞开启时内外压差过大会对总压测试系统产生明显冲量，风洞运行过程仍会对总压测试施加动静载荷，因此需测试实际转动180°运行时间t_2s,通过与t_2i比较，对电机运行时间进行修正，直到实际运行时间t_2s与指导值接近。此时，即可利用本发明进行总压测试系统测量进气道出口总压。

Claims (7)

1.一种适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统，其特征在于：包括总压耙模块及转动模块、；所述的总压耙模块包括测试总压信号的总压探针(11)和探针集成板(10)，总压探针(11)安装在探针集成板(10)上并自探针集成板(10)前端向前延伸；所述的转动模块包括尖锥(2)、自尖锥向后同轴延伸的旋转轴(9)、驱动旋转轴(9)转动的驱动装置(7)；所述尖锥与探针集成板的后端固定连接。

2.根据权利要求1所述的适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统，其特征在于：还包括整流定位模块，该整流定位模块包括固定段(1)、扩张段(3)、整流段(6)；固定段(1)与实验段匹配，整流段(6)与旋转轴(9)固定连接，扩张段(3)前端与固定段连接，扩张段(3)后端与整流段连接，且扩张段呈中空的圆台形结构，扩张段自前向后以扩张角θ扩张。

3.根据权利要求1所述的适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统，其特征在于：还包括传扭转向模块；且该系统内不含有模拟进气道的扩张段及整流段；所述传扭转向模块通过第一锥齿轮(15)和第二锥齿轮(16)进行扭矩传递；且第一锥齿轮的齿轮轴向前延伸并与旋转轴(9)同轴连接。

4.根据权利要求2或3所述的适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统，其特征在于：探针集成板(10)上均布若干总压探针并线性覆盖流道范围，当旋转轴(9)转动时，集成板(10)旋转测试流场内环形总压分布。

5.根据权利要求1所述的适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统，其特征在于：通过在尖锥开槽使集成板(10)与尖锥之间过盈配合。

6.根据权利要求1所述的适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统，其特征在于：还包括支板(5)、横向限位装置(8)；支板(5)中间开槽，横向限位装置(8)插入支板(5)槽中，采用螺钉固定，使驱动装置(7)螺杆维持横向移动。

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的适用于飞行器进气道的旋转耙总压测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)风洞运行时间测试，在风洞中安装试验模型及总压测试系统，采用纹影系统采集流场图像信息，得到风洞在具体试验状态下稳定流场运行时间t₁；

(2)所述驱动装置为步进电机，根据步进电机的步进角计算公式计算转动180°电机运行时间：

其中m为定子相数，Z为转子齿数，C为通电方式，t_f为单次脉冲信号时间；

(3)使t_2i≈0.85t₁；

(4)测试实际转动180°运行时间t_2s,通过与t_2i比较，对电机运行时间进行修正，直到实际运行时间t_2s与指导值接近。

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