CN113008531B - 螺旋桨拉力和转矩的测量装置 - Google Patents

螺旋桨拉力和转矩的测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种螺旋桨拉力和转矩的测量装置，包括：底座，其上可转动地连接有下立柱，所述下立柱上可转动地连接有上立柱，螺旋桨能转动地连接在所述上立柱的上端；第一测量机构，具有沿所述下立柱的转动方向设置在所述下立柱的相对两侧的拉力测量结构和阻力测量结构；第二测量机构，具有沿所述上立柱的转动方向设置在所述上立柱的相对两侧的两个转矩测量结构；其中，所述下立柱相对所述底座的转动轴线与所述上立柱相对所述下立柱的转动轴线相垂直设置。本发明的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，能够在地面和车载试验上快速便捷地同时测试螺旋桨的拉力和转矩。

Description

螺旋桨拉力和转矩的测量装置
技术领域
本发明涉及航空动力技术领域，尤其涉及一种螺旋桨拉力和转矩的测量装置。
背景技术
螺旋桨通过旋转把围绕桨叶周围的空气排开而产生驱动力，从而满足飞行器的动力需求。
目前，随着航空技术尤其是无人机技术的发展，采用螺旋桨作为动力的飞行器数量庞大，在飞行器动力系统选型及测试阶段，对螺旋桨地面拉力进行测试十分有必要。现有螺旋桨性能测试多采用风洞试验，然而风洞试验费用高昂。
如何在地面和车载试验上快速便捷的测试螺旋桨拉力和转矩是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种螺旋桨拉力和转矩的测量装置，能够在地面和车载试验上快速便捷地同时测试螺旋桨的拉力和转矩。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供一种螺旋桨拉力和转矩的测量装置，包括：
底座，其上可转动地连接有下立柱，所述下立柱上可转动地连接有上立柱，螺旋桨能转动地连接在所述上立柱的上端；
第一测量机构，具有沿所述下立柱的转动方向设置在所述下立柱的相对两侧的拉力测量结构和阻力测量结构；
第二测量机构，具有沿所述上立柱的转动方向设置在所述上立柱的相对两侧的两个转矩测量结构；
其中，所述下立柱相对所述底座的转动轴线与所述上立柱相对所述下立柱的转动轴线相垂直设置。
在本发明的实施方式中，所述拉力测量结构具有拉力杆及拉力测量传感器，所述拉力测量传感器设置在所述底座上，所述拉力杆的一端与所述下立柱相连，其另一端能与所述拉力测量传感器相接触或分离。
在本发明的实施方式中，所述阻力测量结构具有阻力杆及阻力测量传感器，所述阻力测量传感器设置在所述底座上，所述阻力杆的一端与所述下立柱相连，其另一端能与所述阻力测量传感器相接触或分离。
在本发明的实施方式中，所述转矩测量结构具有转矩杆及转矩测量传感器，所述底座上连接有平台，所述转矩测量传感器设置在所述平台上，所述转矩杆的一端与所述上立柱相连，其另一端能与所述转矩测量传感器相接触或分离。
在本发明的实施方式中，所述上立柱的上端连接有电动机，所述电动机的转轴与所述螺旋桨相连；其中，所述螺旋桨与所述拉力测量结构连接在所述上立柱的同一侧。
在本发明的实施方式中，所述上立柱上沿其轴向方向间隔设有多个安装孔，所述电动机能连接在任一所述安装孔内。
在本发明的实施方式中，所述螺旋桨的转轴距离所述下立柱相对所述底座的转动轴线之间的距离为L1，所述拉力杆的长度为L3，所述拉力测量传感器监测的压力值为N1，则所述螺旋桨的拉力T为：
T＝N1L1/L3。
在本发明的实施方式中，所述螺旋桨的转轴距离所述上立柱相对所述下立柱的转动轴线之间的距离为L2，所述阻力杆的长度为L4，所述阻力测量传感器监测的压力值为N2，则所述螺旋桨的阻力TD为：
TD＝N2L2/L4。
在本发明的实施方式中，所述转矩杆的长度为L5，两个所述转矩测量传感器监测的压力值分别为N3和N4，则所述螺旋桨的转矩Q为：
Q＝N3L5或Q＝N4L5。
在本发明的实施方式中，所述底座能固定在地面上；或者，所述底座能固定在车辆上。
在本发明的实施方式中，所述下立柱的下端通过第一轴承可转动地连接在所述底座上，所述下立柱的上端通过第二轴承可转动的连接在所述上立柱上。
本发明的螺旋桨拉力和转矩的测量装置的特点及优点是：本发明可在地面或车载下测量螺旋桨的拉力、阻力和转矩等，也可在高海拔地区应用该测量装置，测量对应海拔下的螺旋桨的高空气动性能。
本发明的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，利用拉力杆、阻力杆和两个转矩杆，能够使四个杆同时承受支撑，减小测量装置的震动，增强测量装置的稳定性；同时，两个转矩杆还可测量不同旋转方向的螺旋桨的转矩。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的螺旋桨拉力和转矩的测量装置的结构示意图。
图2为本发明的螺旋桨拉力和转矩的测量装置放置在车辆上的结构示意图。
图3为本发明的螺旋桨拉力和转矩的测量装置的局部放大图。
附图标号说明：
1、底座；11、下立柱；111、第一轴承；112、第二轴承；12、上立柱；121、安装孔；13、转动轴线；14、转动轴线；2、第一测量机构；21、拉力测量结构；211、拉力测量传感器；212、拉力杆；22、阻力测量结构；221、阻力测量传感器；222、阻力杆；3、第二测量机构；31、转矩测量结构；311、转矩杆；312、转矩测量传感器；4、螺旋桨；5、车辆；6、电动机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种螺旋桨拉力和转矩的测量装置，包括底座1、第一测量机构2和第二测量机构3，其中：底座1上可转动地连接有下立柱11，所述下立柱11上可转动地连接有上立柱12，螺旋桨4能转动地连接在所述上立柱12的上端；第一测量机构2具有沿所述下立柱11的转动方向设置在所述下立柱11的相对两侧的拉力测量结构21和阻力测量结构22；第二测量机构3具有沿所述上立柱12的转动方向设置在所述上立柱12的相对两侧的两个转矩测量结构31；其中，所述下立柱11相对所述底座1的转动轴线13与所述上立柱12相对所述下立柱11的转动轴线14相垂直设置。
该螺旋桨拉力和转矩的测量装置，在使用时，可将底座1固定在地面上，或如图2所示，将底座1固定在车辆5上，从而能够方便地对螺旋桨4的拉力和转矩进行地面和车载试验的测量。
具体的，底座1大体呈平板状，下立柱11的下端可穿设有第一转轴，该第一转轴上套设有第一轴承111，从而下立柱11通过第一转轴及其上的第一轴承111可转动地连接在底座1的中部，下立柱11的上端穿设有第二转轴，该第二转轴上套设有第二轴承112，从而下立柱11通过第二转轴及其上的第二轴承112可转动地连接在上立柱12的下端，本发明采用在下立柱11与底座1的连接处设置第一轴承111、以及在上立柱12与下立柱11的连接处设置第二轴承112的结构设计，可用以分别消除各连接处的转动摩擦力，从而使试验测量更准确。在本发明中，下立柱11相对底座1的转动轴线13与上立柱12相对下立柱11的转动轴线14相垂直设置，从而实现对螺旋桨4的拉力、阻力和转矩进行分解测量的目的。
本发明以下立柱11相对底座1的转动方向定义为“前”和“后”，以上立柱12相对下立柱11的转动方向定义为“左”和“右”，作为描述的方位用语，也即，参见图1的坐标系，“前”即为正x的方向，“后”即为负x的方向，“左”即为正Y的方向，“右”即为负Y的方向。
第一测量机构2包括拉力测量结构21和阻力测量结构22，该拉力测量结构21和阻力测量结构22分设在下立柱11的相对两侧，具体是分设在下立柱11相对底座1的转动方向上的相对两侧，也即，拉力测量结构21位于下立柱11的前侧，阻力测量结构22位于下立柱11的后侧。
具体的，该拉力测量结构21具有拉力杆212及拉力测量传感器211，拉力测量传感器211设置在底座1上，拉力杆212的一端与下立柱11相连，其另一端能与拉力测量传感器211相接触或分离。
该阻力测量结构22具有阻力杆222及阻力测量传感器221，阻力测量传感器221设置在底座1上，阻力杆222的一端与下立柱11相连，其另一端能与阻力测量传感器221相接触或分离。
在本实施例中，上立柱12的上端连接有电动机6，该电动机6的转轴与螺旋桨4相连，从而实现电动机6带动螺旋桨4转动的目的；其中，螺旋桨4与拉力测量结构21连接在上立柱12和下立柱11的同一侧，也即螺旋桨4与拉力测量结构21分别连接在上立柱12的前侧和下立柱11的前侧，从而该拉力测量结构21可用于测量螺旋桨4的拉力数据，而位于螺旋桨4后侧的该阻力测量结构22可用于测量螺旋桨4的阻力数据。
进一步的，上立柱12的前侧表面沿其轴向方向间隔设有多个安装孔121，该电动机6能连接在任一安装孔121内，从而可根据需求调整电动机6在上立柱12上的安装位，进而实现调整螺旋桨4安装在上立柱12上的高度位置的目的。
第二测量机构3包括两个转矩测量结构31，两个转矩测量结构31分设在上立柱12的左侧和右侧，在本实施例中，该转矩测量结构31具有转矩杆311及转矩测量传感器312，该底座1上连接有平台(图中未示出)，该转矩测量传感器312设置在平台上，转矩杆311的一端与上立柱12相连，其另一端能与转矩测量传感器312相接触或分离。
本发明通过下立柱11相对底座1之间的前后转动、以及上立柱12相对下立柱11的左右转动，将螺旋桨4的拉力、阻力和转矩进行分解，同时通过拉力杆212、阻力杆222和两个转矩杆311及与其对应的拉力测量传感器211、阻力测量传感器221和两个转矩测量传感器312来测量相应力的分量，最后通过计算得到螺旋桨4的拉力、阻力和转矩的数据。
下面具体说明该螺旋桨4的拉力、阻力和转矩的计算方法。
在本发明中，该螺旋桨4的转轴距离下立柱11相对底座1的转动轴线13之间的距离为L1，拉力杆212的长度为L3，当下立柱11朝向前侧摆动时，该拉力杆212的自由端与拉力测量传感器211接触，此时该拉力测量传感器211监测的压力值为N1，则该螺旋桨4的拉力T为：
T＝N1L1/L3 (1)
其中，在公式(1)中，T的单位为N(牛)；N1的单位为N(牛)；L1的单位为m(米)；L3的单位为m(米)。
进一步的，该螺旋桨4的转轴距离上立柱12相对下立柱11的转动轴线14之间的距离为L2，阻力杆222的长度为L4，当下立柱11朝向后侧摆动时，该阻力杆222的自由端与阻力测量传感器221接触，此时该阻力测量传感器221监测的压力值为N2，则该螺旋桨4的阻力TD为：
TD＝N2L2/L4 (2)
其中，在公式(2)中，TD的单位为N(牛)；N2的单位为N(牛)；L2的单位为m(米)；L4的单位为m(米)。
更进一步的，该转矩杆311的长度为L5，当上立柱12朝向左侧或右侧摆动时，该转矩杆311的自由端与相对应的转矩测量传感器312接触，此时转矩测量传感器312监测的压力值分别为N3和N4，则该螺旋桨4的转矩Q为：
Q＝N3L5或Q＝N4L5 (3)
其中，在公式(3)中，Q的单位为Nm(牛·米)；N3的单位为N(牛)；N4的单位为N(牛)；L5的单位为m(米)。
本发明的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，可在地面或车载下测量螺旋桨4的拉力T、阻力TD和转矩Q等，也可在高海拔地区应用该测量装置，测量对应海拔下的螺旋桨4的高空气动性能。
本发明利用拉力杆212、阻力杆222和两个转矩杆311，能够使四个杆同时承受支撑，减小测量装置的震动，增强系统稳定性；同时，本发明利用两个转矩杆311可测量不同旋转方向的螺旋桨4的转矩。
另外，本发明通过拉力测量传感器211、阻力测量传感器221和两个转矩测量传感器312作为力的采集装置，当然在其他的实施例中，也可采用台秤替换上述传感器，从而使测量装置结构简单、测力精准、操作容易、且成本低廉。
该螺旋桨拉力和转矩的测量装置的使用方法包括如下步骤：
步骤S1：启动螺旋桨4，通过位于所述螺旋桨4来流前方的风速测量机构(图中未示出)测量风速；具体的，螺旋桨4通过电动机6驱动旋转，该风速测量机构可为空速管或超声波风速仪等。
步骤S2：监测并获取拉力测量结构21、阻力测量结构22和两个转矩测量结构31的压力数据，以及所述螺旋桨4的转速；具体的，该螺旋桨4的转速可通过电动机6转轴的转速获取。
步骤S3：通过所述风速、所述螺旋桨4的转速、以及各所述压力数据，计算所述螺旋桨4的拉力、阻力和转矩。具体的，该螺旋桨4的拉力、阻力和转矩的计算方法，已在上述具体说明；
步骤S4：根据所述风速、所述螺旋桨4的转速、以及所述螺旋桨4的拉力、阻力和转矩，计算所述螺旋桨4的前进比、拉力系数、功率系数、以及效率；
步骤S5：提供不同的风速和不同的螺旋桨4转速，并重复步骤S2至步骤S4，当螺旋桨4作为飞行器动力源时，以获得螺旋桨4在不同前进比下对应的拉力、阻力和转矩的曲线。
具体的，在步骤S4中，该螺旋桨4的拉力系数采用如下公式计算：
Figure BDA0002327254950000071
其中，在公式(4)中，CT为拉力系数；D为螺旋桨4的直径，单位m(米)；n为螺旋桨4的转速，单位r/s(转/秒)；T为螺旋桨4的拉力，单位N(牛)；ρ为空气密度，单位Kg/m2(千克/每平米)。
进一步的，在步骤S4中，该螺旋桨4的功率系数采用如下公式计算：
Figure BDA0002327254950000072
其中，在公式(5)中，CP为功率系数；D为螺旋桨4的直径，单位m(米)；n为螺旋桨4的转速，单位r/s(转/秒)；P为螺旋桨4的轴功率，单位W(瓦特)；ρ为空气密度，单位Kg/m2(千克/每平米)。
更进一步的，在步骤S4中，该螺旋桨4的前进比采用如下公式计算：
Figure BDA0002327254950000073
其中，在公式(6)中，λ为螺旋桨4的前进比；n为螺旋桨4的转速，单位r/s(转/秒)；D为螺旋桨4的直径，单位m(米)；v为飞行速度，单位m/s(米/秒)。
进一步的，在步骤S4中，该螺旋桨的效率采用如下公式计算：
Figure BDA0002327254950000074
其中，在公式(7)中，η为螺旋桨4的效率；n为螺旋桨4的转速，单位r/s(转/秒)；T为螺旋桨4的拉力，单位N(牛)；v为飞行速度，单位m/s(米/秒)；Q为螺旋桨4的转矩，单位Nm(牛·米)；CP为功率系数；CT为拉力系数；λ为螺旋桨的前进比。
本发明采用螺旋桨拉力和转矩的测量装置进行测量时，可提供额外的控制计算机以及与控制计算机电连接的数据采集器，其中测量装置的电动机6、拉力测量传感器211、阻力测量传感器221和两个转矩测量传感器312分别与控制计算机电连接。
该电动机6可通过电动机控制器执行控制计算机的命令，精确控制螺旋桨4的转速，并通过数据采集系统进行记录，其中，该电动机控制器可通过电池电源提供电能，另外，该控制计算机可发送控制指令，接收数据采集器采集的包括风速、螺旋桨4的转速、拉力测量传感器211的压力数据、阻力测量传感器221的压力数据和两个转矩测量传感器312的压力数据。
通过本发明可进行多次不同螺旋桨4的转速及不同风速的测量，获得该螺旋桨4在不同前进比λ下对应的拉力系数CT、功率系数CP、螺旋桨4的效率η的曲线。使用该螺旋桨4作为飞行器动力源时可根据飞行状态的空气密度ρ、转速n、飞行速度v，计算螺旋桨4该状态下的前进比λ，并通过上述曲线，计算该飞行状态下螺旋桨4的拉力、阻力、转矩和效率。
本发明可在地面或车载下测量螺旋桨4的拉力T、阻力TD、转矩Q和螺旋桨4的效率η等，也可在高海拔地区应用该测量方法，测量对应海拔下的螺旋桨4的高空气动性能。
另外，本发明利用阻力杆222可以测量螺旋桨4在大前进比下(也即风车状态下)的阻力；同时，如果利用电池作为电源供电，本发明还能够承受和储存在螺旋桨风车状态下的电动机6产生的电能。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种螺旋桨拉力和转矩的测量装置，其特征在于，包括：
底座，其上可转动地连接有下立柱，所述下立柱上可转动地连接有上立柱，螺旋桨能转动地连接在所述上立柱的上端；
第一测量机构，具有沿所述下立柱的转动方向设置在所述下立柱的相对两侧的拉力测量结构和阻力测量结构；所述拉力测量结构具有拉力杆及拉力测量传感器，所述拉力测量传感器设置在所述底座上，所述拉力杆的一端与所述下立柱相连，其另一端能与所述拉力测量传感器相接触或分离；所述阻力测量结构具有阻力杆及阻力测量传感器，所述阻力测量传感器设置在所述底座上，所述阻力杆的一端与所述下立柱相连，其另一端能与所述阻力测量传感器相接触或分离；
第二测量机构，具有沿所述上立柱的转动方向设置在所述上立柱的相对两侧的两个转矩测量结构；所述转矩测量结构具有转矩杆及转矩测量传感器，所述底座上连接有平台，所述转矩测量传感器设置在所述平台上，所述转矩杆的一端与所述上立柱相连，其另一端能与所述转矩测量传感器相接触或分离
其中，所述下立柱相对所述底座的转动轴线与所述上立柱相对所述下立柱的转动轴线相垂直设置。
2.如权利要求1所述的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，其特征在于，所述上立柱的上端连接有电动机，所述电动机的转轴与所述螺旋桨相连；其中，所述螺旋桨与所述拉力测量结构连接在所述上立柱和所述下立柱的同一侧。
3.如权利要求2所述的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，其特征在于，所述上立柱上沿其轴向方向间隔设有多个安装孔，所述电动机能连接在任一所述安装孔内。
4.如权利要求2所述的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，其特征在于，所述螺旋桨的转轴距离所述下立柱相对所述底座的转动轴线之间的距离为L1，所述拉力杆的长度为L3，所述拉力测量传感器监测的压力值为N1，则所述螺旋桨的拉力T为：
T＝N1L1/L3。
5.如权利要求2所述的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，其特征在于，所述螺旋桨的转轴距离所述上立柱相对所述下立柱的转动轴线之间的距离为L2，所述阻力杆的长度为L4，所述阻力测量传感器监测的压力值为N2，则所述螺旋桨的阻力TD为：
TD＝N2L2/L4。
6.如权利要求1所述的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，其特征在于，所述转矩杆的长度为L5，两个所述转矩测量传感器监测的压力值分别为N3和N4，则所述螺旋桨的转矩Q为：
Q＝N3L5或Q＝N4L5。
7.如权利要求1所述的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，其特征在于，所述底座能固定在地面上；或者，所述底座能固定在车辆上。
8.如权利要求1所述的螺旋桨拉力和转矩的测量装置，其特征在于，所述下立柱的下端通过第一轴承可转动地连接在所述底座上，所述下立柱的上端通过第二轴承可转动的连接在所述上立柱上。
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