CN113465870A - 一种单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置。该阵风模拟装置包括2片叶栅，2片叶栅并联、对称安装在风洞喷管出口或者试验段入口位置的水平对称面的上下两侧；还包括安装在试验段外部、驱动2片叶栅做同步摆动运动的驱动装置；以高速风洞来流为前方，当2片叶栅以正弦曲线同步摆动时，在试验段下游、以与2片叶栅相对的侧壁壁面为起始位置，距离侧壁壁面0～20％区域形成以正弦形式变化的高速阵风流场；叶栅为上下对称的舵面或翼面，展长为风洞试验段宽度的25％～35％，根部弦长为风洞试验段宽度的25％～35％，展弦比为0.8～1.2，梢根比为0.5～1；2片叶栅的上下间距为叶栅根部弦长的60％～125％。该阵风模拟装置的堵塞度小，生成的高速阵风流场强度较高，能够满足试验需求。

Description

一种单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置。
背景技术
民机和运输机在高速巡航状态下遇到的高速阵风是影响飞行安全的重要因素之一，由于飞行速度较高，机体在高速阵风扰动下会受到较大的干扰力和干扰力矩，承受极大的非定常载荷，使得飞行的稳定性、结构强度和飞行控制都受到影响，飞行过程中由于高速阵风产生的颠簸也会造成驾驶员与乘客舒适性降低，剧烈颠簸还会干扰驾驶员的正常操作，导致发生飞行事故。
为研究飞行器在高速阵风环境中的动态特性，减小高速阵风对飞行过程的影响，研究人员做了大量工作，但早期的研究主要以飞行试验与理论分析为主，现有的阵风模拟装置多为低速风洞试验设计，高速风洞由于堵塞度要求高，运行速压大，相同尺寸的阵风模拟装置的高速气动载荷往往是低速风洞气动载荷的数倍，因此，低速风洞的阵风发生装置设计方案无法直接应用于高速风洞，高速阵风模拟装置研制存在很大难度，目前在地面环境开展的高速阵风响应和减缓试验研究相对有限。
当前，亟需发展一种适用于高速风洞的阵风模拟试验装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置。
本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特点是，所述的阵风模拟装置包括2片叶栅，2片叶栅并联、对称安装在风洞喷管出口或者试验段入口位置的水平对称面的上下两侧；还包括安装在试验段外部、驱动2片叶栅做同步摆动运动的驱动装置；以高速风洞来流为前方，当2片叶栅以正弦曲线同步摆动时，在试验段下游、以与2片叶栅相对的侧壁壁面为起始位置，距离侧壁壁面0～20％区域形成以正弦形式变化的高速阵风流场均匀区；
所述的叶栅为上下对称的舵面或翼面，展长为风洞试验段宽度的25％～35％，根部弦长为风洞试验段宽度的25％～35％，展弦比为0.8～1.2，梢根比为0.5～1；2片叶栅的上下间距为叶栅根部弦长的60％～125％。
进一步地，所述的阵风模拟装置适用于暂冲式高速风洞或连续式高速风洞，来流马赫数范围为0.4～0.95。
进一步地，所述的叶栅的摆幅为0°～15°。
进一步地，所述的叶栅的摆动频率为0～25Hz。
进一步地，所述的叶栅在迎角0°的对称面与风洞试验段的水平对称面平行。
进一步地，所述的驱动装置包括固定在试验段外部的电机安装基座，固定在试验段外侧侧壁上的叶栅座板；
伺服电机固定在电机安装基座的水平底板上，伺服电机依次固定连接伺服减速机、联轴器、驱动转轴；驱动转轴穿过固定在电机安装基座的竖直支撑板上的驱动轴承座，并与摆幅调节盘的前端面通过沿摆幅调节盘周向均匀分布的螺钉固定连接；摆幅调节盘上开有标记叶栅摆幅的通孔，竖直放置的Y型连杆的下端与摆幅调节盘的后端面通过穿过通孔的摆幅销轴固定；Y型连杆的上端Y字端、水平放置的下连杆的主动端、下连杆的从动端、竖直放置的H型连杆的下端、H型连杆的上端、水平放置的上连杆的主动端依次固定连接；下连杆的中心点和上连杆的从动端分别与对应的平行穿过叶栅座板的叶栅转轴相连，并继续通过各自对应的叶栅接头分别与位于下方的叶栅和位于上方的叶栅固定连接；
摆幅调节盘、Y型连杆、下连杆、H型连杆、上连杆和叶栅构成无急回特性的曲柄摇杆机构，将伺服电机的单向转动转换为叶栅的摆动，实现伺服电机带动2片叶栅同步摆动；
叶栅座板上固定有2个分别与位于下方的叶栅和位于上方的叶栅对应的叶栅转轴座，叶栅转轴座上覆盖有环形的叶栅转轴座盖板，叶栅转轴座的中心轴线上安装有轴承隔圈，轴承隔圈内设置有通孔，叶栅转轴从后至前穿过对应的轴承隔圈的通孔并分别与下连杆中心点和上连杆从动端固定连接；
下连杆的中心轴线上和上连杆的从动端上分别安装有长螺杆，2个编码器分别通过各自的小联轴器与对应的长螺杆固定连接，2个编码器分别实时测量位于下方的叶栅和位于上方的叶栅的摆动角度。
进一步地，所述的驱动转轴安装在竖直安装的框架内；框架的前后两侧设置有壁板，驱动转轴位于前壁板和后壁板之间，框架的后壁板上固定有驱动轴承座；框架的上面覆盖有安装基座盖板，安装基座盖板上固定有加强筋，安装基座盖板和加强筋为叶栅座板、编码器提供辅助支撑。
进一步地，所述的摆幅调节盘包括一系列摆幅调节盘，每个摆幅调节盘上开有若干个标记叶栅摆幅的通孔。
进一步地，所述的上连杆的从动端还安装有摆幅指针。
进一步地，所述的上连杆的等直段的水平面上还安装有角度传感器，用于监测上连杆的摆动角度。
本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置利用叶栅摆动时产生的翼尖涡及尾涡生成高速阵风流场，与低速风洞常用的翼面相比，叶栅尺寸小巧，在高速风洞中堵塞度小，同等摆幅时所受气动载荷小，与单侧单片叶栅装置相比，采用并联叶栅形式能够有效提高高速阵风流场均匀区阵风强度，适用于开展侧壁支撑的飞行器半模高速阵风响应及减缓试验，并且能够满足不同口径风洞高速阵风模拟的试验需求。
附图说明
图1为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置在0.6米三声速风洞中的安装示意图(立体图)；
图2为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置在0.6米三声速风洞中安装示意图(前视图)；
图3为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置在0.6米三声速风洞中安装示意图(侧视图)；
图4为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置在0.6米三声速风洞中安装示意图(俯视剖面图)；
图5为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置在风洞中的坐标系定义；
图6为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置的不同Z向位置纵向气流偏角随时间变化曲线；
图7为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置的不同Y向位置纵向气流偏角随时间变化曲线；
图8为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置的纵向气流偏角峰值空间分布图；
图9为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置中的驱动装置示意图(立体图)；
图10为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置中的驱动装置示意图(分解图)；
图11为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置中的驱动装置示意图(摆幅调节盘)；
图12为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置中的驱动装置工作原理图。
图中，1.伺服电机；2.伺服减速机；3.电机安装基座；4.安装基座盖板；5.联轴器；6.驱动轴承座；7.驱动转轴；8.摆幅调节盘；9.Y型连杆；10.摆幅销轴；11.编码器；12.小联轴器；13.长螺杆；14.摆幅指针；15.角度传感器；16.上连杆；17.下连杆；18.H型连杆；19.叶栅转轴座盖板；20.轴承隔圈；21.叶栅转轴座；22.叶栅转轴；23.叶栅座板；24.叶栅接头；25.叶栅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置包括2片叶栅25，2片叶栅25并联、对称安装在风洞喷管出口或者试验段入口位置的水平对称面的上下两侧；还包括安装在试验段外部、驱动2片叶栅25做同步摆动运动的驱动装置；以高速风洞来流为前方，当2片叶栅25以正弦曲线同步摆动时，在试验段下游、以与2片叶栅25相对的侧壁壁面为起始位置，距离侧壁壁面0～20％区域形成以正弦形式变化的高速阵风流场均匀区；
所述的叶栅25为上下对称的舵面或翼面，展长为风洞试验段宽度的25％～35％，根部弦长为风洞试验段宽度的25％～35％，展弦比为0.8～1.2，梢根比为0.5～1；2片叶栅25的上下间距为叶栅根部弦长的60％～125％。
进一步地，所述的阵风模拟装置适用于暂冲式高速风洞或连续式高速风洞，来流马赫数范围为0.4～0.95。
进一步地，所述的叶栅25的摆幅为0°～15°。
进一步地，所述的叶栅25的摆动频率为0～25Hz。
进一步地，所述的叶栅25在迎角0°的对称面与风洞试验段的水平对称面平行。
进一步地，所述的驱动装置包括固定在试验段外部的电机安装基座3，固定在试验段外侧侧壁上的叶栅座板23；
伺服电机1固定在电机安装基座3的水平底板上，伺服电机1依次固定连接伺服减速机2、联轴器5、驱动转轴7；驱动转轴7穿过固定在电机安装基座3的竖直支撑板上的驱动轴承座6，并与摆幅调节盘8的前端面通过沿摆幅调节盘8周向均匀分布的螺钉固定连接；摆幅调节盘8上开有标记叶栅25摆幅的通孔，竖直放置的Y型连杆9的下端与摆幅调节盘8的后端面通过穿过通孔的摆幅销轴10固定；Y型连杆9的上端Y字端、水平放置的下连杆17的主动端、下连杆17的从动端、竖直放置的H型连杆18的下端、H型连杆18的上端、水平放置的上连杆16的主动端依次固定连接；下连杆17的中心点和上连杆16的从动端分别与对应的平行穿过叶栅座板23的叶栅转轴22相连，并继续通过各自对应的叶栅接头24分别与位于下方的叶栅25和位于上方的叶栅25固定连接；
摆幅调节盘8、Y型连杆9、下连杆17、H型连杆18、上连杆16和叶栅25构成无急回特性的曲柄摇杆机构，将伺服电机1的单向转动转换为叶栅25的摆动，实现伺服电机1带动2片叶栅25同步摆动；
叶栅座板23上固定有2个分别与位于下方的叶栅25和位于上方的叶栅25对应的叶栅转轴座21，叶栅转轴座21上覆盖有环形的叶栅转轴座盖板19，叶栅转轴座21的中心轴线上安装有轴承隔圈20，轴承隔圈20内设置有通孔，叶栅转轴22从后至前穿过对应的轴承隔圈20的通孔并分别与下连杆17中心点和上连杆16从动端固定连接；
下连杆17的中心轴线上和上连杆16的从动端上分别安装有长螺杆13，2个编码器11分别通过各自的小联轴器12与对应的长螺杆13固定连接，2个编码器11分别实时测量位于下方的叶栅25和位于上方的叶栅25的摆动角度。
进一步地，所述的驱动转轴7安装在竖直安装的框架内；框架的前后两侧设置有壁板，驱动转轴7位于前壁板和后壁板之间，框架的后壁板上固定有驱动轴承座6；框架的上面覆盖有安装基座盖板4，安装基座盖板4上固定有加强筋，安装基座盖板4和加强筋为叶栅座板23、编码器11提供辅助支撑。
进一步地，所述的摆幅调节盘8包括一系列摆幅调节盘8，每个摆幅调节盘8上开有若干个标记叶栅25摆幅的通孔。
进一步地，所述的上连杆16的从动端还安装有摆幅指针14。
进一步地，所述的上连杆16的等直段的水平面上还安装有角度传感器15，用于监测上连杆16的摆动角度。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置在0.6米三声速风洞中的具体应用。
图1～图4为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置在0.6米三声速风洞中的安装示意图，以高速风洞来流为前方，试验时，2片上下并联的叶栅25安装在风洞试验段入口左侧，流场校测装置或试验模型安装于阵风模拟装置后方的流场均匀区内。其中，叶栅25截面为NACA0012翼型，根部弦长为200mm，展长为200mm，梢根比为0.5，叶栅转轴22位于弦长的25％位置，2片叶栅25的上下间距为150mm。
图5为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置在风洞中坐标系定义，以叶栅25在0°迎角时的根部前缘连线的中点为原点O，X轴方向指向风洞来流方向，Y轴与试验段侧壁平行指向上方，Z轴则指向右方。在上述坐标系定义下，试验段内阵风流场的强度采用纵向气流偏角ag表示：
αg＝arctan(VY/VX) (1)
式中，VX为X方向气流速度，VY为Y方向气流速度。
图6为风洞来流马赫数0.6，叶栅25以摆幅12°、频率10Hz摆动时，试验段水平对称面上坐标分别为(0.9m，0m，0.48m)和(0.9m，0m，0.54m)的两个监测点的纵向气流迎角随时间变化曲线，从图中可以看出，两个监测点的纵向气流偏角随时间呈正弦曲线规律变化，频率为10Hz，并且，两个监测点在同一时刻的纵向气流偏角相差不大，表明沿Z轴方向该区域范围阵风流场均匀性较好。
图7为风洞来流马赫数0.6，叶栅25以摆幅12°、频率10Hz摆动时，试验段坐标分别为(0.9m，-0.04m，0.48m)、(0.9m，0m，0.48m)和(0.9m，0.04m，0.48m)的三个监测点的纵向气流迎角随时间变化曲线，从图中可以看出，三个监测点的纵向气流偏角随时间呈正弦曲线规律变化，频率为10Hz，并且，三个监测点在同一时刻的纵向气流偏角基本相同，表明沿Y轴方向阵风流场均匀性也较好。
图8为风洞来流马赫数0.6，叶栅25以摆幅12°、频率10Hz摆动时风洞横向对称面的阵风流场峰值空间分布情况，从图中可以看出，在试验段右侧20％范围内高速阵风流场变化平缓，可以作为高速阵风流场均匀区。
图9为本发明的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置中的驱动装置的一种实现形式，图10为该驱动装置的分解图，从图9、图10中可以看出，驱动装置包括活动部件、固定部件、测量设备和摆幅调节盘8。
活动部件包括伺服电机1、伺服减速机2、联轴器5、驱动转轴7、Y型连杆9、摆幅销轴10、小联轴器12、长螺杆13、摆幅指针14、上连杆16、下连杆17、H型连杆18、叶栅转轴22、叶栅接头24、叶栅25；伺服电机1和伺服减速机2通过联轴器5、驱动转轴7与摆幅调节盘8相连，并通过摆幅调节盘8连接到Y型连杆9；通过Y型连杆9驱动下连杆17和与下连杆17通过H型连杆18相连的上连杆16，分别带动上方、下方的叶栅25摆动。
固定部件包括电机安装基座3、安装基座盖板4、驱动轴承座6、叶栅转轴座盖板19、轴承隔圈20、叶栅转轴座21和叶栅座板23，主要为驱动装置中的各个活动部件提供安装基础。
测量设备包括编码器11和角度传感器15，编码器11与叶栅转轴22相连，能够实时反馈叶栅25的摆动角度，角度传感器15安装于上连杆16的等直段的水平面上，用于监测上连杆16的摆动角度。
摆幅调节盘8见图11，驱动装置通过摆幅调节盘8改变摇柄长度、调节叶栅25的摆幅；每个摆幅调节盘8上均设置有2个与其圆心距离不同的通孔，每个通孔对应叶栅25的不同摆幅。
该驱动装置采用无急回特性的曲柄摇杆机构，通过摆幅调节盘8、Y型连杆9、下连杆17、H型连杆18、上连杆16和叶栅25将伺服电机1的连续转动转换为单侧并联叶栅25的同步摆动。无急回特性曲柄摇杆结构见图12，设伺服电机1的转轴位于A点，摆幅调节盘8的摇柄AB长度为l1，Y型连杆9即BC1长度为l2，下方的叶栅25的叶栅转轴22中心点为D1，上方的叶栅25的叶栅转轴22中心点为D2，下方的叶栅25形成的连杆C1D1的长度为l3，上方的叶栅25形成的与连杆C1D1并联的连杆C2D2长度也为l3，A点和D1之间距离为l4，若叶栅25的摆幅设定为θ，则当叶栅25摆角达到摆幅θ或者-θ时，A、B、C1和C2四个点恰好处在同一条直线上，因此，无急回特性的曲柄摇杆机构满足如下关系式：
Figure BDA0003221011400000101
Figure BDA0003221011400000102
由以上公式可知，在l2、l3和l4不变的情况下，通过更换摆幅调节盘8的摇柄AB长度l1能够改变叶栅25的摆幅θ。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的阵风模拟装置包括2片叶栅(25)，2片叶栅(25)并联、对称安装在风洞喷管出口或者试验段入口位置的水平对称面的上下两侧；还包括安装在试验段外部、驱动2片叶栅(25)做同步摆动运动的驱动装置；以高速风洞来流为前方，当2片叶栅(25)以正弦曲线同步摆动时，在试验段下游、以与2片叶栅(25)相对的侧壁壁面为起始位置，距离侧壁壁面0～20％区域形成以正弦形式变化的高速阵风流场均匀区；
所述的叶栅(25)为上下对称的舵面或翼面，展长为风洞试验段宽度的25％～35％，根部弦长为风洞试验段宽度的25％～35％，展弦比为0.8～1.2，梢根比为0.5～1；2片叶栅(25)的上下间距为叶栅根部弦长的60％～125％。
2.根据权利要求1所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的阵风模拟装置适用于暂冲式高速风洞或连续式高速风洞，来流马赫数范围为0.4～0.95。
3.根据权利要求1所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的叶栅(25)的摆幅为0°～15°。
4.根据权利要求1所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的叶栅(25)的摆动频率为0～25Hz。
5.根据权利要求1所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的叶栅(25)在迎角0°的对称面与风洞试验段的水平对称面平行。
6.根据权利要求1所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的驱动装置包括固定在试验段外部的电机安装基座(3)，固定在试验段外侧侧壁上的叶栅座板(23)；
伺服电机(1)固定在电机安装基座(3)的水平底板上，伺服电机(1)依次固定连接伺服减速机(2)、联轴器(5)、驱动转轴(7)；驱动转轴(7)穿过固定在电机安装基座(3)的竖直支撑板上的驱动轴承座(6)，并与摆幅调节盘(8)的前端面通过沿摆幅调节盘(8)周向均匀分布的螺钉固定连接；摆幅调节盘(8)上开有标记叶栅(25)摆幅的通孔，竖直放置的Y型连杆(9)的下端与摆幅调节盘(8)的后端面通过穿过通孔的摆幅销轴(10)固定；Y型连杆(9)的上端Y字端、水平放置的下连杆(17)的主动端、下连杆(17)的从动端、竖直放置的H型连杆(18)的下端、H型连杆(18)的上端、水平放置的上连杆(16)的主动端依次固定连接；下连杆(17)的中心点和上连杆(16)的从动端分别与对应的平行穿过叶栅座板(23)的叶栅转轴(22)相连，并继续通过各自对应的叶栅接头(24)分别与位于下方的叶栅(25)和位于上方的叶栅(25)固定连接；
摆幅调节盘(8)、Y型连杆(9)、下连杆(17)、H型连杆(18)、上连杆(16)和叶栅(25)构成无急回特性的曲柄摇杆机构，将伺服电机(1)的单向转动转换为叶栅(25)的摆动，实现伺服电机(1)带动2片叶栅(25)同步摆动；
叶栅座板(23)上固定有2个分别与位于下方的叶栅(25)和位于上方的叶栅(25)对应的叶栅转轴座(21)，叶栅转轴座(21)上覆盖有环形的叶栅转轴座盖板(19)，叶栅转轴座(21)的中心轴线上安装有轴承隔圈(20)，轴承隔圈(20)内设置有通孔，叶栅转轴(22)从后至前穿过对应的轴承隔圈(20)的通孔并分别与下连杆(17)中心点和上连杆(16)从动端固定连接；
下连杆(17)的中心轴线上和上连杆(16)的从动端上分别安装有长螺杆(13)，2个编码器(11)分别通过各自的小联轴器(12)与对应的长螺杆(13)固定连接，2个编码器(11)分别实时测量位于下方的叶栅(25)和位于上方的叶栅(25)的摆动角度。
7.根据权利要求6所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的驱动转轴(7)安装在竖直安装的框架内；框架的前后两侧设置有壁板，驱动转轴(7)位于前壁板和后壁板之间，框架的后壁板上固定有驱动轴承座(6)；框架的上面覆盖有安装基座盖板(4)，安装基座盖板(4)上固定有加强筋，安装基座盖板(4)和加强筋为叶栅座板(23)、编码器(11)提供辅助支撑。
8.根据权利要求6所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的摆幅调节盘(8)包括一系列摆幅调节盘(8)，每个摆幅调节盘(8)上开有若干个标记叶栅(25)摆幅的通孔。
9.根据权利要求6所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的上连杆(16)的从动端还安装有摆幅指针(14)。
10.根据权利要求6所述的单侧并联叶栅高速风洞阵风模拟装置，其特征在于，所述的上连杆(16)的等直段的水平面上还安装有角度传感器(15)，用于监测上连杆(16)的摆动角度。
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