CN114348297B - 一种飞机测试的高速风机阵动力系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞机测试技术领域，具体公开了一种飞机测试的高速风机阵动力系统及设计方法，动力系统包括安装结构，设置在所述安装结构中心的第一动力风机，多个设置在所述安装结构上且以所述第一动力风机为中心围绕第一动力风机均匀分布的第二动力风机，以及设置在所述安装结构上且与第一动力风机、第二动力风机连通的高速风机；设计方法包括以下步骤：S1、计算动力风机功率；S2、设计涡扇结构；S3、设计辅助气道与高速风机的结构；本发明能够提供一种超高风速、高稳定性的飞机测试的高速风机阵动力系统，满足大型飞机测试时的风速、风量需求，确保飞机吹风试验的顺利进行。

Description

一种飞机测试的高速风机阵动力系统及设计方法

技术领域

本发明涉及飞机测试技术领域，具体是涉及一种飞机测试的高速风机阵动力系统及设计方法。

背景技术

在飞机测试技术领域，随着飞机体积的增大，对吹风试验系统提出的更高的要求。吹风试验系统作为气候环境实验室特殊环境模拟系统之一，主要由风机子系统和控制子系统构成。

风机子系统主要是提供满足环境试验要求的风，包含风扇叶片、整流罩、导流片和风机等组件，但目前并没有大流量且低温环境运行的风机。现有技术中为满足环境试验的吹风试验需求，需要设计不同参数的风机子系统及其组件来提供吹风试验系统需要的风。

大型飞机测试对风速要求高，为满足环境试验的高速风需求，风机子系统的风机需提供足够大的功率，且需设计出与风机相互匹配的风扇叶片和整流罩，以及高速气流的导流片，这就为风机子系统的设计提出了重大挑战。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种超高风速、高稳定性的飞机测试的高速风机阵动力系统，满足大型飞机测试时的风速、风量需求，确保飞机吹风试验的顺利进行。

本发明的技术方案是：一种飞机测试的高速风机阵动力系统，包括安装结构，设置在所述安装结构中心的第一动力风机，多个设置在所述安装结构上且以所述第一动力风机为中心并围绕第一动力风机均匀分布的第二动力风机，以及设置在所述安装结构上且与第一动力风机、第二动力风机连通的高速风机；

所述第二动力风机包括固定在所述安装结构上且与高速风机连通的出风腔，一端设置在所述出风腔上的多通道变径连接管，设置在所述多通道变径连接管另一端的第二动力组件；

所述多通道变径连接管包括与第二动力组件连通的中心主管，套设在所述中心主管外的第一变径套管，套设在所述第一变径套管外的第二变径套管；

所述中心主管外壁与第一变径套管内壁之间形成围设在中心主管外的第一辅助气道；所述第一变径套管外壁与第二变径套管内壁之间形成围设在第一辅助气道外的第二辅助气道；

所述第一辅助气道、第二辅助气道均呈喇叭状；

所述第二辅助气道一端设有与出风腔连通的连接环件；所述第一辅助气道的一端设有与连接环件连接的刚性固定件；

所述第一辅助气道、第二辅助气道的另一端设有刚性连接架；所述刚性连接架上设有两个分别向第一辅助气道、第二辅助气道进气的环形进气涡扇；

所述第二动力组件包括设置在所述中心主管端部的集气罩，设置在所述集气罩内的风机固定架，活动设置在所述风机固定架上的组合进气涡扇；

所述组合进气涡扇包括设置在风机固定架上且位于集气罩内的外部进气涡扇，以及设置在所述中心主管内的内部进气涡扇。

进一步地，所述中心主管、第一辅助气道以及第二辅助气道内壁均匀设置有导流槽；

所述中心主管、第一变径套管、第二变径套管均包括刚性骨架，以及设置在所述刚性骨架上的复合板；

所述刚性骨架包括若干沿多通道变径连接管轴向延伸且均匀分布的刚性连接条，均匀设置在所述刚性连接条上的环形加固件；通过第一辅助气道、第二辅助气道的设置能够有效增强高速风机的进风量；刚性骨架的设置能够大大提高中心主管、第一变径套管、第二变径套管的强度，确保第一辅助气道、第二辅助气道结构的稳定性。

进一步地，所述第一动力风机包括设置在所述安装结构中心的中央进气口，设置在所述中央进气口内的中央进气涡扇；

所述中央进气口与高速风机连通；中央进气涡扇为中心主管吸入大量空气，在中心主管的管壁收缩下，气流速度增强并进入高速风机内部；通过高速风机进一步驱动实现高风速，满足飞机测试过程中吹风系统对高风速的需求。

进一步地，所述高速风机包括与出风腔、第一动力风机连通的导流腔室，固定在所述导流腔室内的连接支架，活动设置在所述连接支架中心用于疏导气流的中央整流装置，设置在所述中央整流装置上的涡扇组件，以及设置在连接支架、中央整流装置连接处的动力装置；中央整流装置的设置能够对高速气流进行疏导，确保气流的均匀性。

进一步地，所述动力装置包括设置在所述连接支架上用于连接中央整流装置的磁悬浮轴承，以及设置在中央整流装置内上用于驱动中央整流装置转动的电磁旋转驱动装置；

通过磁悬浮轴承的设置能够使得连接支架与中央整流装置之间无摩擦连接；通过电磁旋转驱动装置能够驱动涡扇组件高速运转，实现对导流腔室内气流的进一步加速。

进一步地，所述中央整流装置包括活动设置在所述连接支架上的直线整流段，设置在所述直线整流段迎风一端的头部迎风罩，以及设置在所述直线整流段另一端的尾部整流罩；头部迎风罩能够对气流进行分流，直线整流段能够对气流进行导直，结合尾部整流罩的设置能够增强气流的均匀性。

进一步地，所述涡扇组件包括套设在所述头部迎风罩、直线整流段连接处的环形连接卡箍，均匀设置在所述环形连接卡箍上的涡扇叶片；

所述直线整流段与尾部整流罩连接处均匀设置有导流片；导流片的设置能够进一步增强出风口处气流的均匀性。

进一步地，所述涡扇叶片、导流片采用碳纤维复合材料；碳纤维复合材料具有轻质且高强度的特征。

本发明还提供了一种飞机测试的高速风机阵动力系统的设计方法，包括以下步骤：

S1、计算动力风机功率

根据风洞进风流量需要分别设置第二动力风机、第一动力风机的最大风速，进行风洞能量比及第二动力风机、第一动力风机功率的估算；第二动力风机、第一动力风机的最大风速为25~55m/s；

S2、设计涡扇结构

根据第二动力风机、第一动力风机的功率要求对环形进气涡扇、中央进气涡扇、外部进气涡扇以及内部进气涡扇的涡扇结构进行设计；

S3、设计辅助气道与高速风机的结构

通过Ansys仿真软件进行流体仿真对第一辅助气道、第二辅助气道以及中心主管的结构进行设计；并对高速风机内的中央整流装置进行流体仿真，计算高速风机的功率，根据仿真结果设计其内部结构。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种超高风速、高稳定性的飞机测试的高速风机阵动力系统，能够满足大型飞机测试时的风速、风量需求，确保飞机吹风试验的顺利进行；本发明通过第一动力风机、第二动力风机的叠加设置能够实现对气流的第一次加速且有效提高高速风机内的风压。

本发明通过在中心主管外设置第一辅助气道、第二辅助气道能够有效增加第二动力风机的进风量；通过呈喇叭状的第一辅助气道、第二辅助气道能够利用变径收缩结构实现对气流的增速；从而实现高风速的目的。

本发明通过高速风机完成对第一动力风机、第二动力风机输出气流的聚集，采用磁悬浮设置消除涡扇组件等与支撑结构的摩擦，再结合电磁旋转驱动装置实现对涡扇组件的高速驱动，从而实现对导流腔室内气流的二次推进，实现高风速、大风量的设计需要。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1第二动力组件的结构示意图；

图3是本发明实施例1多通道变径连接管的结构示意图；

图4是本发明实施例1第二动力组件的结构示意图；

图5是本发明实施例1高速风机的结构示意图；

图6是本发明实施例2刚性骨架的结构示意图；

图7是本发明实施例3设计方法的流程图；

其中，1-安装结构、2-第二动力风机、3-第一动力风机、4-高速风机、20-出风腔、21-多通道变径连接管、22-第二动力组件、220-集气罩、221-风机固定架、222-外部进气涡扇、223-内部进气涡扇、23-中心主管、230-第一辅助气道、231-第二辅助气道、232-连接环件、233-刚性固定件、234-刚性连接架、235-环形进气涡扇、236-导流槽、239-复合板、237-刚性连接条、238-环形加固件、24-第一变径套管、25-第二变径套管、30-中央进气口、31-中央进气涡扇、40-导流腔室、41-连接支架、42-中央整流装置、420-直线整流段、421-头部迎风罩、422-尾部整流罩、43-涡扇组件、430-环形连接卡箍、431-涡扇叶片、432-导流片、44-动力装置、440-磁悬浮轴承、441-电磁旋转驱动装置。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种飞机测试的高速风机阵动力系统，包括安装结构1，设置在所述安装结构1中心的第一动力风机3，6个设置在所述安装结构1上且以所述第一动力风机3为中心并围绕第一动力风机3均匀分布的第二动力风机2，以及设置在所述安装结构1上且与第一动力风机3、第二动力风机2连通的高速风机4；

所述第二动力风机2包括固定在所述安装结构1上且与高速风机4连通的出风腔20，一端设置在所述出风腔20上的多通道变径连接管21，设置在所述多通道变径连接管21另一端的第二动力组件22；

如图2所示，所述多通道变径连接管21包括与第二动力组件22连通的中心主管23，套设在所述中心主管23外的第一变径套管24，套设在所述第一变径套管24外的第二变径套管25；

所述中心主管23外壁与第一变径套管24内壁之间形成围设在中心主管23外的第一辅助气道230；所述第一变径套管24外壁与第二变径套管25内壁之间形成围设在第一辅助气道230外的第二辅助气道231；

所述第一辅助气道230、第二辅助气道231均呈喇叭状；

所述第二辅助气道231一端设有与出风腔20连通的连接环件232；所述第一辅助气道230的一端设有与连接环件232连接的刚性固定件233；

如图3所示，所述第一辅助气道230、第二辅助气道231的另一端设有刚性连接架234；所述刚性连接架234上设有两个分别向第一辅助气道230、第二辅助气道231进气的环形进气涡扇235；

如图4所示，所述第二动力组件22包括设置在所述中心主管23端部的集气罩220，设置在所述集气罩220内的风机固定架221，活动设置在所述风机固定架221上的组合进气涡扇；

所述组合进气涡扇包括设置在风机固定架221上且位于集气罩220内的外部进气涡扇222，以及设置在所述中心主管23内的内部进气涡扇223。

所述第一动力风机3包括设置在所述安装结构1中心的中央进气口30，设置在所述中央进气口30内的中央进气涡扇31；

所述中央进气口30与高速风机4连通。

如图5所示，所述高速风机4包括与出风腔20、第一动力风机3连通的导流腔室40，固定在所述导流腔室40内的连接支架41，活动设置在所述连接支架41中心用于疏导气流的中央整流装置42，设置在所述中央整流装置42上的涡扇组件43，以及设置在连接支架41、中央整流装置42连接处动力装置44。

所述动力装置44包括设置在所述连接支架41上用于连接中央整流装置42的磁悬浮轴承440，以及设置在中央整流装置42内上用于驱动中央整流装置42转动的电磁旋转驱动装置441。

所述中央整流装置42包括活动设置在所述连接支架41上的直线整流段420，设置在所述直线整流段420迎风一端的头部迎风罩421，以及设置在所述直线整流段420另一端的尾部整流罩422。

所述涡扇组件43包括套设在所述头部迎风罩421、直线整流段420连接处的环形连接卡箍430，均匀设置在所述环形连接卡箍430上的涡扇叶片431；

所述直线整流段420与尾部整流罩422连接处均匀设置有导流片432。

所述涡扇叶片431、导流片432采用碳纤维复合材料。

其中，电磁旋转驱动装置441、磁悬浮轴承440、中央进气涡扇31、内部进气涡扇223、外部进气涡扇222均采用现有技术产品，且具体的产品型号本领域内技术人员可根据需要进行选择，在此不做特殊限定。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：

第二动力风机2的数量为5个；

所述中心主管23、第一辅助气道230以及第二辅助气道231内壁均匀设置有导流槽236；

如图6所示，所述中心主管23、第一变径套管24、第二变径套管25均包括刚性骨架，以及设置在所述刚性骨架上的复合板239；

所述刚性骨架包括若干沿多通道变径连接管21轴向延伸且均匀分布的刚性连接条237，均匀设置在所述刚性连接条237上的环形加固件238。

实施例3

本实施例记载的是基于实施例1、2的飞机测试的高速风机阵动力系统的设计方法，包括以下步骤：

S1、计算动力风机功率

根据风洞进风流量需要分别设置第二动力风机2、第一动力风机3的最大风速，进行风洞能量比及第二动力风机2、第一动力风机3功率的估算；所述第二动力风机2、第一动力风机3的最大风速为25m/s；

S2、设计涡扇结构

根据第二动力风机2、第一动力风机3的功率要求对环形进气涡扇235、中央进气涡扇31、外部进气涡扇222以及内部进气涡扇223的涡扇结构进行设计；

S3、设计辅助气道与高速风机4的结构

通过Ansys仿真软件进行流体仿真对第一辅助气道230、第二辅助气道231以及中心主管23的结构进行设计；并对高速风机4内的中央整流装置42进行流体仿真，计算高速风机4的功率，根据仿真结果设计其内部结构。

实施例4

本实施例与实施例3不同之处在于，第二动力风机2、第一动力风机3的最大风速为55m/s。

Claims (9)

1.一种飞机测试的高速风机阵动力系统，其特征在于，包括安装结构（1），设置在所述安装结构（1）中心的第一动力风机（3），多个设置在所述安装结构（1）上且以所述第一动力风机（3）为中心并围绕第一动力风机（3）均匀分布的第二动力风机（2），以及设置在所述安装结构（1）上且与第一动力风机（3）、第二动力风机（2）连通的高速风机（4）；

所述第二动力风机（2）包括固定在所述安装结构（1）上且与高速风机（4）连通的出风腔（20），一端设置在所述出风腔（20）上的多通道变径连接管（21），设置在所述多通道变径连接管（21）另一端的第二动力组件（22）；

所述多通道变径连接管（21）包括与第二动力组件（22）连通的中心主管（23），套设在所述中心主管（23）外的第一变径套管（24），套设在所述第一变径套管（24）外的第二变径套管（25）；

所述中心主管（23）外壁与第一变径套管（24）内壁之间形成围设在中心主管（23）外的第一辅助气道（230）；所述第一变径套管（24）外壁与第二变径套管（25）内壁之间形成围设在第一辅助气道（230）外的第二辅助气道（231）；

所述第一辅助气道（230）、第二辅助气道（231）均呈喇叭状；

所述第二辅助气道（231）一端设有与出风腔（20）连通的连接环件（232）；所述第一辅助气道（230）的一端设有与连接环件（232）连接的刚性固定件（233）；

所述第一辅助气道（230）、第二辅助气道（231）的另一端设有刚性连接架（234）；所述刚性连接架（234）上设有两个分别向第一辅助气道（230）、第二辅助气道（231）进气的环形进气涡扇（235）；

所述第二动力组件（22）包括设置在所述中心主管（23）端部的集气罩（220），设置在所述集气罩（220）内的风机固定架（221），活动设置在所述风机固定架（221）上的组合进气涡扇；

所述组合进气涡扇包括设置在风机固定架（221）上且位于集气罩（220）内的外部进气涡扇（222），以及设置在所述中心主管（23）内的内部进气涡扇（223）。

2.根据权利要求1所述的一种飞机测试的高速风机阵动力系统，其特征在于，所述中心主管（23）、第一辅助气道（230）以及第二辅助气道（231）内壁均匀设置有导流槽（236）；

所述中心主管（23）、第一变径套管（24）、第二变径套管（25）均包括刚性骨架，以及设置在所述刚性骨架上的复合板（239）；

所述刚性骨架包括若干沿多通道变径连接管（21）轴向延伸且均匀分布的刚性连接条（237），均匀设置在所述刚性连接条（237）上的环形加固件（238）。

3.根据权利要求1所述的一种飞机测试的高速风机阵动力系统，其特征在于，所述第一动力风机（3）包括设置在所述安装结构（1）中心的中央进气口（30），设置在所述中央进气口（30）内的中央进气涡扇（31）；

所述中央进气口（30）与高速风机（4）连通。

4.根据权利要求1所述的一种飞机测试的高速风机阵动力系统，其特征在于，所述高速风机（4）包括与出风腔（20）、第一动力风机（3）连通的导流腔室（40），固定在所述导流腔室（40）内的连接支架（41），活动设置在所述连接支架（41）中心用于疏导气流的中央整流装置（42），设置在所述中央整流装置（42）上的涡扇组件（43），以及设置在连接支架（41）、中央整流装置（42）连接处的动力装置（44）。

5.根据权利要求4所述的一种飞机测试的高速风机阵动力系统，其特征在于，所述动力装置（44）包括设置在所述连接支架（41）上用于连接中央整流装置（42）的磁悬浮轴承（440），以及设置在中央整流装置（42）内上用于驱动中央整流装置（42）转动的电磁旋转驱动装置（441）。

6.根据权利要求4所述的一种飞机测试的高速风机阵动力系统，其特征在于，所述中央整流装置（42）包括活动设置在所述连接支架（41）上的直线整流段（420），设置在所述直线整流段（420）迎风一端的头部迎风罩（421），以及设置在所述直线整流段（420）另一端的尾部整流罩（422）。

7.根据权利要求6所述的一种飞机测试的高速风机阵动力系统，其特征在于，所述涡扇组件（43）包括套设在所述头部迎风罩（421）、直线整流段（420）连接处的环形连接卡箍（430），均匀设置在所述环形连接卡箍（430）上的涡扇叶片（431）；

所述直线整流段（420）与尾部整流罩（422）连接处均匀设置有导流片（432）。

8.根据权利要求7所述的一种飞机测试的高速风机阵动力系统，其特征在于，所述涡扇叶片（431）、导流片（432）采用碳纤维复合材料。

9.根据权利要求4~8任意一项所述的一种飞机测试的高速风机阵动力系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算动力风机功率

根据风洞进风流量需要分别设置第二动力风机（2）、第一动力风机（3）的最大风速，进行风洞能量比及第二动力风机（2）、第一动力风机（3）功率的估算；所述第二动力风机（2）、第一动力风机（3）的最大风速为25~55m/s；

S2、设计涡扇结构

根据第二动力风机（2）、第一动力风机（3）的功率要求对环形进气涡扇（235）、中央进气涡扇（31）、外部进气涡扇（222）以及内部进气涡扇（223）的涡扇结构进行设计；

S3、设计辅助气道与高速风机（4）的结构

通过Ansys仿真软件进行流体仿真对第一辅助气道（230）、第二辅助气道（231）以及中心主管（23）的结构进行设计；并对高速风机（4）内的中央整流装置（42）进行流体仿真，计算高速风机（4）的功率，根据仿真结果设计其内部结构。

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