CN118090132B - 一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置及试验方法，包括桨壳、驱动机构及安装座，桨壳内设有变距电机，变距电机通过减速箱连有丝杆，丝杆旋接有丝母，丝母外侧壁通过偏心销呈环状连有多个桨叶，偏心销滑动套装于限位杆，限位杆与丝杆平行，限位杆与桨壳连接；驱动机构设有输出轴，输出轴与丝杆同轴设置，输出轴通过法兰盘与桨壳固定连接；安装座与驱动机构固定连接，安装座用于与风洞的侧滑机构连接。其能够解决现有的用于风洞试验的螺旋桨无法精确且快速地调整桨距，导致试验效率和安全性较低的问题。

Description

一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及螺旋桨风洞试验技术领域，具体涉及一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置及试验方法。

背景技术

为进一步拓展直升机的应用领域，国内外众多直升机研发机构探索研究了诸多构型的高速直升机。目前比较成功的高速直升机构型主要包括以V-22为代表的倾转旋翼机、以X2为代表的共轴刚性旋翼直升机及以X3为代表的复合式高速直升机。其中，X3构型复合式高速直升机在前飞时，推力主要由机翼两侧的螺旋桨提供，且短翼可承担近40%~50%的升力，此时旋翼降转速卸载，激波失速推迟，从而实现更快的前飞速度。复合式高速直升机保留了常规构型直升机的旋翼系统，可直接对现有直升机型号进行升级改造，能有效兼顾固定翼飞机的速度和直升机特有的悬停、自转着陆等特性，与其他高速直升机构型相比，具有技术难度与成本相对较低、研制周期短、安全性高、使用和维护性能好、综合性能均衡等优势。

复合式高速直升机所采取的布局方式主要为在常规旋翼构型直升机机身两侧增加机翼，同时在机翼两端安装推力螺旋桨作为主要前飞动力装置，机身尾部设计有平尾和“H”型双垂尾。与常规构型直升机相比，该构型直升机的显著特点在于：取消了尾桨装置，在机翼两侧安装可变距推力螺旋桨。通过左/右螺旋桨平均桨距提供推力，克服气动阻力、提高前飞速度；通过左/右螺旋桨差动桨距提供偏航操纵力矩，克服旋翼反扭力矩、实现航向控制增稳。

因此，螺旋桨应具有较大的变距角度行程，以满足飞行速度包线范围内的前行推力需求；螺旋桨应具有较高的桨距定位精度，以满足反扭力矩配平需求；螺旋桨应具有较高的变距角速度，以满足航向闭环控制增稳需求。可见，X3、RACER构型复合式高速直升机对螺旋桨变距的角度范围、定位精度和运动速度均提出了较高要求。为了避免螺旋桨变距系统出现颠覆性问题，在复合式高速直升机方案实施阶段，通过开展风洞试验评估螺旋桨气动性能及变距系统实际性能指标是十分必要的。

风洞试验是评估螺旋桨气动性能及其操纵性能的重要手段之一。目前，针对螺旋桨开展的风洞试验主要采用尾部支撑装置，这种支撑装置一般适用于拉力螺旋桨，且对于有变距需求的螺旋桨主要采用手动拆装角度块的方式调节螺旋桨桨距，试验效率和安全性均较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置及试验方法，解决现有的用于风洞试验的螺旋桨无法精确且快速地调整桨距，导致试验效率和安全性较低的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，包括：桨壳，所述桨壳内设有变距电机，所述变距电机通过减速箱连有丝杆，所述丝杆旋接有丝母，所述丝母外侧壁通过偏心销呈环状连有多个桨叶，所述偏心销滑动套装于限位杆，所述限位杆与所述丝杆平行，所述限位杆与所述桨壳连接；驱动机构，所述驱动机构设有输出轴，所述输出轴与所述丝杆同轴设置，所述输出轴通过法兰盘与所述桨壳固定连接；安装座，所述安装座与所述驱动机构固定连接，所述安装座用于与风洞的侧滑机构连接。

可选地，所述桨壳包括弹头状的桨帽、安装盘及桨毂，所述安装盘与所述桨帽的尾端同轴可拆卸连接，所述桨毂设于所述桨帽内，并与所述安装盘的内侧连接；所述安装盘的外侧通过法兰盘与所述输出轴固定连接；所述桨叶的尾端位于所述桨毂内，所述限位杆的两端分别与所述桨毂连接，以使所述限位杆的端部封闭。

可选地，所述驱动机构包括动力短舱、驱动电机及天平机构，所述驱动电机设于所述动力短舱内，所述输出轴为所述驱动电机的电机轴；所述天平机构同轴套装于所述输出轴，并与所述驱动电机固定连接；所述天平机构穿过所述动力短舱的仓壁与所述安装座固定连接。

可选地，所述天平机构包括浮动环、过渡环及固定环，所述过渡环同轴套装于所述浮动环内，所述过渡环通过多根沿径向设置的轮辐式应变梁与所述浮动环连接，所述固定环与所述过渡环同轴相对设置，所述固定环通过多根沿轴向设置的柱梁式应变梁与所述过渡环连接；所述轮辐式应变梁及所述柱梁式应变梁均贴设有应变片，所述应变片通过组桥电连接有接收器，所述接收器用于接收所述应变片的应变产生的电压信号，以表征所述轮辐式应变梁及所述柱梁式应变梁的应变量数据；所述浮动环、所述过渡环及所述固定环均同轴套装于所述输出轴外；所述浮动环远离所述固定环的一面与所述驱动电机固定连接；所述固定环的外壁沿径向设有凸台，所述凸台与所述安装座固定插接。

可选地，所述输出轴位于所述固定环和所述桨壳之间处同轴套接有滑环转子，所述驱动电机通过连接杆连有滑环定子，所述滑环定子与所述滑环转子的外壁接触并相切，以为所述变距电机供电。

可选地，所述安装座包括同轴连接的支杆和支柱，所述支杆远离所述支柱的一端挖设有插槽，所述插槽与所述凸台匹配；所述支柱远离所述支杆的一端设有连接盘，所述连接盘用于与风洞的侧滑机构连接。

可选地，所述支杆和所述支柱中空设置，以于内部形成走线槽。

可选地，所述动力短舱内设有中驱动电机固定座，所述中驱动电机固定座呈环状，所述中驱动电机固定座用于抱箍所述驱动电机，所述中驱动电机固定座的外壁凸设有多个固定块，所述固定块用于与所述动力短舱的内壁螺栓连接。

可选地，所述动力短舱沿轴向包覆所述输出轴，所述动力短舱与所述桨帽的尾端平滑对接，所述动力短舱设置为水滴形。

一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验方法，包括如下步骤：

S1、将上述任意一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置连接于风洞的侧滑机构；

S2、开启所述驱动机构，采集初始状态的数据；

S3、通过所述变距电机调整所述桨叶的桨距至0位，并调整侧滑机构的侧滑角为0°，而后调整所述驱动机构使所述桨叶的转速为0.5倍工作转速；

S4、开启风洞并调整风速稳定至试验值，而后调整所述桨叶至工作转速；

S5、分别调整所述变距电机及侧滑机构，使桨距及侧滑角调整至第一组试验参数，而后采集得到第一组试验数据；

S6、分别调整所述变距电机及侧滑机构，使桨距及侧滑角调整至下一组试验参数，而后采集得到下一组试验数据；

S7、重复步骤S6，以完成每组试验参数对应的试验数据的采集，而后对全部试验数据进行分析处理，得到试验结果；

S8、调整桨距至0位，调整侧滑角为0°；

S9、关停所述驱动机构，而后关停风洞。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，通过设置桨壳，为桨叶提供安装结构基础，进一步通过设置变距电机、减速箱、丝杆及丝母，利用变距电机的转动即可带动丝杆转动，即可带动丝母沿丝杆轴向移动，在此基础上，通过设置桨叶、偏心销及限位杆，并进一步限定三者与丝母的连接关系，通过丝母带动偏心销摆动，即可带动桨叶转动以调整桨距；在此基础上，通过设置驱动机构，通过其输出轴带动整个桨壳转动，以带动全部桨叶形成的螺旋桨旋动；在此基础上，通过设置安装座，使该测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置能够与风洞的侧滑机构连接，进行风洞试验时，可通过该装置调整桨距，同时通过侧滑机构调整侧滑角，以满足不同桨距、不同侧滑角的试验需求；通过上述各特征的相互配合，使该测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置能够有效解决现有的用于风洞试验的螺旋桨无法精确且快速地调整桨距，导致试验效率和安全性较低的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的桨壳处的局部剖视图；

图3为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的天平机构的正视示意图；

图4为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的天平机构的侧视示意图；

图5为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的天平机构的侧剖示意图；

图6为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的滑环转子处的示意图；

图7为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的中驱动电机固定座的正视示意图；

图8为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的中驱动电机固定座的侧视示意图；

图9为本发明实施例提供的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置的支杆的示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

10-桨壳；101-桨帽；102-安装盘；103-桨毂；11-变距电机；12-减速箱；13-丝杆；14-丝母；15-偏心销；16-桨叶；17-限位杆；20-输出轴；21-动力短舱；22-驱动电机；23-中驱动电机固定座；231-固定块；30-安装座；31-支杆；32-支柱；33-连接盘；40-浮动环；41-过渡环；42-固定环；421-凸台；43-轮辐式应变梁；44-柱梁式应变梁；50-滑环转子；51-滑环定子。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

请参照图1至图9，本发明实施例提供了一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，包括：桨壳10，所述桨壳10内设有变距电机11，所述变距电机11通过减速箱12连有丝杆13，所述丝杆13旋接有丝母14，所述丝母14外侧壁通过偏心销15呈环状连有多个桨叶16，所述偏心销15滑动套装于限位杆17，所述限位杆17与所述丝杆13平行，所述限位杆17与所述桨壳10连接；第二包括驱动机构，所述驱动机构设有输出轴20，所述输出轴20与所述丝杆13同轴设置，所述输出轴20通过法兰盘与所述桨壳10固定连接；第三包括安装座30，所述安装座30与所述驱动机构固定连接，所述安装座30用于与风洞的侧滑机构连接。

本发明提供的一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，通过设置桨壳10，为桨叶16提供安装结构基础，进一步通过设置变距电机11、减速箱12、丝杆13及丝母14，利用变距电机11的转动即可带动丝杆13转动，即可带动丝母14沿丝杆轴向移动，在此基础上，通过设置桨叶16、偏心销15及限位杆17，并进一步限定三者与丝母14的连接关系，通过丝母14带动偏心销15摆动，即可带动桨叶16转动以调整桨距；在此基础上，通过设置驱动机构，通过其输出轴20带动整个桨壳10转动，以带动全部桨叶16形成的螺旋桨旋动；在此基础上，通过设置安装座30，使该测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置能够与风洞的侧滑机构连接，进行风洞试验时，可通过该装置调整桨距，同时通过侧滑机构调整侧滑角，以满足不同桨距、不同侧滑角的试验需求；通过上述各特征的相互配合，使该测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置能够有效解决现有的用于风洞试验的螺旋桨无法精确且快速地调整桨距，导致试验效率和安全性较低的问题。

为了对桨壳10的具体结构做出进一步地解释，所述桨壳10包括弹头状的桨帽101、安装盘102及桨毂103，所述安装盘102与所述桨帽101的尾端同轴可拆卸连接，所述桨毂103设于所述桨帽101内，并与所述安装盘102的内侧连接；所述安装盘102的外侧通过法兰盘与所述输出轴20固定连接；所述桨叶16的尾端位于所述桨毂103内，所述限位杆17的两端分别与所述桨毂103连接，以使所述限位杆17的端部封闭。

为了对驱动机构的具体结构做出进一步的解释，所述驱动机构包括动力短舱21、驱动电机22及天平机构，所述驱动电机22设于所述动力短舱21内，所述输出轴20为所述驱动电机22的电机轴；所述天平机构同轴套装于所述输出轴20，并与所述驱动电机22固定连接；所述天平机构穿过所述动力短舱21的仓壁与所述安装座30固定连接。

为了对天平机构的具体结构做出进一步地解释，所述天平机构包括浮动环40、过渡环41及固定环42，所述过渡环41同轴套装于所述浮动环40内，所述过渡环41通过多根沿径向设置的轮辐式应变梁43与所述浮动环40连接，所述固定环42与所述过渡环41同轴相对设置，所述固定环42通过多根沿轴向设置的柱梁式应变梁44与所述过渡环41连接；所述轮辐式应变梁43及所述柱梁式应变梁44均贴设有应变片，所述应变片通过组桥电连接有接收器，所述接收器用于接收所述应变片的应变产生的电压信号，以表征所述轮辐式应变梁43及所述柱梁式应变梁44的应变量数据；所述浮动环40、所述过渡环41及所述固定环42均同轴套装于所述输出轴20外；所述浮动环40远离所述固定环42的一面与所述驱动电机22固定连接；所述固定环42的外壁沿径向设有凸台421，所述凸台421与所述安装座30固定插接。

为了对变距电机11持续供电，所述输出轴20位于所述固定环42和所述桨壳10之间处同轴套接有滑环转子50，所述驱动电机22通过连接杆连有滑环定子51，所述滑环定子51与所述滑环转子50的外壁接触并相切，以为所述变距电机11供电。

需要说明的是，本实施例中，滑环转子50与变距电机11电连接，滑环定子51与供电系统电连接，并且本实施例中，电连接采用线缆实施，由于滑环转子50与输出轴20相对固定，而输出轴20与桨壳10相对固定，因此滑环转子50与变距电机11相对固定，两者通过线缆电连接，转动过程中不会绞线。

为了对安装座30的具体结构做出进一步的解释，所述安装座30包括同轴连接的支杆31和支柱32，所述支杆31远离所述支柱32的一端挖设有插槽，所述插槽与所述凸台421匹配；所述支柱32远离所述支杆31的一端设有连接盘33，所述连接盘33用于与风洞的侧滑机构连接。

为了便于线缆布设，所述支杆31和所述支柱32中空设置，以于内部形成走线槽。

为了可拆卸地将驱动电机22稳定的安装并固定于动力短舱21内，所述动力短舱21内设有中驱动电机固定座23，所述中驱动电机固定座23呈环状，所述中驱动电机固定座23用于抱箍所述驱动电机22，所述中驱动电机固定座23的外壁凸设有多个固定块231，所述固定块231用于与所述动力短舱21的内壁螺栓连接。

为了尽量减少装置对螺旋桨气动性能的干扰，所述动力短舱21沿轴向包覆所述输出轴20，所述动力短舱21与所述桨帽101的尾端平滑对接，所述动力短舱21设置为水滴形。

本发明实施例还提供了一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验方法，包括如下步骤：

S1、将上述任意一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置连接于风洞的侧滑机构；

S2、开启所述驱动机构，采集初始状态的数据；

S3、通过所述变距电机11调整所述桨叶16的桨距至0位，并调整侧滑机构的侧滑角为0°，而后调整所述驱动机构使所述桨叶16的转速为0.5倍工作转速；

S4、开启风洞并调整风速稳定至试验值，而后调整所述桨叶16至工作转速；

S5、分别调整所述变距电机11及侧滑机构，使桨距及侧滑角调整至第一组试验参数，而后采集得到第一组试验数据；

S6、分别调整所述变距电机11及侧滑机构，使桨距及侧滑角调整至下一组试验参数，而后采集得到下一组试验数据；

S7、重复步骤S6，以完成每组试验参数对应的试验数据的采集，而后对全部试验数据进行分析处理，得到试验结果；

S8、调整桨距至0位，调整侧滑角为0°；

S9、关停所述驱动机构，而后关停风洞。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，其特征在于，包括：

桨壳(10)，所述桨壳(10)内设有变距电机(11)，所述变距电机(11)通过减速箱(12)连有丝杆(13)，所述丝杆(13)旋接有丝母(14)，所述丝母(14)外侧壁通过偏心销(15)呈环状连有多个桨叶(16)，所述丝母(14)滑动套装于限位杆(17)，所述限位杆(17)与所述丝杆(13)平行，所述限位杆(17)与所述桨壳(10)连接；

驱动机构，所述驱动机构设有输出轴(20)，所述输出轴(20)与所述丝杆(13)同轴设置，所述输出轴(20)通过法兰盘与所述桨壳(10)固定连接；

安装座(30)，所述安装座(30)与所述驱动机构固定连接，所述安装座(30)用于与风洞的侧滑机构连接；

所述桨壳(10)包括弹头状的桨帽(101)、安装盘(102)及桨毂(103)，所述安装盘(102)与所述桨帽(101)的尾端同轴可拆卸连接，所述桨毂(103)设于所述桨帽(101)内，并与所述安装盘(102)的内侧连接；

所述安装盘(102)的外侧通过法兰盘与所述输出轴(20)固定连接；

所述桨叶(16)的尾端位于所述桨毂(103)内，所述限位杆(17)的两端分别与所述桨毂(103)连接，以使所述限位杆(17)的端部封闭；

所述驱动机构包括动力短舱(21)、驱动电机(22)及天平机构，所述驱动电机(22)设于所述动力短舱(21)内，所述输出轴(20)为所述驱动电机(22)的电机轴；

所述天平机构同轴套装于所述输出轴(20)，并与所述驱动电机(22)固定连接；

所述天平机构穿过所述动力短舱(21)的仓壁与所述安装座(30)固定连接；

所述天平机构包括浮动环(40)、过渡环(41)及固定环(42)，所述过渡环(41)同轴套装于所述浮动环(40)内，所述过渡环(41)通过多根沿径向设置的轮辐式应变梁(43)与所述浮动环(40)连接，所述固定环(42)与所述过渡环(41)同轴相对设置，所述固定环(42)通过多根沿轴向设置的柱梁式应变梁(44)与所述过渡环(41)连接；

所述轮辐式应变梁(43)及所述柱梁式应变梁(44)均贴设有应变片，所述应变片通过组桥电连接有接收器，所述接收器用于接收所述应变片的应变产生的电压信号，以表征所述轮辐式应变梁(43)及所述柱梁式应变梁(44)的应变量数据；

所述浮动环(40)、所述过渡环(41)及所述固定环(42)均同轴套装于所述输出轴(20)外；

所述浮动环(40)远离所述固定环(42)的一面与所述驱动电机(22)固定连接；

所述固定环(42)的外壁沿径向设有凸台(421)，所述凸台(421)与所述安装座(30)固定插接。

2.根据权利要求1所述的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，其特征在于，所述输出轴(20)位于所述固定环(42)和所述桨壳(10)之间处同轴套接有滑环转子(50)，所述驱动电机(22)通过连接杆连有滑环定子(51)，所述滑环定子(51)与所述滑环转子(50)的外壁接触并相切，以为所述变距电机(11)供电。

3.根据权利要求1所述的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，其特征在于，所述安装座(30)包括同轴连接的支杆(31)和支柱(32)，所述支杆(31)远离所述支柱(32)的一端挖设有插槽，所述插槽与所述凸台(421)匹配；

所述支柱(32)远离所述支杆(31)的一端设有连接盘(33)，所述连接盘(33)用于与风洞的侧滑机构连接。

4.根据权利要求3所述的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，其特征在于，所述支杆(31)和所述支柱(32)中空设置，以于内部形成走线槽。

5.根据权利要求1所述的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，其特征在于，所述动力短舱(21)内设有中驱动电机固定座(23)，所述中驱动电机固定座(23)呈环状，所述中驱动电机固定座(23)用于抱箍所述驱动电机(22)，所述中驱动电机固定座(23)的外壁凸设有多个固定块(231)，所述固定块(231)用于与所述动力短舱(21)的内壁螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置，其特征在于，所述动力短舱(21)沿轴向包覆所述输出轴(20)，所述动力短舱(21)与所述桨帽(101)的尾端平滑对接，所述动力短舱(21)设置为水滴形。

7.一种测量螺旋桨气动及操纵特性的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将权利要求1-6中任意一项所述的测量螺旋桨气动及操纵特性的试验装置连接于风洞的侧滑机构；

S2、开启所述驱动机构，采集初始状态的数据；

S3、通过所述变距电机(11)调整所述桨叶(16)的桨距至0位，并调整侧滑机构的侧滑角为0°，而后调整所述驱动机构使所述桨叶(16)的转速为0.5倍工作转速；

S4、开启风洞并调整风速稳定至试验值，而后调整所述桨叶(16)至工作转速；

S5、分别调整所述变距电机(11)及侧滑机构，使桨距及侧滑角调整至第一组试验参数，而后采集得到第一组试验数据；

S6、分别调整所述变距电机(11)及侧滑机构，使桨距及侧滑角调整至下一组试验参数，而后采集得到下一组试验数据；

S7、重复步骤S6，以完成每组试验参数对应的试验数据的采集，而后对全部试验数据进行分析处理，得到试验结果；

S8、调整桨距至0位，调整侧滑角为0°；

S9、关停所述驱动机构，而后关停风洞。