CN206208490U - 一种临近空间螺旋桨地面试验测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种临近空间螺旋桨地面试验测试系统，包括来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统、数据测量系统和支架。数据测量系统包括二分量天平和数据采集控制模块；螺旋桨前进速度和转速分别由拖车和电机精确控制。螺旋桨转速控制系统包括电机，所述电机固定在二分量天平内部，电机输出轴端部延伸至二分量天平外部，所述螺旋桨固定在电机输出轴端部，由电机驱动旋转；支架为悬臂梁结构，悬臂梁结构的后端固定在拖车车头前端并向前延伸，二分量天平固定在支架前端。本实用新型利用轨道拖车模拟试验状态，拖车较低的前进速度和较高的速度控制精度，可以为螺旋桨提供稳定的来流环境。

Description

一种临近空间螺旋桨地面试验测试系统

技术领域

本实用新型涉一种临近空间螺旋桨地面试验测试系统，属于属于空气动力学的技术领域领域。

背景技术

随着储能电池技术和无刷电动机技术的发展，电动飞机越来越受到人们的重视。常规的电动飞机具有体积小、重量轻、低成本、操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好等特点，具有很高的军事和民用价值。以太阳能最为动力来源的飞行平台能够在空中停留无限长时间，也成为现代无人机发展的一个重要方向。目前，电动飞机的一个显著共同点是均采用螺旋桨电推进系统，其效率严重影响着无人机总体设计、结构重量和飞行性能等要素。推进系统的综合性能主要取决于螺旋桨和电动机的性能和效率，以及两者之间的匹配特性。

临近空间太阳能无人机飞行高度为0km～30km之间，飞行速度范围8m/s～45m/s，具有飞行高度和速度跨度大的特点。作为其主要动力装置的螺旋桨处于高空低密度工作环境，20km高度的大气密度约为海平面的1/14，压强约1/18，呈低密度、低雷诺数效应。目前，国外将临近空间螺旋桨试验分为二维低雷诺数螺旋桨翼型试验和三维螺旋桨试验两部分，试验方法主要有地面增压式风洞试验和临近空间气球/滑翔机搭载试验两种方法。这两种方法都具有准确度好的特点，但是投入成本高、建设周期长，国内尚不具备这样的试验条件。

目前，国内较多采用的临近空间螺旋桨试验方法是地面常规低速风洞缩比模型试验和地面车载试验。然而，国内低速风洞在风速低于8m/s时流场品质难以保证，模拟不准确，对实验结果影响较大。常规地面车载试验容易受外界风和地面路况等因素的干扰，都会对试验结果造成一定的影响。如何在地面模拟螺旋桨的临近空间工作状态，是本领域亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，利用国内现有试验条件，提供一种临近空间螺旋桨地面试验测试系统，模拟螺旋桨的临近空间工作状态，进行螺旋桨性能试验。

本实用新型的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

提供一种临近空间螺旋桨地面试验测试系统，包括来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统、数据测量系统和支架；

所述来流模拟系统包括实验段，轨道，拖车和拖车供电系统及控制系统；所述实验段为密闭空间；所述轨道为平行双轨道，固定在实验段内；所述拖车在拖车供电系统及控制系统的控制下，按指定速度沿轨道前进；

数据测量系统包括二分量天平和数据采集控制模块；所述二分量天平测量螺旋桨的拉力和扭矩并发送给数据采集控制模块；数据采集控制模块采集二分量天平测量的拉力和扭矩，并输出；

螺旋桨转速控制系统包括电机，所述电机固定在二分量天平内部，电机输出轴端部延伸至二分量天平外部，所述螺旋桨固定在电机输出轴端部，由电机驱动旋转；

支架为悬臂梁结构，悬臂梁结构的后端固定在拖车车头前端并向前延伸，二分量天平固定在支架前端。

优选的，二分量天平为管式结构，拉力测量元件设计为轴向对称的竖直梁式结构，扭矩测量元件设计为轴向对称的轮辐式结构。

优选的，所述电机同轴安装在二分量天平内部，固定在二分量天平的前端面上，所述前端面具有通孔，电机输出轴通过所述通孔延伸到前端面外部，连接螺旋桨。

优选的，所述实验段的地面设置平行双轨道，且两个轨道之间为矩形凹槽，凹槽的宽度大于螺旋桨直径的3倍，凹槽的高度大于螺旋桨直径。

优选的，支架长度大于3m，支架的前端左右两侧分别通过一个支杆固连到拖车底盘两侧的支柱上端；支杆与水平方向的夹角为25°～40°。

优选的，数据采集控制模块包括转速测量系统、车速测量系统、控制计算机和数据采集处理器；所述转速测量系统检测电机转速，并发送给数据采集处理器；所述车速测量系统测量拖车行进速度，并发送给数据采集处理器；所述数据采集处理器采集电机转速、拖车行进速度、拉力和扭矩数据，并发送给控制计算机；所述控制计算机根据输入指令控制电机转速，接收数据采集处理器发送的数据，控制显示器实时显示测试数据。

优选的，来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统和数据测量系统之间均进行电磁屏蔽。

优选的，螺旋桨直接安装于电机输出轴，二分量天平通过支座固定于支架前端。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明利用轨道拖车模拟试验状态，拖车较低的前进速度和较高的速度控制精度，可以为螺旋桨提供稳定的来流环境，且试验在实验室内进行，不受人员和风等外界条件的干扰，试验段横截面积大，易于获得较好的流场品质，能够实现螺旋桨气动特性、电动机的负载特性和推进系统的综合性能测试。

(2)本发明通过测量螺旋桨反作用于电机的扭矩和拉力，等同得到螺旋桨自身的扭矩和拉力，将电机置于天平内部，结构巧妙，测试便捷，装置易于实现。

(3)本发明通过悬臂梁支架支撑天平和螺旋桨，支架长度大于3m，降低了拖车对螺旋桨附近流场的干扰；悬臂梁两侧设置支杆，降低了悬臂梁的振动干扰，优选的支杆倾角，使悬臂梁的振动达到最低。提高了试验测试的精度。

(4)本发明通过在轨道内侧设置凹槽，增大了试验段横截面积，减小了壁面对螺旋桨附近流场的干扰。

(5)本发明的临近空间螺旋桨地面试验采用等前进比和等雷诺数相似准则，选用原尺寸螺旋桨模型，忽略马赫数的影响，降低了模型加工难度和对试验设备的要求。

附图说明

图1为本实用新型临近空间螺旋桨测试系统示意图；其中图1(a)为螺旋桨测试系统的侧视图；图1(b)螺旋桨测试系统的前视图；

图2为测试系统硬件结构图；

图3为供电系统示意图；

图4为数据采集系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述：

临近空间螺旋桨地面试验测试系统来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统、数据测量系统和支架；

所述来流模拟系统包括实验段9，轨道8，拖车7和拖车供电系统及控制系统；所述实验段9为密闭空间；所述轨道8为平行双轨道，固定在实验段9内；所述拖车7在拖车供电系统及控制系统的控制下，按指定速度沿轨道前进。

数据测量系统包括二分量天平2和数据采集控制模块6；所述二分量天平2测量螺旋桨1的拉力和扭矩并发送给数据采集控制模块；数据采集控制模块6采集二分量天平测量的拉力和扭矩，并输出，数据采集控制模块采用DSP数据采集器。

螺旋桨转速控制系统包括电机3，所述电机3固定在二分量天平2内部，电机3输出轴端部延伸至二分量天平2外部，二分量天平2为中空结构，所述电机3同轴安装在二分量天平内部，固定在二分量天平3的前端面上，所述端面具有通孔，电机输出轴通过所述通孔延伸到端面外部，连接螺旋桨1，所述螺旋桨固定在电机输出轴端部，由电机驱动旋转；支架5为悬臂梁结构，悬臂梁结构的后端固定在拖车车头前端并向前延伸，二分量天平固定在支架5前端。

如图1（a），（b）所示，一种电动飞机螺旋桨地面试验测试系统将实验室内壁10 做为试验段壁面，试验段横截面呈倒“凸”字形，凹槽的宽度大于螺旋桨直径的3倍，凹槽的高度大于螺旋桨直径。两条轨道铺设于凸字槽边缘，拖车7置于轨道上，流线型拖车头部安装一根悬臂支架5，带有支座的轮辐式二分量天平支座固定于悬臂支架上远离车头的一端，电机与天平同轴固连，被测螺旋桨直接安装在电动机输出轴端。在试验段9内静止空气中，螺旋桨前进速度和转速分别通过拖车控制系统和电机控制器精确控制。

如图2所示，测试系统硬件包括轮辐式二分量天平、转速测量系统、车速测量系统、控制计算机、直流电源、数据采集处理器。所述轮辐式二分量天平呈管式结构，电机穿过天平并与天平端面固连，电机输出轴伸出天平端面，螺旋桨安装于电机输出轴端，天平通过L型法兰与支架前端连接。支架长度大于3m，支架的前端左右两侧分别通过一个支杆固连到拖车底盘两侧的支柱11上；支杆4与水平方向的夹角为25°～40°。天平的拉力测量元件设计为轴对称竖直梁式结构，扭矩测量元件设计为轴对称的轮辐式结构，测量推进系统受到的拉力和扭矩。

所述转速测量系统测量电动机转速，所述车速测量系统测量拖车速度，所述控制计算机发送测试操作指令，DSP数据采集处理器通过通讯接口RS422获取车速测量系统、转速测量系统和天平所测数据，控制计算机接收并处理各测量数据，将数据存储在存储器中，显示器实时显示测试数据。供电电源为整个测试系统供电，并通过隔离变压器分别对电动机、天平、转速测量系统、车速测量系统、控制计算机和数据采集处理器采取电磁隔离措施，如图3所示。

图4为数据采集系统结构图，各传感器采集的数据由RS422总线实现与DSP数据采集处理器的通信，DSP与计算机通过USB连接，所有数据采集均采用同步采样。电动机转速的测量由光栅盘测频实现，传感器采集值为0～5V脉冲信号。拖车速度的测量由旋转编码器测频实现，安装在拖车车轮上，用来测量和控制车速，采集值为0V-5V脉冲信号。天平输出的拉力和扭矩测量值均为0～2V的模拟信号，所有测量信号经过DSP进行A/D转换传输到上位机。

本实用新型可以达到以下技术指标：

以上所述，仅为实用新型最佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种临近空间螺旋桨地面试验测试系统，其特征在于，包括来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统、数据测量系统和支架；

所述来流模拟系统包括实验段(9)，轨道(8)，拖车(7)和拖车供电系统及控制系统；所述实验段(9)为密闭空间；所述轨道(8)为平行双轨道，固定在实验段(9)内；所述拖车(7)在拖车供电系统及控制系统的控制下，按指定速度沿轨道(8)前进；

数据测量系统包括二分量天平(2)和数据采集控制模块；所述二分量天平(2)测量螺旋桨(1)的拉力和扭矩并发送给数据采集控制模块；数据采集控制模块采集二分量天平(2)测量的拉力和扭矩，并输出；

螺旋桨转速控制系统包括电机(3)，所述电机(3)固定在二分量天平(2)内部，电机(3)输出轴端部延伸至二分量天平(2)外部，所述螺旋桨(1)固定在电机输出轴端部，由电机(3)驱动旋转；

支架(5)为悬臂梁结构，悬臂梁结构的后端固定在拖车(7)车头前端并向前延伸，二分量天平(2)固定在支架(5)前端。

2.权利要求1所述的临近空间螺旋桨地面试验测试系统，其特征在于，二分量天平(2)为管式结构，拉力测量元件设计为轴向对称的竖直梁式结构，扭矩测量元件设计为轴向对称的轮辐式结构。

3.权利要求1或2所述的临近空间螺旋桨地面试验测试系统，其特征在于，所述电机(3)同轴安装在二分量天平(2)内部，固定在二分量天平(2)的前端面上，所述前端面具有通孔，电机(3)输出轴通过所述通孔延伸到前端面外部，连接螺旋桨(1)。

4.权利要求1或2所述的临近空间螺旋桨地面试验测试系统，其特征在于，所述实验段(9)的地面设置平行双轨道(8)，且两个轨道之间为矩形凹槽，凹槽的宽度大于螺旋桨(1)直径的3倍，凹槽的高度大于螺旋桨(1)直径。

5.权利要求1或2所述的临近空间螺旋桨地面试验测试系统，其特征在于，支架(5)长度大于3m，支架(5)的前端左右两侧分别通过一个支杆(4)固连到拖车(7)底盘两侧的支柱(11)上端；支杆(4)与水平方向的夹角为25°～40°。

6.权利要求1或2所述的临近空间螺旋桨地面试验测试系统(6)，其特征在于，数据采集控制模块包括转速测量系统、车速测量系统、控制计算机和数据采集处理器；所述转速测量系统检测电机(3)转速，并发送给数据采集处理器；所述车速测量系统测量拖车(7)行进速度，并发送给数据采集处理器；所述数据采集处理器采集电机(3)转速、拖车(7)行进速度、拉力和扭矩数据，并发送给控制计算机；所述控制计算机根据输入指令控制电机(3)转速，接收数据采集处理器发送的数据，控制显示器实时显示测试数据。

7.如权利要求1所述的临近空间螺旋桨地面试验测试系统，其特征在于，来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统和数据测量系统之间均进行电磁屏蔽。

8.如权利要求1所述的临近空间螺旋桨地面试验测试系统，其特征在于，螺旋桨(1)直接安装于电机(3)输出轴，二分量天平(2)通过支座固定于支架(5)前端。