CN219996478U - 一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，包括动力组件、测量组件和工装组件，用于对待测旋翼的气动特性进行测量，通过动力组件控制待测旋翼旋转，并采集测量组件各个传感器的信号，通过PWM信号和电调对电机进行控制，使用大电流稳压直流电源为电机供电；测量组件包括天平和扭矩传感器。本发明提高旋翼气动特性的测量精度。

Description

一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，属于气动特性测试技术领域。

背景技术

在火星探测和临近空间(20km高度以上)探测活动中，常使用到旋翼式飞行器。火星、临近空间等稀薄大气环境中，旋翼的气动特性会有显著差别。而在地面模拟设备中对旋翼的气动特性进行试验测量过程中，常需要对模型进行缩比处理。因此需设计一种低密度环境下，对单旋翼气动特性进行测试的试验装置。低密度环境模拟设备可以是低密度风洞或真空舱等。

现有公开的低密度环境旋翼气动特性测试装置中，通常需要对运动旋翼的拉力和扭矩进行测量，一般采用固定不动的拉力传感器(或天平)、固定不动的扭矩传感器连接在动力组件另一侧的固支端进行测量，但是这种布局方式在测量扭矩时通常需要添加轴承等传动机构，不能完全消除摩擦；动力组件本身的反扭矩也不能被扣除，从而降低了扭矩的测量精度。拉力传感器不能测量X和Y向力和力矩的干扰量，也会在拉力测量上引入误差。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，提高旋翼气动特性的测量精度。

本实用新型解决技术的方案是：

一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，包括动力组件、测量组件和工装组件，用于对待测旋翼的气动特性进行测量，通过动力组件控制待测旋翼旋转，并采集测量组件各个传感器的信号，通过PWM信号和电调对电机进行控制，使用大电流稳压直流电源为电机供电；

测量组件包括天平和扭矩传感器，

动力组件包括电机、电机安装块和电机安装底座，通过电机安装底座将电机与电机安装块相连；

工装组件包括板式工装、主支撑板和侧支撑架，主支撑板两侧分别连接板式工装和侧支撑架；

电机安装块的一侧与板式工装相连固定。

进一步的，在动力组件与待测旋翼之间，采用轴承组件径向支撑。

进一步的，还包括轴组件，轴组件包括电机轴和旋翼轴，电机轴和旋翼轴分别与扭矩传感器的两端通过联轴节相连。

进一步的，电机轴为光轴，通过弹性联轴节与扭矩传感器的下端相连。

进一步的，旋翼轴底部设计有键槽，与扭矩传感器上端通过刚性联轴节相连，阻止旋翼产生的拉力将旋翼轴拉开脱离。

进一步的，天平为六分量天平，天平设置在工装组件之下，测量旋翼运动过程中产生的六分量气动力。

进一步的，天平的Z轴与旋翼主轴重合，扭矩传感器设置在动力组件和待测旋翼之间。

进一步的，测量组件还包括用来测量转速的光电开关组件，光电开关组件包括光电开关和光电开关安装块，安装块可以绕自身Z轴旋转，且为光电开关预留了水平、竖直的安装孔，光电开关固定在光电开关安装块上，为漫反射探头。

进一步的，还包括固定板，固定板与真空箱连接，在固定板上安装天平，天平上端连接主支撑板，主支撑板是一个直角结构。

进一步的，板式工装上设置有电机安装槽，电机安装块的一侧与板式工装上的电机安装槽连接。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

(1)本实用新型优化了测量组件的布置形式和测量方法，使用扭矩传感器代替传统的固支端扭矩传感器，使用天平代替单分量拉力传感器，减小测量误差；

(2)本实用新型工装支撑形式多样化，可以采用竖直支撑、水平支撑和板式工装单独支撑等多种方式，满足不同的测量需求，同时提高旋翼气动特性的测量精度。

附图说明

图1为为本实用新型总体三维示意图；

图2为本实用新型动力组件爆炸图；

图3为本实用新型的光电开关组件示意图；

图4为本实用新型的工装组件示意图；

图5为本实用新型中工装组件的主支撑件轴测图；

图6为本实用新型的工作原理图；

图7为本实用新型的水平支撑方式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步阐述。

一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，包括动力组件3、测量组件4和工装组件2，用于对待测旋翼8的气动特性进行测量，通过动力组件3控制待测旋翼8旋转，并采集测量组件4各个传感器的信号，通过PWM信号和电调对电机31进行控制；

测量组件4包括天平41和扭矩传感器42，

动力组件3包括电机31、电机安装块32和电机安装底座33，通过电机安装底座33将电机31与电机安装块32相连；

工装组件2包括板式工装21、主支撑板23和侧支撑架22，主支撑板23两侧分别连接板式工装21和侧支撑架22；

电机安装块32的一侧与板式工装21相连固定。

实施例一为真空箱中竖直安装，见附图1～附图5。其中，固定板1与真空箱连接，在固定板1上安装六分量天平41，天平上端连接主支撑板22。主支撑板22是一个直角结构见附图5，在主支撑板的支撑侧安装板式支撑21，然后进一步安装其他组件。

将动力组件中的电机31和电机安装底座33用螺钉连接，然后安装到电机安装块32上。电机上方用螺钉与电机轴51连接，电机安装块32的一侧与板式工装21上的电机安装槽214连接。电机轴51穿过固定在板式工装21上轴承安装槽213的一个轴承组件7后，轴的自由端使用弹性联轴节61与扭矩传感器42的下侧轴连接。

扭矩传感器42固定在板式工装21上的扭矩传感器安装槽212上。扭矩传感器42的上侧轴通过刚性联轴节62与旋翼轴52连接。旋翼轴52和扭矩传感器42的上侧轴上设计有键槽，刚性联轴节62的顶丝能够顶住键槽，防止旋翼8运转过程中的拉力将两根轴拉脱或引起连接松动。旋翼轴52穿过固定在板式工装21上端轴承滑轨211合适位置处的轴承组件7，最后在自由端连接待测旋翼8。

本实施例中，旋翼的直径范围200～500mm，在真空箱内相对真空度为-90kPa时转速达到10000RPM，满足真空缩比旋翼的测试需求。需要说明的是，本实施例中待测旋翼为定桨旋翼，不进行变桨操作，但是一般的变桨机构也可集成在本实用新型中。将侧支撑架22安装在主支撑板23上，上侧方框与扭矩传感器42连接支撑。

光电开关组件43为可选组件，本实施例中选用其测量转速。将光电开关安装块432安装在侧支撑架22上方的螺纹孔，光电开关431投射的激光水平照射在旋翼轴52上。如附图3，旋翼照射的高度处，设计有一个涂黑的凹槽521，可以使光电开关431在旋翼转动到此位置时完成开-闭操作，从而输出转速或触发信号。

在本实施例中，除了上述各类组件，还使用了大电流直流稳压电源对电机供电，使用电子调速器控制电机，并在直流供电端接入电流和电压变送器，测量电路中的电流和电压信号。此外，还采集了真空箱安装的压力变送器信号，方便实时计算真空箱内的空气密度。

在本实施例中，附图6给出了本装置各个组件的工作原理，由PWM信号控制旋翼8转速，并采集测量组件中各传感器信号。光电开关431采集到的转速信号用于对电机31转速的反馈控制。

实施例二为水平安装方式，见图7。无需主支撑板22、侧支撑板23，测量组件4中也移除了光电开关组件43，其他部件的安装方式和装置运行方式与实施例一类似。将天平地段固定在在真空箱或低密度风洞中，可以用来测量水平安装的螺旋桨的效率、拉力等气动特性参数。

本实用新型的工装组件2主要包括板式工装21，主支撑板23和侧支撑架22组成。板式工装21保证了旋翼主轴上部件安装的同轴度，其中旋翼轴轴承滑轨211和电机轴轴承槽213上安装轴承组件7，在电机安装槽214处安装动力组件3，在扭矩传感器安装槽212处安装动态扭矩传感器42。

主支撑板23两侧分别连接板式工装21和侧支撑架22，并在底部预留了天平安装孔231。侧支撑架22主要用来支撑动态扭矩传感器42，保证整体稳定性的同时，还平衡了工装-测量系统整体的重心，使重心在天平41的Z轴上，呈竖直支撑的状态，减小了初始的不平衡力矩。

此外，扭矩传感器安装槽212还保留了天平安装孔，作用有两点：一是天平41可以安装在安装槽212处，工装整体由Z轴水平的天平41支撑；二是让板式工装单独水平放置，从下面安装六分量天平41，上面安装动态扭矩传感器42，结合主轴上的动力组件3、轴组件扭矩传感器5扭矩传感器、待测旋翼8和轴承组件7，再将天平41下端固定即可单独成为一个可用于低密度环境的螺旋桨气动特性测试工装。

本实用新型通过动力组件3控制旋翼转速，并采集测量组件4各个传感器的信号。通过PWM信号和电调对电机31进行控制，使用大电流稳压直流电源为电机31供电。使用采集器对光电开关431、天平41和动态扭矩传感器42输出的信号进行采集。动力组件的电源输入和测量组件信号输出均采用有线方式，通过密封航插转接或真空法兰密封的方式穿过真空设备外壁面。

需要指出的是，除了上述总体工装布局和传感器组件外，还需要对测量和采集系统设置如下：采集系统还采集直流供电端的电流和电压信号，以计算整个旋翼系统的机械效率；还采集了提供低密度环境的真空设备的压力信号，通过实时的环境压力计算环境密度。此外，通过编制测控程序，可以将光电开关431输出的转速信号用于电机转速的反馈控制，而且可以让旋翼转速更稳定。

本实用新型搭建了一种能够用于真空环境下的单旋翼气动特性测试装置；优化了测量组件的布置形式和测量方法，使用动态扭矩传感器代替传统的固支端扭矩传感器，使用天平代替单分量拉力传感器，减小测量误差；工装支撑形式更多样化，可以采用竖直支撑、水平支撑和板式工装单独支撑等多种方式，满足不同的测量需求。

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，包括动力组件(3)、测量组件(4)和工装组件(2)，用于对待测旋翼(8)的气动特性进行测量，通过动力组件(3)控制待测旋翼(8)旋转，并采集测量组件(4)各个传感器的信号，通过PWM信号和电调对电机(31)进行控制；

测量组件(4)包括天平(41)和扭矩传感器(42)，

动力组件(3)包括电机(31)、电机安装块(32)和电机安装底座(33)，通过电机安装底座(33)将电机(31)与电机安装块(32)相连；

工装组件(2)包括板式工装(21)、主支撑板(23)和侧支撑架(22)，主支撑板(23)两侧分别连接板式工装(21)和侧支撑架(22)；

电机安装块(32)的一侧与板式工装(21)相连固定。

2.根据权利要求1所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，在动力组件(3)与待测旋翼(8)之间，采用轴承组件(7)径向支撑。

3.根据权利要求1所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，还包括轴组件(5)，轴组件(5)包括电机轴(51)和旋翼轴(52)，电机轴(51)和旋翼轴(52)分别与扭矩传感器(42)的两端通过联轴节(6)相连。

4.根据权利要求3所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，电机轴(51)为光轴，通过弹性联轴节(61)与扭矩传感器(42)的下端相连。

5.根据权利要求3或4所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，旋翼轴(52)底部设计有键槽(522)，与扭矩传感器(42)上端通过刚性联轴节(62)相连，阻止旋翼产生的拉力将旋翼轴(52)拉开脱离。

6.根据权利要求1所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，天平(41)为六分量天平，天平(41)设置在工装组件(2)之下，测量旋翼运动过程中产生的六分量气动力。

7.根据权利要求6所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，天平(41)的Z轴与旋翼主轴重合，扭矩传感器(42)设置在动力组件(3)和待测旋翼(8)之间。

8.根据权利要求1所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，测量组件(4)还包括用来测量转速的光电开关组件(43)，光电开关组件(43)包括光电开关(431)和光电开关安装块(432)，安装块(432)可以绕自身Z轴旋转，且为光电开关(431)预留了水平、竖直的安装孔，光电开关(431)固定在光电开关安装块(432)上。

9.根据权利要求1所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，还包括固定板(1)，固定板(1)与真空箱连接，在固定板(1)上安装天平(41)，天平上端连接主支撑板(23)，主支撑板(23)为直角结构。

10.根据权利要求1所述的一种低密度环境下单旋翼气动特性测试装置，其特征在于，板式工装(21)上设置有电机安装槽(214)，电机安装块(32)的一侧与板式工装(21)上的电机安装槽(214)连接。