JP2005221410A - 圧力分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 物体の表面の圧力分布を精密に測定することが可能な圧力分布測定装置を提供する。
【解決手段】 一体成形された測定用セグメント１３を翼模型に設け、測定用セグメント１３の表面にコード方向に所定間隔で形成した複数の薄膜部３４の裏面に固定した歪みゲージ３５が出力する電気信号を圧力換算手段で圧力に変換することで、前記所定のコードラインに沿う圧力分布を測定するので、測定用セグメント１３の表面に気流の流れに影響を与える段差や隙間が発生するのを防止して圧力分布の測定精度を高めることができる。特に、測定用セグメント１３を光造形法により一体成形すれば、複雑な形状の測定用セグメント１３を高精度かつ安価に成形することができる。また複数の測定用セグメント１３をスパン方向に離間して配置すれば、スパン方向の異なる位置での圧力分布を同時に測定することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、流体に対して相対移動する物体の表面の所定の流れ方向に沿う圧力分布を測定するための圧力分布測定装置に関する。

流体に対して相対移動する物体の表面の圧力分布を測定する圧力分布測定装置は、航空機、船舶、自動車、建築物、橋梁等の多くの分野で使用されている。

例えば航空の分野では、風洞試験により翼表面のコードラインに沿う圧力分布を測定するために使用される翼模型に、翼表面に開口するように形成された複数の圧力検出孔と、これらの圧力検出孔を圧力センサに接続するように翼模型の内部に形成された複数の通路とを設けたものが、下記特許文献１により公知である。

また実機の翼表面に形成した開口を覆うように固定された翼殻の内面にピエゾフォイルを接着し、翼表面を流れる気流による翼殻の振動をピエゾフォイルの出力信号に基づいて検出するものが下記特許文献２により公知である。
特開２００２−２０６９８７号公報 特表２００３−５００６４０号公報

ところで、上記特許文献１に記載されたものの如く、翼表面に開口する複数の圧力検出孔をコードラインに沿ってを形成すると、上流側の圧力検出孔によって発生した気流の乱れが下流側の圧力検出孔に影響を及ぼすため、圧力分布の測定精度が低下するだけでなく、圧力検出孔を圧力センサに接続すべく翼模型の内部に形成した通路による圧損や圧力リークが測定精度に影響を及ぼすこと、前記通路が長いために測定にタイムラグが発生すること、測定可能な圧力レンジが狭いこと、圧力検出孔の汚れや塵の付着により測定精度が低下すること、水中での測定（船舶への応用）が不能であること等の問題があった。

また上記特許文献２に記載されたものは、内面にピエゾフォイルを接着した翼殻を翼表面に形成した開口を覆うように固定するので、翼殻の外周に段差や隙間が発生して気流の乱れの原因となる問題がある。更に、ピエゾフォイルは変形時に信号を出力する特性を有しており、その変形量が一定になる定常状態では信号を出力しないため、定常状態における翼表面の圧力分布を測定することは困難である。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、物体の表面の圧力分布を精密に測定することが可能な圧力分布測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、流体に対して相対移動する物体の表面の所定の流れ方向に沿う圧力分布を測定するための圧力分布測定装置において、前記物体は、前記流れ方向に対して略垂直方向に所定幅を有するように一体成形された測定用セグメントを備えており、この測定用セグメントの表面に複数の薄膜部を前記流れ方向に所定間隔で形成し、前記複数の薄膜部の裏面に固定した歪みゲージが出力する電気信号を圧力換算手段で圧力に変換することで、前記流れ方向に沿う圧力分布を測定することを特徴とする圧力分布測定装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記測定用セグメントは、前記流れ方向に延びる縦フレームと、それに対して直交する方向に延びる横フレームとを結合したフレームを有しており、前記薄膜部の外周を前記縦フレームおよび横フレームに接続したことを特徴とする圧力分布測定装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記測定用セグメントを光造形法により一体成形したことを特徴とする圧力分布測定装置が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記物体は前記流れ方向に対して略垂直方向に離間して配置された複数の測定用セグメントを有することを特徴とする圧力分布測定装置が提案される。

尚、実施例の翼模型Ｗは本発明の物体に対応する。

請求項１の構成によれば、一体成形された測定用セグメントを物体に設け、測定用セグメントの表面に流体の流れ方向に所定間隔で形成した複数の薄膜部の裏面に固定した歪みゲージが出力する電気信号を圧力換算手段で圧力に変換することで、前記流れ方向に沿う圧力分布を測定するので、測定用セグメントの表面に流体の流れに影響を与える圧力検出孔、段差、隙間等が発生するのを防止して圧力分布の測定精度を高めることができる。また圧力検出孔が不要になるために該圧力検出孔の汚れや塵の付着により測定精度が低下することがなく、しかも圧力検出孔を圧力センサに接続する通路が不要になるので該通路が圧損、圧力リーク、測定タイムラグの発生原因となるのを防止して検出精度を高めることができる。更に、薄膜部の厚さを変化させるだけで、圧力の測定レンジを容易に調整することができる。

請求項２の構成によれば、測定用セグメントは流体の流れ方向に延びる縦フレームと、それに対して直交する方向に延びる横フレームとを結合した剛性の高いフレームに薄膜部の外周を接続して構成されるので、物体の表面の圧力による薄膜部の変形量を安定させて圧力分布の測定精度を高めることができる。

請求項３の構成によれば、測定用セグメントを光造形法により一体成形したので、複雑な形状の測定用セグメントを高精度かつ安価に成形することができる。

請求項４の構成によれば、物体は前記流れ方向に対して略垂直方向に離間して配置された複数の測定用セグメントを有するので、物体の異なる位置での圧力分布を同時に測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の第１実施例を示すもので、図１は風洞試験用の翼模型の斜視図、図２は図１の２−２線断面図、図３は図２の３方向矢視図、図４は図２の４−４線断面図、図５は測定用セグメントの斜視図、図６は歪みゲージの出力から圧力分布を求めるシステムのブロック図、図７は光造形法の説明図である。

図１〜図３に示すように、風洞試験により飛行機の翼表面の圧力分布を測定するために使用される翼模型Ｗは、上下に２分割された金属製の第１、第２翼本体１１，１２と、第１、第２翼本体１１，１２の間に挟まれた合成樹脂製の測定用セグメント１３とで構成されており、第１、第２翼本体１１，１２および測定用セグメント１３はスパン方向に一定の翼型を有している。

ベース部材１４にボールベアリング１５を介して回転自在に支持された回転テーブル１６の上面に、第１翼本体１１、測定用セグメント１３および第２翼本体１２が重ね合わされ、コード方向に離間した２本の固定ロッド１７，１７により固定される。即ち、回転テーブル１６に下端をねじ込まれて立設された２本の固定ロッド１７，１７に第１翼本体１１、測定用セグメント１３および第２翼本体１２に形成した各２個の貫通孔１１ａ，１１ａ；１３ａ，１３ａ；１２ａ，１２ａを挿通し、２本の固定ロッド１７，１７の上端にねじ込んだ２本のボルト１８，１８で締結される。

このとき、ボルト１８，１８の締結荷重が測定用セグメント１３に加わらないように、各固定ロッド１７の中間に形成した大径部１７ａを、測定用セグメント１３に対向する第１翼本体１１の貫通孔１１ａの端部に形成した大径部１１ｂに嵌合させ、かつ第２翼本体１２の貫通孔１２ａの端部に形成した大径部１２ｂに嵌合させることで、大径部１１ｂ，１２ｂの当たり面１１ｃ，１２ｃで前記締結荷重を支持するようになっている。

回転テーブル１６の中心から下方に延びる回転軸１９に固定した従動ベベルギヤ２０に、ベース部材１４に固定したブラケット２１にボールベアリング２２，２２を介して支持した回転軸２３に設けた駆動ベベルギヤ２４が噛合しており、回転軸２３に設けた操作ハンドル２５を回転させることで回転軸２３、駆動ベベルギヤ２４、従動ベベルギヤ２０および回転軸１９を介して翼模型Ｗの迎角を任意に変更することができる。回転軸１９の位置は翼型のコード長の２５％近傍（空力中心）に設定されており、迎角の変化によるピッチングモーメントの変化を最小限に抑えている。

次に、図２、図４および図５に基づいて測定用セグメント１３の構造を説明する。

測定用セグメント１３は後述する光造形法により合成樹脂で一体成形されるもので、翼型の輪郭を構成する一対の縦フレーム３１，３１と、一対の縦フレーム３１，３１をスパン方向に接続する多数のリブ状の横フレーム３２…とで構成されたフレーム３３を備える。大部分の横フレーム３２…は縦フレーム３１，３１の翼上面側と翼下面側とを接続しているが、前縁近傍の４枚の横フレーム３２…は縦フレーム３１，３１の内面から片持ち状に内向きに延びている。

枠状に組み合わされた縦フレーム３１，３１および横フレーム３２…により区画された矩形の領域の内周面に、可撓性を有するように薄肉（例えば、厚さ０．３ｍｍ）に形成された薄膜部３４…の外周部が一体に接続される。尚、薄膜部３４…の厚さは、測定しようとする圧力のレンジに応じて適宜変更することができる。縦フレーム３１，３１および横フレーム３２…の外表面と薄膜部３４…の外表面とは段差や隙間を持たずに滑らかに接続されており、それらの外表面は協働して翼型を形成する。そして薄膜部３４…の裏面に、歪みにより電気抵抗値が変化する周知の歪みゲージ３５…が接着により固定される。歪みゲージ３５…は全ての薄膜部３４…の裏面に接着しても良いが、本実施例では圧力分布の高い検出精度が要求される前縁側では全ての薄膜部３４…に歪みゲージ３５…が設けられ、それほど高い検出精度が要求される後縁側では所定個数置きの薄膜部３４…に歪みゲージ３５…が設けられる（図１参照）。

測定用セグメント１３には隣接する２枚の横フレーム３２，３２を接続する前後の位置決め孔３６，３６が設けられており、これらの位置決め孔３６，３６に固定ロッド１７，１７の大径部１７ａ，１７ａが嵌合することで、第１、第２翼本体１１，１２に対して測定用セグメント１３が位置決めされる。

図６に示すように、各々の歪みゲージ３５…から延びるハーネス３７は第１翼本体１１をスパン方向に貫通する開口１１ｄ（図２参照）を通して外部の圧力換算手段３８に接続され、圧力換算手段３８にはモニタ３９およびプリンタ４０が接続される。

次に、上記構造を有する測定用セグメント１３を光造形法により成形する工程を、図７の模式図に基づいて説明する。

図７（ａ）に示すように、光硬化性樹脂を満たしたタンクＴ内に、図示せぬ駆動源に接続された昇降台Ｌが昇降自在に設けられる。昇降台Ｌの上面を光硬化性樹脂の表面より１ピッチ（例えば０．１ｍｍ）だけ低い位置にセットした状態で、昇降台Ｌ上の光硬化性樹脂の薄膜に所定パターンの紫外線レーザーＲを照射し、その照射部分に対応する光硬化性樹脂を硬化させて第１の樹脂層を成形する。続いて、図７（ｂ）に示すように、昇降台Ｌを１ピッチ下降させた後に、第１の樹脂層を覆う光硬化性樹脂の薄膜に所定パターンの紫外線レーザーＲを照射し、その照射部分に対応する光硬化性樹脂を硬化させて前記第１の樹脂層に積層された第２の樹脂層を成形する。このように、昇降台Ｌを１ピッチ下降させる度に紫外線レーザーＲを照射することにより、測定用セグメント１３の全体をスパン方向の一端側から他端側に順次成形して行く（図７（ｃ）参照）。

本実施例の測定用セグメント１３のコード方向に沿う断面形状は、スパン方向の両端部（縦フレーム３１，３１が存在する部分）と、スパン方向の中間部（薄膜部３４…が存在する部分）との２種類であるため、紫外線レーザーＲを照射パターンは２種類となる。このように光造形法を採用することで、複雑な内部形状を有する測定用セグメント１３を高精度かつ安価に一体成形することができる。

次に、上記構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。

翼模型Ｗを風洞内に配置して操作ハンドル２５を操作すると、回転テーブル１６が回転軸１９まわりに回転して翼模型Ｗの迎角が所望の値に設定される。この状態で風洞内に送風すると、翼模型Ｗの第１、第２翼本体１１，１２および測定用セグメント１３の外表面に沿って気流が流れ、翼模型Ｗの背部の外表面の流速が増加して負圧が発生するとともに、腹部の外表面の流速が減少して正圧が発生する。測定用セグメント１３の薄膜部３４…の外表面に負圧が作用すると、薄膜部３４…が外向きに僅かに撓むため、その裏面に接着した歪みゲージ３５…が変形して電気抵抗値が変化する。また測定用セグメント１３の薄膜部３４…の外表面に正圧が作用すると、薄膜部３４…が内向きに僅かに撓むため、その裏面に接着した歪みゲージ３５…が変形して電気抵抗値が変化する。圧力換算手段３８は複数の歪みゲージ３５…の出力を薄膜部３４…の表面の圧力に変換することで、モニタ３９あるいはプリンタ４０に翼模型Ｗの表面の圧力分布を出力する。

以上のように、測定用セグメント１３の薄膜部３４…の裏面に歪みゲージ３５…を固定して圧力分布を測定するので、薄膜部３４…の表面に歪みゲージ３５…を固定した場合や従来の圧力検出孔を用いた場合に発生する気流の乱れを抑制し、圧力分布の測定精度を高めることができる。尚、薄膜部３４…の変形量は極僅かであるため、その変形が気流の流れに及ぼす影響は無視できる程度である。

また測定用セグメント１３は一体成形されていて気流が流れる外表面に段差や隙間が発生しないので、気流の乱れを抑制して圧力分布の測定精度を一層高めることができる。しかも薄膜部３４…の外周部は、縦フレーム３１，３１および横フレーム３２…を枠状に組み合わされた高剛性のフレーム３３に一体に接続されるので、薄膜部３４…のみを安定して変形させて圧力分布の測定精度をより一層高めることができる。

また従来必要であった翼模型Ｗの圧力検出孔が不要になるため、その圧力検出孔の汚れや塵の付着により測定精度が低下することがなく、しかも従来必要であった圧力検出孔および圧力センサ間の通路が不要になるため、その通路が圧損、圧力リーク、測定タイムラグの発生原因となるのを防止して検出精度を高めることができる。更に、薄膜部３４…の厚さを変化させるだけで、圧力の測定レンジを容易に調整することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例の測定用セグメント１３は光造形法により一体成形した合成樹脂製であるが、その材質や製造方法は任意である。

また第１実施例の翼模型Ｗは１個の測定用セグメント１３だけを備えているが、図８に示す第２実施例の如く、テーパーした翼模型Ｗのスパン方向に複数の翼本体４１〜４４と複数の測定用セグメント１３…とを交互に配置すれば、スパン方向の異なる位置での圧力分布を同時に測定することができる。

また本発明の圧力分布測定装置により圧力分布を測定する対象は風洞実験用の翼模型Ｗに限定されるものではなく、
・航空機の翼、胴体、プロペラ、ロータ
・自動車の車体、エアロパーツ
・鉄道車両の車体
・船舶の船体、スクリュー、水中翼
・コンプレッサのブレード、タービンのブレード、送風機のファンのような流体機械
・建築物
・橋梁
等の実物およびそれらの模型が含まれる。

風洞試験用の翼模型の斜視図 図１の２−２線断面図 図２の３方向矢視図 図２の４−４線断面図 測定用セグメントの斜視図 歪みゲージの出力から圧力分布を求めるシステムのブロック 光造形法の説明図 第２実施例に係る翼模型の斜視図

符号の説明

Ｗ 翼模型（物体）
１３ 測定用セグメント
３１ 縦フレーム
３２ 横フレーム
３３ フレーム
３４ 薄膜部
３５ 歪みゲージ
３８ 圧力換算手段

Claims (4)

1. 流体に対して相対移動する物体（Ｗ）の表面の所定の流れ方向に沿う圧力分布を測定するための圧力分布測定装置において、
   前記物体（Ｗ）は、前記流れ方向に対して略垂直方向に所定幅を有するように一体成形された測定用セグメント（１３）を備えており、この測定用セグメント（１３）の表面に複数の薄膜部（３４）を前記流れ方向に所定間隔で形成し、前記複数の薄膜部（３４）の裏面に固定した歪みゲージ（３５）が出力する電気信号を圧力換算手段（３８）で圧力に変換することで、前記流れ方向に沿う圧力分布を測定することを特徴とする圧力分布測定装置。
2. 前記測定用セグメント（１３）は、前記流れ方向に延びる縦フレーム（３１）と、それに対して直交する方向に延びる横フレーム（３２）とを結合したフレーム（３３）を有しており、前記薄膜部（３４）の外周を前記縦フレーム（３１）および横フレーム（３２）に接続したことを特徴とする、請求項１に記載の圧力分布測定装置。
3. 前記測定用セグメント（１３）を光造形法により一体成形したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の圧力分布測定装置。
4. 前記物体（Ｗ）は前記流れ方向に対して略垂直方向に離間して配置された複数の測定用セグメント（１３）を有することを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の圧力分布測定装置。
   

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