一种用于风洞试验的通气短舱的制作方法
本发明涉及飞机制造及测试技术领域，尤其涉及一种用于风洞试验的通气短舱。
背景技术：
为了降低飞机的使用成本，满足绿色航空的要求，耗油率较低的大涵道比发动机得到普遍应用，更大的涵道比意味着更大的发动机短舱尺寸，因此发动机短舱本身以及短舱对机翼机身影响的研究越发重要。由于发动机内部工作过程相当复杂，且在飞机气动设计以及飞机发动机一体化研究中通常更加关注短舱外罩和进气道的气动特性以及短舱对飞机的影响，因此，通常在机翼气动设计以及全机测力测压风洞试验中，使用通气短舱代替动力短舱模拟短舱和进气道效应，以简化设计流程和降低试验成本。
在以往风洞实验中，所采用的通气短舱匹配方案通常是：保持短舱外罩和进气道外形不变，简化动力短舱的排气系统，在短舱内部增加一个通气内涵；或者将风扇涵道型面沿其倾角延伸或截短，用等直段取代原喷管曲面，保证前缘过渡曲率连续，使得流场结构合理。
上述两种设计方案都是通过改变内涵的出口面积控制通气短舱的流量系数。当需要改变流量系数时，需重新设计内涵出口面积，不便于实现通气短舱流量系数的即时调整。且在风洞试验中，每完成一个流量系数下的试验车次后，需打开风洞，更换模型的短舱内涵，再接着进行下一个流量系数的试验车次，不利于保证风洞试验的连续性，增加了模型构型的更换时间，增加了风洞试验成本和试验模型加工成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于风洞试验的通气短舱，降低机翼气动设计以及全机测力测压风洞试验的成本和复杂性，实现风洞试验过程中对流量系数的实时调节，保证风洞试验的连续性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于风洞试验的通气短舱，所述通气短舱包括短舱外罩，所述短舱外罩围设形成有通气流道，所述通气短舱还包括堵锥，所述堵锥包括同轴设置的固定部和移动部，所述固定部固定在所述通气流道内，所述移动部一端与所述固定部滑动连接，所述移动部的另一端能伸出所述通气流道的出气口，且所述另一端的外径沿远离所述固定部的方向逐渐收缩。
进一步地，所述通气短舱还包括驱动机构，所述驱动机构设置在所述堵锥内，所述驱动机构与所述移动部连接并驱动所述移动部相对所述固定部向远离或靠近所述出气口的方向滑动。
进一步地，所述固定部具有容纳腔，所述移动部的一端伸入所述容纳腔内并与所述容纳腔的腔壁滑动连接，所述驱动机构位于所述容纳腔内。
进一步地，所述移动部包括第一平直部和尾部，所述第一平直部的外径沿轴向保持不变，所述第一平直部的一端伸入所述容纳腔内，所述平直部的另一端与所述尾部的一端连接，所述尾部另一端的外径沿远离所述第一平直部的方向逐渐收缩，且所述尾部另一端能伸出所述通气流道的出气口。
进一步地，所述尾部的收缩角为10°－25°。
进一步地，所述固定部包括第二平直部，所述第二平直部的外径沿其轴向保持不变，所述第二平直部的内径等于所述第一平直部的外径。
进一步地，第二平直部靠近所述出气口的一端沿其轴向延伸有过渡部，所述过渡部的内径等于所述第一平直部的内径，所述过渡部连接所述第二平直部的一端的外径等于所述第二平直部的外径，所述过渡部另一端的外径等于或略大于所述第一平直部的外径，过渡部的外表面为光滑曲面。
进一步地，所述固定部内设置有第一限位部和第二限位部，所述第一限位部被配置为限制所述移动部相对所述固定部的最大伸出长度，所述第二限位件被配置为限制所述移动部相对所述固定部的最小伸出长度。
进一步地，所述驱动机构包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机固定在所述容纳腔内，所述传动组件包括丝杠和螺母座，所述丝杠与所述驱动电机的输出轴连接，所述螺母座套设在所述丝杠上且与所述移动部固定连接。
进一步地，所述通气短舱还包括支撑件，所述支撑件的一端与所述固定部的外壁连接，所述支撑件的另一端与所述短舱外罩的内壁连接，所述支撑件朝向所述通气流道的前缘设置有压力检测装置。
进一步地，所述支撑件为支撑叶片，所述支撑叶片有多个，且多个所述支撑叶片沿所述堵锥的周向均匀间隔设置。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的通气短舱，能够通过使堵锥的移动部相对固定部滑动，且使移动部靠近出气口一端的外径沿远离所述固定部的方向逐渐收缩，对堵锥的长度进行调整，改变通气流道出气口对应的移动部尾端的位置，从而改变通气流道的出气口面积，继而改变风洞试验的流量系数。相对于现有的通过改变用于通气短舱的试验模型，本实施例提供的通气短舱，能够在不对通气短舱的结构进行改变的基础上，对通气短舱的试验流量系数进行连续性调整，提高风洞试验的连续性，避免为满足多种流量系数测试需设计不同通气内涵的操作，降低设计和试验成本，缩短设计和试验时间，提高风洞试验效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的通气短舱的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的通气短舱的剖面图；
图3是本发明实施例提供的堵锥的剖视图；
图4是本发明实施例提供的堵锥处于第一极限位置时通气短舱的剖视图；
图5是本发明实施例提供的堵锥处于第二极限位置时通气短舱的剖视图。
图中标记如下：
1－堵锥；11－固定部；111－连接部；1111－第二平直部；1112－圆弧部；112－导流部；113－过渡部；114－容纳腔；1141－第二限位部；12－移动部；121－第一平直部；122－尾部；1221－丝杠槽；
2－短舱外罩；3－支撑件；31－导线槽；4－吊架；41－容置腔；
5－驱动机构；51－驱动电机；52－传动组件；521－丝杠；522－螺母；
6－导向组件；61－导向座；62－导向孔；621－第一限位部；63－导向杆；
7－通气流道；71－进气口；72－出气口；8－压力检测装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的通气短舱的结构示意图，图2为本发明实施例提供的通气短舱的剖视图，如图1和图2所示，本实施例提供了一种通气短舱，用于模拟发动机短舱效应和短舱进气道效应，通过在风洞试验中，调整马赫数、雷诺数、攻角、流量系数等试验参数，获得不同试验工况下，短舱的气动性能，为飞机机翼的设计、整机设计及风机整机性能测试提供数据参考，简化风洞试验的试验过程，降低设计和试验成本。
具体地，如图1和2所示，本实施例提供的通气短舱包括短舱外罩2、堵锥1、支撑件3及吊架4。短舱外罩2的内外型面及进气道与待测试的发动机短舱相匹配，其围设形成有用于气流流通的通气流道7，通气流道7朝向来流的入口段即为通气短舱的进气道。堵锥1设置在通气流道7内，其包括固定部11和移动部12，移动部12一端连接固定部11，另一端能够伸出通气流道7的出气口72，且移动部12的外径沿远离固定部11的方向逐渐收缩，即通过调整移动部12相对固定部11的位置改变出气口72的出气面积，以实现通气短舱的流量系数的调整。支撑件3用于将堵锥1的固定部11固定支撑在短舱外罩2的内壁。吊架4与短舱外罩2连接，用于与风洞试验的外部设备连接，以将通气短舱稳定支撑在某一固定位置并调整通气短舱相对来流的攻角，对不同攻角下的通气短舱的气动性能进行测试。
即，本实施例提供的通气短舱，能够通过改变堵锥1的移动部12相对固定部11的位置，对堵锥1的长度进行调整，以改变通气流道7的出气口72对应的堵锥1的位置，从而改变出气口71的面积，即改变风洞试验的流量系数。相对于现有的通过改变用于通气短舱的试验模型，本实施例提供的通气短舱，能够在不对通气短舱的结构进行改变的基础上，对通气短舱的试验流量系数进行连续性调整，提高风洞试验的连续性，避免为满足多种流量系数测试需设计和改变不同通气内涵的操作，降低设计和试验成本，缩短设计和试验时间，提高风洞试验效率。
在本实施例中，流量系数是指进入进气道的实际空气质量流量与同一马赫数下能够进入进气道的理论最大质量流量之比，即：
式中：
对于通气短舱而言，进气道的进口面积即短舱外罩2的唇口面积已经确定，远场条件已知，那么根据流量系数的定义可以计算得出能够进入进气道的最大流量。通气短舱与自由流管形成流道，自由流管面积难以捕获。根据连续性方程，自由流管内的流量不会发生变化。其空气流量可在通气短舱内截取某一通流截面进行积分得到。通气短舱的流量系数可转化为通气短舱内任一截面积分得到的流量与计算得出能够进入进气道的最大流量的比值。在本实施例中，通气短舱堵锥1形成的流动为亚声速气流，其流量与通气流道7的最小面积密切相关。因此只需通过改变堵锥1与通气短舱的出气口72的轴向相对位置，利用堵锥1调节实际出口面积即可实现流量系数的调节。
在本实施例中，堵锥1外型面为光滑流线面，其设计原则为：在不同工况的来流下，堵锥1表面无激波、流场无分离以及在能够保证出气口72面积连续变化的前提下使堵锥1的位置尽可能靠近出气口72，以减小堵锥1设置对通气流道7进气边界的流动干扰。
图3为本发明实施例提供的堵锥的剖面图，如图3所示，堵锥1包括沿其轴向设置的固定部11和移动部12，在本实施例中，固定部11具有容纳腔114，移动部12一端伸入容纳腔114内并能相对容纳腔114的腔壁滑动。在其他实施例中，也可以是固定部11远离通气流道7的进气口71的一端伸入移动部12内部并能相对移动部12的内壁移动。
在本实施例中，移动部12包括第一平直部121和尾部122，固定部11包括连接部111和导流部112，第一平直部121与连接部111连接，第一平直部121外径均沿堵锥1的轴向保持不变，连接部111包括第二平直部1111，第二平直部1111的外径沿其轴向保持不变，第二平直部1111的内径等于第一平直部121的外径，使第一平直部121伸入第二平直部1111内部并与第二平直部1111的内壁滑动连接。第一平直部121和第二平直部1111的设置，一方面方便移动部12和固定部11的滑动连接设置，减小移动部12滑动时的阻碍，另一方面，有利于避免气流流过堵锥1时产生流动分离。
由于第一平直部121伸入第二平直部1111内部，第一平直部121与第二平直部1111存在外径差，第二平直部1111朝向出气口72的一端沿其轴向延伸有过渡部113，过渡部113的内径与第二平直部1111的内径相同，过渡部113的外型面为光滑流线面，且过渡部113的外径沿远离第二平直部1111的方向逐渐减小，实现第二平直部1111与第一平直部121外表面的光滑过渡，减小第一平直部121与第二平直部1111之间的台阶，避免流动分离。过渡部113的设计可参考翼型尾缘部分的设计方式，本实施例不再进行赘述。
在本实施例中，第一平直部121与第二平直部1111滑动密封连接，防止气流通过第一平直部121和第二平直部1111之间的间隙流入堵锥1内部，影响通气流道7的流场分布。
在本实施例中，连接部111还包括圆弧部1112，圆弧部1112一端与第二平直部1111光滑过渡连接，另一端与导流部112光滑过渡连接。导流部112外型面为椭球面，用于对流经堵锥1的气流进行导流，防止流动分离的产生。圆弧部1112与导流部112的轴向长度以不产生流动分离和激波为原则进行设计。在其他实施例中，也可以第二平直部1111直接与导流部112光滑过渡连接。
在本实施例中，连接部111与导流部112分体设置且采用螺纹等可拆卸连接方式连接，有利于堵锥1的安装和拆卸，同时方便堵锥1内部结构的设置和连接。固定部11外型面整体为曲率连续变化的光滑流线面。
第一平直部121远离固定部11的一端连接有尾部122，尾部122远离第一平直部121的一端外径逐渐收缩。在本实施例中，尾部122包括与第一平直部121外径相等的等径部以及外径逐渐收缩的收缩部。等径部与收缩部光滑过渡连接且一体成型，使尾部122型面为光滑的流线面。该种设置，有利于尾部122与第一平直部121的连接，且能使第一平直部121完全伸入第二平直部1111内时，第二平直部1111与尾部122形成相对顺畅的过渡连接，减小流动分离的概率。在其他实施例中，尾部122也可以仅包括收缩部。
在本实施例中，尾部122的设计以不产生流动分离为依据，且尾部122收缩角度的设计可参考动力短舱尾椎角度，一般在10°－25°，且优选为小于20°，以避免在尾部122处产生流动分离。
在本实施例中，第一平直部121与尾部122分体设计并采用螺纹可拆卸连接，分体设计的方式有利于第一平直部121和尾部122的加工，可拆卸连接有利于两者间的组装，且可以根据流量系数的测试范围更换尾部122结构，有利于实现堵锥1的模块化和通用化设置和加工。
通气短舱还包括驱动机构5，驱动机构5设置在堵锥1内部，用于驱动移动部12相对固定部11移动，实现堵锥1的自动调节。具体地，驱动机构5包括驱动电机51和传动组件52，驱动电机51固定在固定部11的容纳腔114内，且与固定部11地内壁连接。传动组件52与驱动电机51和移动部12连接，驱动电机51通过传动组件52驱动移动部12相对固定部11滑动。
在本实施例中，传动组件52为丝杠螺母组件。具体地，丝杠521与驱动电机51地输出轴连接，螺母522套设在丝杠521上，且与移动部12连接，从而当驱动电机51带动丝杠521转动时，螺母522相对丝杠521沿丝杠521轴向移动，以带动移动部12移动。该种设置方式，传动简单可靠，易于设置。在其他实施例中，传动组件52还可以为齿轮齿条组件、链条组件等。
在本实施例中，第一平直部121为空心结构，有利于减小堵锥1的质量，同时方便丝杠521和螺母522的布置。螺母522固定在尾部122朝向固定部11的一端，且尾部122对应丝杠521的位置开设有丝杠槽1221，丝杠521远离驱动电机51的一端伸入丝杠槽1221中，且当移动部12相对固定部11滑动时，丝杠521的一端在丝杠槽1221内相对运动。
在本实施例中，堵锥1内部还设置有导向组件6，用于对移动部12的运动进行导向，提高移动部12的运动平稳性。导向部件包括导向座61和导向杆63，导向座61设置在固定部11的容纳腔114内，且与固定部11远离移动部12的一端内壁连接，导向座61内设置有导向孔62。导向杆63与丝杠521同轴地设置在移动部12内，且其一端与尾部122连接，另一端伸入导向孔62内并能在导向孔62内滑动。
在本实施例中，沿丝杠521的周向间隔设置有多个导向杆63，提高移动部12的运动平稳性。导向座61为圆筒状结构，方便导向杆63与导向座61的连接设置。驱动电机51设置在导向座61的腔体内。
图4为本发明实施例提供的堵锥1处于第一极限位置时通气短舱结构示意图，图5为本发明实施例提供堵锥1处于第二极限位置时通气短舱的结构示意图，如图4和5，当堵锥1处于第一极限位置时，移动部12相对固定部11伸出最大距离，堵锥1具有最大长度，当堵锥1处于第二极限位置时，移动部12相对固定部11伸出最小距离，堵锥1具有最小长度。
在本实施例中，通过调节堵锥1中移动部12相对固定部11的位置改变通气流道7的出气口72面积，当堵锥1处于第一极限位置时，通气短舱的出气口72位置对应尾部122的等径部，当移动部12处于第二极限位置时，通气短舱的出气口72位置对应尾部122的收缩部的端部位置。即，当堵锥1处于第一极限位置时，出气口72的面积最小，通气短舱具有最小流量系数；当堵锥1处于第二极限位置时，出气口72的面积最大，通气短舱具有最大流量系数；由于收缩部的外型面光滑过渡连接，当移动部12在第一极限位置和第二极限位置间调整时，可以获得最大流量系数和最小流量系数之间的任意流量系数值。即，可以通过移动部12相对固定部11的相对移动，进行一定范围内的流量系数的连续性风洞测试。
在本实施例中，为减小堵锥1的最小长度，当移动部12处于第二极限位置时，第一平直部121完全伸入第二平直部1111的腔体内，即第二平直部1111的长度略大于第一平直部121的长度。
在本实施例中，为限制移动部12相对固定部11的最大位移，防止移动部12脱出固定部11或移动部12与固定部11发生相对碰撞损坏内部结构，堵锥1内部设置有第一限位部621和第二限位部1141，第一限位部621被配置为限制第一平直部121相对第二平直部1111伸出的最大长度，第二限位部1141被配置为限制第一平直部121能够伸入第二平直部1111的最大深度。
在本实施例中，第一限位部621为设置在导向孔62内内壁的环形凸缘，导向杆63位于导向孔62内的一端端部套设有限位套，限位套的外径大于环形凸缘的内径，当移动部12处于第一极限位置时，限位套与环形凸缘抵接限制导向杆63沿远离导流部112运动，即限制移动部12继续伸出。第二限位部1141为设置在第一平直部121内壁靠近导流部112一端的限位台阶，当移动部12处于第二极限位置时，第一平直部121远离尾部122的一端与限位台阶抵接。在其他实施例中，第一限位部621和第二限位部1141还可以采用能够将移动部12限制在第一极限位置或第二极限位置的其他结构。
在本实施例中，为实现对移动部12相对固定部11移动距离的检测，以控制和调整流量系数的大小，堵锥1内部设置有距离检测装置。距离检测装置可以为距离传感器，距离传感器设置在固定部11的容纳腔114内，用于检测移动部12相对固定部11的移动距离。距离检测装置还可以为编码器，通过检测驱动电机51的旋转角度，转化为移动部12的平移距离。进一步地，本实施例中，驱动电机51为步进电机，通过控制步进电机的步进数，对驱动电机51的转动角度进行精确控制，从而实现对移动部12移动距离的精确调控。
在本实施例中，采用驱动电机51作为驱动形式，并配合丝杠521螺母522传动组件52实现移动部12相对固定部11的轴向滑动，驱动电机51体积较小，占地空间小，能够减小堵锥1的整体尺寸和质量，且布置和控制方便。在其他实施例中，也可以采用其他形式的驱动机构5，如采用液压缸或气压缸推动移动部12相对固定部11移动等。
固定部11通过支撑件3固定在通气流动内且与短舱外罩2的内壁连接，在本实施例中，支撑件3为支撑叶片，支撑叶片的横截面为翼弦平行于堵锥1轴线且前缘朝向进气道的薄翼型面，有利于减小气流流经支撑叶片时产生的气流扰动和分离，减小支撑叶片对通气流道7流场分布的影响。
在本实施例中，支撑叶片沿堵锥1的轴向均匀间隔设置有三个，提高堵锥1在短舱外罩2内的连接稳定性，防止移动部12相对固定部11移动时产生堵锥1振动或偏移而对通气流道7内的气流造成扰动。
在本实施例中，支撑叶片的前缘设置有压力检测装置8，用于检测通气流道7中的气流静压，用于流量系数的换算。支撑叶片沿其径向间隔设置有多个压力检测装置8置，且每个支撑叶片上的压力检测装置8置的布置位置相同，有利于通过堵锥1周向和径向的多点检测，获取通气流道7的平均静压值，提高换算精度。
吊架4与短舱外罩2的外壁连接，且吊架4与短舱外罩2外表面光滑过渡连接。吊架4用于将通气短舱固定到风洞的尾撑结构上，使通气短舱悬空设置在风洞中进行风洞试验。
在风洞试验中，需要对通气短舱进行多攻角来流的测试，由于风洞试验中来流方向一定，通常通过改变通气短舱轴向相对来流方向的角度来调整攻角值，且试验攻角的变化由尾撑结构转动完成。
在本实施例中，吊架4内部设置有容置腔41，容置腔41内设置有攻角传感器，用于检测测试攻角值。且容置腔41内设置有控制器，控制器与攻角传感器、压力检测装置8、驱动电机51及距离检测装置连接，用于对试验参数进行检测和调控，从而实现对通气短舱风洞试验的更精确控制。
在本实施例中，支撑件3内部开设有导线槽31，用于将堵锥1内部压力传感器和距离检测装置的导线以及支撑件3处的压力传感器的导线引出至吊架4的容置腔41中，避免导线外露影响通气流道7内的流动分布及造成导线损毁。在本实施例中，每一种电子设备的引出导线对应设置一个导线槽31，避免线束在支撑件3内部打结或缠绕。在其他实施例中，也可以使将所有线束汇集在同一个导线槽31内后再引出至容置腔41中。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
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