一种电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量装置及方法与流程

本发明属于航空电动螺旋桨系统气动性能及效率测试技术领域，特别是涉及一种电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量装置及方法。

背景技术：

螺旋桨飞机是用空气螺旋桨作为动力系统的飞机，具有良好的低速和起降特性，在现代航空运输中仍占据着重要地位。传统的螺旋桨系统采用内燃机动力，存在着安全可靠性差、结构复杂、噪声大等缺点，而采用以电动机为动力的螺旋桨系统具备节能环保、高效低耗以及舒适性好等优点，现已经成为电动飞机的首选动力系统。

电动螺旋桨系统主要包括螺旋桨和电动机两大部分，螺旋桨的气动性能和电动机的功率输出特性决定了电动螺旋桨系统性能的优劣。目前，对于单独螺旋桨气动性能可以风洞实验开展评估，尽管在测试过程中螺旋桨也是通过电动机驱动的，但这里的电动机仅仅是螺旋桨气动性能测试实验时的驱动装置，而非电动螺旋桨系统中的电动机，并且测试采集的数据仅仅是气动力等参数。电动螺旋桨系统中的电动机选取可以通过螺旋桨转速、需用功率等参数来确定，另外单独电动机的效率也可以通过专门的测试台进行测试。

目前，对于航空电动螺旋桨系统的实验分为两种，第一种是针对空气螺旋桨气动性能的风洞实验，第二种是针对电动螺旋桨系统的风洞实验，且两种风洞实验是完全独立进行的。

对于第一种针对空气螺旋桨气动性能进行测试的风洞实验来说，其仅是用来评估螺旋桨设计方案优劣程度的；对于第二种针对电动机效率进行测试的风洞实验来说，其仅能够测得电动机的效率。尽管通过螺旋桨的气动性能和电动机的效率可以估算电动螺旋桨系统效率，然而无法用来准确评估螺旋桨与电动机是否匹配，此外两次实验的实验环境、测试设备的不同，将不可避免的存在设备误差和随机误差。由于实验必须分两次独立进行，导致实验成本提高，效率降低。因此，仅仅通过螺旋桨气动性能和电动机的效率来评价电动螺旋桨系统效率是不严谨的。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量装置及方法，仅通过一次实验过程就可同时获得螺旋桨的气动效率、发电机效率和电动螺旋桨系统效率，有效避免了采用两次独立实验而存在的各项误差，不但保证了电动螺旋桨系统效率的准确度，而且有效提高了实验效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量装置，包括底座、空气螺旋桨、电动机、扭矩转速仪、功率表及悬臂梁拉力传感器；所述底座固定设置在风洞试验段中，所述电动机、扭矩转速仪及悬臂梁拉力传感器固定安装在底座上，扭矩转速仪一端通过第一联轴器连接有第一传动轴，第一传动轴通过扭矩传递滑套连接有第二传动轴，所述空气螺旋桨固定安装在第二传动轴上，且空气螺旋桨位于风洞试验段来流方向的上游；在所述第二传动轴上固定套装有挡环套筒，所述悬臂梁拉力传感器位于挡环套筒的挡环之间；所述扭矩转速仪另一端通过第二联轴器与电动机的电机轴相固连；所述功率表与电动机相连接；所述扭矩转速仪、功率表及悬臂梁拉力传感器的数据输出端与计算机相连。

在所述功率表与电动机之间连接有变频器，所述电动机、功率表及变频器构成闭合电路，通过变频器对电动机的转速进行调节。

在所述第一传动轴与底座之间安装有轴承支撑座，通过设置轴承支撑座用以防止第一传动轴在旋转时的结构变形。

所述第一传动轴、第二传动轴、扭矩转速仪、电动机及风洞试验段的轴向中心线相重合。

一种电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量方法，采用了所述的电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量装置，包括如下步骤：

步骤一：对风洞试验段内的风速进行设定，用以模拟空气螺旋桨的前进速度；

步骤二：启动电动机，通过电动机驱动空气螺旋桨进行转动；

步骤三：通过扭矩转速仪测量空气螺旋桨的轴扭矩和转速，通过悬臂梁拉力传感器测量空气螺旋桨的拉力，通过功率表测量电动机的输出功率，将空气螺旋桨的轴扭矩、拉力和转速数据以及电动机的输出功率数据传输到计算机中；

步骤四：利用计算机计算得到空气螺旋桨的气动性能、电动机效率以及电动螺旋桨系统效率。

通过变频器改变电动机的转速，进而改变空气螺旋桨的转速，实现同一风速且不同转速下的空气螺旋桨气动性能和电动螺旋桨系统效率的同时测试。

所述空气螺旋桨的气动性能通过空气螺旋桨的拉力系数及扭矩系数随着尖速比的变化曲线进行评价，拉力系数、扭矩系数及尖速比的计算公式为

ct＝2t/ρa(rω)²

cm＝2m/ρar(rω)²

λ＝v/ωr

式中，ct为拉力系数，t为空气螺旋桨的拉力，ρ为空气密度，a为空气螺旋桨的迎风面积，r为空气螺旋桨的旋转半径，ω为空气螺旋桨的转动角速度，cm为扭矩系数，m为空气螺旋桨的轴扭矩，λ为尖速比，v为来流风速。

所述空气螺旋桨的气动效率ηa的计算公式为

ηa＝tv/mω

式中，ηa为空气螺旋桨的气动效率，t为空气螺旋桨的拉力，v为来流风速，m为空气螺旋桨的轴扭矩，ω为空气螺旋桨的转动角速度。

所述电动机效率ηm的计算公式为

ηm＝mω/pg

式中，ηm为电动机效率，m为空气螺旋桨的轴扭矩，ω为空气螺旋桨的转动角速度，pg为电动机的输出功率。

所述电动螺旋桨系统效率ηt的计算公式为

ηt＝ηaηm

式中，ηt为电动螺旋桨系统效率，ηa为空气螺旋桨的气动效率，ηm为电动机效率。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，舍弃了现有螺旋桨气动性能测试中使用的测力天平、导电滑环和转速传感器等复杂部件，仅通过悬臂梁拉力传感器和转速扭矩仪来评价螺旋桨气动性能所需的拉力、扭矩和转速等参数，仅通过一次实验过程就可同时获得螺旋桨的气动效率、发电机效率和电动螺旋桨系统效率，有效避免了采用两次独立实验而存在的各项误差，不但保证了电动螺旋桨系统效率的准确度，而且有效提高了实验效率。

附图说明

图1为本发明的一种电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量装置的结构示意图；

图中，1—底座，2—空气螺旋桨，3—电动机，4—扭矩转速仪，5—功率表，6—变频器，7—风洞试验段，8—第一传动轴，9—第二传动轴，10—第一联轴器，11—轴承支撑座，12—计算机，13—悬臂梁拉力传感器，14—挡环套筒，15—扭矩传递滑套，16—第二联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量装置，包括底座1、空气螺旋桨2、电动机3、扭矩转速仪4、功率表5及悬臂梁拉力传感器13；所述底座1固定设置在风洞试验段7中，所述电动机3、扭矩转速仪4及悬臂梁拉力传感器13固定安装在底座上1，扭矩转速仪4一端通过第一联轴器10连接有第一传动轴8，第一传动轴8通过扭矩传递滑套15连接有第二传动轴9，所述空气螺旋桨2固定安装在第二传动轴9上，且空气螺旋桨2位于风洞试验段7来流方向的上游；在所述第二传动轴9上固定套装有挡环套筒14，所述悬臂梁拉力传感器13位于挡环套筒14的挡环之间；所述扭矩转速仪4另一端通过第二联轴器16与电动机3的电机轴相固连；所述功率表5与电动机3相连接；所述扭矩转速仪4、功率表5及悬臂梁拉力传感器13的数据输出端与计算机12相连。

在所述功率表5与电动机3之间连接有变频器6，所述电动机3、功率表5及变频器6构成闭合电路，通过变频器6对电动机3的转速进行调节。

在所述第一传动轴8与底座1之间安装有轴承支撑座11，通过设置轴承支撑座11用以防止第一传动轴8在旋转时的结构变形。

所述第一传动轴8、第二传动轴9、扭矩转速仪4、电动机3及风洞试验段7的轴向中心线相重合。

一种电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量方法，采用了所述的电动螺旋桨系统气动性能及效率同步测量装置，包括如下步骤：

步骤一：对风洞试验段7内的风速进行设定，用以模拟空气螺旋桨2的前进速度；

步骤二：启动电动机3，通过电动机3驱动空气螺旋桨2进行转动；

步骤三：通过扭矩转速仪4测量空气螺旋桨2的轴扭矩和转速，通过悬臂梁拉力传感器13测量空气螺旋桨2的拉力，通过功率表5测量电动机3的输出功率，将空气螺旋桨2的轴扭矩、拉力和转速数据以及电动机3的输出功率数据传输到计算机12中；

步骤四：利用计算机12计算得到空气螺旋桨2的气动性能、电动机3效率以及电动螺旋桨系统效率。

通过变频器6改变电动机3的转速，进而改变空气螺旋桨2的转速，实现同一风速且不同转速下的空气螺旋桨2气动性能和电动螺旋桨系统效率的同时测试。

所述空气螺旋桨2的气动性能通过空气螺旋桨2的拉力系数及扭矩系数随着尖速比的变化曲线进行评价，拉力系数、扭矩系数及尖速比的计算公式为

ct＝2t/ρa(rω)²

cm＝2m/ρar(rω)²

λ＝v/ωr

式中，ct为拉力系数，t为空气螺旋桨2的拉力，ρ为空气密度，a为空气螺旋桨2的迎风面积，r为空气螺旋桨2的旋转半径，ω为空气螺旋桨2的转动角速度，cm为扭矩系数，m为空气螺旋桨2的轴扭矩，λ为尖速比，v为来流风速。

所述空气螺旋桨2的气动效率ηa的计算公式为

ηa＝tv/mω

式中，ηa为空气螺旋桨2的气动效率，t为空气螺旋桨2的拉力，v为来流风速，m为空气螺旋桨2的轴扭矩，ω为空气螺旋桨2的转动角速度。

所述电动机3效率ηm的计算公式为

ηm＝mω/pg

式中，ηm为电动机3效率，m为空气螺旋桨2的轴扭矩，ω为空气螺旋桨2的转动角速度，pg为电动机3的输出功率。

所述电动螺旋桨系统效率ηt的计算公式为

ηt＝ηaηm

式中，ηt为电动螺旋桨系统效率，ηa为空气螺旋桨2的气动效率，ηm为电动机3效率。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。