一种变距螺旋桨模拟试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种变距螺旋桨模拟试验装置，属于航空航天技术领域。


背景技术：

2.螺旋桨动力推进系统相较于喷气动力推进系统，具有效率高、航程远、短距起降和低成本优势。恒速自动变距螺旋桨是在常规定距螺旋桨基础上，在螺旋桨上增加变距机构组件通过变距装置对桨叶进行变距操作，实现在各种飞行条件下螺旋桨都能调节到合适转速，保证螺旋桨的最佳工作状态。
3.螺旋桨的设计是在螺旋桨直径d、桨叶数目n、螺旋桨转速n、螺旋桨轴功率p和拉力t给定条件下，以螺旋桨效率η为目标，优化桨叶翼型、弦长和扭角分布。通常的设计方法是根据螺旋桨功率和最大拉力的要求，初步确定桨叶数目、螺旋桨直径和桨叶的平均弦长；根据选定翼型族特点确定其沿桨叶径向的分布，根据翼型实际工作环境就升阻比及失速迎角进行优化，根据典型设计点确定翼型沿桨叶径向的分布特征(弦长、扭角、厚度等)。尤其是针对恒速自动变距螺旋桨，需要就多设计点气动性能要求开展翼型分布特征的优化，开展多工况下螺旋桨气动性能的验证考核，通过螺旋桨表面压力计算判别气动性能是否满足设计要求，如不能满足则改变桨叶形状或其他参数重新计算，直到满足要求为止。显然，这样的设计方法工作量很大，工程上常采用估算方法将螺旋桨桨叶沿径向方向分为m段面元，在该计算模型中，通过求解m段各控制点的诱导速度，解出环量值，计算出控制点和展向附着涡中点的诱导速度，最后根据环量升力定理，求出桨叶的推力和扭矩值，最终得到相应的升力和阻力系数。但该方法计算精度较低，存在一定误差，需要用试验方法对估算数据作校核。因此，针对螺旋桨设计过程开展流场测试模拟和气动力测量一直是校核气动设计工作的关键问题之一。
4.常规实现螺旋桨设计验证和流场模拟测量主要手段是：(1)风洞缩比螺旋桨试验；(2)风洞全尺寸螺旋桨试验；(3)机载螺旋桨飞行试验实测。以上三种方法都需要螺旋桨旋转起来，再通过高精度多分量测力天平测得螺旋桨的推力和扭矩，从而计算效率。风洞缩比试验无法同时保证几何相似、运动相似和动力相似，通常要忽略雷诺数、马赫数的影响，同时无法满足变形相似准则，模拟条件选择对测量结果影响很大；全尺寸螺旋桨对于风洞尺寸要求较高，在保证流场均匀度前提下，通常需要风洞尺寸大于螺旋桨直径2倍以上，大部分风洞很难大尺寸螺旋桨测试需求，且试验费用较高；飞行试验不仅需要整机配合，还需要配套遥测采集设备，测试成本高昂、风险大。


技术实现要素：

5.本实用新型的技术解决方案是：克服现有技术的不足，本实用新型提出一种变距螺旋桨模拟试验装置，能够实现变距螺旋桨的流场测试模拟；本装置相对于现有试验装置而言，结构较小且装置简单，适用螺旋桨范围广、成本低和安全性高。
6.本实用新型的技术解决方案是：
7.一种变距螺旋桨模拟试验装置，包括扰流段、收缩段、试验段、集气嘴、回流段、扩压段、缓冲段、回流段、试验系统；
8.所述收缩段、试验段、集气嘴、扩压段、缓冲段依次顺序连接后的两端分别通过一个扰流段与回流段连接，组成模拟流场环境的回流式封闭空间；
9.待测的变距螺旋桨三维面元模型安装在桨距角调节装置上，通过所述桨距角调节装置安装在试验段内部；
10.所述试验系统包括相机、光照组件、高压气组件；
11.所述相机、所述光照组件放置于所述试验段内部，位于待测变距螺旋桨三维面元模型的上方，调节相机镜头、焦距和光照位置使相机视角拍摄范围覆盖所述三维面元模型；用于产生模拟气流的高压气组件安装于试验段外侧。
12.优选的，所述高压气组件包括高压气产生装置、引射装置，所述引射装置与所述高压气产生装置相连，所述高压气产生装置产生的气体在所述试验段与所述集气嘴连接处的缝隙通过所述引射装置吸入所述集气嘴内。
13.优选的，所述光照组件为led阵列及片光。
14.优选的，所述相机为工业级或科学级以上ccd或cmos相机。
15.优选的，所述待测的变距螺旋桨三维面元模型表面喷涂压力敏感型涂料，喷涂厚度为20-100μm；涂料包括屏蔽层、活性层，屏蔽层厚度为10-50μm，涂活性层厚度为10-50μm。
16.优选的，两个所述扰流段结构相同，均为半环形结构，位于所述装置的两端。
17.优选的，所述扰流段包括流板扰流板、导流管和蜂窝器；
18.所述扰流板对称安装在扰流段内部，两端与扰流段内部面连接；所述导流管平行安装在扰流段中心部位；所述蜂窝器安装在扰流段末端。
19.优选的，所述收缩段为阔口喇叭形两端开口结构，最宽的端面为入口，所述入口与所述扰流段连接，另一端面为可调节尺寸的出口，所述出口与所述试验段连接。
20.优选的，所述缓冲段包括动力风扇，所述动力风扇安装于缓冲段的末端。
21.优选的，所述回流段为平直矩形结构。
22.本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
23.本实用新型易实现、成本低、效率高，无需使用大尺寸结构对螺旋桨进行测试，也不需要大功率的发动机/电机来驱动螺旋桨旋转，能够提供稳定均匀的来流和总压，满足实际来流条件。同时，仅在本装置试验段中采用简单的试验系统对一系列三维面元进行试验即可，具有适用螺旋桨范围广、试验系统相对简便、成本低和效率高等优点，比全尺寸风洞试验和飞行试验的优势更突出，更易实现，安全性也更高。
附图说明
24.图1为本实用新型实施例螺旋桨一种变距螺旋桨模拟试验装置结构图；
25.图2为本实用新型实施例待测三维面元模型安装在桨距角调节装置示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做详细的说明，具体如下：
27.本实用新型提出的一种变距螺旋桨模拟试验装置，如图1所示，包括扰流段、收缩
段4、试验段6、回流段9、扩压段11、缓冲段12、集气嘴10、试验系统8。
28.收缩段4、试验段6、集气嘴10、扩压段11、缓冲段12依次顺序连接后的两端分别通过一个扰流段与回流段9连接，组成模拟流场环境的回流式封闭空间。
29.两个扰流段均为半环形结构，分别位于装置的两端。扰流段包括扰流板1、导流管2和蜂窝器3，用于疏导紊乱流场，提供均匀的流场环境，其中扰流板1对称安装在扰流段内部，两端与扰流段内壁连接；所述导流管2平行安装在扰流段中心部位；所述蜂窝器3安装在扰流段末端，为多孔规则蜂窝结构，能够降低流场的脉动，使流场更均匀。为了便于说明，将靠近收缩段4的扰流段称为第一扰流段，另一个扰流段称为第二扰流段。
30.收缩段4为阔口喇叭形两端开口结构，用于调节试验段6入口风速；收缩段4最宽的端面为入口，所述入口与扰流段连接，另一端面为可调节尺寸的出口，所述出口与试验段6连接。
31.如图2所示，待测的变距螺旋桨三维面元模型21通过支杆22安装在桨距角调节装置23上，通过桨距角调节装置23安装在试验段6内部；待测的变距螺旋桨三维面元模型21表面喷涂压力敏感型涂料，喷涂厚度为20-100μm；涂料包括屏蔽层、活性层，屏蔽层厚度为10-50μm，涂活性层厚度为10-50μm。
32.试验系统8包括相机、led阵列及片光、高压气产生装置、引射装置、操作台、同步控制器。其中，操作台位于试验段6内部，是调节相机摆放位置的三维位移操作平台。同步控制器安装于操作台上，控制精度高于1微秒量级，具备2通道以上控制能力。相机、led阵列及片光放置于试验段6的内部，位于待测变距螺旋桨三维面元模型21的上方，通过同步控制器控制led阵列发光和相机采集时间序列。调节相机镜头、焦距和光照位置使相机视角拍摄范围覆盖三维面元模型；高压气产生装置、引射装置放置于试验段6外侧。
33.缓冲段12包括动力风扇13，所述动力风扇13安装于缓冲段12的末端。回流段9为平直矩形结构。
34.本装置的工作原理为：
35.将待测螺旋桨翼型分成若干段三维面元模型，将一段三维面元模型21通过支杆22安装到桨距角调节装置23上。再将桨距角调节装置23安装到试验段6内部；
36.打开动力风扇13，高压气产生装置产生气体，气体在试验段6与集气嘴10连接处的缝隙通过引射装置吸入集气嘴10内，沿逆时针方向向扩压段11和缓冲段12流动，经过动力风扇13加速增压后流向第二扰流段，转速越大气流加速后速度越快，压力越高；再经过回流段9流向第一扰流段，经过两次扰流，最终形成稳定、均匀的来流；来流经过收缩段4后，流量不变前提下，收缩段出口面积缩小至入口面积的1/n，出口风速增加到入口风速的n倍；最终气流进入试验段6；
37.调节相机的曝光时间和光源的光功率，使无风条件下的发光强度是有风条件下30％～70％。开始试验并采集吹风时的光照图片，获得二维表面压力值。通过调节桨距角，获得0
°
～指定角度范围内的表面压力信息。
38.更换三维面元模型，重复上述步骤，得到所有段三维面元的上、下表面压力分布；将不同桨距角下对应的各面元表面压力进行积分求和，得到对应的螺旋桨推力、扭矩和效率信息。
39.现有螺旋桨设计验证和流场模拟测量方法都需要螺旋桨旋转起来，再通过高精度
多分量测力天平测得螺旋桨的推力和扭矩，从而计算效率。其中，风洞缩比试验无法保证模拟量同时相似，忽略了雷诺数、马赫数的影响，同时无法满足变形相似准则，模拟条件选择对测量结果准确性影响很大；而全尺寸螺旋桨为保证流场均匀度，通常需要风洞尺寸大于螺旋桨直径2倍以上，试验费用高昂，且国内大部分风洞很难螺旋桨测试需求；飞行试验不仅需要整机配合，还需要配套遥测采集设备，测试成本高昂、风险大。本装置无需使用大尺寸结构，也不需要大功率的发动机/电机来驱动螺旋桨旋转，仅在小尺寸试验段对一系列三维面元进行试验即可，具有适用螺旋桨范围广、试验系统相对简便、成本低和效率高等优点，比全尺寸风洞试验和飞行试验的优势更突出，更易实现，安全性也更高。
40.针对直径1m、弦长0.1m，转速600r/min的螺旋桨进行风洞试验，按照现有技术，所需的风洞试验段尺寸需大于1.6m*1.6m口径，来流风速10～50m/s；采用本装置，1m直径的桨叶半径为0.5m，分为5段，每段尺寸为0.1m，弦长0.1m，试验段尺寸大于0.16m*0.16m即可。
41.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。