一种水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置

摘要

本发明公开了一种水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，包括两个竖直支架，两个竖直支架之间水平设置有横梁，横梁上设置有安装底座，安装底座的顶部设置有丝杆升降机和伺服电机；丝杆升降机包括丝杆，伺服电机与丝杆升降机连接并用于驱动丝杆在竖直方向上移动；丝杆的底端设置有拉扭传感器、光电式转速测量仪、法兰盘和旋转电机，旋转电机的输出端用于固定旋翼；旋翼的正下方设置有充气水池，通过控制旋翼在不同的距水面高度上下移动，对比分析旋翼在不同离水面距离、转速下，与相同工况下的地面效应测试的升力、扭矩的差异，以开展水气交混流场对飞行器旋翼的耦合效应相关研究，填补了当前水气交混流场生成与测试装置的空白。

权利要求

1.一种水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，其特征在于，包括两个间隔设置的竖直支架，两个所述竖直支架之间水平设置有横梁，所述横梁上设置有安装底座，所述安装底座上设置有升降装置，升降装置下方设置有拉扭传感器，所述拉扭传感器通过法兰盘与升降装置的底端固定连接；所述法兰盘上设置有光电式转速测量仪；

拉扭传感器的下端面设置有旋转电机，所述旋转电机的尾端与拉扭传感器的下端面固定连接，旋转电机的输出端用于固定旋翼；

旋转电机的输出端的正下方设置有装水容器，所述装水容器位于两个竖直支架之间。

2.根据权利要求1所述的水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，其特征在于，升降装置为丝杆升降机和伺服电机，所述丝杆升降机包括丝杆，所述丝杆竖直向下设置，且丝杆的底端贯穿安装底座和横梁；所述伺服电机与丝杆升降机连接并用于驱动丝杆在竖直方向上移动；丝杆的底端设置有所述拉扭传感器，拉扭传感器通过所述法兰盘与丝杆的底端固定连接。

3.根据权利要求2所述的水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，其特征在于，所述装水容器为充气水池。

4.根据权利要求1所述的水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，其特征在于，每个所述竖直支架上均等距设置有多个配合孔，多个配合孔沿竖直支架的长度方向设置；

所述横梁的两端均通过螺栓连接件穿过配合孔与两个竖直支架固定连接。

5.根据权利要求2所述的水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，其特征在于，每个所述竖直支架的底部均设置有一个用于与地面固定的底板，所述底板的上端面和竖直支架的侧壁之间设置有加强肋板。

6.根据权利要求3所述的水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，其特征在于，还包括粒子图像测速系统，粒子图像测速系统的示踪粒子播撒喷口设置于所述丝杆上。

说明书

一种水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及飞行器旋翼测试技术领域，特别是涉及一种水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置。

背景技术

[0002] 飞行器在起飞着陆过程中，当它距离地面半个翼展或更近时，将受到地面的明显影响，这种影响通常使得飞机的升力线斜率增大、诱导阻力减小、纵向静稳定性增加，产生这种现象的原因主要是由于地面的存在对翼尖涡的形成具有一定的抑制作用，从而使气流的下洗有所减弱。飞行器在接近地面时受到的这种影响称为地面效应。

[0003] 当飞行器旋翼贴近水面且转轴垂直于水面时，会产生一个明显的空气‑液滴交混流场（下文统称水气交混流场），由于水面的存在，会使得旋翼受到类似于地面效应的作用（下文统称水面效应），而具有表面张力与界面稳定性的水面不同于不能产生形变的地面，在强对流气流的作用下与水面有复杂的耦合作用：气流使水面产生形变，水流的形变进一步改变旋翼的下洗流场，从而影响水面效应。

[0004] 水面的形变可分为两部分：第一部分为旋翼正下方所产生的非定常波浪并向四周扩散；第二部分为波浪作为扰动向四周扩散过程中，在旋翼下洗气流的作用下，水面的界面稳定性被破坏，液柱从水中被卷起并破碎成液滴，混入旋翼流场中。

[0005] 当前，传统的固定翼飞行器地面效应测试一般在风洞中开展，风洞中用地板模拟地面，通过控制支撑的上下移动即可控制飞行器与地面的距离，通过弯刀改变固定翼飞行器的飞行攻角。旋翼类飞行器地面效应测试一般通过搭建水平或垂直平面的试验台来开展，目前尚无水气交混流场对飞行器旋翼的耦合作用的相关研究，此领域的测试装置尚属空白。

发明内容

[0006] 针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一种水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，填补了当前水气交混流场生成与测试装置的空白。

[0007] 为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

[0008] 提供了一种水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置，其包括两个间隔设置的竖直支架，两个竖直支架之间水平设置有横梁，横梁上设置有安装底座，安装底座上设置有升降装置；升降装置为设置在安装底座顶部的丝杆升降机和伺服电机；丝杆升降机包括丝杆，丝杆竖直向下设置，且其的底端贯穿安装底座和横梁；伺服电机与丝杆升降机连接并用于驱动丝杆在竖直方向上移动；

[0009] 丝杆的底端设置有拉扭传感器，拉扭传感器通过法兰盘与丝杆的底端固定连接；法兰盘上设置有光电式转速测量仪；

[0010] 拉扭传感器的下端面设置有旋转电机，旋转电机的尾端与拉扭传感器的下端面固定连接，旋转电机的输出端用于固定旋翼；

[0011] 旋转电机的输出端的正下方设置有装水容器，装水容器可以为充气水池，充气水池位于两个竖直支架之间，充气水池放置在旋翼下下方，提供稳定的自由液面，以模拟旋翼飞行器在水面起飞时产生的水气交混流场。

[0012] 进一步地，每个竖直支架上均等距设置有多个配合孔，多个配合孔沿竖直支架的长度方向设置；横梁的两端均通过螺栓连接件穿过配合孔与两个竖直支架固定连接。

[0013] 本发明中水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置的基本原理为：在开展气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验时，首先开展用于对照比较的地面效应试验。横梁两端与两个竖直支架上不同高度的配合孔连接，以大幅度调节旋翼近地面处，再通过驱动器或PLC控制伺服电机转动，进而控制丝杆升降机调节丝杆垂直高度，小幅度调节旋翼到地面的距离，开始测试。在每个不同的旋翼到地面距离下，通过对旋转电机输入不同的控制信号（PWM值），分别记录当前旋翼到地面距离、旋翼产生拉力、电机输出扭矩及电机转速值。

[0014] 地面效应试验完成后开展水面效应试验，将充气水池置于测试装置中心处，通过改变横梁与两个竖直支架的配合孔，以达到调整横梁竖直高度的目的，实现大幅度调节旋翼至近水面处，再通过驱动器或PLC控制伺服电机转动，进而调节丝杆的垂直高度，小幅度调节旋翼到水面的距离，开始测试。在每个不同的旋翼到地面距离下，通过对电机输入不同的控制信号（PWM值），分别记录当前旋翼到水面距离、旋翼产生拉力、电机输出扭矩及电机转速值。

[0015] 不同于试验平台单一的地面效应测试，水气交混流场与旋翼的耦合作用测试中除了要开展不同高度下的地面效应试验作为对照样本外，还需开展水面测试，产生一定尺度的水气交混流场，并控制旋翼在不同的距水面高度上下移动，对比分析旋翼在不同离水面距离、转速下，与相同工况下的地面效应测试的升力、扭矩的差异，以开展水气交混流场对飞行器旋翼的耦合效应相关研究，填补了当前水气交混流场生成与测试装置的空白。

[0016] 进一步地，每个竖直支架的底部均设置有一个用于与地面固定的底板，底板的上端面和竖直支架的侧壁之间设置有加强肋板。

[0017] 进一步地，水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置还包括粒子图像测速系统，粒子图像测速系统的示踪粒子播撒喷口设置于丝杆上。

[0018] 本发明的有益效果为： 1、结构性能优：由于水气交混流场特征尺度为旋翼直径的数倍，因此两个竖直支架要相隔足够的距离以确保不会对流场产生影响。该要求导致了横梁的长度较长。此外，旋转电机在高速转动过程中输出扭矩并在启动时产生振动，因此对主要承力部件在强度、刚度、抗扭性能方面提出了较高要求。本发明横梁采用铝合金方管以尽可能减少加工工作量并降低成本，横梁的两端与两个竖直支架之间采用螺栓连接件进行连接，每根竖直支架底部通过底板与地面固定连接，两个竖直支架与横梁连接后形成一个“几”字构型，并在竖直支架两侧设计加强肋板以增强其刚度，避免在试验过程中产生明显的变形进而带来安全隐患。

[0019] 2、旋翼与水面或地面距离大范围调整:为了尽可能增加数据的可靠性，测试过程中要求尽量使用一套测试装置完成水面效应试验（旋翼下放置水池）与地面效应试验（旋翼下无水池），同时可调节旋翼与水面的距离。本发明采用在竖直支架上均等距设置有多个配合孔，横梁在不同高度上，采用螺栓连接件与两个竖直支架配合，即可快速、大范围地调整旋翼与水面/地面距离，在撤去充气水池后可立刻调节距离参数，开展地面效应试验，实现“一台两用”的效果。

[0020] 3、旋翼与水面或地面距离小范围连续、自动调整：水气交混流场作用于旋翼所产生的升力变化量相对于旋翼本身的升力来说是个小量，且在旋翼与水面/地面距离小于旋翼半径的范围内，在水面/地面效应作用下旋翼升力变化率较大，导致试验结论对于距离参数十分敏感，因此需要严格控制旋翼与水面/地面距离，并尽可能采集多组数据以减少插值误差。本发明中可通过PLC或驱动器，控制伺服电机转动，进而控制丝杆升降机调节丝杆垂直高度，小幅度调节旋翼到地面的距离，实现旋翼在垂直方向上连续、精确的高度调整，实现水面或地面效应测试过程中距离参数的严格控制与调节。

[0021] 4、便于使用PIV测量流场：为确保测试安全，在满足结构性能要求下，横梁具有一定的宽度。而旋翼入流的空气是从旋翼上方进去的，若在横梁下直接连接旋转电机及旋翼，则横梁会对进入旋翼滑流的气流产生较明显的阻挡作用，进而影响整个流场。本发明采用丝杆‑法兰盘连接的方式，丝杆直径远小于横梁宽度，对于入流气流的阻挡作用极小。此外在测试时，将PIV（粒子图像测速系统）的示踪粒子播撒喷口置于丝杆上，以获得最精确的流场测量效果。

[0022] 5、测试装置采用易安装、拆卸设计，具有较高的通用性：考虑到在使用PIV（粒子图像测速系统）测量流场时应尽量创造暗室环境，以获取高质量的拍摄照片，因此一个有可控灯光的室内环境是比较理想的水气交混流场的测试场地。而水池直径较大、横梁较长也对室内场地尺寸提出了要求。本发明中水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置采用了易安装、拆卸设计，单个部件易于在运输以及在室内完成整体安装。

附图说明

[0023] 图1为水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置的三维结构示意图。

[0024] 图2为图1中A处的放大结构示意图。

[0025] 其中，1、竖直支架；2、横梁；3、安装底座；4、丝杆升降机；5、伺服电机；6、丝杆；7、拉扭传感器；8、法兰盘；9、光电式转速测量仪；10、旋翼；11、充气水池；12、底板；13、加强肋板；14、旋转电机。

具体实施方式

[0026] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0027] 如图1 图2所示，本发明提供了一种水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装~置，其包括两个间隔设置的竖直支架1，两个竖直支架1之间水平设置有横梁2，横梁2上设置有安装底座3，安装底座3上设置有升降装置，升降装置包括设置于安装底座3顶部的丝杆升降机4和伺服电机5。

[0028] 丝杆升降机4包括丝杆6，丝杆6竖直向下设置，且其的底端贯穿安装底座3和横梁2；伺服电机5与丝杆升降机4连接并用于驱动丝杆6在竖直方向上移动。

[0029] 本方案中的丝杆升降机4的具体结构以及丝杆升降机4与伺服电机5之间的连接关系均为现有的成熟技术，故在此不赘述部件之间的连接关系和工作原理。

[0030] 丝杆6的底端设置有拉扭传感器7，拉扭传感器7通过法兰盘8与丝杆6的底端固定连接；拉扭传感器7用于测试旋翼10产生拉力和电机输出的扭矩。

[0031] 法兰盘8上设置有光电式转速测量仪9，光电式转速测量仪9用于测试旋转电机14的转速值。

[0032] 拉扭传感器7的下端面设置有旋转电机14，旋转电机14的尾端与拉扭传感器7的下端面固定连接，旋转电机14的输出端用于固定旋翼10；旋翼10的升力方向竖直向上。

[0033] 可通过PLC或驱动器，控制伺服电机5转动，进而控制丝杆升降机4调节丝杆6垂直高度，小幅度调节旋翼10到地面的距离，实现旋翼10在垂直方向上连续、精确的高度调整，实现水面或地面效应测试过程中距离参数的严格控制与调节。

[0034] 旋转电机14的输出端的正下方设置有装水容器，装水容器可以为充气水池11，充气水池11位于两个竖直支架1之间，充气水池11放置在旋翼10下下方，提供稳定的自由液面，以模拟旋翼10飞行器在水面起飞时产生的水气交混流场。

[0035] 每个竖直支架1上均等距设置有多个配合孔，多个配合孔沿竖直支架1的长度方向设置；横梁2的两端均通过螺栓连接件穿过配合孔与两个竖直支架1固定连接。本发明采用在竖直支架1上均等距设置有多个配合孔，横梁2在不同高度上，采用螺栓连接件与两个竖直支架1配合，即可快速、大范围地调整旋翼10与水面/地面距离，在撤去充气水池11后可立刻调节距离参数，开展地面效应试验，实现“一台两用”的效果。

[0036] 在开展气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验时，首先开展用于对照比较的地面效应试验。横梁2两端与两个竖直支架1上不同高度的配合孔连接，以达到调整横梁2竖直高度的目的，实现大幅度调节旋翼10近地面处，再通过驱动器或PLC控制伺服电机5转动，进而控制丝杆升降机4调节丝杆6垂直高度，小幅度调节旋翼10到地面的距离，开始测试。在每个不同的旋翼10到地面距离下，通过对旋转电机14输入不同的控制信号（PWM值），分别记录当前旋翼10到地面距离、旋翼10产生拉力、电机输出扭矩及电机转速值。

[0037] 地面效应试验完成后开展水面效应试验，将充气水池11置于测试装置中心处，通过更换横梁2与两侧竖直支架1的配合孔，以大幅度调节旋翼10近水面处，再通过驱动器或PLC控制伺服电机5转动，进而控制升降台调节丝杆6垂直高度，小幅度调节旋翼10到水面的距离，开始测试。在每个不同的旋翼10到地面距离下，通过对电机输入不同的控制信号（PWM值），分别记录当前旋翼10到水面距离、旋翼10产生拉力、电机输出扭矩及电机转速值。

[0038] 不同于试验平台单一的地面效应测试，水气交混流场与旋翼10的耦合作用测试中除了要开展不同高度下的地面效应试验作为对照样本外，还需开展水面测试，产生一定尺度的水气交混流场，并控制旋翼10在不同的距水面高度上下移动，对比分析旋翼10在不同离水面距离、转速下，与相同工况下的地面效应测试的升力、扭矩的差异，以开展水气交混流场对飞行器旋翼的耦合效应相关研究，填补了当前水气交混流场生成与测试装置的空白。

[0039] 具体地，每个所述竖直支架1的底部均设置有一个用于与地面固定的底板12，所述底板12的上端面和竖直支架1的侧壁之间设置有加强肋板13。本发明横梁2采用铝合金方管以尽可能减少加工工作量并降低成本，横梁2的两端与两个竖直支架1之间采用螺栓连接件进行连接，每根竖直支架1底部通过底板12与地面固定连接，两个竖直支架1与横梁2连接后形成一个“几”字构型，并在竖直支架1两侧设计加强肋板13以增强其刚度，避免在试验过程中产生明显的变形进而带来安全隐患。

[0040] 水气交混流场与飞行器旋翼耦合作用试验装置还包括粒子图像测速系统，粒子图像测速系统的示踪粒子播撒喷口设置于丝杆6上，以获得最精确的流场测量效果。