[發明專利]一種臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統及測試方法

在審

• 申請號: 201610966257.1
• 申請日: 2016-11-04
• 公開（公告）號: CN106596033A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 周波;李喜樂;李廣佳;孫凱軍;朱文國
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 徐輝

1.一種臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，其特征在于，包括來流模擬系統、螺旋槳轉速控制系統、數據測量系統和支架；

所述來流模擬系統包括實驗段(9)，軌道(8)，拖車(7)和拖車供電系統及控制系統；所述實驗段(9)為密閉空間；所述軌道(8)為平行雙軌道，固定在實驗段(9)內；所述拖車在拖車供電系統及控制系統的控制下，按指定速度沿軌道(8)前進；

數據測量系統包括二分量天平(2)和數據采集控制模塊；所述二分量天平(2)測量螺旋槳的拉力和扭矩并發送給數據采集控制模塊；數據采集控制模塊采集二分量天平(2)測量的拉力和扭矩，并輸出；

螺旋槳轉速控制系統包括電機(3)，所述電機(3)固定在二分量天平(2)內部，電機(3)輸出軸端部延伸至二分量天平(2)外部，所述螺旋槳(1)固定在電機輸出軸端部，由電機(3)驅動旋轉；

支架(5)為懸臂梁結構，懸臂梁結構的后端固定在拖車(7)車頭前端并向前延伸，二分量天平(2)固定在支架(5)前端。

2.權利要求1所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，其特征在于，二分量天平(2)為管式結構，拉力測量元件設計為軸向對稱的豎直梁式結構，扭矩測量元件設計為軸向對稱的輪輻式結構。

3.權利要求1或2所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，其特征在于，所述電機(3)同軸安裝在二分量天平(2)內部，固定在二分量天平(2)的前端面上，所述前端面具有通孔，電機(3)輸出軸通過所述通孔延伸到前端面外部，連接螺旋槳(1)。

4.權利要求1或2所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，其特征在于，所述實驗段(9)的地面設置平行雙軌道(8)，且兩個軌道之間為矩形凹槽，凹槽的寬度大于螺旋槳直徑的3倍，凹槽的高度大于螺旋槳直徑。

5.權利要求1或2所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，其特征在于，支架(5)長度大于3m，支架(5)的前端左右兩側分別通過一個支桿(4)固連到拖車底盤兩側的支柱(11)上端；支桿(4)與水平方向的夾角為25°～40°。

6.權利要求1或2所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統(6)，其特征在于，數據采集控制模塊包括轉速測量系統、車速測量系統、控制計算機和數據采集處理器；所述轉速測量系統檢測電機(3)轉速，并發送給數據采集處理器；所述車速測量系統測量拖車(7)行進速度，并發送給數據采集處理器；所述數據采集處理器采集電機(3)轉速、拖車(7)行進速度、拉力和扭矩數據，并發送給控制計算機；所述控制計算機根據輸入指令控制電機(3)轉速，接收數據采集處理器發送的數據，將數據存儲在存儲器中，控制顯示器實時顯示測試數據。

7.如權利要求1所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，其特征在于，控制計算機接收數據采集處理器發送的數據進行數據處理，并生成拖車(7)車速、電機(3)轉速、拉力和扭矩隨時間的變化關系曲線，分析不同車速和轉速下螺旋槳(1)的拉力和扭矩特性。

8.如權利要求1所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，其特征在于，來流模擬系統、螺旋槳轉速控制系統和數據測量系統之間均進行電磁屏蔽。

9.如權利要求1所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，其特征在于，在安裝螺旋槳(1)前，在螺旋槳(1)安裝軸心，沿豎直方向選擇多個測量點，通過超聲風速儀測量不同車速下，多個測試點的流場速度均值，計算速度均值與車速的偏差，作為螺旋槳前進速度修正量。

10.一種利用權利要求1所述的臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統的測試方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)根據等雷諾數、等前進比相似準則，將臨近空間螺旋槳的高空飛行狀態轉換到地面試驗狀態，計算公式如下：

$\mathrm{Re}=\frac{n_1{D}_1^2}{{\mathrm{\υ}}_1}=\frac{n_2{D}_2^2}{{\mathrm{\υ}}_2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{V_1}{n_1{D}_1}=\frac{V_2}{n_2{D}_2}---\left(2\right)$

其中Re表示槳葉當地雷諾數，λ表示前進比，υ₁表示高空飛行狀態運動黏性系數，υ₂表示地面試驗狀態運動黏性系數，V₁、n₁、D₁分別表示高空飛行狀態螺旋槳前進速度、轉速和直徑，V₂、n₂、D₂分別表示地面試驗狀態螺旋槳前進速度、轉速和直徑；

(2)在螺旋槳安裝軸心，沿豎直方向選擇多個測量點，通過超聲風速儀測量不同車速下，多個測試點的流場速度均值，計算速度均值與車速的偏差，作為螺旋槳前進速度修正量ε；

(3)將螺旋槳安裝于電動機輸出軸，開啟數據測量系統，測量拖車速度、電動機轉速、螺旋槳拉力和扭矩，然后啟動電機，待電機轉速穩定到設定轉速n₂后，啟動拖車并加速到設定速度V₂+ε，待拖車速度穩定并持續前進指定時間后，減速停車，保存采集數據；

(4)取拖車速度穩定段測得的拉力和扭矩值，剔除誤差較大數據，取平均值，得出地面試驗狀態下的拉力T₁和扭矩值Q₁，再根據式(3)～(6)求出拉力系數C_T、功率系數C_P，得出臨近空間飛行狀態下螺旋槳的氣動特性T₂，P₂，η；

$C_T=\frac{T_1}{{\mathrm{\ρ}}_1{D}_1^4{n}_1^2}=\frac{T_2}{{\mathrm{\ρ}}_2{D}_2^4{n}_2^2}---\left(3\right)$

P₁＝n₁Q₁ (4)

$C_P=\frac{P_1}{{\mathrm{\ρ}}_1{D}_1^5{n}_1^3}=\frac{P_2}{{\mathrm{\ρ}}_2{D}_2^5{n}_2^3}---\left(5\right)$

$\mathrm{\η}=\mathrm{\λ}\frac{C_T}{C_P}---\left(6\right).$