一种用于水洞实验的通气超空泡航行体旋转实验装置

摘要

本发明涉及一种用于水洞实验的通气超空泡航行体旋转实验装置，目的在于实现航行体与空化器同步自旋而不仅仅是空化器自旋，同时利用集成式机械密封动环和静环在相对转动时的良好密封性，克服了原有装置在旋转时发生气体和液体泄漏的现象。

说明书

技术领域

本发明属于超空泡航行体的水洞实验研究领域，具体涉及一种用于水洞实验的通气超空泡航行体旋转实验装置。

背景技术

超空泡是水下高速航行体实现减阻的有效途径之一。超空泡的成因是脱体绕流诱导低压区的形成，从而达到在该温度下的饱和蒸汽压，最终发生空化现象。但在自然条件下产生具有减阻效果的自然超空泡条件极为苛刻，需要空化数小于0.1即航行速度大于50m/s。根据空化数的定义，当液体密度为常量时，减小空化数有三种基本方法：1、增加来流速度，2、减小来流压力，3、增加空泡内的压力。所以利用人工通气的方法增加空泡内压力的水洞试验方法成为了在实验条件下研究超空泡航行体的一种主流方法。此方法产生的通气超空泡与相同空化数下的自然超空泡具有相同的力学特性。

现有的各类型水洞实验装置主要集中在研究航行体的空化器类型，以及航行体在不同攻角或侧滑角下的力学性能，而这些装置所涉及的航行体本身几乎不能实现绕其自身中轴线旋转。只有极少数专利实现了此功能，例如CN205192722U中实现了水洞实验条件下空化器的自旋，但此装置存在如下缺点：1、仅能实现空化器自旋，航行体本身无法自旋。2、没有合理的密封结构，会发生气体和水泄漏。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有装置存在的不足，本发明提出了一种用于水洞实验的通气超空泡航行体旋转实验装置。目的在于实现航行体与空化器同步自旋而不仅仅是空化器自旋，同时利用集成式机械密封动环和静环在相对转动时的良好密封性，克服了原有装置在旋转时发生气体和液体泄漏的现象。

本发明的技术方案是：一种用于水洞实验的通气超空泡航行体旋转实验装置，其特征在于，包括密封套、传动机构、集成式机械密封机构、静轴、通气管、套筒和支撑组件；所述密封套内为多级阶梯状空腔，且空腔轴线与密封套轴线重合，密封套一端与航行体简化模型螺纹固连，另一端与集成式机械密封机构螺纹连接；集成式机械密封机构整体为两端开口的空腔柱状体，静轴为两端开口的空腔柱状体且外壁为二级阶梯状；静轴小径端外壁穿过集成式机械密封机构的轴套密封圈与其内壁螺纹连接，大径端与套筒一端固连，套筒另一端与支撑组件连接；密封套、集成式机械密封机构、静轴和套筒依次连接后的轴线相互重合；通气管从水洞外部进入后，依次穿过支撑组件、套筒与静轴大径端上的气密接头连接；外部控制系统控制转动机构转动，使得集成式机械密封机构的动环与静环绕自身轴线相对转动，动环带动密封套轴线转动，密封套带动外部航行体简化模型转动，使得外部空化器随外部航行体简化模型一起轴线转动，待达到设定转速后，由外部气源通过通气管向航行体头部空化器通气，气体进入空化器后的绕流低压区形成通气超空泡。

本发明的进一步技术方案是：所述集成式机械密封机构包括动环、静环、弹簧、摩擦副、挡环及密封件；动环外壁呈多级台阶状，其上包括四个沿周向均布的螺纹孔用于与从动轮4上孔固连，一个密封槽用于安装压盖密封圈，动环末端还车有一段外螺纹用于与密封套3固连，动环内部为台阶结构用于摩擦副的安装和定位；静环穿过动环和摩擦副的内部空腔，其外部呈圆柱状，内部为台阶形空腔结构，台阶处用于安装轴套密封圈，静轴穿过静环的空腔与轴套密封圈配合最后与静环末端固连；摩擦副外壁呈台阶状用于安装静环密封圈，内部呈阶梯台阶状空腔结构台阶处用于安装动环密封圈；弹簧和挡环沿静环轴线依次套在静环末端对摩擦副起到一个减震作用。

本发明的进一步技术方案是：所述转动机构包括伺服电机箱、安装架、主动轮和从动轮；所述伺服电机箱通过安装架安装在套筒的筒壁上，伺服电机箱内装有伺服电机，伺服电机输出轴上套有主动轮，主动轮与从动轮相互啮合，从动轮端面上均布的四个通孔与动环上均布的四个螺纹孔配合，通过螺栓固连。

本发明的进一步技术方案是：所述支撑组件包括夹具、水洞盖板、支撑杆和尾支撑座。尾支撑座与套筒未和静轴连接的一端固连，且尾支撑座内设有盲腔；支撑杆一端与尾支撑座内的盲腔内壁螺纹连接，其轴线与尾支撑座轴线相互垂直，支撑杆另一端套有水洞盖板，水洞盖板上方设有夹具，夹具用于固定支撑杆，进而将整个实验模型固定在水洞中。

本发明的进一步技术方案是：所述密封套本体呈圆台状，其内部为多级台阶形空腔结构，其大径端空腔内壁车有内螺纹用于与集成式机械密封的动环的外螺纹配合固连；小径端空腔内壁车有螺纹用于与航行体简化模型尾部外螺纹配合固连；大径端空腔与小径端空腔间有一段空腔用于沟通二者以实现对航行体头部的通气。

本发明的进一步技术方案是：所述套筒本体为圆柱形空腔结构，其空腔内部两端均车有内螺纹一端用于与尾支撑座固连，一端用于与静轴固连；在套筒左右侧面对称开有两个螺纹孔用于安装电机箱安装架；在套筒上下两个侧面对称铣有两个平台可避免电机箱安装时与圆柱面干涉，平台上的两个槽方便将电机箱的控制线路藏在套筒空腔内以不受水洞流体影响。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出的具有如下优点：

1、本发明结构简单、形式灵活，将电机内置，动力传递仅靠一对啮合齿轮完成，避免了电机外置时复杂的轴系结构。通过齿轮转动带动集成式机械密封机构旋转进而实现了航行体与空化器同步旋转。

2、本发明进行分段设计具有很强的互换性，航行体简化模型和空化器均通过螺纹连接拆卸方便，可满足同一航行体、不同航行体不同空化器等多种实验工况。

3、利用集成式机械密封动环和静环相对旋转时的优良密封性，克服了同类装置气体和液体泄漏的缺点。

附图说明

下面结合附图和实施方法对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的结构示意图，图中箭头方向表示气源进入方向

图2为空化器示意图

图3为航行体简化模型示意图

图4为密封套剖视图

图5为啮合齿轮示意图

图6为静轴剖视图

图7为套筒示意图

图8为螺栓示意图

图9为支撑杆示意图

图10为尾支撑座示意图

图11为安装架示意图

图12为伺服电机箱示意图

图13为气密接头示意图

图14为集成式机械密封示意图

附图标记说明：1.空化器 2.航行体简化模型 3.密封套 4.从动轮 5.静轴 6.套筒 7.螺栓 8.支撑杆 9.夹具 10.水洞盖板 11.通气管 12.尾支撑座 13.安装架 14.伺服电机箱 15.气密接头 16.主动轮 17.键 18.集成式机械密封，18-1.螺纹孔 18-2.压盖密封圈 18-3.摩擦副 18-4.弹簧 18-5.挡环 18-6.轴套密封圈 18-7.动环密封圈 18-8.静环密封圈 18-9.动环 18-10.静环

具体实施方式

参见图1-图14：本发明的主要结构是由空化器、航行体简化模型、密封套、集成式机械密封、一对啮合齿轮、伺服电机箱组件、支撑模块、通气管、气密接头组成。安装顺序依次为:空化器通过螺纹与航行体简化模型固连，航行体另一端通过螺纹与圆台形密封套小径端固连，集成式机械密封的动环与密封套大径端螺纹固连，集成式机械密封动环与啮合齿轮的从动轮通过螺栓固连，静轴无螺纹端穿过集成式机械密封的静环旋至与轴套密封环配合，气密接头与静轴端面螺纹固连，通气管一端插入气密接头后另一端依次穿过套筒、尾支撑座、支撑杆的空腔，静轴与套筒固连，伺服电机箱与安装架通过螺栓固连，伺服电机箱输出轴与主动齿轮通过键固连，安装架与支撑筒通过螺栓固连，支撑筒与尾支撑座固连，尾支撑座与支撑杆通过螺栓固连，最后通过夹具将支撑杆固定在水洞盖板上。

所述支撑模块包括水洞盖板、夹具、支撑杆、尾支撑座、支撑筒、安装架、静轴等。其中支撑杆、尾支撑座、套筒均为空腔结构，用于通气管的通过；支撑杆下端焊接一个带有四个通孔的方形法兰，用于与尾支撑座端面上的四个螺纹孔配合固连；套筒两边均攻有内螺纹分别与静轴和尾支撑座固连；安装架共两个，每个安装架上带有四个安装孔用于固连伺服电机箱和套筒；静轴亦为空腔结构用于通气，大径端车有外螺纹且端面攻有一个螺纹孔用于安装气密接头，小径端为光轴与集成式机械密封的轴套密封环配合。

所述集成式机械密封包括静环、动环、螺纹孔、静环密封圈、压盖密封圈、摩擦副、动环密封圈、弹簧、轴套密封圈、挡环；动环和静环可以相对转动；在动环端面上均布四个螺纹孔用于与从动轮固连。

所述伺服电机箱组件包括伺服电机箱、键、定位螺栓；电机箱底部带有四个安装引脚。

所述啮合齿轮中从动轮端面均布四个安装孔，主动轮开有键槽。

所述密封套、航行体简化模型、空化器连接出均有螺纹，且均为空腔结构。

本实施例是一种用于水洞实验的通气超空泡航行体旋转实验装置；通过伺服电机驱动器控制航行体以及空化器的旋转速度，模拟超空泡航行体在水下高速旋转运动时的工况。可通过换装不同的航行体缩比模型和空化器模型来满足不同的实验要求。

参阅图1，本装置的主要是由空化器1、航行体简化模型2、密封套3、集成式机械密封18、一对啮合齿轮(从动轮4和主动轮16)、电机箱组件、支撑模块、通气管11、气密接头15组成。空化器1头部为圆锥形，内部为空腔结构用于通气，其圆柱段上均布四个气孔用于泄气；空化器1通过螺纹与航行体简化模型2固连，航行体简化模型2另一端与密封套3固连，密封套3小端面直径与航行体简化模型2尾部的锥形端面直径相等，具有平滑过渡的作用。密封套3大径端与集成式机械密封18通过螺纹固连；从动轮4通过螺栓7与集成式机械密封18的动环18-9固连，由此可以保证空化器1与航行体简化模型2同齿轮同速旋转；静轴5无螺纹圆柱端穿过集成式机械密封18的静环旋至与轴套密封环配合，气密接头15与静轴5端面内螺纹配合，依此实现通气密封；通气管11一端插入气密接头15，另一端依次穿过套筒6、尾支撑座12、支撑杆8的内部空腔，最终与水洞外部气源相接实现人工通气；静轴5与套筒6通过螺纹固连，伺服电机箱14与安装架13通过螺栓7固连，电机箱14的输出轴与主动齿轮16通过键17固连，安装架13与套筒6通过螺栓7固连，套筒6与尾支撑座12固连，尾支撑座12空腔内部有四个安装孔通过螺栓7与支撑杆8的焊接方形法兰固连，最后通过夹具9将支撑杆8固定在水洞盖板10上。

参阅图1—图14，所述支撑模块包括水洞盖板10、夹具9、支撑杆8、尾支撑座12、套筒6、安装架13、静轴5。其中支撑杆8、尾支撑座12、支撑筒6均为空腔结构，用于通气管的通过；支撑杆8下端焊接一个带有四个通孔的方形法兰，用于与为尾支撑座12内部平面上的四个螺纹孔固连，并使航行体模型处于水洞中轴线上；套筒6两边均攻有内螺纹，分别用于固连静轴5和尾支撑座12；安装架共两个，其上带有四个安装孔，两个用于固连伺服电机箱14，两个用于固连套筒6；静轴5亦为空腔结构用于通气，大端车有外螺纹且端面攻有一个内螺纹孔用于安装气密接头15。

所述集成式机械密封机构包括动环18-9、静环18-10、弹簧18-4、摩擦副18-3、挡环18-5及密封件；动环18-9外壁呈多级台阶状，其上包括四个沿周向均布的螺纹孔18-1用于与从动轮4上孔固连，一个密封槽用于安装压盖密封圈18-2，动环18-9末端还车有一段外螺纹用于与密封套3固连，动环18-9内部为台阶结构用于摩擦副18-3的安装和定位；静环18-10穿过动环18-9和摩擦副18-3的内部空腔，其外部呈圆柱状，内部为台阶形空腔结构，台阶处用于安装轴套密封圈18-6，静轴5穿过静环18-10的空腔与轴套密封圈配合最后与静环末端固连；摩擦副18-3外壁呈台阶状用于安装静环密封圈18-8，内部呈阶梯台阶状空腔结构台阶处用于安装动环密封圈18-7；弹簧18-4和挡环18-5沿静环18-10轴线依次套在静环18-10末端对摩擦副18-3起到一个减震作用。

所述伺服电机箱组件包括伺服电机箱14、键17、定位螺栓7；伺服电机箱14底部带有四个安装引脚用于与安装架13固连。

所述啮合齿轮中从动轮4端面均布四个安装孔用于固连集成式机械密封，主动轮16开有键槽用于与电机箱输出轴固连。

所述密封套3设计为圆台形，大端面挡住从动轮4避免来流直接冲击到齿轮端面上，引起回射流。

所述气密接头15一端为接插口用于与通气管11固连，另一端为外螺纹结构用于与静轴5大径端端面上的螺纹孔配合固连。

所述空化器1为水洞空化实验中常用的圆锥形空化器，前端为圆锥形空化发生器，后端为一段圆柱形空腔结构，圆柱外表面车有外螺纹用于与航行体简化模型2的内螺纹固连，并在其周向均布四个通气孔，该通气孔与内部空腔沟通，实现对航行体头部通气。

所述航行体简化模型2其本体为一段圆柱形空腔结构，其前端车有一段内螺纹用于与空化器1固连，其后端附带一个圆锥过渡段，过渡段后车有一段圆柱外螺纹用于与密封套3的小径端内螺纹固连。

装置工况:本装置工作时，首先将固定在水洞盖板10上的整个装置吊装到水洞观测段，随之接通气源以及伺服电机箱电源，然后通过在水洞外部的电机伺服控制器对伺服电机箱14中的电机转速进行控制，伺服电机所固连的主动轮16开始转动，随之从动轮4以相同转速转动，此时通过螺栓7固连在从动轮4上的集成式机械密封18的动环随之转动，与集成式机械密封18的动环固连的密封套3随动环转动，与密封套3固连的航行体简化模型2随之转动，与航行体简化模型2固连的空化器1亦随之转动，达到设定转速后，外部起源通过通气管11向航行体头部空化器1通气，产生通气超空泡，由此达到实验工况。在装置工作过程中其余未提及构件均保持静止。根据不同的实验工况要求可以换装相应的航行体简化模型2和空化器1，也可以通过水洞盖板10上方的夹具9来调节装置在水平方向与水洞中轴线的夹角，以此来实现不同的攻角要求。