一种改进的风洞进气道试验模型支撑系统

摘要

本发明涉及风洞试验领域，公开了一种改进的风洞进气道试验模型支撑系统，所述模型支撑系统包括通气臂、迎角预偏杆，所述通气臂与风洞迎角机构上的滚转角转轴机构连接；所述通气臂由内至外依次设置气体通路、走线通路、通气腔；所述气体通路与通气腔同轴设置；所述通气臂与所述迎角预偏杆连接；所述迎角预偏杆内设置与气体通路连通的气体通路延长段、与走线通路连通的走线通路延长段；所述通气腔与通气管路连通，所述气体通路延长段与出气管路连通；所述迎角预偏杆杆壁上开有走线孔。本发明解决了现有技术中传统的模型支撑系统无法实现通气与走线一体化设置，在风洞测试过程中仪器多、管路线路多造成的操作不便的问题。

说明书

技术领域

本发明属于风洞试验领域，更具体地涉及一种改进的风洞进气道试验模型支撑系统。

背景技术

进气道是吸气式飞行器动力装置的重要部件之一。为了在风洞试验中研究和评估飞行器进气道气动性能，通常需要在风洞中模拟飞行器进气道管道流动工况，测量进气道在不同来流马赫数下的迎角、侧滑角气动性能。

通常，进气道模型由支撑系统安装在风洞中。低速风洞由于气流流速相对较低，气动载荷较小，风洞尺寸大，试验对支撑系统的要求一般不高，测控线缆和气管路沿支撑系统走线的空间充裕，线缆和气管路固定和保护比较容易，即使裸露在气流中进行简单固定和保护也可满足要求，因此低速风洞试验的支撑系统设计比较容易，复杂度不高。但是在高速风洞以及高超声速风洞中，由于气流流速大大增大，风洞压力和温度环境复杂，模型气动载荷相比低速风洞更大，风洞尺寸却比低速风洞小，因此模型以及支撑系统的使用环境比低速风洞复杂，对模型支撑的结构设计要求和考虑的因素也更多。

现有试验技术中，进气道模型上测量总压、静压的气管路以及动态传感器、流量计、流量调节系统等引出的线缆都会捆绑成束，沿着模型和支撑系统的支杆外表面从前向后引到风洞迎角机构上，再穿过风洞洞壁引出风洞。气管路和线缆引出的过程中需要进行固定和保护，例如采用扎带或铁丝隔一段距离勒紧固定，用金属罩或塑料管进行保护，防止被高速气流吹坏。但是实际试验经验表明，这种在支撑系统的外表面走线方式，即使加上保护罩，在超声速甚至高超声速气流的持续冲击下，还是会导致线缆或气管路被吹断、吹开以及保护罩被吹坏、吹飞现象时有发生，直接影响风洞试验数据质量，增加试验成本，降低试验效率。

有些试验状态下，风洞气流冲压作用不足以实现进气道大流量工况的模拟，此时可通过在进气道管道后方加装引射器，以引射的方式帮助抽吸进气道气流。现有试验技术中，引射器所需的高压引射气流由高压气源和供气管路提供。供气管路的刚性连接和安装不灵活，制约了风洞通过迎角与侧滑角或者滚转角机构组合实现连续变模型迎角和侧滑角的角度范围。为了实现所需角度，必须暂停风洞试验吹风，根据具体空间位置，更换一段不同长度和角度的供气管路进行转接，由此导致风洞机构连续变角度的能力无法充分利用，显著影响了工作效率。这个问题在多个进气道多管路同时需要引射器供气的试验需求下，显得更为突出。

在现有风洞中，模型的迎角很容易由风洞迎角机构实现，而侧滑角实现方式受风洞整体结构设计影响较大。一般在低速风洞，侧滑角由转盘机构实现。转盘机构绕轴转动，带动支撑系统和模型同时转动，其机构坐标系与侧滑角定义使用的坐标系一致，转动的角度等于侧滑角。但是在高速风洞和高超声速风洞，受到风洞洞体结构复杂、空间狭小、结构载荷大的制约，无法使用转盘结构，只能采用模型支撑上的侧滑角预偏接头、变角块等类似结构或者由迎角机构和滚转角机构组合间接实现。对于迎角和侧滑角组合情况，采用模型支撑上的侧滑角预偏接头、变角块等类似结构间接实现的角度并不是真正意义的迎角和侧滑角，而是名义迎角和名义侧滑角。真实角度和名义角度随着角度增大，二者相差会越来越大。例如迎角机构实现的名义迎角为11°，模型支撑实现的名义侧滑角为10°时，实际真实迎角为11.165°，实际真实侧滑角为9.814°；而名义迎角为60°，名义侧滑角为30°时，实际真实迎角为63.435°，实际真实侧滑角为14.478°。因此模型支撑系统的设计需要考虑真实迎角和侧滑角如何实现的问题。

综上所述，对于现有低速风洞、高速风洞以及高超声速风洞，现有进气道试验技术存在着气管路和线缆固定和保护不当的问题，引射器供气管路制约和影响模型迎角、侧滑角范围问题，以及模型支撑系统如何实现真实迎角和侧滑角的问题。这些问题影响了试验设备的安全，增加了试验成本，降低了试验效率。

发明内容

为解决现有技术中传统的模型支撑系统无法实现通气与走线一体化，在风洞测试过程中仪器多、管路线路多造成的操作不便和保护效果差的问题。本发明提供一种改进的风洞进气道试验模型支撑系统。

本发明采用的具体方案为：一种改进的风洞进气道试验模型支撑系统，所述模型支撑系统包括通气臂、迎角预偏杆，所述通气臂与风洞迎角机构上的滚转角转轴机构连接；所述通气臂由内至外依次设置气体通路、走线通路、通气腔；所述气体通路与通气腔同轴设置；所述通气臂与所述迎角预偏杆连接；所述迎角预偏杆内设置与气体通路连通的气体通路延长段、与走线通路连通的走线通路延长段；所述通气腔与通气管路连通，所述气体通路延长段与出气管路连通；高压气体依次通过通气管路、通气腔、气体通路、气体通路延长段、出气管路后流出所述模型支撑系统；所述迎角预偏杆杆壁上开有走线孔，线路与电缆通过走线孔依次通过走线通路延长段、走线通路后穿入风洞迎角机构内的空腔中。

所述模型支撑系统末端设置连接段，该连接段前端与通气臂连接，后端与风洞迎角机构上的滚转角转轴机构连接。

所述气体通路延长段通过异形三通与出气管路连接，气流经过异形三通后被一分为二分别进入出气管路。

所述通气腔是由所述通气臂的通气臂外壁、通气腔盖板、通气臂外壁的通气腔侧壁围成的空腔。

所述通气腔与气体通路之间通过第一通孔连通；所述第一通孔为通气臂的通气臂外壁上开有的孔。

所述通气腔盖板与所述通气臂之间安装轴承，所述轴承套在通气臂上。

所述轴承的个数为两个，其中一个轴承紧贴通气腔盖板挡圈安装；另一个轴承紧贴连接段端壁安装。

所述模型支撑系统前端设置锥形支杆，所述锥形支杆的前端连接侧滑角预偏板，侧滑角预偏板上设有多排销孔和多排第二通孔，所述多排销孔与测试模型尾端平面上的销孔组合，形成1°间隔的侧滑角预偏范围，螺钉穿过第二通孔与模型尾端平面螺纹孔连接。

所述通气臂与通气腔盖板、固体镶嵌轴承之间由旋转轴用齿形组合密封密封。通气腔和通气管路由O形橡胶密封圈密封。

所述走线通路为腰形走线通路。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

（1）本发明通过在模型支撑系统内设置通气臂、迎角预偏杆，通过在通气臂内设置不同的气体通路与走线通路，在迎角预偏杆内设置相对应的气体通路与走线通路，使高压气体依次通过通气管路、通气腔、气体通路、气体通路延长段、出气管路后流出所述模型支撑系统；另一方面，线路与电缆通过走线孔依次通过走线通路延长段、走线通路后穿入风洞迎角机构内的空腔中，实现对气路、线路一体设计，使模型支撑系统的装置更加紧凑，具有操作方便快捷的优点。

（2）本发明所述通气臂与风洞迎角机构上的滚转角转轴机构连接，由于线路被一体化设计在通气臂、迎角预偏杆内的走线通路中，滚转角转轴机构带动通气臂转动，通气臂带动迎角预偏杆转动过程中，线缆也随之转动，不再受到干扰，从而不影响线路的正常运行，也不影响各部件的转动，具有测试效果好的优点。

（3）本发明通过在模型支撑系统前端设置锥形支杆；通过迎角预偏杆与风洞迎角机构上的滚转角转轴机构连接，能够保证前端的锥形支杆和迎角预偏杆随滚转角转轴一同旋转，实现模型滚转角的测量。模型支撑系统前端的锥形支杆和和迎角预偏杆分别实现侧滑角预偏及迎角预偏。由风洞的迎角机构、滚转角转轴机构以及模型支撑系统实现的侧滑角预偏及迎角预偏，在风洞空间中形成模型滚转角和俯仰角，经过坐标系转换实现模型的真实迎角和侧滑角，解决了现有一些风洞气路、线路无法有效保护，受运动机构限制的问题，以及实现的迎角和侧滑角实际是名义角度的工程问题；同时模型支撑系统结构简单，安装方便，通过更换迎角预偏杆，满足不同模型所需的迎角范围。除此之外，模型支撑系统中的通气臂可扩展多个内外槽，满足2个以上进气道管路模型的供气需求。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剖面图；

图3为图1的A向视图；

图4为本发明通气臂结构示意图；

图5为本发明通气腔盖板结构示意图；

图6为图2中I处轴承与旋转轴用齿形组合密封处示意图；

图7为本发明俯视图；

图8为图7中B-B剖面图；

图9为图1中C-C剖面图；

图10为图7中D-D剖面图；

图11为本发明安装示意图；

其中，附图标记分别为：

50.风洞迎角机构、51.通气管路、52.滚转角转轴机构、53.模型支撑系统、53-1.连接段、53-1-1.连接段端壁、53-2.通气臂、53-2-1.通气腔盖板挡圈、53-2-2.通气臂挡圈、53-2-3.通气臂外壁、53-2-4.通气腔侧壁、53-2-5.气体通路进口、53-3.通气腔盖板、53-3-1.盖板端面、53-3-2.盖板轴承挡圈、53-4.轴承、53-5.通气腔、53-6.气体通路、53-7.异形三通、53-8.出气管路、53-9.走线孔、53-10.走线通路、53-11.旋转轴用齿形组合密封、53-12.整流罩、54.锥形支杆、54-1.侧滑角预偏板、54-2.迎角预偏杆、54-3.走线通路盖板、55.流量调节和引射系统、56.进气道模型、59.预埋管路、60.供气软管、61.驻室管路接口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种改进的风洞进气道试验模型支撑系统，所述模型支撑系统包括通气臂53-2、迎角预偏杆54-2，所述通气臂53-2与风洞迎角机构50上的滚转角转轴机构52连接；所述通气臂53-2径向由内至外依次设置气体通路53-6、走线通路53-10、通气腔53-5；所述气体通路53-6与通气腔53-5同轴设置；所述通气臂53-2与所述迎角预偏杆54-2连接；所述迎角预偏杆54-2内设置与气体通路53-6连通的气体通路延长段、与走线通路53-10连通的走线通路延长段；所述通气腔53-5与通气管路51连通，所述气体通路延长段与出气管路53-8连通；高压气体依次通过通气管路51、通气腔53-5、气体通路53-6、气体通路延长段、出气管路53-8后流出所述模型支撑系统；所述迎角预偏杆54-2杆壁上开有走线孔53-9，线路与电缆通过走线孔53-9依次通过走线通路延长段、走线通路53-10后穿入风洞迎角机构50内的空腔中。

参照附图4、8，在一种实施方式中，所述通气臂的外形为圆柱形；所述通气腔为环形通气腔，所述气体通路53-6是以通气臂的轴心为轴心的圆柱形空腔体。

所述气体通路延长段为气体通路53-6在迎角预偏杆54-2的延长部分，与设置在通气臂内的气体通路53-6的作用与结构相同或相似，内壁光滑的气体通路；走线通路延长段为走线通路53-10在迎角预偏杆54-2的延长部分，与设置在通气臂内走线通路53-10的作用与结构相同或相似；结构均为槽型，内壁光滑的电缆或电线收纳放置的通路。所述气体通路延长段与气体通路连通后，将气体引入到流量调节和引射系统；所述走线通路延长段与走线通路连通后，将线缆引入到风洞迎角。

本发明所述的迎角预偏杆的外形为圆杆，内部径向由内至外依次设置气体通路延长段、走线通路延长段。

所述模型支撑系统末端设置连接段53-1，该连接段53-1前端与通气臂53-2连接，后端与风洞迎角机构50上的滚转角转轴机构52，连接段的设置方便了对模型支撑系统的拆卸。

参照附图8，所述气体通路延长段通过异形三通53-7与出气管路53-8连接，气流经过异形三通后被一分为二分别进入出气管路53-8，实现对双发进气道流量调节和引射系统55的高压供气。

所述通气腔53-5是由所述通气臂53-2的通气臂外壁53-2-3、通气腔盖板53-3、通气臂外壁53-2-3的通气腔侧壁53-2-4围成的空腔。

所述通气腔53-5与气体通路之间通过第一通孔连通；所述第一通孔为通气臂53-2的通气臂外壁53-2-3上开有的孔，使高压气体能够顺利进入气体通路中。

所述通气腔盖板53-3与所述通气臂53-2之间安装轴承，所述轴承套在通气臂53-2上。本发明所述轴承为固体镶嵌轴承，轴承的安装使通气臂的旋转更为顺滑。

所述轴承的个数为两个，其中一个轴承紧贴通气腔盖板挡圈53-2-1安装；另一个轴承紧贴连接段端壁53-1-1安装。

所述模型支撑系统前端设置锥形支杆54，所述锥形支杆的前端连接侧滑角预偏板54-1，所述的滑角预偏板为一平板，侧滑角预偏板54-1上设有多排销孔和多排第二通孔，所述多排销孔与测试模型尾端平面上的销孔组合，形成1°间隔的侧滑角预偏范围，螺钉穿过第二通孔与模型尾端平面螺纹孔连接。具体而言，所述多排销孔中的一个销孔与测试模型尾端平面上的一个销孔组合形成一个销孔组合，一个销孔组合能够形成一个侧滑角；多排销孔通过组合之后能够形成1°间隔的侧滑角预偏范围。

所述锥形支杆54的本体为圆锥体，所述圆锥体前端平滑设置圆弧光面，并与迎角预偏杆54-2通过螺栓连接；所述锥形支杆54前部下方设置侧滑角预偏板54-1；所述滑角预偏板54-1与锥形支杆54一体成型。

所述通气臂53-2与通气腔盖板53-3、固体镶嵌轴承53-4之间由旋转轴用齿形组合密封53-11密封。通气腔和通气管路51上由O形橡胶密封圈密封。

所述走线通路53-10为腰形走线通路，类似腰形的走线通路便于对电缆线路进行整理，方便操作。

模型支撑系统53，其前端的锥形支杆54和迎角预偏杆54-2，可根据不同模型的迎角和侧滑角需要，可以设计多个不同的锥形支杆和迎角预偏杆，每个迎角预偏杆具有不同预偏角度，可扩展风洞迎角机构的迎角，使用时通过更换迎角预偏杆，满足不同模型的迎角范围。所述迎角预偏杆54-2与通气臂活动连接，进一步的为螺栓连接。

高压气体通过通气管路51进入到模型支撑系统53中的气体通路内，传送到流量调节和引射系统55，为流量调节和引射系统55的引射器进行高压引射供气。

模型支撑系统53，后端是通气臂53-2和通气腔盖板53-3。连接段53-1前端直口套在通气臂53-2后端直口上，并用螺钉固定；通气腔盖板53-3则被连接段53-1前端端面的挡板压住，连接段53-1后端通过螺钉与风洞迎角机构50上的滚转角转轴机构52连接。

滚转角转轴机构52转动时，带动与之连接的连接段53-1以及通气臂53-2一起转动，通气臂53-2与模型支撑系统53前端的锥形支杆54和迎角预偏杆54-2通过螺钉固定连接，并随滚转角转轴机构52一同旋转，从而实现模型0°～90°范围滚转。

风洞迎角机构50、滚转角转轴机构52以及所述模型支撑系统53上的侧滑角预偏板54-1、迎角预偏杆54-2共同使用，在风洞中组合成模型滚转角和俯仰角。已知模型滚转角、俯仰角、迎角预偏角度和侧滑角预偏角度，对于模型来说，模型从地面坐标系转到体轴坐标系得到的坐标矩阵转换与模型从气流坐标系转换到体轴坐标系得到的坐标矩阵转换一致，转换矩阵后，得到模型的真实迎角和侧滑角。

所述通气臂53-2作为旋转件，在通气臂53-2和通气腔盖板53-3之间安装固体镶嵌轴承53-4，减少表面转动摩擦，确保通气臂53-2的顺滑转动。

在一种实施方案中，所述通气臂53-2内部在轴向方向为内外通路形式，内侧通路包括气体通路53-6、通气腔53-5；所述气体通路与通气腔之间通过气体通路进口53-2-5与通气臂53-2的通气臂外壁53-2-3上开有的第一通孔连通；从通气管路51输送进来的高压气体可流入气体通路53-6。外侧通路为2个腰型走线通路53-10，贯穿整个通气臂53-2，向前与迎角预偏杆54-2内部走线通路53-10连通，向后与连接段53-1、滚转角转轴机构52、风洞迎角机构50三个部段的内部走线通路连通。模型上的线缆和气管路等穿过走线孔53-9，沿着走线通路53-10一直穿到滚转角转轴机构52和风洞迎角机构50内的空腔中。

所述走线通路53-10的设置保证模型在连续走迎角和滚转角时线缆和气管路能够随动，不受迎角和侧滑角变化带来的长度限制，有效保护线缆和气管路。在线缆和气管路走线之前，将走线通路盖板54-3打开，走完线并梳理好后，再将走线通路盖板54-3用螺钉拧紧固定好。

附图中箭头所示为气体流向。

来自高压气源的高压气体经过驻室管路接口61，进入到风洞驻室，在风洞驻室中，通过供气管路60和安装在风洞迎角机构50内部的预埋管路59，进入到通气管路51。预埋管路59和通气管路51由一段转接钢管或软管连接。

本发明中通气臂53-2与通气腔盖板53-3、轴承53-4之间的相对位置如下：

固体镶嵌轴承53-4有两个，在轴向方向上，分别位于通气腔两侧，套在通气臂53-2上。前端的固体镶嵌轴承53-4紧贴通气腔盖板挡圈53-2-1安装，后端的固体镶嵌轴承53-4则紧贴连接段端壁53-1-1安装。通气腔盖板53-3安装在固体镶嵌轴承53-4之上。

所述通气腔盖板53-3内表面根据两个轴承的位置，设计一个盖板轴承挡圈53-3-2和一个后端轴承挡板，用于辅助两个固体镶嵌轴承53-4的安装位置固定。

所述通气臂53-2与通气腔盖板53-3、轴承53-4、连接段53-1之间的安装顺序如下：

先将通气腔盖板挡圈53-2-1套在通气臂53-2前端，紧贴在整流罩53-12侧面，然后将前端固体镶嵌轴承53-4紧贴通气腔盖板挡圈53-2-1，套在通气臂53-2上，用顶丝将固体镶嵌轴承53-4固定到通气臂53-2上。再将其中一个通气臂挡圈53-2-2用螺丝安装在盖板轴承挡圈53-3-2上，然后将通气腔盖板53-3整体紧贴通气腔盖板挡圈53-2-1进行安装，通过螺钉连接通气腔盖板端面53-3-1与通气腔盖板挡圈53-2-1，通气腔盖板53-3安装完成。此时通气腔盖板53-3上的后端轴承挡板已经就位，然后将另一个通气臂挡圈53-2-2和后端的固体镶嵌轴承53-4紧贴通气腔盖板53-3上的后端轴承挡板进行安装，最后将连接段53-1前端直口套在通气臂53-2后端直口上，并用螺钉固定，从而保证连接段53-1前端的连接段端壁53-1-1能够压紧各个挡圈和挡板。

本发明通过将通气、走线一体化设置在改进的模型支撑系统中，解决了现有技术中传统的模型支撑系统无法实现通气与走线一体化设置，在风洞测试过程中仪器多、管路线路多造成的操作不便、仪器受运动机构限制的问题，以及实现的迎角和侧滑角实际是名义角度的工程问题。本发明不仅提高了工作效率，同时节约了大量的成本。