Устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента

Изобретение относится к области аэромеханических измерений и может быть использовано для измерения компонентов векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели воздушных винтов самолетов, несущих винтов вертолетов и гребных винтов судов, испытываемых в аэродинамических трубах, бассейнах и в гидроканалах. Устройство содержит соединяемую с двигателем ступицу, обод для крепления испытываемого винта, соединенный со ступицей четырьмя пакетами балок с наклеенными тензорезисторами, собранными в измерительные мосты. Причем каждый пакет балок состоит из трех или более балок с пониженной жесткостью центральной части. При этом балки имеют непризматическую форму и понижение жесткости центральной части обеспечено за счет заужения центральной части. Пониженная жесткость центральной части обеспечена за счет отверстий и вырезов различных размеров и форм. Технический результат заключается в повышении точности измерения нагрузок на вращающиеся воздушные винты. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области аэромеханических и гидромеханических измерений, в частности, для измерения компонентов векторов аэрогидродинамической силы и момента, действующих на модели воздушных винтов самолетов, несущих винтов вертолетов, и гребных винтов судов, испытываемых в аэродинамических трубах, бассейнах и в гидроканалах.

Область применения - авиация, вертолетостроение и судостроение.

Зависимости составляющих векторов аэродинамической силы и момента от скорости потока, углового положения винта, скорости вращения и других режимов испытаний являются основными аэродинамическими характеристиками винта.

Количественное определение аэродинамических характеристик составляет цель испытаний моделей винтов в аэродинамических трубах.

Известное устройство - винтовой прибор ВП-107, в который встроены аэродинамические тензовесы (см. Остроухов С.П. «Аэродинамика воздушных винтов и винтокольцевых движителей». - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. - 328 с. - ISBN 978-5-9221-1531-5, стр. 61-62). Данный прибор предназначен для исследования воздушных винтов как соосной, так и одиночной схемы. Для исследования винтов соосной схемы передняя и задняя часть винтового прибора ВП-107 устанавливаются друг напротив друга с зазором между втулками переднего и заднего венца воздушных винтов.

Винтовой прибор ВП-107 позволяет измерять силу тяги и крутящий момент на валу винта.

Основными недостатками винтового прибора ВП-107 является:

- влияние корпуса самого винтового прибора ВП-107 на измерение силы тяги и крутящего момента винта и необходимость ввода поправочных коэффициентов;

- всего два измеряемых компонента: тяга и крутящий момент;

- в силу конструктивных особенностей недостаточная точность измерения тяги переднего и заднего винтов соосной схемы.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для измерения векторов аэродинамической силы и момента (см. материалы четвертого международного симпозиума по тензометрическим весам в Сан Диего, Калифорния, США Iwan Philipsen, Harrie Hoeijmakers "Dynamic Check and Temperature Correction for Six-Component Rotating Shaft Balances" приложение 2).

Устройство состоит из обода и ступицы, соединенных между собой четырьмя пакетами непризматических балок, содержащих по две балки в каждом пакете.

Для более полного представления об устройстве прототипа в приложении 1 показана фотография общего вида устройства, заимствованная из указанного выше источника.

Известное устройство с пакетами из двух балок каждый и нерегламентируемым расположением тензорезисторов на балках не обеспечивает требуемой точности измерения составляющих Y, Z и не исключает влияния компонент Му, Mz на X и X на Му, Mz, что снижает точность измерения указанных составляющих.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения аэрогидродинамических нагрузок на винты самолетов, вертолетов, беспилотных летательных аппаратов, морских судов, энергетических установок.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на вращающийся винт, содержащем соединяемую с двигателем ступицу, обод для крепления испытываемого винта, соединенный со ступицей четырьмя пакетами балок с наклеенными тензорезисторами, собранными в измерительные мосты, каждый пакет балок состоит из трех или более балок с пониженной жесткостью центральной части. При этом балки имеют непризматическую форму, и понижение жесткости центральной части обеспечено за счет заужения центральной части. Пониженная жесткость центральной части обеспечена за счет отверстий и вырезов различных размеров и форм.

Для более подробного пояснения предполагаемого устройства рассмотрим конструкцию, принцип действия и уравнения измерения, связывающие составляющие векторов аэродинамической силы и момента с выходными сигналами.

На фиг. 1 приведена конструкция устройства

На фиг. 2 показана 3D конструкция устройства

На фиг. 3 показан пакет балок

На фиг. 4 приведен график зависимости напряжений на вертикальных гранях балок от радиуса сопрягающей окружности

На фиг. 5 приведена кривая распределения напряжения σх(у)

На фиг. 6 приведена зависимость сигнального напряжения σn(у) от длины балки

На фиг. 7 приведены эпюры моментов Mn(у) и Ms(у).

Устройство фиг. 1 представляет собой моноблочную конструкцию, состоящую из обода 1, ступицы 2 и четырех пакетов балок 3, ориентированных вдоль прямоугольных осей OYZ. Ступица 2 выполняет роль адаптера, соединяющего устройство для измерения составляющих вектора аэродинамической силы и момента с валом двигателя при помощи шлицевого соединения 4, а обод является адаптером, соединяющим весы с втулкой через отверстие 5.

Пакет балок 3 представляет собой систему, состоящую из трех балок - двух крайних 6 и одной средней 7. Балки (фиг. 2) имеют одинаковую непризматическую (трапециедальную) форму в плане. Понижение жесткости центральной части балки обеспечено за счет заужения центральной части. Вертикальные грани балок - подкосы сопрягаются окружностями радиуса r. Длина балок , высота крайних балок 6 - b1, а средней балки 7 - b; расстояние между осями крайних балок 10.

На фиг. 3 приведена 3D конструкция устройства, у которого для большей наглядности вырезана одна четверть.

На вертикальных гранях средних балок 7 в сечениях наклеены тензорезисторы R1…R8 (фиг. 1) для измерения сил Y, Z. Размещение тензорезисторов на цилиндрических поверхностях (радиуса r) вертикальных граней позволяет повысить чувствительность устройства к сигналам Y, Z и, как следствие, увеличить точность измерения одноименных сил.

Механизм повышения чувствительности заключается в использовании явления концентрации напряжений в областях сопряжения подкосов балок.

На фиг. 4 приведен расчетный график зависимости напряжений на вертикальных гранях от безразмерного радиуса сопрягающей окружности.

Малые радиусы дают большую концентрацию напряжения и, следовательно, большую чувствительность, однако с уменьшением радиуса возникают сложности с наклейкой тензорезисторов на криволинейной поверхности.

Для принятых нами размеров балок разумный компромисс достигается при r=1,16⋅h1, обеспечивающий увеличение чувствительности в 1,3 раза.

Легко видеть, что составляющие Му, Mz и X не оказывают влияние на измерение сил Y, Z, т.к. тензорезисторы R1…R8 расположены симметрично относительно нейтральной оси средней балки 7, а сама балка 7 защищена от действия моментов двумя крайними балками 6.

Важным вопросом является достижение независимости измерения моментов Му, Mz от силы X и, наоборот, силы X от моментов Му, Mz. Сила X формирует эпюры моментов, действующих на балки:

где Х1 - сила X, приходящаяся на одну крайнюю балку 6.

Тензорезисторы R9…R16 (фиг. 1) размещаются в сечении , в котором эпюра моментов проходит через ноль , а сигнальное напряжение σn(у) от компонент Y, Mz достигает максимума (фиг. 6).

Таким путем обеспечивается независимость измерения компонент Му, Mz от силы X.

Заметим, что тензорезисторы с нечетными номерами (фиг. 1) расположены на верхних балках пакета балок 3, а с четными номерами, заключенными в скобки, на нижних балках.

Независимость измерения силы X от моментов Му, Mz достигается следующим образом: эпюры моментов Mn(у) и Ms(у), справедливые для двухбалочного пакета (приложение 1), отличаются от аналогичных графиков для трехбалочного пакета лишь масштабом. По этой причине последние могут быть использованы для восстановления качественной картины распределения деформаций в крайних балках 6 (фиг 7).

Из графиков следует, что деформации правой части балки от моментов Mn(у) и Ms(у) имеют различные знаки. Следовательно, существует сечение в указанном интервале изменения координаты у, в котором деформация обращается в ноль.

Если совместить поперечные оси решеток тензорезисторов компонента X с указанным сечением, то влияние Му и Mz на X исчезнет.

Обозначим через у0 координату такого сечения.

Условие равенства нулю напряжения в сечении у=у0

или с учетом (2)

откуда:

Входящие в выражение (10) коэффициенты жесткости и моменты сопротивления Wn0) и Ws0) трехбалочной схемы определяются по аналогии с введенными ранее одноименными параметрами двухбалочной схемы.

Заметим, что входящее в выражение (10) отношение моментов сопротивления не зависит от координаты у0.

На фиг. 1 показаны тензорезисторы R12…R24, расположенные на расстоянии у0 от корневых сечений, примыкающих к втулке 2, служащие для измерения составляющей X.

Для измерения составляющей Мх (крутящий момент) служат тензорезисторы R25…R32 расположенные на расстоянии от корневого сечения, примыкающего к ступице.

Максимум функции достигается в сечении , однако данное сечение находится на радиусе скругления между корнем балки и ступицей 2. Ввиду технологических особенностей наклеить в этом сечении резисторы не представляется возможным. Если не рассматривать сечение , то через максимум кривая напряжения проходит в сечении , а затем с ростом у круто падает. Следовательно, именно в сечении целесообразно наклеить тензорезисторы R25…R32.

Таким образом, обеспечивается максимальная чувствительность к измеряемому моменту Мх. Важно отметить, что смешение тензорезисторов вправо к центру балки ведет к резкой потере чувствительности. Расчеты показывают, что такое поведение кривой объясняется действием двух факторов: падением эпюры пропорционально у и падением момента сопротивления балки пропорционально .

Устройство работает следующим образом. Пакет балок 3 (фиг. 1) измеряет силы реакции по шести компонентам аэродинамической силы и момента. Деформации балок измеряются при помощи тензорезисторов, наклеенных на балки и включенных в тензометрический мост. Благодаря симметричности устройства можно измерять только четыре компонента из шести (X, Мх, Z, Mz), а оставшиеся два компонента (Y, Му) измеряются согласно угловому положению весов. Пакет балок состоит из двух крайних балок 6 и одной центральной 7 (фиг. 1). Крайние балки предназначены для измерения компонентов X, Мх, Mz, а центральная балка предназначена для измерения компонентов Z. Крайние балки 6 уменьшают влияние от компонентов X, Мх, Mz на центральную балку 7, что позволяет повысить точность измерения компонента Z.

Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает высокую точность измерения по компоненту Z и является нечувствительной к паразитной температурной деформации модели.

Макет устройства изготовлен и находится в стадии испытаний.

1. Устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на вращающийся винт, содержащее соединяемую с двигателем ступицу, обод для крепления испытываемого винта, соединенный со ступицей четырьмя пакетами балок с наклеенными тензорезисторами, собранными в измерительные мосты, отличающееся тем, что каждый пакет балок состоит из трех или более балок с пониженной жесткостью центральной части.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что балки имеют непризматическую форму и понижение жесткости центральной части обеспечено за счет заужения центральной части.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пониженная жесткость центральной части обеспечена за счет отверстий и вырезов различных размеров и форм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при проверке прочности оболочек антенных обтекателей из хрупких материалов, преимущественно керамических, при статических испытаниях.

Изобретение относится к устройствам для проведения аэродинамических испытаний. В аквааэродинамической трубе испытания проводятся путем погружения испытуемого объекта в водную среду.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для аэродинамических испытаний, и может быть использовано в авиастроении. Стенд включает динамометрическую платформу, предназначенную для закрепления объекта, установленную посредством по меньшей мере четырех пластин переменной жесткости на неподвижную опорную платформу с возможностью перемещения динамометрической платформы по трем ортогональным осям, причем каждая пластина выполнена с гибким участком, сопряженным с жесткими участками, и снабжена элементом измерения нагрузки, и отличается тем, что содержит датчик, регистрирующий продольные перемещения динамометрической платформы и предназначенный для измерения продольной нагрузки, а элемент измерения нагрузки выполнен в виде двух пар одинаковых тензорезисторных датчиков, предназначенных для измерения вертикальных и поперечных нагрузок, установленных на хотя бы одном гибком участке каждой пластины на одном уровне относительно неподвижной опорной платформы, датчики каждой пары установлены на противоположных широких сторонах пластины, причем вертикальные оси симметрии чувствительных элементов датчиков одной пары ориентированы вдоль вертикальной оси симметрии широкой стороны пластины, а вертикальные оси симметрии чувствительных элементов датчиков другой пары параллельны ей, датчики подключены в одно плечо отдельных измерительных мостов, причем датчики каждой пары подключены последовательно.

Изобретение относится к способу управления приемниками воздушных давлений (ПВД). Для управления ПВД выявляют неисправный ПВД путем измерения полного и статического давлений основного и резервного ПВД, определяют модули разности полного и статического давлений соответственно для основного и резервного ПВД, сравнивают их с заданными пороговыми значениями и выдают сигнал оповещения летчику об отказе при превышении пороговых значений.

Изобретение относится к области стендовой доработки летательных аппаратов. Способ испытания высокоскоростного летательного аппарата на силоизмерительной платформе под заданным углом атаки в испытательной камере, где создают разряжение, продувают испытательную камеру рабочей средой с протоком через отключенный двигатель летательного аппарата.

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике. Устройство содержит модель объекта, установленную на хвостовой державке, закрепленной в стойке аэродинамической трубы, и измерительное весовое устройство, соединяющее державку с испытываемой моделью.

Изобретение относится к технике исследования свойств и состава рабочего газа в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия. Устройство для отбора пробы газа в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия содержит герметично соединенные собственно пробоотборник с заостренной передней кромкой и расширяющимся внутренним каналом.

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к устройствам, предназначенным для исследования аэродинамических характеристик летательных аппаратов (ЛА).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в аэродинамических экспериментах, в энергетике турбинных машин при исследовании структуры потока газа в жидкости.

Изобретение относится к области авиации, к устройствам для определения параметров полета летательных аппаратов или параметров потока в аэродинамических трубах, в частности для измерения трех компонент вектора скорости и статического давления.

Насос // 1696748

Изобретение относится к области аэромеханических измерений и может быть использовано для измерения компонентов векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели воздушных винтов самолетов, несущих винтов вертолетов и гребных винтов судов, испытываемых в аэродинамических трубах, бассейнах и в гидроканалах. Устройство содержит соединяемую с двигателем ступицу, обод для крепления испытываемого винта, соединенный со ступицей четырьмя пакетами балок с наклеенными тензорезисторами, собранными в измерительные мосты. Причем каждый пакет балок состоит из трех или более балок с пониженной жесткостью центральной части. При этом балки имеют непризматическую форму и понижение жесткости центральной части обеспечено за счет заужения центральной части. Пониженная жесткость центральной части обеспечена за счет отверстий и вырезов различных размеров и форм. Технический результат заключается в повышении точности измерения нагрузок на вращающиеся воздушные винты. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Наверх