一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置的制作方法

本发明涉及一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，属于航空风洞试验领域。

背景技术：

1、由于开式转子发动机兼顾有涡桨发动机具有的高推进效率，以及涡扇发动机具有的高飞行速度，是当前先进发动机发展的方向之一，当前国内外开式转子发动机具有对转桨扇、单独转子和单独静子桨扇组合等形式。由于开式转子滑流流场的复杂性，其工程估算、数值计算等手段都难以给出较准确的气动特性数据，当前开式转子气动设计及优化主要还是通过风洞试验来获得，风洞试验仍然是当前评估开式转子气动特性的最直接方法。

2、由于开式转子发动机可以达到马赫数约为0.78的设计巡航速度，其远大于螺旋桨发动机设计巡航速度，使得当前国内成熟的低速风洞螺旋桨气动性能试验难以直接应用于高速风洞开式转子试验。另外国内高速风洞尺寸偏小，高速风洞一般要求高亚音速条件下试验模型堵塞度小于1.0%等，使得国内高速风洞难以采用基于大尺寸电机的低速风洞螺旋桨或开式转子气动特性试验系统，国外高速风洞也通常采用基于涡轮空气马达的开式转子风洞试验技术，该技术可以有效解决在尺寸偏小的高速紧凑型高功率涡轮空气马达风洞开式转子缩比模型堵塞度小于1.0%的难点，而国内相关技术处于起步阶段。例如专利号为cn201811177827.4公开的对转桨扇试验装置及系统，其主要介绍采用齿轮箱形式的对转开式转子模拟装置及系统，开式转子驱动装置设置于风洞外，且不涉及对转桨扇气动特性的精确测量等，专利号为cn112345193a提到的一种开式转子发动机对转桨扇气动性能风洞试验测量系统，其主要适用于基于电机驱动的对转开式转子风洞试验测量系统，且该技术主要适用于低速风洞，以上专利均未体现基于涡轮空气马达驱动的开式转子高速风洞试验装置，且没有涉及单独转子和单独静子桨扇组合形式开式转子发动机的气动性能测试。

3、因此，亟需提出一种新型的基于涡轮空气马达的开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，并进行开式转子及静子叶片气动特性测量，提高高马赫数下开式转子推进效率的测量精准度水平。

技术实现思路

1、本发明研发目的是为了在高速风洞条件下，针对单独转子和单独静子桨扇组合形式的开式转子发动机，气动特性高精度同时测量的问题，为开式转子发动机高马赫数尤其是巡航状态推进效率的评价提供试验依据，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，包括高速风洞、高速风洞变迎角机构、尾支撑、紧凑型高功率涡轮空气马达、紧凑型高功率涡轮空气马达固定段、高速联轴器、连接长轴、连接长轴轴承固定段、轮辐式旋转轴天平、牵拉式开式转子变桨距装置、牵拉式开式转子、桨帽、环型天平、环型天平固定段、静子叶片变桨距装置、静子叶片、前端桨毂、中段桨毂和后端桨毂，高速风洞内设置有高速风洞变迎角机构，高速风洞变迎角机构上固定安装有尾支撑，尾支撑前侧安装有紧凑型高功率涡轮空气马达固定段，紧凑型高功率涡轮空气马达固定段内设置有紧凑型高功率涡轮空气马达，紧凑型高功率涡轮空气马达固定段前端通过环型天平固定段安装有连接长轴轴承固定段，连接长轴轴承固定段外侧安装有环型天平；

4、所述中段桨毂后端通过后端桨毂与环型天平固定段固定安装，中段桨毂上安装有静子叶片，中段桨毂前端安装有前端桨毂，前端桨毂上安装有牵拉式开式转子，前端桨毂前端安装有桨帽；

5、所述连接长轴轴承固定段内部转动安装有连接长轴，紧凑型高功率涡轮空气马达输出轴通过高速联轴器与连接长轴一端连接安装，连接长轴另一端探入前端桨毂后安装有轮辐式旋转轴天平，牵拉式开式转子通过牵拉式开式转子变桨距装置与轮辐式旋转轴天平固定连接，静子叶片通过静子叶片变桨距装置与环型天平固定连接。

6、优选的：所述紧凑型高功率涡轮空气马达通过高压驱动空气管路输入有高压空气，紧凑型高功率涡轮空气马达固定段上加工有与其内部连通的紧凑型高功率涡轮空气马达排气口。

7、优选的：所述紧凑型高功率涡轮空气马达后端安装有高速滑环引电器。

8、优选的：所述连接长轴前后两侧分别通过第二角接触陶瓷球轴承和第一角接触陶瓷球轴承转动安装于连接长轴轴承固定段内。

9、优选的：所述前端桨毂内部设置有桨帽底部阻力测量板，桨帽底部阻力测量板上布置有面积平均的静压测点。

10、优选的：所述紧凑型高功率涡轮空气马达的输出端同时带动高速联轴器、连接长轴、轮辐式旋转轴天平、牵拉式开式转子变桨距装置、牵拉式开式转子和桨帽共同旋转。

11、优选的：所述轮辐式旋转轴天平的天平固定端通过花键与连接长轴固定连接，并由防松螺母实现轮辐式旋转轴天平的拉紧，轮辐式旋转轴天平的测量端通过连接法兰盘与牵拉式开式转子变桨距装置紧固。

12、优选的：所述牵拉式开式转子变桨距装置与前端桨毂之间设置有一个环缝。

13、优选的：所述环型天平的固定端通过法兰盘固定于环型天平固定段上，环型天平测量端通过静子叶片变桨距装置连接静子叶片。

14、优选的：所述高速风洞的外流马赫数的模拟范围为0.30~0.80，牵拉式开式转子及静子叶片的迎角的模拟范围为0°~8°，所述牵拉式开式转子的转速范围为2600~9200转/分钟，牵拉式开式转子的进距比的模拟范围为1.0~6.0。

15、本发明具有以下有益效果：

16、1.本发明区别于现有电机开式转子对转桨扇气动性能测量系统，适用于单独转子和单独静子桨扇组合形式开式转子发动机气动特性测量；

17、2.本发明主针对高速风洞，具备马赫数为0.30到0.80的开式转子发动机的牵拉式转子及静子叶片的气动特性测试风洞试验的能力，并适用于最低真空环境为0.2大气压下的风洞测试，且可进行开式转子为70%位置弦长为特征长度，计算雷诺数30~80万范围的变雷诺数影响研究；

18、3.本发明区别于采用常规的电机驱动桨扇旋转的测试系统，设计了紧凑型高功率涡轮空气马达，可驱动开式转子叶片高速旋转，使整体结构在高速风洞中的堵塞度小于1.0%，满足跨声速风洞对模型堵塞度的要求，且可有效的避免电机对天平测量的电磁干扰问题；

19、4.本发明设计了六分量轮辐式旋转轴天平进行测量开式转子的气动力，采用六分量环型天平测量静子叶片气动力，可以分别获得不同进距比、不同桨距角单独转子叶片和静子叶片的气动性能，并能够有效测量转子叶片和静子叶片的耦合干扰量；

20、5.本发明可以兼顾不同飞行速度、不同雷诺数下单独螺旋桨气动特性风洞测试试验，也能够为基于空气马达的对转开式转子高速和低速风洞气动性能试验测量系统提供解决方案。

技术特征：

1.一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：包括高速风洞（1）、高速风洞变迎角机构（2）、尾支撑（3）、紧凑型高功率涡轮空气马达（5）、紧凑型高功率涡轮空气马达固定段（6）、高速联轴器（9）、连接长轴（10）、连接长轴轴承固定段（13）、轮辐式旋转轴天平（14）、牵拉式开式转子变桨距装置（15）、牵拉式开式转子（16）、桨帽（17）、环型天平（19）、环型天平固定段（20）、静子叶片变桨距装置（21）、静子叶片（22）、前端桨毂（23）、中段桨毂（24）和后端桨毂（25），高速风洞（1）内设置有高速风洞变迎角机构（2），高速风洞变迎角机构（2）上固定安装有尾支撑（3），尾支撑（3）前侧安装有紧凑型高功率涡轮空气马达固定段（6），紧凑型高功率涡轮空气马达固定段（6）内设置有紧凑型高功率涡轮空气马达（5），紧凑型高功率涡轮空气马达固定段（6）前端通过环型天平固定段（20）安装有连接长轴轴承固定段（13），连接长轴轴承固定段（13）外侧安装有环型天平（19）；

2.根据权利要求1所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述紧凑型高功率涡轮空气马达（5）通过高压驱动空气管路（4）输入有高压空气，紧凑型高功率涡轮空气马达固定段（6）上加工有与其内部连通的紧凑型高功率涡轮空气马达排气口（7）。

3.根据权利要求2所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述紧凑型高功率涡轮空气马达（5）后端安装有高速滑环引电器（8）。

4.根据权利要求3所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述连接长轴（10）前后两侧分别通过第二角接触陶瓷球轴承（12）和第一角接触陶瓷球轴承（11）转动安装于连接长轴轴承固定段（13）内。

5.根据权利要求1所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述前端桨毂（23）内部设置有桨帽底部阻力测量板（18），桨帽底部阻力测量板（18）上布置有面积平均的静压测点。

6.根据权利要求4所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述紧凑型高功率涡轮空气马达（5）的输出端同时带动高速联轴器（9）、连接长轴（10）、轮辐式旋转轴天平（14）、牵拉式开式转子变桨距装置（15）、牵拉式开式转子（16）和桨帽（17）共同旋转。

7.根据权利要求4所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述轮辐式旋转轴天平（14）的天平固定端通过花键与连接长轴（10）固定连接，并由防松螺母实现轮辐式旋转轴天平（14）的拉紧，轮辐式旋转轴天平（14）的测量端通过连接法兰盘与牵拉式开式转子变桨距装置（15）紧固。

8.根据权利要求7所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述牵拉式开式转子变桨距装置（15）与前端桨毂（23）之间设置有一个环缝。

9.根据权利要求8所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述环型天平（19）的固定端通过法兰盘固定于环型天平固定段（20）上，环型天平（19）测量端通过静子叶片变桨距装置（21）连接静子叶片（22）。

10.根据权利要求1所述的一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，其特征在于：所述高速风洞（1）的外流马赫数的模拟范围为0.30~0.80，牵拉式开式转子（16）及静子叶片（22）的迎角的模拟范围为0°~8°，所述牵拉式开式转子（16）的转速范围为2600~9200转/分钟，牵拉式开式转子（16）的进距比的模拟范围为1.0~6.0。

技术总结
一种开式转子发动机转子及静子叶片高速风洞试验装置，属于航空风洞试验领域。本发明包括高速风洞、高速风洞变迎角机构、尾支撑、紧凑型高功率涡轮空气马达、紧凑型高功率涡轮空气马达固定段、高速联轴器、连接长轴、连接长轴轴承固定段、轮辐式旋转轴天平、牵拉式开式转子变桨距装置、牵拉式开式转子、桨帽、环型天平、环型天平固定段、静子叶片变桨距装置、静子叶片、前端桨毂、中段桨毂和后端桨毂。解决发动机飞行马赫数0.30~0.80范围内的牵拉式开式转子及静子叶片气动性能高精度同时测量的难题，可以满足亚音速到跨音速条件下，不同迎角、不同开式转子转速、不同开式转子及静子桨叶角条件下的精确模拟及测量。

技术研发人员：季军,李鹏,刘帅,郭大鹏,唐祥希
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16