集成地面效应与砂尘环境的旋翼实验台及实验方法

1.本发明属于旋翼外流实验领域，具体涉及一种集成地面效应与砂尘环境的旋翼实验台。


背景技术：

2.直升机在起飞和进场阶段都要经历近地飞行状态，现代武装直升机以及执行救援任务的直升机也常在该状态下工作。此外，高原直升机常借助于地面效应(ige)以实现超重起飞，在近地飞行时，在一定速度范围内旋翼下洗流受到地面阻挡，其流场比无地效(oge)时要复杂得多，且旋翼气动性能变化很大；除此之外，直升机在地效悬停或近地低速机动时，其桨尖涡脱落并经过一段时间后抵达地面，然后与地面作用产生反向的上洗并将地面砂尘颗粒从旋翼附近卷起；这些被卷起的砂尘颗粒到达旋翼上方后又被卷入旋翼下洗流中，这个过程循环往复，最终形成砂尘云，严重侵害飞行安全，并且砂尘会吸入发动机，吸入的砂尘等杂物向高速旋转的工作叶片撞击，大颗粒的砂石撞击压气机叶片，会造成压气机叶片产生裂纹或者断裂。这些异物颗粒被发动机吞入后对其高效安全工作产生了很大危害，为此对发动机采取必要的进气防护措施很有必要。因此深入研究ige状态的旋翼流场特性以及此状态下砂尘颗粒的运动状态和分布规律具有重要意义。
3.对于直升机旋翼砂尘的实验研究，现有技术中做的大都是场外沙盲实验，使用原型机在室外做真实飞行沙盲实验，此实验能够测量真实飞行状态下的沙盲尺度，但是对于砂尘的运动轨迹捕捉误差比较大，不能够观察较为细节的砂尘运动轨迹和反弹规律。为解决这一问题，通过缩比模型和缩比实验台，来模拟直升机地效悬停状态下的砂尘运动状态，可以捕捉悬停场中砂尘的分布以及砂尘与气场的相互耦合作用。
4.为研究旋翼地效流场特性和砂尘在下洗流中的运动轨迹，需要一种新的实验测试系统来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.基于以上问题，本发明提供一种集成地面效应与砂尘环境的旋翼实验台，可实现测量直升机悬停状态下的悬停流场和砂尘在旋翼下洗流与地面撞击过程中的运动轨迹和分布状态。
6.本发明还提供了使用上述旋翼实验台的实验方法
7.为实现以上目的，本发明集成地面效应与砂尘环境的旋翼实验台采用以下技术方案：
8.一种集成地面效应与砂尘环境的旋翼实验台，包括：支架、位于支架下方的升降装置、安装于升降装置上的地效板、位于支架上方的旋翼及驱动旋翼的驱动装置；所述地效板位于旋翼下方并通过升降装置相对旋翼上升或下降；所述地效板上均布若干测压探针；驱动装置连接用以测量旋翼转速的转速传感器；支架上设有用以测量地效板位移信息的位移传感器。
9.进一步的，所述若干测压探针以地效板中心位置朝不同方向线性排列成若干列，且相邻两列之间的夹角相同。
10.进一步的，所述升降装置包括分别位于地效板四角的四个自下向上延伸的丝杆；每个丝杆底部设有一个驱动丝杆转动的蜗轮丝杆升降箱，蜗轮丝杆升降箱内设有与丝杆同轴连接的第一蜗轮，位于同一侧的两个蜗轮丝杆升降箱之间设置一条第一蜗杆，第一蜗杆转动同时带动两个第一蜗轮转动；两个第一蜗杆之间连接有一个垂直于第一蜗杆的第二蜗杆；每个第一蜗杆与第二蜗杆相交位置设有蜗轮蜗杆齿轮箱；蜗轮蜗杆齿轮箱中设有安装同轴安装于第一蜗杆上的第二蜗轮，第二蜗轮与第二蜗杆连接；还设有驱动第二蜗杆转动的传动电机；所述地效板的四角分别设置有配合于丝杆上的丝杆螺母，第二蜗杆转动时，四个丝杆同时同向同速转动，带动地效板升降。
11.进一步的，还设有高速相机用以拍摄地效板与旋翼之间的图像。
12.使用上述旋翼实验台的实验方法为：在气场实验过程中，所述地效板位移传感器的反馈数据给计算机，将地效板位置调节到需要的高度；转速传感器将旋翼转速反馈信息给计算机调整转速，通过测压探针测量此转速和地效下的地面压力；
13.在砂尘实验过程中，所述地效板上面铺设砂尘，控制旋翼转动并调到所需的转速，当砂尘在悬停气场中均匀弥散后，通过高速相机即可拍摄实验平面的砂尘颗粒分布图像，分析此区域中的颗粒浓度以及颗粒粒径分布。
14.有益效果：本发明适用于真实还原直升机悬停状态下的地效状态和砂尘运动状态，利用丝杆带动地效板升降，巧妙的模拟了旋翼相对于地效板不同悬停高度，地效板上的压力探针可以测试在不同高度下的下洗流所形成的地面压力；对周围场所形成的沙盲进行可视化研究，使用高速相机可视化观测砂尘在桨尖涡与地面作用下运动状态，分析其力学特性，实现统计实验环境下砂尘的颗粒粒径、粒径范围和颗粒数量。并且本发明与piv测量手段相结合可以观察地效状态下旋翼翼尖涡与地面碰撞所形成的涡的变化，并且可以测量地面涡以及周围的流场速度信息。本发明结构简单、尺寸小、使用灵活、工作稳定、适合室内实验、测量范围宽广、测量手段简单、测量工况易于调节。
附图说明
15.图1是本发明旋翼实验台的主视图。
16.图2是本发明旋翼实验台的立体图。
17.图3是本发明中地效板的立体图。
18.图4是本发明中升降机构的立体图。
具体实施方式
19.请参阅图1至图4所示，本发明提出一种集成地面效应与砂尘环境的旋翼实验台，包括支架、位于支架下方的升降装置、安装于升降装置上的地效板3、位于支架上方的旋翼及驱动旋翼的驱动装置。驱动装置连接用以测量旋翼转速的转速传感器10。支架上设有用以测量地效板3位移信息的位移传感器8。位移传感器8位于地效板3的下方。驱动装置为电机11，电机11带动旋翼的旋转轴19转动。
20.所述的升降装置通过传动电机6驱动，蜗杆5和蜗轮丝杆升降箱4构成螺旋式传动
带动丝杆7转动，丝杆7带动丝杆螺母13转动，将旋转运动变为地效板3在纵向上的平移运动。本实施方式中采用旋翼固定的方式，而将地效板3升降以模拟旋翼与地效板3之间的距离改变，最终可形成旋翼的悬停状态的不同地效状态。
21.支架包括位于最上方的横杆1、斜撑杆2、立杆16。横杆1通过固定段12与驱动装置连接，用于固定驱动装置，本实施方式中驱动装置为旋转电机11。
22.所述地效板3上均布若干测压探针14。所述若干测压探针14以地效板3中心位置朝不同方向线性排列成若干列，且相邻两列之间的夹角相同。当旋翼叶片9旋转时，地效板3可测得旋翼下洗流与地面作用形成的动压分布。叶片轴17角度θ范围应在0～15
°
，以防止角度过大形成流动分离，及高转速情况下旋翼叶片损坏；支撑杆20有足够硬度和刚度，用于支撑地效板3，防止其变形导致旋翼下洗流与地面相互作用出现偏差；
23.所述升降装置包括分别位于地效板3四角的四个自下向上延伸的丝杆7；每个丝杆7底部设有一个驱动丝杆转动的蜗轮丝杆升降箱4，蜗轮丝杆升降箱4内设有与丝杆同轴连接的第一蜗轮，位于同一侧的两个蜗轮丝杆升降箱4之间设置一条第一蜗杆5，第一蜗杆5转动同时带动两个第一蜗轮转动。两个第一蜗杆5之间连接有一个垂直于第一蜗杆5的第二蜗杆23；每个第一蜗杆5与第二蜗杆23相交位置设有蜗轮蜗杆齿轮箱21；蜗轮蜗杆齿轮箱21中设有安装同轴安装于第一蜗杆5上的第二蜗轮，第二蜗轮与第二蜗杆23连接；还设有驱动第二蜗杆转动的传动电机6。所述地效板3的四角分别设置有配合于丝杆7上的丝杆螺母13，第二蜗杆23转动时，四个丝杆7同时同向同速转动，带动地效板3升降，丝杆螺母运动推动地效板3做匀速直线运动，以实现不同悬停地效高度。与此同时位移传感器8将位移信息传递给计算机，通过计算机发送信号给电机可调节电机转动，以便修改悬停状态的旋翼离地高度。
24.在气场实验过程中，所述地效板3通过传动电机6转动和位移传感器8反馈数据，将其位置调节到需要的高度。通过电机11控制旋翼转动，转速传感器10反馈信息给计算机，操控计算机即可调整转速，测压探针14测量此转速和地效下的地面压力；
25.在砂尘实验过程中，所述地效板3上面铺设砂尘，在研究平面放置好相机，控制旋翼9转动并调到所需的转速，当砂尘在悬停气场中均匀弥散后，高速相机即可拍摄实验平面的砂尘颗粒分布图像，分析此区域中的颗粒浓度以及颗粒粒径分布。
26.另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。