Результат интеллектуальной деятельности: АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ВЕСЫ

Изобретение относится к области техники и методики эксперимента в аэродинамических трубах и может быть использовано для измерения основных аэродинамических коэффициентов С_x, С_y, М_z моделей самолетов, крыльев роторных ветродвигателей и т.п.

Известны аэродинамические весы, содержащие весоизмерительный элемент с коромыслом и шарнирно соединенным с ним рычагом, на котором размещены втулки для крепления моделей с державками, причем одна из втулок размещена горизонтально на свободном конце рычага, а две других - вертикально, при этом ось одной из них проходит через точку качания рычага, а другой = на некотором расстоянии от нее (Авторское свидетельство СССР № 306356, G01g 19/42, 1970 г.).

Недостатком таких аэродинамических весов является длительный процесс поочередной установки моделей в трех различных втулках с последующим расчетом веса модели и координат ее центра тяжести, которые не имеют прямого отношения к аэродинамическим характеристикам модели.

Известны также аэродинамические весы, выбранные в качестве прототипа, для измерения лобового сопротивления моделей, в которых державка, несущая модель, помещенная в потоке аэродинамической трубы, закрыта обтекателем, а для уравновешивания измеряемой силы применен постоянный магнит, связанный с державкой и помещенный в магнитном поле катушки, управляемом фотоэлектрическим устройством, представляющим неподвижную и подвижную диафрагму, связанную с державкой, выполненной в виде маятника, опора которого вынесена за пределы трубы (Авторское свидетельство СССР №127849, 1959 г.).

Недостатком этих весов является сложная и малоэффективная конструкция, обеспечивающая измерение лишь лобового сопротивления модели в специально подготовленной аэродинамической трубе.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в создании простой и универсальной конструкции аэродинамических весов, обеспечивающих одновременное измерение и регистрацию трех основных аэродинамических коэффициентов лобового сопротивления, подъемной силы и вращающего момента испытуемой модели.

Поставленная задача решается за счет размещения весов в открытой рабочей части аэродинамической трубы на передвижной опоре с державкой моделей, выполненной в виде двухкоординатного стержневого маятника, у которого верхний конец вынесен за пределы контура аэродинамической трубы и через карданный шарнир связан с тензометрическим датчиком крутящего момента, установленным на колесе червячного редуктора с отсчетной шкалой, а на нижнем конце стержневой державки закреплен весовой элемент в виде гидродинамического демпфера с навесными гирями и регистратором планшета поляр Лилиенталя, установленного горизонтально на основании рамочной опоры червячного редуктора.

При этом гидродинамический демпфер ортогональных колебаний стержневой державки может быть выполнен в виде коаксиально установленного на ней стакана, частично заполненного вязкой жидкостью, с воронкообразной крышкой и регистратором в виде фломастера, установленного на днище этого стакана внутри соосной трубки. Для оперативной замены моделей и снятия результатов регистрации аэродинамического эксперимента передвижная рамочная опора установлена на роликах, ось вращения которых параллельна воздушному потоку и оси аэродинамической трубы.

В упрощенном варианте вместо карданного шарнира 4 может использоваться отрезок армированного резинового шланга, закрепленный непосредственно на оси червячного колеса, а для определения зависимости величины M_z от скорости вращения модели роторного ветродвигателя червячный вал редуктора соединен с электродвигателем регулируемых оборотов.

Технический результат от использования предложенного изобретения заключается в ускорении процесса получения наглядных результатов аэродинамических испытаний разнообразных моделей в виде стандартных поляр или тяго-скоростных характеристик основных аэродинамических коэффициентов С_x, С_y, М_z, которые достаточно хорошо характеризуют технические свойства исследуемых моделей.

При этом наличие гидродинамического демпфера ортогональных колебаний стержневой державки модели и регистратора обеспечивает высокую точность отсчета аэродинамических коэффициентов, а наличие комплекта навесных гирь и передвижной рамочной опоры на роликах - оперативное проведение и подготовку всего эксперимента.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, где: на Фиг.1 представлен внешний вид аэродинамических весов, а на Фиг.2 - поперечный разрез с полярой крыла профиля Clarc-15 в пределах углов атаки α=0-360 градусов.

Испытываемая модель 1 располагается в открытой рабочей части внутри контура аэродинамической трубы 2 на стержневой державке 3, верхний конец которой вынесен за пределы контура этой трубы 2 и через карданный шарнир 4 механически связан с тензометрическим датчиком 5 крутящего момента М_z.

Тензометрический датчик с интегрированным вращающимся трансформатором 5 установлен на колесе червячного редуктора 6 с отсчетной шкалой 7 и снабжен своим электронным блоком с индикатором, который на чертеже не показан. Редуктор 6 закреплен в верхней части рамочной опоры 8 и снабжен удлинительным валом червяка со штурвалом 9 для установки модели 1 под заданным углом атаки относительно вектора скорости V воздушного потока аэродинамической трубы 2.

На нижнем конце стержневой державки 3 закреплен весовой элемент в виде гидродинамического демпфера, состоящего из коаксиально закрепленного на ней стакана 10, частично заполненного вязкой жидкостью 11 и закрытого воронкообразной крышкой 12, на которой могут быть установлены навесные гири 13 с осевым отверстием для прохождения стержневой державки 3. Эта державка со всеми закрепленными на ней элементами, в том числе отрезком трубки 14 с фломастером 15, образует двухкоординатный маятник, способный совершать ортогональные перемещения по осям X и Y, которые регистрируются в виде поляры Лилиенталя 16 на планшете 17, установленном на нижней перекладине подвижной рамочной опоры 8, с направляющими роликами 18.

Для исследования моделей роторных ветродвигателей в сборе вместо ручного штурвала 9 может быть установлен электродвигатель переменного тока, запитанный от генератора изменяемой частоты (на чертеже не показан).

Работа предлагаемых весов основана на следующем принципе:

При заданном угле атаки α модели 1, который определяется при помощи шкалы 7 и штурвала 9 редуктора 6, она вместе со стержневой державкой 3 двухкоординатного маятника отклоняется от нулевого положения равновесия на относительно небольшой угол из-за воздействия вектора аэродинамической силы, создаваемой потоком воздуха аэродинамической трубы 2. Одновременно происходит и пропорциональное отклонение трубки 14 с регистратором 15, который фиксирует на планшете 17 это отклонение в виде поляры Лилиенталя 16.

Причем величина текущего отклонения регистратора 15 обратно пропорциональна суммарному весу стакана 10 с вязкой жидкостью 11 и крышки 12 с навесными гирями 13. Кроме того, вязкая жидкость 11 обеспечивает эффективное гашение собственных паразитных колебании испытываемой модели 1, обусловленных неизбежной турбулезацией воздушного потока аэродинамической трубы 2. Поскольку стержневая державка 3 и карданный шарнир 4 или его резиновый аналог обладают большой жесткостью на кручение, то крутящий момент модели 1 практически без потерь передается на тензометрический датчик 5 статического момента М_z, величина которого фиксируется его отсчетным устройством.

Таким образом, при плавном вращении модели 1 в заданном диапазоне углов атаки α можно получить все три основные аэродинамические коэффициенты теории подобия испытываемой модели, которую нетрудно заменить вместе с планшетом и результатами эксперимента за счет перпендикулярного отката рамочной опоры 8 на роликах 18 за пределы контура аэродинамической трубы 2 даже без ее выключения.

Простой заменой ручного штурвала 9 на электродвигатель с регулируемыми оборотами предлагаемые весы превращаются в аналог винтового прибора, при помощи которого можно снимать тяго-скоростные характеристики вращающего момента и сил бокового давления моделей роторных ветродвигателей.

Основным преимуществом таких маятниковых аэродинамических весов по сравнению с их промышленным аналогом - трехкомпонентными аэродинамическими весами АВТ - 5 с плавающей рамой и ромбическими расчалками, является очень простая и эффективная конструкция, обеспечивающая быстрое измерение и регистрацию всех трех основных аэродинамических коэффициентов теории подобия различных моделей за пределами так называемых «полетных углов» ±40 градусов, которых явно недостаточно для исследования современных фигур высшего пилотажа типа «кобра» и крыльев роторных ветродвигателей с вертикальной осью вращения, которые работают на все 360 градусов в закритических режимах и даже «хвостом вперед».

Тогда как на предлагаемых весах можно испытывать роторные ветродвигатели «в сборе», то есть сразу с тремя и более крыльями с минимальными затратами времени на подготовку и проведение эксперимента. Такое простое устройство можно с успехом использовать и в качестве наглядного учебного пособия в аудиториях авиационных училищ и институтов.