CN106813891B - 空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法 - Google Patents

Abstract

空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，包括以下步骤：构建电动飞机螺旋桨地面试验测试系统；拖车分别以不同的加速度加速到稳态速度，并持续一段时间，测量螺旋桨的拉力、扭矩及电机转速；保持拖车速度恒定，调整电动机转速，测量螺旋桨的拉力和扭矩；分析拖车车速变化对电机转速的影响，拖车车速或电机转速变化对螺旋桨拉力、扭矩的影响。本发明的优点是：拖车速度可以精确控制，且拖车系统具有较大加速度，在试验中可以改变螺旋桨前进速度，模拟遭遇突风时推进系统的动态响应特性；通过改变电动机转速指令，即可测量螺旋桨电推进系统的调速特性。适用于低速电动螺旋桨飞机推进系统动态响应特性试验。

Description

空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法

技术领域

本发明涉及空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，用于测试低速电动螺旋桨飞机推进系统遭遇突风时的动态响应特性和推进系统的调速特性，属于空气动力学的技术领域。

背景技术

电动螺旋桨飞机在低空飞行时，一般情况下飞行速度较低，遭遇阵风时，难以主动规避，在受到阵风后其载荷增量和动态飞行特性变化非常明显，严重影响到其飞行姿态和结构变形，甚至引发安全事故。作为其动力装置的螺旋桨电推进系统在遭遇突风时桨盘载荷会发生剧烈变化，推进系统拉力和扭矩也会发生较大变化，对驱动电机和飞机的飞行姿态与控制产生较大影响。因此，模拟阵风环境，采用试验手段研究推进系统的拉力和扭矩特性对电动机设计和飞行控制具有一定的借鉴意义。

常规大型低速风洞可以用来测试螺旋桨的气动特性，但在风洞试验中难以通过风速的变化来模拟阵风，且风洞试验成本较为昂贵；地面车载试验可以灵活控制车速，但易受外界风和地面路况等因素的干扰，这两种方法均不适合于螺旋桨电推进系统动态响应特性试验。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，利用国内现有试验条件，提供一种空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，其能够测量螺旋桨电推进系统遭遇阵风时的动态响应特性和调速特性。

本发明的技术解决方案是：

提供空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，包括如下步骤：

(1)构建电动飞机螺旋桨地面试验测试系统，包括来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统、数据测量系统和支架；所述来流模拟系统包括实验段，轨道，拖车和拖车供电系统及控制系统；所述实验段为密闭空间；所述轨道为平行双轨道，固定在实验段内；所述拖车在拖车供电系统及控制系统的控制下，按指定速度沿轨道前进；数据测量系统包括二分量天平和数据采集控制模块；所述二分量天平测量螺旋桨的拉力和扭矩并发送给数据采集控制模块；数据采集控制模块采集二分量天平测量的拉力和扭矩，并输出；螺旋桨转速控制系统包括电机，所述电机固定在二分量天平内部，电机输出轴端部延伸至二分量天平外部，所述螺旋桨固定在电机输出轴端部，由电机驱动旋转；支架为悬臂梁结构，悬臂梁结构的后端固定在拖车车头前端并向前延伸，二分量天平固定在支架前端；

(2)拖车停靠在轨道起始端，启动数据测量系统，开始测量拖车速度、电机转速、天平输出的拉力和扭矩；

(3)启动电机，驱动螺旋桨转动，并稳定到初始转速；

(4)启动拖车并稳定到初始速度；

(5)保持电机输入指令不变，拖车分别以不同的加速度加速到稳态速度，并以稳态速度持续一段时间，测量螺旋桨的拉力、扭矩及电机转速；

(6)保持拖车速度恒定，调整电机转速，测量螺旋桨的拉力和扭矩；

(7)减速停车，关闭电机；

(8)生成拖车车速、电机转速、拉力和扭矩随时间的变化关系曲线，分析拖车车速变化对电机转速的影响，拖车车速或电机转速变化对螺旋桨拉力、扭矩的影响。

优选的，还包括步骤(9)改变初始转速值及稳态速度值，并返回步骤(3)。

优选的，分析拖车车速变化对电机转速的影响具体包括，拖车加速度的大小对电机转速变化峰值的影响和对转速变化恢复时间的影响。

优选的，二分量天平为带有一个端面的中空圆柱体，所述电机同轴安装在中空圆柱形内部，固定在所述端面上，所述端面具有通孔，电机输出轴通过所述通孔延伸到圆柱体外部，连接螺旋桨。

优选的，所述实验段的地面设置平行双轨道，且两个轨道之间为矩形凹槽，凹槽的宽度大于螺旋桨直径的3倍，凹槽的高度大于螺旋桨直径。

优选的，数据采集控制模块包括转速测量系统、车速测量系统、控制计算机和数据采集处理器；所述转速测量系统检测电机转速，并发送给数据采集处理器；所述车速测量系统测量拖车行进速度，并发送给数据采集处理器；所述数据采集处理器采集电机转速、拖车行进速度、拉力和扭矩数据，并发送给控制计算机；所述控制计算机控制根据输入指令控制电机转速，接收数据采集处理器发送的数据，将数据存储在存储器中，控制显示器实时显示测试数据。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明利用轨道拖车模拟试验状态，拖车较低的前进速度和较高的速度控制精度，可以为螺旋桨提供稳定的来流环境，且试验在实验室内进行，不受人员和风等外界条件的干扰，试验段横截面积大，易于获得较好的流场品质，能够实现螺旋桨推进系统遭遇阵风时的动态响应特性的测试。

(2)本发明通过拖车的不同加速度，模拟多种初始速度下多种风速的阵风，全面分析阵风对螺旋桨推进系统拉力、扭矩、电机转速的影响；

(3)本发明设置多组拖车初始转速值及稳态速度值，全面测量拖车速度对螺旋桨推进系统动态响应特性的影响；

(4)本发明通过调整电机转速，可以测试螺旋桨电推进系统的调速特性；

(5)本发明试验成本低廉，测试精度较高。

附图说明

图1为临近空间螺旋桨试验系统示意图；其中图1(a)为螺旋桨测试系统的侧视图；图1(b)螺旋桨测试系统的前视图；

图2为遭遇突风时推进系统动态响应特性曲线；其中图2(a)为拖车车速和螺旋桨拉力随时间变化关系曲线；图2(b)为电机转速和螺旋桨扭矩随时间变化关系曲线。

图3推进系统调速特性曲线；其中图3(a)为拖车车速和螺旋桨拉力随时间变化关系曲线；图3(b)为电机转速和螺旋桨扭矩随时间变化关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和螺旋桨电推进系统遭遇突风时的动态响应特性试验测试实施案例对本发明做进一步说明：

请参阅图1，图1(a)是螺旋桨电推进系统试验测试系统侧视图，图1(b)为前视图。来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统、数据测量系统和支架；

所述来流模拟系统包括实验段9，轨道8，拖车7和拖车供电系统及控制系统；所述实验段9为密闭空间；所述轨道8为平行双轨道，固定在实验段9内；所述拖车7在拖车供电系统及控制系统的控制下，按指定速度沿轨道前进。

数据测量系统包括二分量天平2和数据采集控制模块6；所述二分量天平2测量螺旋桨1的拉力和扭矩并发送给数据采集控制模块；数据采集控制模块6采集二分量天平测量的拉力和扭矩，并输出，数据采集控制模块采用DSP数据采集器。

螺旋桨转速控制系统包括电机3，所述电机3固定在二分量天平2内部，电机3输出轴端部延伸至二分量天平2外部，二分量天平2为中空结构，所述电机3同轴安装在二分量天平内部，固定在二分量天平3的前端面上，所述端面具有通孔，电机输出轴通过所述通孔延伸到端面外部，连接螺旋桨1，所述螺旋桨固定在电机输出轴端部，由电机驱动旋转；支架5为悬臂梁结构，悬臂梁结构的后端固定在拖车车头前端并向前延伸，二分量天平固定在支架5前端。

支架长度大于3m，支架的前端左右两侧分别通过一个支杆固连到拖车底盘两侧的支柱11上；支杆4与水平方向的夹角为25°～40°。

轨道拖车控制系统、数据采集控制模块6均在轨道拖车驾驶室内，电机转速指令控制集成在数据采集控制模块6中。

如图1(a)，(b)所示，一种电动飞机螺旋桨地面试验测试系统将实验室内壁10做为试验段壁面，试验段横截面呈倒“凸”字形，凹槽的宽度大于螺旋桨直径的3倍，凹槽的高度大于螺旋桨直径。两条轨道铺设于凸字槽边缘，拖车7置于轨道上，流线型拖车头部安装一根悬臂支架5，带有支座的轮辐式二分量天平支座固定于悬臂支架上远离车头的一端，电机与天平同轴固连，被测螺旋桨直接安装在电动机输出轴端。在试验段9内静止空气中，螺旋桨前进速度和转速分别通过拖车控制系统和电机控制器精确控制。

电推进系统遭遇突风的动态响应特性试验步骤如下：

1)采样开始；

2)电动机加速段；

3)电动机转速稳定段；

4)拖车从静止状态到初始速度V₀的加速段；

5)初始车速V₀稳定段；

6)初始车速到V₀～V₁的加速段(模拟突风)；

7)V₁车速稳定段；

8)拖车减速制动到静止状态；

9)电动机继续保持稳定转速；

10)电动机关闭，持续采样一段时间后结束。

时间段1)中，车速、电动机转速、拉力、扭矩等值的零点采样均正常；时间段2)的电动机的转速时间变化曲线给出了电机的转速控制规律(为了缩短响应时间，初始加速度较大，随着转速接近设定转速，加速度减小，以防止转速超调，从转速曲线可以看出，共有4个加速度，加速度逐渐减小)；时间段4)的拖车加速过程中，测得的拉力和扭矩均减小；时间段5)和7)拖车速度经历一个衰减振荡后，趋于稳定；时间段6)为拖车加速段，随着拖车速度的增加，螺旋桨拉力和扭矩均下降，电动机转速缓慢增加，拖车速度达到V₁，电机转速也随之达到峰值；时间段7)中，随着拖车速度稳定到V₁，电机转速缓慢降低，并稳定到设定转速，螺旋桨拉力和扭矩先减小，后稳定到新的稳定状态；时间段8)～9)，拖车减速停车，电机转速先减小，后又恢复到设定转速；时间段10)，电动机停机，螺旋桨拉力随转速逐渐减小到0，扭矩则瞬间减小到0，停留一段时间后停止采样。

请参阅图2，可以看出：1)电动机转速从0rpm加速到360rpm需要时间约13s；2)受突风影响，电动机转速增加的最大峰值为382rpm，偏离设定值22rpm；3)风速稳定后，电动机稳定到设定值的响应时间约3s，体现了螺旋桨电推进系统的动态响应特性。

下表为该试验状态V₀和V₁稳定车速时螺旋桨拉力和扭矩的时间平均结果，并与对应风速下的计算结果进行了对比，可以看出，V₀和V₁车速下的时间平均结果与对应风速下的计算结果吻合良好。

请参阅图3，可以看出：在有负载的情况下，电机转速增加50rpm，调速时间为5.4s，螺旋桨拉力和扭矩趋于稳定的时间为6.09s，可以看出，推进系统调速特性良好。

车速	来流速度	初始转速	稳定转速	转速变化量	响应时间
						8.5	8.24	430	480	+50	6.09

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建电动飞机螺旋桨地面试验测试系统，包括来流模拟系统、螺旋桨转速控制系统、数据测量系统和支架；所述来流模拟系统包括实验段(9)，轨道(8)，拖车(7)和拖车供电系统及控制系统；所述实验段(9)为密闭空间；所述轨道(8)为平行双轨道，固定在实验段(9)内；所述拖车在拖车供电系统及控制系统的控制下，按指定速度沿轨道(8)前进；数据测量系统包括二分量天平(2)和数据采集控制模块；所述二分量天平(2)测量螺旋桨(1)的拉力和扭矩并发送给数据采集控制模块；数据采集控制模块采集二分量天平(2)测量的拉力和扭矩，并输出；螺旋桨转速控制系统包括电机(3)，所述电机(3)固定在二分量天平(2)内部，电机(3)输出轴端部延伸至二分量天平(2)外部，所述螺旋桨(1)固定在电机(3)输出轴端部，由电机(3)驱动旋转；支架(5)为悬臂梁结构，悬臂梁结构的后端固定在拖车(7)车头前端并向前延伸，二分量天平(2)固定在支架(5)前端；

(2)拖车(7)停靠在轨道起始端，启动数据测量系统，开始测量拖车速度、电机转速、天平输出的拉力和扭矩；

(3)启动电机(3)，驱动螺旋桨(1)转动，并稳定到初始转速；

(4)启动拖车(7)并稳定到初始速度；

(5)保持电机(3)输入指令不变，拖车(7)分别以不同的加速度加速到稳态速度，并以稳态速度持续一段时间，测量螺旋桨(1)的拉力、扭矩及电机(3)转速；

(6)保持拖车(7)速度恒定，调整电机(3)转速，测量螺旋桨(1)的拉力和扭矩；

(7)减速停车，关闭电机(3)；

(8)生成拖车车速、电机转速、拉力和扭矩随时间的变化关系曲线，分析拖车车速变化对电机转速的影响，拖车(7)车速或电机(3)转速变化对螺旋桨(1)拉力、扭矩的影响。

2.权利要求1所述的空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，其特征在于，还包括步骤(9)改变初始转速值及稳态速度值，并返回步骤(3)。

3.权利要求1所述的空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，其特征在于，分析拖车车速变化对电机转速的影响具体包括，拖车加速度的大小对电机转速变化峰值的影响和对转速变化恢复时间的影响。

4.权利要求1所述的空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，其特征在于，二分量天平(2)为带有一个端面的中空圆柱体，所述电机(3)同轴安装在中空圆柱形内部，固定在所述端面上，所述端面具有通孔，电机输出轴通过所述通孔延伸到圆柱体外部，连接螺旋桨(1)。

5.权利要求1所述的空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，其特征在于，所述实验段的地面设置平行双轨道(8)，且两个轨道之间为矩形凹槽，凹槽的宽度大于螺旋桨直径的3倍，凹槽的高度大于螺旋桨直径。

6.权利要求1所述的空气螺旋桨电推进系统动态响应特性试验方法，其特征在于，数据采集控制模块包括转速测量系统、车速测量系统、控制计算机和数据采集处理器；所述转速测量系统检测电机(3)转速，并发送给数据采集处理器；所述车速测量系统测量拖车(7)行进速度，并发送给数据采集处理器；所述数据采集处理器采集电机(3)转速、拖车(7)行进速度、拉力和扭矩数据，并发送给控制计算机；所述控制计算机控制根据输入指令控制电机(3)转速，接收数据采集处理器发送的数据，将数据存储在存储器中，控制显示器实时显示测试数据。