ES2369297B2 - BALANCE FOR AERODINE TUNNEL? MICO. - Google Patents
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Abstract
Balanza para túnel aerodinámico, que comprende:#- una estructura fija (1),#- una estructura flotante (2),#- al menos seis barras (3, 3, 3, 4, 4, 5) de medición de fijación isostática de la estructura fija (1) a la estructura flotante (2), mecánicamente desacopladas, y unidas por uno de sus extremos a la pieza flotante (2) y por el otro a la estructura fija (1), que comprenden, cada una, medios de medición de cargas de tracción-compresión,#dispuestas las barras de tal manera que durante la ejecución del ensayo en el túnel aerodinámico, cada barra mida una componente de la fuerza del modelo a ensayar, dispuesto sobre la estructura flotante (2), independientemente de la que miden las demás.Aerodynamic tunnel balance, comprising: # - a fixed structure (1), # - a floating structure (2), # - at least six bars (3, 3 ’, 3’, 4, 4 ’, 5) of measurement of isostatic fixation of the fixed structure (1) to the floating structure (2), mechanically decoupled, and joined at one end to the floating part (2) and the other to the fixed structure (1), which comprise , each, tensile-compression load measuring means, # the bars arranged in such a way that during the execution of the test in the aerodynamic tunnel, each bar measures a component of the force of the model to be tested, arranged on the floating structure (2), regardless of what the others measure.
Description
Balanza para túnel aerodinámico. Balance for aerodynamic tunnel.
Campo de la invención Field of the Invention
La presente invención se engloba dentro del sector de la aerodinámica, mas en concreto, en sistemas de medición de fuerzas en un túnel aerodinámico que actúan sobre un dispositivo de ensayo. The present invention is included within the aerodynamics sector, more specifically, in force measurement systems in an aerodynamic tunnel acting on a test device.
Antecedentes de la invención Background of the invention
Los túneles aerodinámicos tienen como principal objetivo medir las fuerzas que actúan sobre un modelo, ya sea de un avión o parte de él, para, aplicando las leyes de la semejanza dinámica y otras correcciones, poder predecir las fuerzas sobre el avión. The aerodynamic tunnels have as main objective to measure the forces acting on a model, either of an airplane or part of it, so that, applying the laws of dynamic similarity and other corrections, to be able to predict the forces on the airplane.
Por otro lado, las balanzas permiten medir, de forma simultánea, entre tres y las seis componentes de fuerzas que actúan sobre el mismo, variando su complejidad en función de ese número, partiendo de la base de que un sólido en el espacio tiene seis grados de libertad, tres en desplazamiento y tres en giro. On the other hand, the scales allow to measure, simultaneously, between three and six components of forces that act on it, varying their complexity based on that number, based on the basis that a solid in space has six degrees of freedom, three in displacement and three in twist.
Cuando un modelo es simétrico y se sitúa completamente aproado a la corriente, no aparecen sobre él fuerzas laterales, ni momentos de balance y guiñada, por lo que es suficiente una balanza de tres componentes para medir la sustentación, la resistencia y el momento de picado. Sin embargo, cuando se pretende medir el sistema de fuerzas completo, que interesa, por ejemplo, cuando a pesar de tener un modelo simétrico éste ofrece un cierto ángulo de guiñada a la corriente, se hace necesario el empleo de balanzas de seis componentes. When a model is symmetrical and is completely approved of the current, there are no lateral forces on it, no moments of balance and yaw, so a three-component balance is sufficient to measure the lift, resistance and the moment of pitting . However, when it is intended to measure the entire force system, which is of interest, for example, when, despite having a symmetrical model, it offers a certain angle of yaw to the current, the use of six-component scales is necessary.
Aunque se pueden emplear otras técnicas, la más comúnmente empleada para la medida de esas fuerzas es la balanza, que ha ido cambiando su morfología a lo largo de los tiempos. Se han empleado dinamómetros, sistemas parecidos a las balanzas romanas, con posicionamiento manual o automático del contrapeso, hasta llegar a las balanzas que emplean la técnica de los extensímetros o los capacitores. Although other techniques can be used, the most commonly used for measuring these forces is the balance, which has changed its morphology over time. Dynamometers, systems similar to Roman scales, with automatic or manual positioning of the counterweight, have been used until reaching the scales that employ the technique of extensometers or capacitors.
Son estas últimas las más empleadas en la actualidad, debido a fácil manejo de las señales eléctricas que producen, mediante el empleo de sistemas de adquisición de datos, basados en ordenadores. The latter are the most used today, due to easy handling of the electrical signals they produce, through the use of computer-based data acquisition systems.
Una clasificación de estas últimas es entre balanzas internas y externas. En el primer caso la balanza se sitúa en el interior del modelo, que se fija al lado activo de la misma, mientras el otro lado se fija a un soporte tipo pértiga. Las balanzas externas están situadas fuera del modelo y de la cámara de ensayos; en el caso de ensayos aeronáuticos, el modelo se suele situar en el centro de la cámara de ensayos, por lo que un sistema soporte une a éste con la parte activa de la balanza. A classification of the latter is between internal and external scales. In the first case, the balance is placed inside the model, which is fixed to the active side of it, while the other side is fixed to a pole-type support. The external scales are located outside the model and the test chamber; In the case of aeronautical tests, the model is usually located in the center of the test chamber, so that a support system joins it with the active part of the balance.
A lo largo de los años se han desarrollado muy diversos tipos de balanza. Al principio, las balanzas empleaban la técnica del desacoplamiento mecánico de las fuerzas, para luego medir cada una de sus componentes más fácilmente. Sin embargo, el uso masivo de los sistemas electrónicos y la reducción del tamaño, por ejemplo para introducirlas en los modelos, ha provocado el abandono parcial de esa técnica. Sin embargo, los modelos que responde a esta idea, requieren de instalaciones de calibración muy costosas, que repercuten en el precio final del producto. Over the years, many different types of scales have been developed. At first, the scales used the technique of mechanical decoupling of the forces, to then measure each of its components more easily. However, the massive use of electronic systems and the reduction of size, for example to introduce them in the models, has caused the partial abandonment of this technique. However, the models that respond to this idea, require very expensive calibration facilities, which have an impact on the final price of the product.
CN1456871, US2448528, DE4018558(A1) divulgan balanzas que se basan en la medición de fuerzas mediante un sistema de barras no desacopladas. CN1456871, US2448528, DE4018558 (A1) disclose balances that are based on the measurement of forces through a system of uncoupled bars.
CN101216359 divulga una balanza que mide fuerzas desacopladas pero no por el sistema de barras, sino de pieza única instrumentada por la técnica de desacoplamiento mecánico. CN101216359 discloses a scale that measures decoupled forces but not by the bar system, but a single piece instrumented by the mechanical decoupling technique.
Descripción de la invención Description of the invention
La invención que se describe es una balanza externa para la medida de fuerzas de un modelo a ensayar en un túnel aerodinámico, que comprende: The invention described is an external balance for measuring the forces of a model to be tested in an aerodynamic tunnel, comprising:
- --
- una estructura fija al suelooala estructura de la cámara de ensayos, a structure fixed to the ground or the structure of the test chamber,
- --
- una pieza estructura flotante sobre la que se monta el modelo a ensayar, a floating structure piece on which the model to be tested is mounted,
- --
- al menos seis barras de medición que fijan isostáticamente la estructura flotante a la fija, mecánicamente desacopladas, que comprenden, cada una, medios de medición de cargas de tracción-compresión seleccionados entre célula de carga unida rígidamente a la estructura fija o extensómetros dispuestos en la propia barra. at least six measuring bars that are fixedly fixatically the floating fl owing structure, mechanically decoupled, each comprising means for measuring tensile-compression loads selected from a load cell rigidly attached to the fixed structure or strain gauges arranged in the fixed structure. own bar.
dispuestas al menos tres barras en posición vertical respecto a la dirección de la corriente, al menos dos barras en posición horizontal en la dirección de la corriente y al menos una barra en posición transversal a la dirección de la corriente, de tal manera que durante la ejecución del ensayo en el túnel aerodinámico, cada barra mida una componente de la fuerza independiente de la que miden las demás. arranged at least three bars in a vertical position with respect to the direction of the current, at least two bars in a horizontal position in the direction of the current and at least one bar in a position transverse to the direction of the current, such that during the Performing the test in the aerodynamic tunnel, each bar measures a component of the force independent of that measured by the others.
Las medidas de fuerza sobre las barras verticales permiten deducir la sustentación (Fz), el momento de picado (My) y el momento de balance (Mx), mientras el conjunto de las horizontales permiten medir la resistencia (Fx), la fuerza lateral (Fy) y el momento de guiñada (Mz), de manera que se obtiene un sistema de fuerzas que permite obtener las 3 fuerzas y 3 momentos que actúan sobre el modelo objeto de ensayo. The measures of force on the vertical bars allow to deduce the lift (Fz), the moment of chop (My) and the moment of balance (Mx), while the set of the horizontal ones allow to measure the resistance (Fx), the lateral force ( Fy) and the yaw moment (Mz), so that a system of forces is obtained that allows obtaining the 3 forces and 3 moments that act on the model under test.
Las barras son paralelas u ortogonales entre sí, dispuestas de tal manera que consiguen la fijación isostática de la parte flotante, pero que además cada una de ellas mide una componente de la fuerza que, teóricamente, es independiente de la que miden las demás. En la práctica hay un acoplamiento muy pequeño, debido a las pequeñas deformaciones que se producen en el conjunto cuando se aplican las fuerzas. Para conseguir esto, las barras se han diseñado de tal forma que son muy rígidas a tracción compresión, pero muy flexibles a la acción de las fuerzas transversales. En ellas se intercalan células de carga unidireccionales para medir la fuerza que soportan, aunque podrían también instrumentarse directamente con extensómetros. Las células de carga son intercambiables, para cubrir distintos rangos de fuerza y sensibilidad, en función de las necesidades del ensayo, por ejemplo, si se ensaya un modelo de avión, la sustentación es grande y la resistencia pequeña, por lo que se seleccionarán células con rangos apropiados para que las fuerzas a medir queden en el centro de ese rango, más o menos, sin embargo, si se quiere ensayar un edificio, que da resistencia grande y sustentación pequeña, se podrán poner nuevas células, o intercambiar las existentes, para cumplir el mismo criterio de que las fuerzas a medir estén en el centro del rango de esas nuevas células. The bars are parallel or orthogonal to each other, arranged in such a way that they achieve the isostatic fixation of the floating part, but that in addition each of them measures a component of the force that, theoretically, is independent of what the others measure. In practice there is a very small coupling, due to the small deformations that occur in the assembly when the forces are applied. To achieve this, the bars have been designed in such a way that they are very rigid to compression traction, but very flexible to the action of transverse forces. In them unidirectional load cells are interleaved to measure the force they support, although they could also be directly instrumented with extensometers. The load cells are interchangeable, to cover different ranges of strength and sensitivity, depending on the needs of the test, for example, if an airplane model is tested, the lift is large and the resistance small, so cells will be selected with appropriate ranges so that the forces to be measured are at the center of that range, more or less, however, if you want to test a building, which gives large resistance and small lift, you can put new cells, or exchange existing ones, to meet the same criteria that the forces to be measured are at the center of the range of these new cells.
Las varillas roscadas, además de permitir reglar el montaje, para asegurar que la parte flotante esté alineada con la corriente en la cámara de ensayos, son las responsables de que la rigidez de la barra a fuerzas transversales sea muy inferior a las de tracción-compresión, barra esbelta. Las células de carga unidireccionales pueden ser estándar, o se pueden insertar extensómetros en la propia barra, siguiendo diseños bien conocidos, para medir las fuerzas sobre las mismas. The threaded rods, in addition to allowing the assembly to be regulated, to ensure that the floating part is aligned with the current in the test chamber, are responsible for ensuring that the rigidity of the bar at transverse forces is much lower than those of tensile compression , slender bar. Unidirectional load cells can be standard, or extensometers can be inserted into the bar itself, following well-known designs, to measure the forces on them.
Las exigencias de eficiencia de los aviones, obligan a medir la resistencia aerodinámica con gran precisión, ya que la sustentación, que es la componente vertical, es del orden de 20 veces en el caso de modelos completos de avión y de 100 o más veces en el caso de modelos bidimensionales de alas, mayor que la resistencia y fuerza lateral. Por eso las balanzas son instrumentos extremadamente caros, lejos del alcance de muchas universidades y otros centros de investigación. The efficiency requirements of airplanes, require to measure the aerodynamic resistance with great precision, since the lift, which is the vertical component, is of the order of 20 times in the case of complete models of aircraft and 100 or more times in the case of two-dimensional models of wings, greater than the resistance and lateral force. That is why balances are extremely expensive instruments, far from the reach of many universities and other research centers.
Con todos estos requisitos, se presenta una balanza externa de 6 componentes, mecánicamente desacopladas, para medida de fuerzas en túnel aerodinámico capaz de cumplir con unas exigencias de precisión razonables, pero a un coste significativamente inferior a las que se pueden conseguir hoy en el mercado. With all these requirements, an external balance of 6 components, mechanically decoupled, is presented to measure aerodynamic tunnel forces capable of meeting reasonable precision requirements, but at a cost significantly lower than what can be achieved today in the market .
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. A series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention which is presented as a non-limiting example thereof is described very briefly below.
La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de la balanza de la invención. Figure 1 shows a perspective view of the balance of the invention.
La Figura 2 muestra un esquema de una barra de medición. Figure 2 shows a diagram of a measuring bar.
En las figuras anteriormente citadas se identifican una serie de referencias que corresponden a los elementos indicados a continuación, sin que ello suponga carácter limitativo alguno: In the aforementioned figures, a series of references are identified that correspond to the elements indicated below, without implying any limiting character:
1.-Estructura fija, 1.-Fixed structure,
2.-Estructura flotante, 2.-Floating structure,
3.-barra de medición vertical a la dirección de corriente, 3.-vertical measuring bar to the current direction,
4.-barra de medición horizontal en la dirección de corriente, 4.-horizontal measuring bar in the direction of current,
5.-barra de medición horizontal transversal a la dirección de corriente, 5.-horizontal measuring bar transverse to the direction of current,
6.-barra cilíndrica, 6.-cylindrical bar,
7.-varilla roscada extrema de unión de la barra cilíndrica a la pieza flotante, 8.-varilla ros cada extrema de unión de la barra cilíndrica a la célula de carga, 7.-extreme threaded rod connecting the cylindrical bar to the floating piece, 8.-ros rod each connecting end of the cylindrical rod to the load cell,
9.-célula de carga. 9.-load cell.
Descripción detallada de un modo de realización Detailed description of one embodiment
La figura 1 muestra una balanza que comprende: Figure 1 shows a balance comprising:
- --
- una estructura fija (1), a fixed structure (1),
- --
- una pieza flotante (2) de apoyo del modelo a ensayar, a floating piece (2) of support for the model to be tested,
- --
- seis barras de medición, de las cuales, tres verticales (3, 3’, 3”), dos horizontales (4, 4’) en la dirección de la corriente, y una barra horizontal (5) transversal a la corriente, que comprenden: six measuring bars, of which three vertical (3, 3 ', 3 ”), two horizontal (4, 4') in the direction of the current, and a horizontal bar (5) transverse to the current, comprising :
- ◦ ◦
- una barra cilíndrica (6) con dos extremos a cylindrical bar (6) with two ends
- ◦ ◦
- una varilla roscada extrema (7) de unión del cilindro a la pieza flotante, an end threaded rod (7) connecting the cylinder to the floating piece,
- ◦ ◦
- un varilla roscada extrema (8)de unión del cilindro a una célula de carga, an extreme threaded rod (8) connecting the cylinder to a load cell,
- ◦ ◦
- una célula de carga (9) unida rígidamente a la estructura fija como medio de medición de traccióncompresión. a load cell (9) rigidly attached to the fixed structure as a means of tensile compression measurement.
Así, tal y como puede verse en la figura 1, las tres barras verticales, fijan horizontalmente el plano superior, que es el de referencia, de la estructura flotante. Las barras horizontales en la dirección de la flecha, que representa la dirección de la corriente o flujo en la cámara de ensayos del túnel, fijan la estructura flotante tanto en esa dirección como la posibilidad de giro respecto a un eje vertical. Finalmente, la barra horizontal transversal a la flecha impide el movimiento lateral de la estructura flotante, y está situada en un plano distinto a las dos anteriores. Thus, as can be seen in Figure 1, the three vertical bars horizontally fix the upper plane, which is the reference one, of the floating structure. The horizontal bars in the direction of the arrow, which represents the direction of the current or fl ow in the tunnel test chamber, set the floating structure both in that direction and the possibility of rotation with respect to a vertical axis. Finally, the horizontal bar transverse to the arrow prevents lateral movement of the floating structure, and is located in a plane different from the previous two.
Para una balanza con dimensiones externas de unos 650x600x800 mm, para una sustentación máxima de unos For a scale with external dimensions of about 650x600x800 mm, for maximum lift of about
2.500 N, la estructura de la parte fija se construiría con tubo de acero de pared gruesa, de 80x80 mm y la parte flotante con tubo, también de pared gruesa, de 50x50 mm. 2,500 N, the structure of the fixed part would be constructed with a 80x80 mm thick-walled steel tube and the 50x50 mm thick-walled floating tube.
La parte cilíndrica de las barras se ha fabricado con tubo de 30 mm de diámetro y se emplearía varilla roscada de 6 mm, compatible con los diámetros de los tornillos de sujeción de las células de carga. The cylindrical part of the bars has been manufactured with a 30 mm diameter tube and a 6 mm threaded rod would be used, compatible with the diameters of the fastening screws of the load cells.
Las células de carga de las barras verticales y de la horizontal transversal al flujo tienen un rango de medida de ±750 N, mientras las de las barras horizontales en la dirección de la corriente son de ±500 N. The load cells of the vertical bars and the horizontal transverse to the fl ow have a measuring range of ± 750 N, while those of the horizontal bars in the direction of the current are ± 500 N.
La parte fija está montada sobre la estructura del suelo de la cámara de ensayos, mediante un sistema que permite su nivelación y, mediante tuercas y contratuercas en las barras verticales, una vez que se ha montado la parte flotante, se asegura que las barras horizontales lo sean realmente, para minimizar los posibles acoplamientos de fuerzas. The fixed part is mounted on the floor structure of the test chamber, by means of a system that allows its leveling and, by means of nuts and locknuts on the vertical bars, once the floating part has been mounted, it is ensured that the horizontal bars they really are, to minimize the possible coupling of forces.
Para la medida de las fuerzas aerodinámicas se parte de los valores medidos sin viento incidente sobre el modelo, que se toman como ceros relativos. Para una posición determinada del modelo y una velocidad relativa del viento, la fuerza vertical que aparece, la sustentación, L, se obtiene como la suma de las fuerzas diferenciales entre las tres barras, F3,F3u,F3uu, For the measurement of aerodynamic forces, it is based on the measured values without incident wind on the model, which are taken as relative zeros. For a given position of the model and a relative wind speed, the vertical force that appears, the lift, L, is obtained as the sum of the differential forces between the three bars, F3, F3u, F3uu,
L=F3 +F3u +F3uu L = F3 + F3u + F3uu
El momento de picado My, será, The moment of chopping My, will be,
My =(F3 -F3u +F3uu) · d2 My = (F3 -F3u + F3uu) d2
Y el de balance, And the balance,
Mx =(F3 -F3uu) · d3 Mx = (F3 -F3uu) d3
Mirando ahora a las barras horizontales, la resistencia aerodinámica será, Looking now at the horizontal bars, the aerodynamic drag will be,
D=F4 +F4u D = F4 + F4u
- El momento de guiñada, The yawning moment,
- Mz =(F4 -F4u ) · d1 Mz = (F4 -F4u) d1
- Y la fuerza lateral And lateral force
- Y=F5 Y = F5
Claims (5)
- ◦ ◦
- una barra cilíndrica (6) con dos extremos, a cylindrical bar (6) with two ends,
- ◦ ◦
- una varilla roscada extrema (7) de unión del cilindro a la pieza flotante, an end threaded rod (7) connecting the cylinder to the floating piece,
- ◦ ◦
- un varilla roscada extrema (8) de unión del cilindro a una célula de carga, an extreme threaded rod (8) connecting the cylinder to a load cell,
- ◦ ◦
- una célula de carga (9) unida rígidamente a la estructura fija como medio de medición de cargas de tracción-compresión. a load cell (9) rigidly attached to the fixed structure as a means of measuring tensile-compression loads.
- 3. 3.
- Balanza según reivindicación 1 caracterizada por que cada barra comprende un extensiómetro como medio de medición de cargas de tracción-compresión. Balance according to claim 1 characterized in that each bar comprises an extensiometer as a means of measuring tensile-compression loads.
- 4. Four.
- Balanza según reivindicaciones anteriores caracterizada por que tres barras (3, 3’, 3”) están dispuestas en posición vertical respecto a la dirección de la corriente, dos barras (4, 4’) están dispuestas en posición horizontal en la dirección de la corriente y una barra (5) está dispuesta en posición transversal a la dirección de la corriente. Balance according to previous claims characterized in that three bars (3, 3 ', 3 ") are arranged vertically with respect to the direction of the current, two bars (4, 4') are arranged horizontally in the direction of the current and a bar (5) is disposed transverse to the direction of the current.
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- Documentos citados Reivindicaciones afectadas Documents cited Claims Affected
- A TO
- CN 101216359 A (UNIV NANJING AERONAUTICS) 09.07.2008, resumen; figuras. Recuperado de World Patent Index en Epoque Database. 1-3 CN 101216359 A (UNIV NANJING AERONAUTICS) 09.07.2008, summary; figures. Recovered from World Patent Index in Epoque Database. 1-3
- A TO
- CN 1456871 A (NANJING AEROSPACE UNIV) 19.11.2003, resumen; figuras. Recuperado de World Patent Index en Epoque Database. 1-3 CN 1456871 A (NANJING AEROSPACE UNIV) 19.11.2003, summary; figures. Recovered from World Patent Index in Epoque Database. 1-3
- A TO
- LIU, S. A.; TZO, H. L.; A novel six-component force sensor of good measurement isotropy and sensitivities; 01.09.2002; Sensors and Actuators A, ISSN 0924-4247, volumen 100, número 2-3, páginas 223-230. 1-3 LIU, S. A .; TZO, H. L .; A novel six-component force sensor of good measurement isotropy and sensitivities; 01.09.2002; Sensors and Actuators A, ISSN 0924-4247, volume 100, number 2-3, pages 223-230. 1-3
- A TO
- US 2002092348 A1 ( ULMAN RICHARD J et al.) 18.07.2002, todo el documento. 1-3 US 2002092348 A1 (ULMAN RICHARD J et al.) 18.07.2002, the whole document. 1-3
- A TO
- SU 443261 A1 (SAVICHEV) 15.09.1974, resumen; figuras. Recuperado de World Patent Index en Epoque Database. 1 SU 443261 A1 (SAVICHEV) 15.09.1974, summary; figures. Recovered from World Patent Index in Epoque Database. one
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- Examinador M. J. Lloris Meseguer Página 1/4 Examiner M. J. Lloris Meseguer Page 1/4
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- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT
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- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date
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