Antrieb und Schubkraft

Fluidantriebssysteme sind in der mechanischen Konstruktion allgegenwärtig und werden immer dann eingesetzt, wenn eine relative Kraft zwischen einem mechanischen System und einer Flüssigkeit ausgeübt werden muss. Alle Luft- und Wasserfahrzeuge verwenden Flüssigkeitsantriebssysteme, um Antriebskräfte oder Schubkräfte bereitzustellen, die für die Beschleunigung und Steuerung durch die umgebende Flüssigkeit erforderlich sind. Ihr Einsatz ist jedoch nicht auf Fahrzeuge beschränkt. Stationäre Systeme wie HLK-Geräte verwenden ebenfalls Antriebssysteme. Aber in diesen Fällen treiben sie die Zirkulation der Flüssigkeit selbst an. In diesem Video wird veranschaulicht, wie Schub durch offen betriebene Flüssigkeitsantriebe erzeugt wird, eine Kategorie, zu der auch Propeller und Lüfter gehören. Und zeigen, wie Schub und Schubeffizienz im Labor abgeschätzt und gemessen werden können.

Der Schub von Antriebssystemen für offene Flüssigkeiten, wie z. B. Flugzeugpropeller oder Bootspropeller, wird erzeugt, indem die Umgebungsflüssigkeit auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Diese Systeme saugen Flüssigkeit aus einem großen stromaufwärts gelegenen Bereich an und lassen sie stromabwärts in einem schmalen Strahl ab. Mit einem Ausströmbereich, der ungefähr dem Bereich der Propellerfläche entspricht. Sehen wir uns an, wie Schub durch einen Ansatz zur Lautstärkeregelung erzeugt wird. Beginnen Sie mit der Konstruktion eines Regelvolumens entlang der Stromlinien um den Propeller, das sich vom Einlassbereich bis zum Ausströmungsbereich erstreckt. Der Massendurchfluss in das Steuervolumen am Einlass ist das Produkt aus der Dichte des stromaufwärts gelegenen Fluids, dem Ansaugbereich und der stromaufwärts gelegenen Fluidgeschwindigkeit. In ähnlicher Weise ist der Massendurchfluss aus dem Steuervolumen am Auslass das Produkt aus der stromabwärts gelegenen Fluiddichte, der Ausströmungsfläche und der stromabwärts gelegenen Fluidgeschwindigkeit. Per Definition findet kein Massenfluss über die Stromliniengrenze statt. Im Dauerbetrieb muss die Masse innerhalb des Regelvolumens konstant bleiben. Dann muss durch die Massenerhaltung die Geschwindigkeit der Masse, die durch den Ausströmbereich austritt, gleich der Geschwindigkeit der durch den Einlassbereich eintretenden Masse sein. Da nun die Einlass- und Abflussdichten ungefähr gleich sind, ist die Abflussgeschwindigkeit gleich der Einlassgeschwindigkeit, skaliert durch das Verhältnis von Ein- und Ausströmfläche. Da der Einlassbereich viel größer ist als der Ausströmbereich, ist die Ausströmgeschwindigkeit viel höher als die Einlassgeschwindigkeit. In ähnlicher Weise erfordert die Impulserhaltung, dass sich jede Differenz in den Impulsströmungsraten aus und in das Steuervolumen als Kraft auf den Propeller, den Schub, manifestiert. Da die ein- und ausgehenden Massenströme ausgeglichen sind und die Ausströmgeschwindigkeit viel höher ist als die Ansauggeschwindigkeit, ist der Beitrag des Ansauggeschwindigkeitsterms vernachlässigbar. Die Erweiterung des Massendurchflusstermes in diesem Ergebnis zeigt, dass der Schub durch die Ausströmfläche und die Geschwindigkeit gut angenähert wird. In jedem Antriebssystem wird die Energie von einer externen Quelle geliefert, um den Schub zu erzeugen. Der Schubwirkungsgrad des Systems, hier mit dem griechischen Buchstaben eta bezeichnet, ist definiert als das Verhältnis des erzeugten Schubs zur Eingangsleistung. So werden beispielsweise Schiffspropeller und PC-Lüfter von Modellflugzeugen von einem Elektromotor angetrieben. Wenn der Schub bekannt ist, wird durch Division durch die elektrische Eingangsleistung der Schubwirkungsgrad ermittelt. In den folgenden Abschnitten werden wir den Schub und die Schubeffizienz einiger kleiner Antriebe anhand eines statischen Prüfstandes messen. Vergleichen Sie dann den gemessenen Schub mit einer Schätzung basierend auf der Ausströmgeschwindigkeit.

Bauen Sie den Prüfstand wie im Text beschrieben auf und stellen Sie ihn auf die Werkbank. Der Ständer hat einen starren "L"-Abschnitt, der von einem Drehpunkt am Gelenk getragen wird. Positionieren Sie die Präzisionswaage unter dem Ende des kurzen horizontalen Arms. Das Drehmoment der Digitalwaage am kurzen Arm gleicht das durch den Schub am langen Arm erzeugte Drehmoment aus. Und der Längenunterschied verstärkt die von der Waage gemessene Kraft, um genauere Messwerte zu erhalten. Wenn der Prüfstand zusammengebaut ist, montieren Sie den kleinsten Propeller auf den langen vertikalen Arm und richten Sie die Propellerachse so aus, dass sie parallel zum kurzen Arm ist. Messen und notieren Sie den Propellerdurchmesser und den Nabendurchmesser. Messen und notieren Sie nun die Längen beider Momentarme. Der lange Arm sollte von der Schwenkachse bis zur Propellerachse gemessen werden. Und der kurze Arm sollte von der Schwenkachse bis zum Kontaktpunkt auf der Skala gemessen werden. Schließen Sie den Motor an eine variable Gleichstromversorgung an und schalten Sie sie ein, um die Richtung des Luftstroms zu überprüfen, der so gerichtet sein sollte, dass eine Abwärtskraft auf der Waage wirkt. Schalten Sie die Stromversorgung aus und korrigieren Sie gegebenenfalls die Luftstromrichtung, indem Sie den elektrischen Anschluss umkehren. Wenn der Motor völlig still steht, tarieren Sie die Waage. Schalten Sie die Stromversorgung ein und erhöhen Sie die Spannung von null Volt in Schritten von vier Volt bis zur maximalen Versorgungsspannung des Motors, die jedoch nicht überschritten wird. Warten Sie für jeden Spannungsschritt, bis sich der Motor stabilisiert hat, und zeichnen Sie dann die Spannung, den Strom, den durchschnittlichen Skalenwert und den Skalenbereich auf. Wenn ein thermisches Anemometer zur Verfügung steht, messen Sie die Ausströmgeschwindigkeit für eine niedrige Eingangsspannung und eine hohe Eingangsspannung. Beachten Sie, dass die Ausströmgeschwindigkeit mit der Position variiert, so dass es sich nur um eine Messung in der Größenordnung handelt. Wiederholen Sie diesen Vorgang für den größeren Motor und den PC-Lüfter. Sobald die Messungen abgeschlossen sind, können Sie mit der Analyse der Daten beginnen.

Schauen Sie sich die Daten an, die für den kleinen Propeller gesammelt wurden. Zu jeder Versorgungsspannung gibt es auch einen Versorgungsstrom und die Messwerte der Waage. Sie sollten auch einige Messungen der Ausströmluftgeschwindigkeit haben. Führen Sie die folgenden Berechnungen für jeden Wert der Versorgungsspannung durch. Berechnen Sie den Schub aus dem Messwert der Waage. Die Kraft auf der Skala ist die Ablesungszeit, die Beschleunigung durch die Schwerkraft. Und der Schub ist diese Kraft, die durch das Verhältnis der zuvor gemessenen Momentenarme vergrößert wird. Berechnen Sie nun die Eingangsleistung für den Motor, die einfach das Produkt aus Spannung und Strom ist. Berechnen Sie als Nächstes den Schubwirkungsgrad, indem Sie das Verhältnis von Schub und Eingangsleistung nehmen. Wenn die Ausströmgeschwindigkeit gemessen wurde, können Sie diese zur Vorhersage des Schubs verwenden. Berechnen Sie zunächst die ungefähre Abflussfläche, indem Sie die Differenz zwischen dem Stützen- und dem Nabenbereich nehmen. Kombinieren Sie dann dieses Ergebnis mit der gemessenen Geschwindigkeit, um den Schub mit der Schubgleichung von zuvor zu schätzen. Übertragen Sie Ihre Messunsicherheiten, wie im Text gezeigt, um die Unsicherheit in Ihren Endergebnissen zu bestimmen. Wiederholen Sie diese Berechnungen für den großen Propeller und den Lüfter.

Beginnen Sie damit, den Schub als Funktion der Eingangsleistung für alle drei Geräte darzustellen. Der PC-Lüfter erzeugt den höchsten Schub der drei und hat eine deutlich höhere maximale Eingangsleistung. Der kleine Propeller erzeugt bei gegebener Eingangsleistung etwas mehr Schub als der große, aber der große Lüfter ist in der Lage, mit höheren Leistungen zu arbeiten. Vergleichen Sie nun den Schubwirkungsgrad in Abhängigkeit von der Eingangsleistung. Der Schubwirkungsgrad des großen Propellers bleibt ziemlich konstant, aber der Wirkungsgrad sinkt mit zunehmender Leistung für die beiden anderen Geräte. Wenn Sie Messungen der ausströmenden Luftgeschwindigkeit durchgeführt haben, vergleichen Sie den geschätzten Schubbereich auf der Grundlage dieser mit dem vom Prüfstand aus gemessenen Schub. Sie sollten eine gute Übereinstimmung zwischen der Vorhersage und der Messung finden. Aufgrund der näherungsweisen Messung der Abflussgeschwindigkeit sollte diese Analyse jedoch nur als qualitativ interpretiert werden.

Fluidantriebe sind in einer Vielzahl von mechanischen und natürlich vorkommenden Systemen allgegenwärtig. Mobilität ist für viele Unterwasserlebewesen überlebenswichtig, und als Ergebnis hat sich eine Vielzahl natürlicher Antriebssysteme entwickelt. Der Düsenantrieb von Kopffüßern, Flossen bei Fischen und Flagellen bei Amöben sind nur einige Beispiele. Zu lernen, wie diese Systeme funktionieren, ist wichtig, um zu verstehen, wie diese Tiere leben und mit ihrer Umwelt interagieren. Windmühlen und Turbinen funktionieren nach den gleichen Prinzipien, die in diesem Video behandelt werden, nur umgekehrt. Anstatt gespeicherte Energie zur Erzeugung von Schub zu nutzen, extrahieren diese Systeme Impuls und Energie aus der Luft. Die rotierende Welle der Windmühle kann einen mechanischen Prozess antreiben oder an einen Generator angeschlossen werden, um Strom zu erzeugen.

Sie haben gerade Jupiters Einführung in Antrieb und Schub gesehen. Sie sollten jetzt die Grundprinzipien der Schuberzeugung mit einem offen betriebenen Flüssigkeitsantriebssystem verstehen. Sie haben auch gelernt, wie man kleine statische Schubtests durchführt und die Schubeffizienz bestimmt. Danke fürs Zuschauen.