Силовая установка и тяга

Гидравлические силовые установки повсеместно используются в механическом проектировании и используются в любое время, когда необходимо приложить относительную силу между механической системой и жидкостью. Все воздушные и водные суда используют гидравлические силовые установки для обеспечения движущей силы или тяги, необходимой для ускорения и управления окружающей жидкостью. Однако их использование не ограничивается транспортными средствами. Стационарные системы, такие как оборудование для отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, также используют силовые установки. Но в этих случаях они управляют циркуляцией самой жидкости. В этом видео будет показано, как тяга создается гидравлическими силовыми установками с открытым режимом, категория, которая включает в себя гребные винты и вентиляторы. И продемонстрируйте, как можно оценить тягу и ее эффективность в лаборатории.

Тяга от открытых гидравлических силовых установок, таких как пропеллеры самолетов или лодочные винты, создается за счет ускорения окружающей среды до высокой скорости. Эти системы всасывают жидкость из большой области выше по течению и выводят ее вниз по потоку в виде узкой струи. С площадью выходного потока примерно такой же, как площадь грани винта. Давайте посмотрим, как создается тяга при использовании подхода с контролем объема. Начните с создания контрольного объема вдоль линий потока вокруг гребного винта, простирающегося от зоны забора до зоны выходного потока. Массовый расход в контрольный объем на входе является произведением плотности жидкости на входе, площади всасывания и скорости жидкости на входе. Аналогичным образом, массовый расход из контрольного объема на выпускных трубах является произведением плотности жидкости на выходе, площади истечения и скорости жидкости на выходе. Массовый поток через границу линии тока по определению не будет происходить. При устойчивой работе масса внутри контрольного объема должна оставаться постоянной. Тогда, благодаря сохранению массы, скорость массы, выходящей через зону оттока, должна быть равна скорости массы, проходящей через зону всасывания. Теперь, поскольку плотности всасывания и вытекания примерно равны, скорость всасывания будет равна скорости впуска, масштабированной по отношению впуска к площади оттока. Поскольку площадь всасывания намного больше площади вытока, скорость всасывания будет намного выше скорости всасывания. Аналогичным образом, сохранение импульса требует, чтобы любая разница в скорости потока импульса из и в контрольный объем проявлялась как сила, действующая на пропеллер, тяга. Поскольку массовые скорости потока на входе и выходе сбалансированы, а скорость на выходе намного выше скорости на входе, вклад члена скорости на входе незначителен. Разложение члена массового расхода в этом результате показывает, что тяга хорошо аппроксимируется площадью истечения и скоростью. В любой двигательной установке энергия подается от внешнего источника для создания тяги. Эффективность тяги системы, обозначаемая здесь греческой буквой eta, определяется как отношение создаваемой тяги к входной мощности. Например, пропеллеры моделей самолетов и вентиляторы ПК приводятся в движение электродвигателем. Если тяга известна, то деление ее на электрическую входную мощность даст эффективность тяги. В следующих разделах мы измерим тягу и эффективность тяги некоторых небольших силовых установок с помощью статического испытательного стенда. А затем сравните измеренную тягу с оценкой, основанной на скорости истечения потока.

Соберите испытательный стенд, как описано в тексте, и установите его на рабочем столе. Стойка имеет жесткую L-образную секцию, поддерживаемую шарниром в месте соединения. Расположите прецизионную шкалу под концом короткого горизонтального рычага. Крутящий момент от цифровой шкалы на коротком рычаге уравновешивает любой крутящий момент, создаваемый тягой на длинном рычаге. А разница в длине увеличивает силу, измеренную по шкале, чтобы получить более точные показания. Собрав испытательный стенд, установите самый маленький пропеллер на длинный вертикальный рычаг и выровняйте ось винта так, чтобы она была параллельна короткому рычагу. Измерьте и запишите диаметр стойки и диаметр ступицы. Теперь измерьте и запишите длину обоих плеч момента. Длинный рычаг следует измерять от оси шарнира до оси винта. А короткий рычаг следует измерять от оси поворота до точки контакта на весах. Подключите мотор к переменному источнику питания постоянного тока и включите его, чтобы проверить направление воздушного потока, который должен быть направлен так, чтобы на весах была сила вниз. Отключите подачу и, при необходимости, скорректируйте направление воздушного потока, изменив электрическое соединение. Когда мотор полностью неподвижн, поднимите весы. Включите питание и увеличьте напряжение от нуля вольт, в пункте четыре вольта, до максимального напряжения питания мотора, но не превышающего его. Для каждого шага напряжения подождите, пока двигатель стабилизируется, а затем запишите напряжение, ток, средние показания шкалы и диапазон шкалы. Если имеется тепловой анемометр, измерьте скорость выходящего воздуха при низком входном напряжении и высоком входном напряжении. Обратите внимание, что скорость истечения будет меняться в зависимости от положения, так что это всего лишь измерение на порядок. Повторите этот процесс для большего мотора и вентилятора ПК. Как только измерения будут завершены, вы будете готовы к анализу данных.

Посмотрите на данные, собранные для маленького пропеллера. Для каждого напряжения питания также имеется потребляемый ток и показания шкалы. Вы также должны провести несколько измерений скорости выходящего воздуха. Выполните следующие вычисления для каждого значения напряжения питания. Рассчитайте тягу по показаниям шкалы. Сила на весах — это умножение показаний на ускорение под действием силы тяжести. А тяга — это эта сила, увеличенная на отношение моментных плеч, измеренных ранее. Теперь вычислите входную мощность двигателя, которая является просто произведением напряжения и тока. Затем вычислите эффективность тяги, взяв отношение тяги к входной мощности. Если скорость истечения была измерена, вы можете использовать ее для прогнозирования тяги. Сначала рассчитайте примерную площадь оттока, взяв разницу между зонами винта и ступицы. Затем объедините этот результат с измеренной скоростью, чтобы оценить тягу с помощью уравнения тяги, полученного ранее. Распространите погрешности измерений, как показано в тексте, чтобы определить неопределенность в окончательных результатах. Повторите эти расчеты для большого пропеллера и вентилятора.

Начните с построения графика тяги в зависимости от входной мощности для всех трех устройств. Вентилятор ПК производит самую высокую тягу из трех и имеет гораздо более высокую максимальную входную мощность. Маленький пропеллер создает немного большую тягу, чем большой, при любой заданной входной мощности, но большой вентилятор способен работать на более высоких мощностях. Теперь сравните эффективность тяги в зависимости от входной мощности. Эффективность тяги большого винта остается довольно постоянной, но эффективность падает с увеличением мощности двух других устройств. Если вы проводили какие-либо измерения скорости выходящего воздуха, сравните расчетный диапазон тяги на их основе с тягой, измеренной на испытательном стенде. Вы должны найти хорошее соответствие между прогнозом и измерением. Но из-за приближенного измерения скорости истечения этот анализ следует интерпретировать только как качественный.

Жидкостные силовые установки широко распространены в различных механических и естественных системах. Мобильность имеет решающее значение для выживания многих подводных существ, и в результате развилось большое разнообразие естественных двигательных установок. Реактивная тяга головоногих, плавники у рыб и жгутики у амеб — вот лишь несколько примеров. Изучение того, как работают эти системы, важно для понимания того, как эти животные живут и взаимодействуют с окружающей средой. Ветряные мельницы и турбины работают по тем же принципам, что и в этом видео, но применяются в обратном порядке. Вместо того, чтобы использовать накопленную энергию для создания тяги, эти системы извлекают импульс и энергию из воздуха. Вращающийся вал ветряной мельницы может приводить в движение механический процесс или быть подключен к генератору для производства электроэнергии.

Вы только что посмотрели введение Юпитера в движение и тягу. Теперь вы должны понять основные принципы создания тяги с помощью гидравлической силовой установки с открытым режимом работы. Вы также научились проводить небольшие статические испытания тяги и определять эффективность тяги. Спасибо за просмотр.