推进力和推力

Mechanical Engineering

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Overview

资料来源: 亚历山大的贾斯汀;宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

飞机、火箭和轮船通过加速周围流体或高温燃烧产品以高速的速度产生推进力。由于动量守恒原理, 增加的流体速度导致了车辆的有效推力。推进系统的推力能力通常用静态推力试验来测量。在这些测试中, 推进系统安装和操作固定的, 仪器平台, 并在坐骑上的控股力被测量为推力

在本实验中, 将建立和建模一个小规模的静态推力测量装置。将测量两个模型飞机马达和螺旋桨系统的推力曲线和一个计算机冷却风扇。推力效率也将被评估 (推力/电力输入)。测量的推力值将与基于实测风速的理论预测进行比较。

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JoVE Science Education Database. 机械工程. 推进力和推力. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

开放操作流体推进机制, 例如小船支柱, 飞机推进器, 或发动机航空器引擎通过加速环境流体产生推力通过高速。在操作过程中, 这种装置从一个大的上游区域吸入流体, 并将其作为一条狭窄的高速射流排入下游 (图 1)。排气面积近似等于螺旋桨面的空气。质量和动量流率平衡控制量包括上游进气和排气射流产生以下结果:

Equation 1(1)

Equation 2(2)

这里, 是质量流量Equation 3 , ρ是流体密度, A是流区, U是流体速度, T是由此产生的推力。如图1所示, 进气面积比排气射流区和入口和出口密度大致相等。因此, 排气速度必须比入口速度大得多 (, 入口动量流率可以忽略不计 ().Equation 4Equation 5理论产生的推力是:

Equation 6(3)

模型飞机推进系统的推力相对较小, 在许多情况下不到 0.1 N。为了能够测量这些力, 将在这里构建一个基于杠杆臂的试验台 (图 2a)。试验台结构在低摩擦轴承上枢轴, 使一臂末端的螺旋桨 (长度为L支柱从轴承轴到电机中心) 的扭矩由较短的力矩臂 (L缩放)。这一配置放大了推力的规模, 以产生更准确的读数。当螺旋桨关闭时, 如果刻度是 tared (零), 比在螺旋桨操作过程中测量的推力可以用 Eqn. 4 来确定。这里, m是刻度上的质量读数。

Equation 7(4)

提供给螺旋桨或风扇的电能可以确定为, 其中Equation 8 I是电流 (在安培中), V是电压。推力效率可以定义为 (以牛顿/瓦特为单位). Equation 9

Figure 1
图 1: 通过流体推进装置的流量控制容积

Figure 2
图 2: 静态推力试验装置示意图。b. 枢轴组件的详细视图。c. 实验设施的照片。

Procedure

1. 静态推力测试系统的制作 (见示意图和照片, 图 2)

  1. 在车床上形成两个圆柱形衬套, 外径 42.16 mm, 长度〜 10 mm, 孔通过中心轴 9.50 mm。
  2. 在每个衬套上按一个法兰球轴承入孔。将衬套插入到4路三通接头的两个平行端口上, 并将轴承置于外部。衬套应紧贴在三通管件上。(参见图2b 中的枢轴组件示意图。
  3. 切割两个100毫米长的铝直角挤出长度。钻一个3.2 毫米孔在中间的挤压件的较长的一侧, 〜45毫米从基地。钻两个安装孔靠近两端的延伸挤出。
  4. 在4路三通接头中插入轴通过两个轴承。每一端都应暴露出长度。将直角挤压件滑动到暴露的轴端。通过安装孔将直角挤出到工作表面。在轴的外露端安装轴套, 以使组件以直角括号为中心。
  5. 切割短 (〜18毫米) 和长 (〜36厘米) 长度的42.16 毫米外径 PVC 管。将短长度插入4路三通管接头上的水平端口, 并将长入垂直端口。在水平长度的末尾插入一个管帽。
  6. 定位在水平管臂盖下的精密数字秤 (0.1 或±0.01 g)。
  7. 在管帽上安装螺旋桨马达和风扇。螺旋桨应该被抵消, 这样盖子就不会堵塞气流。建议将螺旋桨马达粘附于安装在管帽上的薄螺丝头上 (图 2c)。

2. 执行实验

  1. 将最小的螺旋桨和马达管帽安装在垂直的管道臂上。
  2. 记录距离 (力矩臂) 从枢轴轴到螺旋桨马达轴 (L支柱) 和从枢轴轴到刻度上水平臂的接触点。
  3. 将螺旋桨马达连接到可变电压直流电源 (关闭)。
  4. 打开刻度, 并将读数 (零) 进行包装。
  5. 打开电源, 并改变电压在〜 0.4 V 的增量高达3.8 五。对于每种情况, 记录电压, 提供电流, 刻度读数 (在克) 和规模范围内稳定运行 (通常振荡的〜 0.3-5.0 克)。可能有必要点击螺旋桨叶片开始旋转。确保气流朝着正确的方向 (流向马达的后方)。如果没有, 则反转电源上的正负引线。
  6. 如果可用, 使用一个热风速仪来测量在几个条件下 (下游) 螺旋桨后的空气流速。速度变化在螺旋桨面面积, 所以这只是一个量级测量.
  7. 重复步骤 2.1-2.6 为其他马达和螺旋桨和 PC 冷却风扇。风扇可操作多达 12 v

3. 分析

  1. 使用 Eqn 4, 计算每个测量情况下的螺旋桨和风扇推力 (T)。不确定度的主要来源是在操作过程中的尺度读数的变化/振荡。将m的此范围 (步骤 2.5) 替换为 Eqn 4 以确定推力不确定度。
  2. 对于每种情况, 请计算输入电源. Equation 8 不确定度可以估计为, 其中δ Equation 10 I和δv是当前和电压测量不确定性 (0.005 A 和 0.005 V)。
  3. 为每个案件计算推力效率. Equation 11 推力效率的不确定性将是. Equation 12
  4. 比较测量的推力与估计的理论值使用风速计速度 (Eqn. 3)。这里出口区域可以估计作为推进器或风扇面孔区域, 较少枢纽或马达区域:. Equation 13 如何与实测值进行比较?

流体推进系统在机械设计中无处不在, 在机械系统和流体之间需要使用相对力时, 它就会被利用。所有的空气和水工艺采用流体推进系统, 提供推进力或推力需要加速和转向通过周围的流体。不过, 他们的使用并不限于车辆。固定系统, 如 HVAC 设备也使用推进系统。但在这些情况下, 他们驱动流体本身的循环。这个视频将说明如何推力是由开放的操作流体推进系统, 包括螺旋桨和风扇类别。并演示了在实验室中如何估计和测量推力和推力效率。

从开放式操作流体推进系统的推力, 如飞机螺旋桨或小船支柱, 是通过加速环境流体的高速化而产生的。这些系统从一个很大的上游区域吸取流体, 并在狭窄的射流中将其排出下游。与一个流出面积近似地相同作为推进器面孔的区域。让我们看看如何通过采取控制卷方法产生推力。首先沿着螺旋桨周围的水流线构造一个控制容积, 从进气区延伸到流出区。进入控制容积的质量流速是上游流体密度、进气面积和上游流体流速的乘积。同样, 排气管容积的质量流量是下游流体密度、流出面积和下游流体流速的乘积。通过定义, 不会在流线边界上产生质量流。在稳定运行过程中, 控制容积内的质量必须保持恒定。然后, 通过质量守恒, 通过流出区的质量, 必须等于进入进气区的质量的速率。由于进水量和流出密度大致相等, 流出速度将等于摄入量与流出面积的比值。由于进气区比流出区大得多, 流出速度要比进水速度高得多。以类似的方式, 动量守恒要求在动量流率上的任何不同和进入控制容积的任何区别都体现为螺旋桨的力, 推力。由于质量流速的进出是平衡的, 流出速度比进气速度高得多, 从吸入速度项的贡献是微不足道的。在这一结果中, 扩大了质量流率项, 表明该推力与流出面积和流速接近。在任何推进系统中, 电源由外部源提供, 以产生推力。系统的推力效率, 在希腊字母 eta 这里被表示, 被定义作为推力的比率产生到输入力量。例如, 模型飞机螺旋桨和 PC 风扇是由一个电动马达驱动的。如果推力是已知的, 除以电输入功率将产生推力效率。在下面的部分, 我们将测量的推力和推力效率的一些小型推进系统使用静态试验台。然后将实测的推力与流出速度进行比较。

按照课文中的说明组装测试台, 并将其设置在工作台上。该支架有一个刚性的 "L" 部分支持的枢纽在关节。定位在短水平臂末端的精密刻度。力矩从数字秤上的短臂将平衡任何扭矩产生的推力对长臂。长度的差异放大了由天平测量的力, 从而产生更精确的读数。随着试验台的组装, 将最小的螺旋桨安装到长的垂直臂上, 使螺旋桨轴与短臂平行。测量和记录支柱直径和轮毂直径。现在测量和记录两个力矩臂的长度。长臂应从枢轴轴测量到螺旋桨轴。短臂应从枢轴轴测量到刻度上的接触点。将马达连接到可变直流电源, 并将其打开以检查气流的方向, 这应该是指示, 以便在刻度上有向下的力。关闭电源, 如果需要, 通过反转电气连接来纠正气流方向。当马达完全静止时, 秤的重量。打开电源, 并增加电压从零伏特, 在点四伏的增量, 最多, 但不超过电机的最大供电电压。对于每一个步骤的电压等待电机稳定, 然后记录电压, 电流, 平均读数, 和规模范围。如果有可用的热风速仪, 测量低输入电压和高输入电压的流出风速。请注意, 流出速度会随着位置的不同而变化, 所以这只是一个量级测量。对较大的马达和 PC 风扇重复此过程。测量完成后, 您就可以对数据进行分析了。

看看为小螺旋桨收集的数据。为每个供应电压也有供应电流和刻度读数。你也应该对流出的空气速度做一些测量。对每个电源电压值执行以下计算。从刻度读数中计算推力。刻度上的力是由于重力的读数乘以加速度。而推力是这一力量放大的时间比的力矩武器的早期测量。现在计算的输入功率的电机, 这是简单的产品的电压和电流。其次, 利用推力和输入功率的比值计算推力效率。如果测量流出速度, 你可以用它来预测推力。首先计算出的近似流出面积, 采取的区别, 支柱和枢纽区。然后将此结果与实测速度相结合, 从前向推力方程出发估计推力。传播您的测量不确定性, 如文本所示, 以确定您的最终结果的不确定性。重复这些计算的大型螺旋桨和风扇。

首先, 将推力图作为所有三设备的输入功率的函数进行绘制。PC 风扇产生的最高推力为三, 并具有更高的最大输入功率。在任何给定的输入功率下, 小螺旋桨比大推进器产生的推力略多, 但大风扇能够在更高的能量下运行。现在将推力效率比作输入功率的函数。大型螺旋桨的推力效率保持不变, 但在其他两种装置中, 效率下降, 功率增大。如果你采取任何测量的流出气流速度比较的估计范围的推力基础上, 从测试台测量。你应该在预测和测量之间找到良好的协议。但由于对流出速度的近似测量, 这种分析只能解释为定性。

流体推进系统在各种机械和自然发生系统中无处不在。移动性是许多水下生物赖以生存的关键, 而大量的自然推进系统也因此而进化。喷气推进从头, 鱼鳍, 和鞭毛在阿米巴虫只是几个例子。了解这些系统的工作方式对于理解这些动物如何生活和与环境相互作用很重要。风车和涡轮机的工作原理与本视频中所述相同, 但适用于反向。这些系统不使用储存的能量来产生推力, 而是从空气中提取动量和能量。风车的转轴可以驱动机械过程, 或者与发电机连接以产生电能。

你刚刚看了朱庇特的推进和推力介绍。现在, 您应该了解使用开放式操作流体推进系统产生推力的基本原理。您还学习了如何执行小规模的静态推力测试和确定推力效率。谢谢收看

Results

在图3a 中, 给出了在本实验中对三推进装置的推力与功率曲线。风扇达到最高推力, 达到0.68 ± 0.02 N 在11.83 ± 0.08 W 输入功率。较小的螺旋桨产生的推力比较大的螺旋桨略多, 但达到其最大工作电压为2.66 ± 0.04 w 图. 3b 提出了三装置的推力效率。对于小型螺旋桨和风扇, 效率一般随着功率的增加而减小。更大的推进器的效率是相对地恒定的在η ~ 0.03 N W-1

根据实测出口速度, 将理论推力值与表1的直接实测推力值进行了比较。在这些情况下, 测量的速度变化在螺旋桨/风扇的脸区域, 所以速度和预测推力范围报告, 而不是单一的价值。一般而言, 在预测值和实测价值之间找到合理的协议, 这为原则部分中概述的理论提供了确认。然而, 在某些情况下, 测量的速度范围相当宽, 所以这一分析应该是定性的。

Figure 3
图 3: (a) 推力和 (b) 三研究的推进装置的推力效率曲线。

推进装置 (A) 电源输入 (W) 出口速度范围 (m s-1) 预测推力范围 (N) 测量推力 (N)
小型螺旋桨
(0.0016 m2)
0.49 ± 0.02 3.0 5。0 0.017 0.048 0.034 ± 0.005
1.56 ± 0.03 4.0 6。2 0.030 0.073 0.068 ± 0.005
大型螺旋桨
(0.0042 m2)
0.73 ± 0.03 2.0 3。0 0.020 0.045 0.020 ± 0.004
2.39 ± 0.05 4.0 5。0 0.080 0.125 0.066 ± 0.004
PC 散热风扇
(0.0077 m2)
2.16 ± 0.03 4.0 5。5 0.145 0.275 0.180 ± 0.007
9.98 ± 0.07 8.0 8。4 0.581 0.641 0.593 ± 0.014

表 1-根据测量出的出口流速范围与直接测量的推力的对比预测推力。

Applications and Summary

本实验介绍了在飞机和船舶上发现的流体推进装置的基本工作原理。建立了静态推力试验平台, 测量模型飞机螺旋桨和 pc 冷却风扇的推进能力。测量并比较了由此产生的推力和推进效率 (每个输入功率的推动力)。还根据下游射流速度估算了理论推力值。对推进系统性能的测量和评定, 如小规模, 是流体推进系统发展的关键阶段, 是保证发动机提供所需推力水平的关键。

流体推进系统在几乎所有航空器和船使用。在这里考虑的配置中, 上游环境流体被加速到高速顺流射流, 也在环境压力下。在 HVAC 空气处理器、空气压缩机或蒸汽发电厂液体泵等设备中, 投入工作的很大一部分用于增压流体, 而不仅仅是增加流速。然而, 在控制容积质量和动量流平衡的基础上, 可以应用相同的分析原理。风力涡轮机和汽轮机等设备也采用类似的原理, 但从流体流动中提取动量和能量以产生机械和电力。

1. 静态推力测试系统的制作 (见示意图和照片, 图 2)

  1. 在车床上形成两个圆柱形衬套, 外径 42.16 mm, 长度〜 10 mm, 孔通过中心轴 9.50 mm。
  2. 在每个衬套上按一个法兰球轴承入孔。将衬套插入到4路三通接头的两个平行端口上, 并将轴承置于外部。衬套应紧贴在三通管件上。(参见图2b 中的枢轴组件示意图。
  3. 切割两个100毫米长的铝直角挤出长度。钻一个3.2 毫米孔在中间的挤压件的较长的一侧, 〜45毫米从基地。钻两个安装孔靠近两端的延伸挤出。
  4. 在4路三通接头中插入轴通过两个轴承。每一端都应暴露出长度。将直角挤压件滑动到暴露的轴端。通过安装孔将直角挤出到工作表面。在轴的外露端安装轴套, 以使组件以直角括号为中心。
  5. 切割短 (〜18毫米) 和长 (〜36厘米) 长度的42.16 毫米外径 PVC 管。将短长度插入4路三通管接头上的水平端口, 并将长入垂直端口。在水平长度的末尾插入一个管帽。
  6. 定位在水平管臂盖下的精密数字秤 (0.1 或±0.01 g)。
  7. 在管帽上安装螺旋桨马达和风扇。螺旋桨应该被抵消, 这样盖子就不会堵塞气流。建议将螺旋桨马达粘附于安装在管帽上的薄螺丝头上 (图 2c)。

2. 执行实验

  1. 将最小的螺旋桨和马达管帽安装在垂直的管道臂上。
  2. 记录距离 (力矩臂) 从枢轴轴到螺旋桨马达轴 (L支柱) 和从枢轴轴到刻度上水平臂的接触点。
  3. 将螺旋桨马达连接到可变电压直流电源 (关闭)。
  4. 打开刻度, 并将读数 (零) 进行包装。
  5. 打开电源, 并改变电压在〜 0.4 V 的增量高达3.8 五。对于每种情况, 记录电压, 提供电流, 刻度读数 (在克) 和规模范围内稳定运行 (通常振荡的〜 0.3-5.0 克)。可能有必要点击螺旋桨叶片开始旋转。确保气流朝着正确的方向 (流向马达的后方)。如果没有, 则反转电源上的正负引线。
  6. 如果可用, 使用一个热风速仪来测量在几个条件下 (下游) 螺旋桨后的空气流速。速度变化在螺旋桨面面积, 所以这只是一个量级测量.
  7. 重复步骤 2.1-2.6 为其他马达和螺旋桨和 PC 冷却风扇。风扇可操作多达 12 v

3. 分析

  1. 使用 Eqn 4, 计算每个测量情况下的螺旋桨和风扇推力 (T)。不确定度的主要来源是在操作过程中的尺度读数的变化/振荡。将m的此范围 (步骤 2.5) 替换为 Eqn 4 以确定推力不确定度。
  2. 对于每种情况, 请计算输入电源. Equation 8 不确定度可以估计为, 其中δ Equation 10 I和δv是当前和电压测量不确定性 (0.005 A 和 0.005 V)。
  3. 为每个案件计算推力效率. Equation 11 推力效率的不确定性将是. Equation 12
  4. 比较测量的推力与估计的理论值使用风速计速度 (Eqn. 3)。这里出口区域可以估计作为推进器或风扇面孔区域, 较少枢纽或马达区域:. Equation 13 如何与实测值进行比较?

流体推进系统在机械设计中无处不在, 在机械系统和流体之间需要使用相对力时, 它就会被利用。所有的空气和水工艺采用流体推进系统, 提供推进力或推力需要加速和转向通过周围的流体。不过, 他们的使用并不限于车辆。固定系统, 如 HVAC 设备也使用推进系统。但在这些情况下, 他们驱动流体本身的循环。这个视频将说明如何推力是由开放的操作流体推进系统, 包括螺旋桨和风扇类别。并演示了在实验室中如何估计和测量推力和推力效率。

从开放式操作流体推进系统的推力, 如飞机螺旋桨或小船支柱, 是通过加速环境流体的高速化而产生的。这些系统从一个很大的上游区域吸取流体, 并在狭窄的射流中将其排出下游。与一个流出面积近似地相同作为推进器面孔的区域。让我们看看如何通过采取控制卷方法产生推力。首先沿着螺旋桨周围的水流线构造一个控制容积, 从进气区延伸到流出区。进入控制容积的质量流速是上游流体密度、进气面积和上游流体流速的乘积。同样, 排气管容积的质量流量是下游流体密度、流出面积和下游流体流速的乘积。通过定义, 不会在流线边界上产生质量流。在稳定运行过程中, 控制容积内的质量必须保持恒定。然后, 通过质量守恒, 通过流出区的质量, 必须等于进入进气区的质量的速率。由于进水量和流出密度大致相等, 流出速度将等于摄入量与流出面积的比值。由于进气区比流出区大得多, 流出速度要比进水速度高得多。以类似的方式, 动量守恒要求在动量流率上的任何不同和进入控制容积的任何区别都体现为螺旋桨的力, 推力。由于质量流速的进出是平衡的, 流出速度比进气速度高得多, 从吸入速度项的贡献是微不足道的。在这一结果中, 扩大了质量流率项, 表明该推力与流出面积和流速接近。在任何推进系统中, 电源由外部源提供, 以产生推力。系统的推力效率, 在希腊字母 eta 这里被表示, 被定义作为推力的比率产生到输入力量。例如, 模型飞机螺旋桨和 PC 风扇是由一个电动马达驱动的。如果推力是已知的, 除以电输入功率将产生推力效率。在下面的部分, 我们将测量的推力和推力效率的一些小型推进系统使用静态试验台。然后将实测的推力与流出速度进行比较。

按照课文中的说明组装测试台, 并将其设置在工作台上。该支架有一个刚性的 "L" 部分支持的枢纽在关节。定位在短水平臂末端的精密刻度。力矩从数字秤上的短臂将平衡任何扭矩产生的推力对长臂。长度的差异放大了由天平测量的力, 从而产生更精确的读数。随着试验台的组装, 将最小的螺旋桨安装到长的垂直臂上, 使螺旋桨轴与短臂平行。测量和记录支柱直径和轮毂直径。现在测量和记录两个力矩臂的长度。长臂应从枢轴轴测量到螺旋桨轴。短臂应从枢轴轴测量到刻度上的接触点。将马达连接到可变直流电源, 并将其打开以检查气流的方向, 这应该是指示, 以便在刻度上有向下的力。关闭电源, 如果需要, 通过反转电气连接来纠正气流方向。当马达完全静止时, 秤的重量。打开电源, 并增加电压从零伏特, 在点四伏的增量, 最多, 但不超过电机的最大供电电压。对于每一个步骤的电压等待电机稳定, 然后记录电压, 电流, 平均读数, 和规模范围。如果有可用的热风速仪, 测量低输入电压和高输入电压的流出风速。请注意, 流出速度会随着位置的不同而变化, 所以这只是一个量级测量。对较大的马达和 PC 风扇重复此过程。测量完成后, 您就可以对数据进行分析了。

看看为小螺旋桨收集的数据。为每个供应电压也有供应电流和刻度读数。你也应该对流出的空气速度做一些测量。对每个电源电压值执行以下计算。从刻度读数中计算推力。刻度上的力是由于重力的读数乘以加速度。而推力是这一力量放大的时间比的力矩武器的早期测量。现在计算的输入功率的电机, 这是简单的产品的电压和电流。其次, 利用推力和输入功率的比值计算推力效率。如果测量流出速度, 你可以用它来预测推力。首先计算出的近似流出面积, 采取的区别, 支柱和枢纽区。然后将此结果与实测速度相结合, 从前向推力方程出发估计推力。传播您的测量不确定性, 如文本所示, 以确定您的最终结果的不确定性。重复这些计算的大型螺旋桨和风扇。

首先, 将推力图作为所有三设备的输入功率的函数进行绘制。PC 风扇产生的最高推力为三, 并具有更高的最大输入功率。在任何给定的输入功率下, 小螺旋桨比大推进器产生的推力略多, 但大风扇能够在更高的能量下运行。现在将推力效率比作输入功率的函数。大型螺旋桨的推力效率保持不变, 但在其他两种装置中, 效率下降, 功率增大。如果你采取任何测量的流出气流速度比较的估计范围的推力基础上, 从测试台测量。你应该在预测和测量之间找到良好的协议。但由于对流出速度的近似测量, 这种分析只能解释为定性。

流体推进系统在各种机械和自然发生系统中无处不在。移动性是许多水下生物赖以生存的关键, 而大量的自然推进系统也因此而进化。喷气推进从头, 鱼鳍, 和鞭毛在阿米巴虫只是几个例子。了解这些系统的工作方式对于理解这些动物如何生活和与环境相互作用很重要。风车和涡轮机的工作原理与本视频中所述相同, 但适用于反向。这些系统不使用储存的能量来产生推力, 而是从空气中提取动量和能量。风车的转轴可以驱动机械过程, 或者与发电机连接以产生电能。

你刚刚看了朱庇特的推进和推力介绍。现在, 您应该了解使用开放式操作流体推进系统产生推力的基本原理。您还学习了如何执行小规模的静态推力测试和确定推力效率。谢谢收看

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