Antriebs- und Schub

Mechanical Engineering

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Overview

Quelle: Alexander S Rattner; Abteilung für mechanische und Nuclear Engineering, der Pennsylvania State University, University Park, PA

Schiffe, Flugzeuge und Raketen produzieren Antrieb durch Beschleunigung der umgebenden Flüssigkeit oder hohen Temperaturen Verbrennungsprodukte zu hoher Geschwindigkeit. Durch das Prinzip der Impulserhaltung führt die erhöhte Fluidgeschwindigkeit eine effektive Schubkraft am Fahrzeug. Die Schub-Fähigkeiten von Antriebssystemen sind oft mit Standschub Tests gemessen. Bei diesen Tests sind Antriebssysteme montiert auf festen, instrumentierte Plattformen betrieben und die Haltekraft auf den Bergen als die Schubkraft gemessen

In diesem Experiment wird eine kleine Standschub Messung Anlage gebaut und modelliert. Der Schub Kurven für zwei Modell-Flugzeug-Motoren und Propeller-Systemen und einem Computer Lüfter gemessen werden. Schub-Effizienz evaluiert werden (Schub Kraft / elektrische Leistungsaufnahme). Gemessen Schub, die Werte mit den theoretischen Vorhersagen basierend auf gemessenen Luftgeschwindigkeiten verglichen werden.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Maschinenbau. Antriebs- und Schub. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Open-Betrieb Fluid Antrieb Mechanismen, wie Boot Requisiten, Flugzeug Propeller oder Fanjet Flugzeugtriebwerke produzieren Schub durch die umgebende Flüssigkeit auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Während des Betriebs solcher Geräte in Einnahme Flüssigkeit aus vorgelagerten großflächig ziehen und Auspuff es flussabwärts als schmale hohe Geschwindigkeit Strahl (Abb. 1). Der Auspuff ist ungefähr gleich der Propeller Gesicht Luft. Masse und Impuls Rate Waagen über die Lautstärke, einschließlich der vorgelagerten Einnahme fließen und Auspuff Jet Ertrag die folgenden Ergebnisse:

Equation 1(1)

Equation 2(2)

Hier, Equation 3 ist der Massenstrom, ρ ist die Flüssigkeitsdichte, A ist der Strömungsquerschnitt, U ist der Fluidgeschwindigkeit und T ist die daraus resultierende Schubkraft. Wie in Abb. 1 gezeigt, ist der Ansaugbereich viel größer, dass der Auspuff Jet-Bereich und den Einlass und Auslass-Dichte ungefähr gleich sind. Als solche die Auspuff-Geschwindigkeit muss viel größer sein als die Einlass-Geschwindigkeit (Equation 4, und der Zulauf an Dynamik Durchfluss ist vernachlässigbar (Equation 5). Die theoretische resultierende Schubkraft ist:

Equation 6(3)

Der Schub von Modell-Flugzeug-Antriebssysteme ist relativ klein, weniger als 0,1 N in vielen Fällen. Zur Messung dieser Kräfte zu aktivieren, wird ein Hebelarm basierte Prüfstand gebaut werden hier (Abb. 2a). Die Prüfstand Struktur dreht sich um eine reibungsarme Lagerung derart, dass das Drehmoment vom Propeller zum Jahresende einen Arm (Länge LProp aus Lagerachse zum Zentrum des Motors) gleicht das Drehmoment eine digitale Waage deprimiert durch einen kürzeren Augenblick Arm ( L ( Skala). Diese Konfiguration verstärkt die Schubkraft auf der Skala um genauere Messungen zu erzielen. Wenn die Waage tariert ist (null) wenn der Propeller ausgeschaltet ist, als der gemessene Schub während Propeller Betrieb mit Eqn. 4 ermittelt werden. Hierbei ist m die Masse auf die Waage zu lesen.

Equation 7(4)

Die elektrische Stromversorgung der Propeller oder Fan ermittelt werden, als Equation 8 , wo I der Strom (in Ampere ist) und V die Spannung ist. Eine Schub-Effizienz kann definiert werden als Equation 9 (in Newton pro Watt).

Figure 1
Abbildung 1: Lautstärke für Durchfluss durch einen flüssigen Antrieb

Figure 2
Abbildung 2: A. Schaltplan der Standschub Testanlage. b. Detailansicht der Pivot-Versammlung. c. Foto der Versuchsanlage.

Procedure

1. Herstellung von Standschub Testsystem (siehe Schaltpläne und Fotos, Abb. 2)

  1. Bilden zwei zylindrische Buchsen auf einer Drehbank mit Außendurchmesser 42,16 mm, Länge ca. 10 mm und Bohrung durch die Mittelachse der 9,50 mm.
  2. Drücken Sie ein Flansch Kugellager in die Bohrung auf jede Buchse. Legen Sie die Buchsen bündig in zwei parallele Anschlüsse 4-Wege t-Stück-fitting mit dem Lager auf der Außenseite. Die Buchsen sollte gemütlich in t-Formstücks passen. (Siehe die Pivot-Montage schematisch in Abb. 2 b.
  3. Schneiden Sie zwei 100 mm lange Längen der rechten Winkel Aluminium Extrusion. 3,2 mm Bohrung in der Mitte der Längsseite der Extrusionen, ~ 45 mm nach oben aus dem Sockel. Bohren Sie zwei Löcher nahe den Enden der kürzeren Seiten der Extrusion. \
  4. Legen Sie die Welle durch die beiden Lager in 4-Wege-t-Formstücks. Auch Längen sollten an jedem Ende ausgesetzt werden. Schieben Sie die rechten Winkel Extrusionen auf die exponierten Wellenenden. Schrauben Sie die rechten Winkel Extrusion an der Arbeitsplatte durch die Befestigungslöcher. Installieren Sie die Welle Kragen an den freiliegenden Enden der Welle auf die Versammlung die rechtwinklige Klammern zentriert zu halten.
  5. Schneiden Sie kurz (~ 18 mm) und lange (~ 36 cm) Längen von 42,16 mm Außendurchmesser PVC Rohre. Legen Sie die kurze Länge in den horizontalen Anschluss an das 4-Wege-t-Stück passend und die lange Dauer in den vertikalen Anschluss. Legen Sie eine Rohrkappe am Ende die horizontale Länge.
  6. Positionieren Sie eine digitale Präzisionswaage (±0.1 oder ±0.01 g empfohlen) unter die horizontale Arm Rohrkappe.
  7. Montieren Sie den Propeller-Motoren und Lüfter auf Rohr Kappen. Die Propeller sollten ausgeglichen werden, so dass die Kappen nicht den Luftstrom blockieren. Es wird empfohlen, dass die Propeller-Motoren, dünne Schraubenköpfe installiert auf Rohr Kappen (Abb. 2 c) geklebt werden.

2. Durchführung von Experimenten

  1. Montieren Sie die kleinste Propeller und motor Rohrkappe auf den senkrechten Rohr Arm.
  2. Notieren Sie die Abstände (Augenblick Arme) von der Schwenkachse auf die Motorachse Propeller (LProp) und von der Schwenkachse an die Kontaktstelle des Horizontalarms auf der Skala.
  3. Schließen Sie den Propeller-Motor an eine Variable Spannung DC-Stromversorgung (ausgeschaltet).
  4. Schalten Sie das Ausmaß und die Tara (null) das lesen.
  5. Schalten Sie die Stromversorgung und variieren Sie die Spannung in ~0.4 V-Schritten bis zu 3,8 V. Für jeweils Datensatz die Spannung Strom geliefert, Lesung (in Gramm) skalieren und skalieren Palette im stetigen Betrieb (in der Regel durch ~0.3 - 5,0 g oszilliert). Es kann das Propellerblatt um es Spinnen zu starten Tippen erforderlich. Sicherstellen Sie, dass der Luftstrom in die richtige Richtung (fließt auf der Rückseite des Motors). Ist dies nicht der Fall, Umkehren der positiven und negativen führt am Netzteil.
  6. Falls vorhanden, verwenden Sie eine thermische Anemometer zur Messung der Luftgeschwindigkeit direkt hinter (downstream) des Propellers bei ein paar Bedingungen. Die Geschwindigkeit variiert über den Propeller Gesichtsbereich, so ist dies nur eine Größenordnung - Messung.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.6 für den anderen Motor und Propeller und der PC-Lüfter. Der Lüfter kann bis zu 12 V betrieben werden.

3. Analyse

  1. Mit Eqn. 4, berechnen Sie die Propeller und Ventilator Stossrichtungen (T) für die jeweils gemessenen. Die wichtigste Quelle der Unsicherheit ist die Variation/Schwingung in der Skala während des Betriebes lesen. Ersetzen Sie dieses Bereichs (Schritt 2.5) m in Eqn. 4 die Schub-Unsicherheit bestimmen.
  2. Für jeden Fall berechnen die Eingangsleistung Equation 8 . Die Unsicherheit kann als Equation 10 , wo Δich und ΔV Strom und Spannung Messunsicherheiten (0,005 A und 0,005 V hier sind).
  3. Für jeden Fall berechnen die Schub-Effizienz Equation 11 . Die Unsicherheit für Schub Effizienz wäre Equation 12 .
  4. Vergleichen Sie die gemessenen Stossrichtungen mit geschätzten theoretischen Werte mit den Windmesser Geschwindigkeiten (Eqn. 3). Hier als den Gesichtsbereich Propeller/Ventilator weniger Hub oder Motor Bereich Austrittsbereich abgeschätzt werden: Equation 13 . Wie vergleichen diese mit den gemessenen Werten?

Fluid Antriebssysteme werden sind allgegenwärtig in der mechanischen Konstruktion und jedes Mal, wenn eine relative Kraft zwischen einem mechanischen System und einer Flüssigkeit aufgetragen werden muss. Alle Luft und Wasser Handwerk beschäftigen Fluid Antriebssysteme Antrieb zwingt oder stößt für Beschleunigung und Lenkung durch die umgebenden Flüssigkeit zur Verfügung stellen. Ihre Verwendung ist jedoch nicht auf Fahrzeuge beschränkt. Stationäre Systeme wie HVAC Ausrüstung verwenden auch Antriebssysteme. Aber in diesen Fällen fahren sie Zirkulation der Flüssigkeit selbst. Dieses Video soll veranschaulichen, wie Schub durch offene Operation Fluid Antriebssysteme, eine Kategorie erzeugt wird, der Propeller und Fans enthält. Und zeigen, wie Schub und Schub Effizienz geschätzt und im Labor gemessen werden kann.

Der Schub von Öffnungsvorgang Fluid Antriebssysteme, wie Propeller Flugzeug oder Boot Requisiten, entsteht durch das umgebende Flüssigkeit auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Diese Systeme zeichnen in Flüssigkeit aus vorgelagerten großflächig und Auspuff es flussabwärts in einem schmalen Strahl. Mit einem flow Bereich ungefähr das gleiche wie der Bereich des Gesichtes Propeller. Mal sehen, wie Schub erzeugt wird, indem ein Steuerelement Volumen Ansatz. Beginnen mit dem Bau einer Steuervolumen entlang die Stromlinien rund um den Propeller erstreckt sich von der Ansaugbereich out Bereich fließen. Der Massenstrom in die Lautstärke bei der Aufnahme ist das Produkt der vorgelagerten Flüssigkeitsdichte, Ansaugbereich und der vorgelagerten Fluidgeschwindigkeit. Ebenso ist der Massenstrom aus die Lautstärke am Auspuff das Produkt aus der nachgelagerten Flüssigkeitsdichte, Bereich Abfluss und der nachgeschalteten Fluidgeschwindigkeit. Kein Massenstrom wird über die Stromlinie Grenze per definitionem auftreten. Im stetigen Betrieb muss die Masse in die Lautstärke konstant bleiben. Dann muss die Rate der Masse durch den Abfluss-Bereich von Erhaltung der Masse, die Rate der Masse durch den Ansaugbereich entsprechen. Nun da die Zufuhr und Abfluss Dichte ungefähr gleich sind, wird die Abfluss-Geschwindigkeit entspricht der Aufnahme Geschwindigkeit durch das Verhältnis der Aufnahme zu Bereich Abfluss skaliert. Da der Ansaugbereich viel größer als der Abfluss-Bereich ist, werden die Abfluss-Geschwindigkeit wesentlich höher als die Geschwindigkeit der Aufnahme. In ähnlicher Weise erfordert Impulserhaltung, dass jeder möglicher Unterschied bezüglich der Dynamik Flussraten von und in der Lautstärke als eine Kraft auf den Propeller, der Schub manifestiert. Da die Massenströme in die und aus ausgeglichen werden und die Abfluss-Geschwindigkeit viel höher als die Geschwindigkeit der Aufnahme ist, ist der Beitrag aus dem Aufnahme-Geschwindigkeit-Begriff vernachlässigbar. Ausbau des Massenstrom Rate Begriffs in dieses Ergebnis zeigt, dass der Schub durch den Abfluss Fläche und Geschwindigkeit gut angenähert ist. In jedem Antrieb ist System Stromversorgung über eine externe Quelle um den Schub zu erzeugen. Der Schub-Effizienz des Systems, hier durch den griechischen Buchstaben Eta bezeichnet ist definiert als das Verhältnis der Schub erzeugt, um die Eingangsleistung. Modell Flugzeug Propeller und PC-Fans werden zum Beispiel durch einen Elektromotor angetrieben. Wenn der Schub bekannt ist, wird durch die elektrische Eingangsleistung dividiert die Schub-Leistungsfähigkeit führen. In den folgenden Abschnitten werden wir den Schub und Schub Effizienz von einigen kleinen Antriebssystemen mit einer statischen Prüfstand messen. Und dann vergleichen Sie die gemessene Schub einer Schätzung anhand der Abfluss-Geschwindigkeit.

Montieren Sie der Prüfstand, wie im Text beschrieben, und setzen Sie ihn auf der Werkbank. Der Ständer hat einen starren "L" Abschnitt unterstützt durch einen Drehpunkt an der Verbindungsstelle. Positionieren Sie die Präzisionswaage unter dem Ende der kurzen horizontalen Arm. Drehmoment aus die digitale Waage auf dem kurzen Arm wird kein Drehmoment erzeugte Schub auf dem langen Arm ausgleichen. Und der Unterschied in den Längen verstärkt die Kraft gemessen, die Skala um genauere Messungen zu erzielen. Mit dem Prüfstand montiert den kleinste Propeller an den langen vertikalen Arm montieren und Ausrichten der Propeller-Achse, so dass es parallel mit dem kurzen Arm. Messung und Aufzeichnung der Prop-Durchmesser und der Nabendurchmesser. Jetzt messen und Aufzeichnen der Längen der beiden Arme Moment. Der lange Arm sollte von der Schwenkachse der Propeller-Achse gemessen werden. Und der kurze Arm von der Schwenkachse an die Kontaktstelle auf der Skala gemessen werden soll. Schließen Sie den Motor auf eine Variable Gleichstromversorgung und aktivieren Sie es um die Überprüfung der Richtung des Luftstroms, die weitergeleitet werden sollen, so dass es eine nach unten gerichtete Kraft auf die Waage. Schalten Sie die Stromversorgung, und korrigieren Sie ggf. die Richtung des Luftstroms durch die Umkehrung des elektrischen Anschluss. Wenn der Motor komplett still Tara der Skala ist. Schalten Sie die Stromversorgung und erhöhen Sie die Spannung von Null Volt, in Punkt vier Volt Schritten bis zu, aber nicht mehr als die maximale Versorgungsspannung Motoren. Für jeden Schritt im Spannung warten, bis der Motor zu stabilisieren und notieren Sie die Spannung, aktuellen, durchschnittlichen Maßstab Lesung und den Maßstabsbereich. Wenn eine thermische Anemometer verfügbar ist, Messen Sie die Luftgeschwindigkeit Abfluss für eine niedrige Eingangsspannung und hohe Eingangsspannung. Beachten Sie, dass die Abfluss-Geschwindigkeit mit Position variiert, so ist dies nur eine Größenordnung Messung. Wiederholen Sie diesen Vorgang für den größeren Motor und der PC-Lüfter. Nach Abschluss der Messungen sind Sie bereit, die Daten zu analysieren.

Schauen Sie sich die Daten für die kleinen Propeller. Außerdem gibt es für jede Versorgungsspannung Stromaufnahme und Maßstab Lesungen. Sie sollten auch ein paar Messungen von der Luftgeschwindigkeit Abfluss haben. Berechnungen Sie die folgenden für jeden Wert der Versorgungsspannung. Berechnen Sie den Schub aus der Skala-Lesung. Die Kraft auf der Skala ist die Lesung Mal der Erdbeschleunigung. Und der Schub ist diese Kraft durch das Verhältnis des Augenblicks vergrößert Arme früher gemessen. Berechnen Sie jetzt die Eingangsleistung des Motors, die einfach das Produkt von Spannung und Strom ist. Als Nächstes berechnen Sie die Schub-Leistungsfähigkeit indem man das Verhältnis zwischen den Schub und die Eingangsleistung. Wenn die Abfluss-Geschwindigkeit gemessen wurde können es Sie Vorhersagen, den Schub. Zuerst berechnen Sie die ungefähren Abfluss Fläche durch die Differenz zwischen den Prop und Hub. Dann kombinieren Sie dieses Ergebnis mit der gemessenen Geschwindigkeit einzuschätzen, den Schub der Schub Gleichung aus vor. Verbreiten Sie Ihre Messunsicherheiten, wie im Text dargestellt, um die Unsicherheit in Ihrer endgültigen Ergebnisse bestimmen. Wiederholen Sie diese Berechnungen für den großen Propeller und Lüfter.

Plotten den Schub als Funktion der Eingangsleistung für alle drei Geräte beginnen. Der PC-Lüfter erzeugt die höchste Schub der drei, und hat eine viel höhere maximale Eingangsleistung. Der kleine Propeller erzeugt etwas mehr Schub als das große bei jeder gegebenen Eingangsleistung, aber der große Lüfter ist in der Lage, bei Betrieb mit höheren Mächten. Vergleichen Sie nun die Schub-Effizienz in Abhängigkeit von der Eingangsleistung. Die Schub-Effizienz des großen Propellers bleibt ziemlich konstant, aber der Wirkungsgrad sinkt mit zunehmender Kraft für die anderen beiden Geräte. Wenn Sie keine Messungen der Abfluss-Luftgeschwindigkeit nahm vergleichen Sie die geschätzte Schüben basierend auf diesen, den Schub aus dem Prüfstand gemessen. Finden Sie gute Übereinstimmung zwischen der Vorhersage und Messung. Sondern durch die ungefähre Messung der Abfluss-Geschwindigkeit, diese Analyse nur auszulegen als qualitative.

Fluid Antriebssysteme sind in einer Vielzahl von mechanischen und natürlich vorkommenden Systeme allgegenwärtig. Mobilität ist entscheidend für viele Unterwasser-Kreaturen überleben, und eine Vielzahl von natürlichen Antriebssysteme sind dadurch entstanden. Jet Propulsion von Kopffüßern, Flossen auf Fisch und Flagellen auf Amöben sind nur einige Beispiele. Lernen, wie diese Systeme funktionieren ist wichtig für das Verständnis, wie diese Tiere leben und interagieren mit ihrer Umwelt. Windräder und Turbinen arbeiten nach den gleichen Prinzipien in diesem Video behandelt, aber in umgekehrter Reihenfolge angewendet. Anstelle von gespeicherte Energie, um Schub zu erzeugen, extrahieren diese Systeme Impuls und Energie aus der Luft. Die rotierende Welle der Windmühle kann ein mechanisches Verfahren fahren oder sonst an einen Generator zur Stromerzeugung angeschlossen werden.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Vortrieb und Schub beobachtet. Sie sollten nun die grundlegenden Prinzipien der Erzeugung Schub mit eine offene Operation Fluid Antriebssystem verstehen. Sie haben auch gelernt, zu kleinen Standschub Tests durchführen und die Schub-Leistungsfähigkeit zu bestimmen. Danke fürs Zuschauen.

Results

In Abb. 3a werden die Stoßrichtung vs. Leistungskurven für die drei Propulsion Geräte bewertet in diesem Experiment vorgestellt. Der Lüfter erreicht den höchsten Schub, 0,68 ± 0,02 N bei 11.83 ± 0,08 W Eingangsleistung zu erreichen. Kleinere Luftschraube erzeugt etwas mehr Schub pro Eingangsleistung als die größeren Propeller, sondern erreicht seine maximale Betriebsspannung bei 2,66 ± 0,04 W. Fig. 3 b die Schub-Effizienz für die drei Geräte präsentiert. Für die kleinen Propeller und Ventilator sinkt die Effizienz in der Regel mit steigender Leistungsaufnahme. Der Wirkungsgrad des Propellers größer ist relativ konstant bei η ~ 0,03 W N-1.

Direkt gemessene Schub Werte in Tabelle 1 sind theoretische Schubkraft Werte basierend auf gemessenen Steckdose Geschwindigkeiten gegenüber. In diesen Fällen variieren die gemessenen Geschwindigkeiten über Gesicht Propeller/Fanzonen, so Geschwindigkeit und vorhergesagten Schub reicht, anstatt einzelne Werte gemeldet werden. Im Allgemeinen findet man vernünftige Vereinbarung zwischen vorhergesagten und gemessenen Werten, die Bestätigung für die Theorie beschrieben im Abschnitt "Prinzipien" bietet. Gemessene Geschwindigkeit reicht waren jedoch recht breit in einigen Fällen, so ist dieser Analyse werden sollten nur qualitative.

Figure 3
Abbildung 3: Schub (a) und (b) Schub Wirkungsgradkennlinie für die drei untersuchten Propulsion Geräte.

Antrieb-Gerät (A) Leistungsaufnahme (W) Outlet-Geschwindigkeitsbereich (m s-1) Vorhergesagten Schub Bereich (N) Gemessene Schub (N)
Kleinen Propeller
(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 0.0.73. 0.068 ± 0,005
Großen Propeller
(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-Lüfter
(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

Tabelle 1: Vergleich der prognostizierten Schübe, die anhand der gemessenen Steckdose Velocity-Bereiche mit direkt gemessenen Schüben.

Applications and Summary

Dieses Experiment führte die operative Grundprinzipien des flüssigen Antrieb Geräte gefunden in Luft- und Wasserfahrzeugen. Standschub Testplattform wurde gebaut, um die Fähigkeit Antrieb Modell Flugzeug Propeller und einen pc Lüfter zu messen. Die daraus resultierende Stöße und Antriebs-Effizienz (Schub pro Eingangsleistung) wurden gemessen und verglichen. Auch wurden theoretische Schubkraft Werte basierend auf nachgelagerten Jet Geschwindigkeiten geschätzt. Messung und Bewertung der Antriebs-System-Performance, wie hier bei kleinen Maßstäben ist eine wichtige Etappe bei Flüssigkeit Propulsion Systementwicklung, und ist entscheidend für die Motoren liefern erforderliche Schubkraft-Levels zu gewährleisten.

Fluid Antriebssysteme sind in fast allen Luft- und Wasserfahrzeuge beschäftigt. In der Konfiguration als hier wird auf eine hohe Geschwindigkeit flussabwärts Jet, auch bei Umgebungsdruck vorgelagerten umgebende Flüssigkeit beschleunigt. In Geräten wie HVAC Air Handler, Kompressoren oder Dampf-Kraftwerk Flüssigkeitspumpen wird ein erheblicher Teil der Eingabe Arbeit Flüssigkeit unter Druck zu setzen, anstatt nur durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit geliefert. Jedoch können die gleichen allgemeinen Grundsätze der Analyse angewendet werden, basierend auf Kontrolle Volumen Masse und Impuls Fluss Salden. Geräte wie z. B. Wind und Dampfturbinen auch auf ähnlichen Prinzipien funktionieren, aber Strömung, mechanischer und elektrischer Leistung zu produzieren Impuls und Energie entziehen.

1. Herstellung von Standschub Testsystem (siehe Schaltpläne und Fotos, Abb. 2)

  1. Bilden zwei zylindrische Buchsen auf einer Drehbank mit Außendurchmesser 42,16 mm, Länge ca. 10 mm und Bohrung durch die Mittelachse der 9,50 mm.
  2. Drücken Sie ein Flansch Kugellager in die Bohrung auf jede Buchse. Legen Sie die Buchsen bündig in zwei parallele Anschlüsse 4-Wege t-Stück-fitting mit dem Lager auf der Außenseite. Die Buchsen sollte gemütlich in t-Formstücks passen. (Siehe die Pivot-Montage schematisch in Abb. 2 b.
  3. Schneiden Sie zwei 100 mm lange Längen der rechten Winkel Aluminium Extrusion. 3,2 mm Bohrung in der Mitte der Längsseite der Extrusionen, ~ 45 mm nach oben aus dem Sockel. Bohren Sie zwei Löcher nahe den Enden der kürzeren Seiten der Extrusion. \
  4. Legen Sie die Welle durch die beiden Lager in 4-Wege-t-Formstücks. Auch Längen sollten an jedem Ende ausgesetzt werden. Schieben Sie die rechten Winkel Extrusionen auf die exponierten Wellenenden. Schrauben Sie die rechten Winkel Extrusion an der Arbeitsplatte durch die Befestigungslöcher. Installieren Sie die Welle Kragen an den freiliegenden Enden der Welle auf die Versammlung die rechtwinklige Klammern zentriert zu halten.
  5. Schneiden Sie kurz (~ 18 mm) und lange (~ 36 cm) Längen von 42,16 mm Außendurchmesser PVC Rohre. Legen Sie die kurze Länge in den horizontalen Anschluss an das 4-Wege-t-Stück passend und die lange Dauer in den vertikalen Anschluss. Legen Sie eine Rohrkappe am Ende die horizontale Länge.
  6. Positionieren Sie eine digitale Präzisionswaage (±0.1 oder ±0.01 g empfohlen) unter die horizontale Arm Rohrkappe.
  7. Montieren Sie den Propeller-Motoren und Lüfter auf Rohr Kappen. Die Propeller sollten ausgeglichen werden, so dass die Kappen nicht den Luftstrom blockieren. Es wird empfohlen, dass die Propeller-Motoren, dünne Schraubenköpfe installiert auf Rohr Kappen (Abb. 2 c) geklebt werden.

2. Durchführung von Experimenten

  1. Montieren Sie die kleinste Propeller und motor Rohrkappe auf den senkrechten Rohr Arm.
  2. Notieren Sie die Abstände (Augenblick Arme) von der Schwenkachse auf die Motorachse Propeller (LProp) und von der Schwenkachse an die Kontaktstelle des Horizontalarms auf der Skala.
  3. Schließen Sie den Propeller-Motor an eine Variable Spannung DC-Stromversorgung (ausgeschaltet).
  4. Schalten Sie das Ausmaß und die Tara (null) das lesen.
  5. Schalten Sie die Stromversorgung und variieren Sie die Spannung in ~0.4 V-Schritten bis zu 3,8 V. Für jeweils Datensatz die Spannung Strom geliefert, Lesung (in Gramm) skalieren und skalieren Palette im stetigen Betrieb (in der Regel durch ~0.3 - 5,0 g oszilliert). Es kann das Propellerblatt um es Spinnen zu starten Tippen erforderlich. Sicherstellen Sie, dass der Luftstrom in die richtige Richtung (fließt auf der Rückseite des Motors). Ist dies nicht der Fall, Umkehren der positiven und negativen führt am Netzteil.
  6. Falls vorhanden, verwenden Sie eine thermische Anemometer zur Messung der Luftgeschwindigkeit direkt hinter (downstream) des Propellers bei ein paar Bedingungen. Die Geschwindigkeit variiert über den Propeller Gesichtsbereich, so ist dies nur eine Größenordnung - Messung.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.6 für den anderen Motor und Propeller und der PC-Lüfter. Der Lüfter kann bis zu 12 V betrieben werden.

3. Analyse

  1. Mit Eqn. 4, berechnen Sie die Propeller und Ventilator Stossrichtungen (T) für die jeweils gemessenen. Die wichtigste Quelle der Unsicherheit ist die Variation/Schwingung in der Skala während des Betriebes lesen. Ersetzen Sie dieses Bereichs (Schritt 2.5) m in Eqn. 4 die Schub-Unsicherheit bestimmen.
  2. Für jeden Fall berechnen die Eingangsleistung Equation 8 . Die Unsicherheit kann als Equation 10 , wo Δich und ΔV Strom und Spannung Messunsicherheiten (0,005 A und 0,005 V hier sind).
  3. Für jeden Fall berechnen die Schub-Effizienz Equation 11 . Die Unsicherheit für Schub Effizienz wäre Equation 12 .
  4. Vergleichen Sie die gemessenen Stossrichtungen mit geschätzten theoretischen Werte mit den Windmesser Geschwindigkeiten (Eqn. 3). Hier als den Gesichtsbereich Propeller/Ventilator weniger Hub oder Motor Bereich Austrittsbereich abgeschätzt werden: Equation 13 . Wie vergleichen diese mit den gemessenen Werten?

Fluid Antriebssysteme werden sind allgegenwärtig in der mechanischen Konstruktion und jedes Mal, wenn eine relative Kraft zwischen einem mechanischen System und einer Flüssigkeit aufgetragen werden muss. Alle Luft und Wasser Handwerk beschäftigen Fluid Antriebssysteme Antrieb zwingt oder stößt für Beschleunigung und Lenkung durch die umgebenden Flüssigkeit zur Verfügung stellen. Ihre Verwendung ist jedoch nicht auf Fahrzeuge beschränkt. Stationäre Systeme wie HVAC Ausrüstung verwenden auch Antriebssysteme. Aber in diesen Fällen fahren sie Zirkulation der Flüssigkeit selbst. Dieses Video soll veranschaulichen, wie Schub durch offene Operation Fluid Antriebssysteme, eine Kategorie erzeugt wird, der Propeller und Fans enthält. Und zeigen, wie Schub und Schub Effizienz geschätzt und im Labor gemessen werden kann.

Der Schub von Öffnungsvorgang Fluid Antriebssysteme, wie Propeller Flugzeug oder Boot Requisiten, entsteht durch das umgebende Flüssigkeit auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Diese Systeme zeichnen in Flüssigkeit aus vorgelagerten großflächig und Auspuff es flussabwärts in einem schmalen Strahl. Mit einem flow Bereich ungefähr das gleiche wie der Bereich des Gesichtes Propeller. Mal sehen, wie Schub erzeugt wird, indem ein Steuerelement Volumen Ansatz. Beginnen mit dem Bau einer Steuervolumen entlang die Stromlinien rund um den Propeller erstreckt sich von der Ansaugbereich out Bereich fließen. Der Massenstrom in die Lautstärke bei der Aufnahme ist das Produkt der vorgelagerten Flüssigkeitsdichte, Ansaugbereich und der vorgelagerten Fluidgeschwindigkeit. Ebenso ist der Massenstrom aus die Lautstärke am Auspuff das Produkt aus der nachgelagerten Flüssigkeitsdichte, Bereich Abfluss und der nachgeschalteten Fluidgeschwindigkeit. Kein Massenstrom wird über die Stromlinie Grenze per definitionem auftreten. Im stetigen Betrieb muss die Masse in die Lautstärke konstant bleiben. Dann muss die Rate der Masse durch den Abfluss-Bereich von Erhaltung der Masse, die Rate der Masse durch den Ansaugbereich entsprechen. Nun da die Zufuhr und Abfluss Dichte ungefähr gleich sind, wird die Abfluss-Geschwindigkeit entspricht der Aufnahme Geschwindigkeit durch das Verhältnis der Aufnahme zu Bereich Abfluss skaliert. Da der Ansaugbereich viel größer als der Abfluss-Bereich ist, werden die Abfluss-Geschwindigkeit wesentlich höher als die Geschwindigkeit der Aufnahme. In ähnlicher Weise erfordert Impulserhaltung, dass jeder möglicher Unterschied bezüglich der Dynamik Flussraten von und in der Lautstärke als eine Kraft auf den Propeller, der Schub manifestiert. Da die Massenströme in die und aus ausgeglichen werden und die Abfluss-Geschwindigkeit viel höher als die Geschwindigkeit der Aufnahme ist, ist der Beitrag aus dem Aufnahme-Geschwindigkeit-Begriff vernachlässigbar. Ausbau des Massenstrom Rate Begriffs in dieses Ergebnis zeigt, dass der Schub durch den Abfluss Fläche und Geschwindigkeit gut angenähert ist. In jedem Antrieb ist System Stromversorgung über eine externe Quelle um den Schub zu erzeugen. Der Schub-Effizienz des Systems, hier durch den griechischen Buchstaben Eta bezeichnet ist definiert als das Verhältnis der Schub erzeugt, um die Eingangsleistung. Modell Flugzeug Propeller und PC-Fans werden zum Beispiel durch einen Elektromotor angetrieben. Wenn der Schub bekannt ist, wird durch die elektrische Eingangsleistung dividiert die Schub-Leistungsfähigkeit führen. In den folgenden Abschnitten werden wir den Schub und Schub Effizienz von einigen kleinen Antriebssystemen mit einer statischen Prüfstand messen. Und dann vergleichen Sie die gemessene Schub einer Schätzung anhand der Abfluss-Geschwindigkeit.

Montieren Sie der Prüfstand, wie im Text beschrieben, und setzen Sie ihn auf der Werkbank. Der Ständer hat einen starren "L" Abschnitt unterstützt durch einen Drehpunkt an der Verbindungsstelle. Positionieren Sie die Präzisionswaage unter dem Ende der kurzen horizontalen Arm. Drehmoment aus die digitale Waage auf dem kurzen Arm wird kein Drehmoment erzeugte Schub auf dem langen Arm ausgleichen. Und der Unterschied in den Längen verstärkt die Kraft gemessen, die Skala um genauere Messungen zu erzielen. Mit dem Prüfstand montiert den kleinste Propeller an den langen vertikalen Arm montieren und Ausrichten der Propeller-Achse, so dass es parallel mit dem kurzen Arm. Messung und Aufzeichnung der Prop-Durchmesser und der Nabendurchmesser. Jetzt messen und Aufzeichnen der Längen der beiden Arme Moment. Der lange Arm sollte von der Schwenkachse der Propeller-Achse gemessen werden. Und der kurze Arm von der Schwenkachse an die Kontaktstelle auf der Skala gemessen werden soll. Schließen Sie den Motor auf eine Variable Gleichstromversorgung und aktivieren Sie es um die Überprüfung der Richtung des Luftstroms, die weitergeleitet werden sollen, so dass es eine nach unten gerichtete Kraft auf die Waage. Schalten Sie die Stromversorgung, und korrigieren Sie ggf. die Richtung des Luftstroms durch die Umkehrung des elektrischen Anschluss. Wenn der Motor komplett still Tara der Skala ist. Schalten Sie die Stromversorgung und erhöhen Sie die Spannung von Null Volt, in Punkt vier Volt Schritten bis zu, aber nicht mehr als die maximale Versorgungsspannung Motoren. Für jeden Schritt im Spannung warten, bis der Motor zu stabilisieren und notieren Sie die Spannung, aktuellen, durchschnittlichen Maßstab Lesung und den Maßstabsbereich. Wenn eine thermische Anemometer verfügbar ist, Messen Sie die Luftgeschwindigkeit Abfluss für eine niedrige Eingangsspannung und hohe Eingangsspannung. Beachten Sie, dass die Abfluss-Geschwindigkeit mit Position variiert, so ist dies nur eine Größenordnung Messung. Wiederholen Sie diesen Vorgang für den größeren Motor und der PC-Lüfter. Nach Abschluss der Messungen sind Sie bereit, die Daten zu analysieren.

Schauen Sie sich die Daten für die kleinen Propeller. Außerdem gibt es für jede Versorgungsspannung Stromaufnahme und Maßstab Lesungen. Sie sollten auch ein paar Messungen von der Luftgeschwindigkeit Abfluss haben. Berechnungen Sie die folgenden für jeden Wert der Versorgungsspannung. Berechnen Sie den Schub aus der Skala-Lesung. Die Kraft auf der Skala ist die Lesung Mal der Erdbeschleunigung. Und der Schub ist diese Kraft durch das Verhältnis des Augenblicks vergrößert Arme früher gemessen. Berechnen Sie jetzt die Eingangsleistung des Motors, die einfach das Produkt von Spannung und Strom ist. Als Nächstes berechnen Sie die Schub-Leistungsfähigkeit indem man das Verhältnis zwischen den Schub und die Eingangsleistung. Wenn die Abfluss-Geschwindigkeit gemessen wurde können es Sie Vorhersagen, den Schub. Zuerst berechnen Sie die ungefähren Abfluss Fläche durch die Differenz zwischen den Prop und Hub. Dann kombinieren Sie dieses Ergebnis mit der gemessenen Geschwindigkeit einzuschätzen, den Schub der Schub Gleichung aus vor. Verbreiten Sie Ihre Messunsicherheiten, wie im Text dargestellt, um die Unsicherheit in Ihrer endgültigen Ergebnisse bestimmen. Wiederholen Sie diese Berechnungen für den großen Propeller und Lüfter.

Plotten den Schub als Funktion der Eingangsleistung für alle drei Geräte beginnen. Der PC-Lüfter erzeugt die höchste Schub der drei, und hat eine viel höhere maximale Eingangsleistung. Der kleine Propeller erzeugt etwas mehr Schub als das große bei jeder gegebenen Eingangsleistung, aber der große Lüfter ist in der Lage, bei Betrieb mit höheren Mächten. Vergleichen Sie nun die Schub-Effizienz in Abhängigkeit von der Eingangsleistung. Die Schub-Effizienz des großen Propellers bleibt ziemlich konstant, aber der Wirkungsgrad sinkt mit zunehmender Kraft für die anderen beiden Geräte. Wenn Sie keine Messungen der Abfluss-Luftgeschwindigkeit nahm vergleichen Sie die geschätzte Schüben basierend auf diesen, den Schub aus dem Prüfstand gemessen. Finden Sie gute Übereinstimmung zwischen der Vorhersage und Messung. Sondern durch die ungefähre Messung der Abfluss-Geschwindigkeit, diese Analyse nur auszulegen als qualitative.

Fluid Antriebssysteme sind in einer Vielzahl von mechanischen und natürlich vorkommenden Systeme allgegenwärtig. Mobilität ist entscheidend für viele Unterwasser-Kreaturen überleben, und eine Vielzahl von natürlichen Antriebssysteme sind dadurch entstanden. Jet Propulsion von Kopffüßern, Flossen auf Fisch und Flagellen auf Amöben sind nur einige Beispiele. Lernen, wie diese Systeme funktionieren ist wichtig für das Verständnis, wie diese Tiere leben und interagieren mit ihrer Umwelt. Windräder und Turbinen arbeiten nach den gleichen Prinzipien in diesem Video behandelt, aber in umgekehrter Reihenfolge angewendet. Anstelle von gespeicherte Energie, um Schub zu erzeugen, extrahieren diese Systeme Impuls und Energie aus der Luft. Die rotierende Welle der Windmühle kann ein mechanisches Verfahren fahren oder sonst an einen Generator zur Stromerzeugung angeschlossen werden.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Vortrieb und Schub beobachtet. Sie sollten nun die grundlegenden Prinzipien der Erzeugung Schub mit eine offene Operation Fluid Antriebssystem verstehen. Sie haben auch gelernt, zu kleinen Standschub Tests durchführen und die Schub-Leistungsfähigkeit zu bestimmen. Danke fürs Zuschauen.

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