הנעה ודחף

מנגנוני הנעת נוזלים בהפעלה פתוחה, כגון אביזרי סירות, מדחפי מטוסים או מנועי מטוסי פאנג'ט מייצרים דחף על-ידי האצת נוזל הסביבה למהירות גבוהה. במהלך הפעולה, מכשירים כאלה שואבים נוזל צריכה מאזור גדול במעלה הזרם, וממצים אותו במורד הזרם כמטוס צר במהירות גבוהה (איור 1). אזור הפליטה שווה בערך לאוויר הפנים של המדחף. יתרות קצב זרימת המסה והתנופה על נפח הבקרה, כולל צריכת הזרם ומטוס הפליטה מניבות את התוצאות הבאות:

(1)

(2)

כאן, הוא קצב זרימת המסה, ρ הוא צפיפות הנוזלים, A הוא אזור הזרימה, U הוא מהירות הנוזל, ו- T הוא כוח הדחף המתקבל. כפי שמוצג ב- Fig. 1, אזור הצריכה גדול בהרבה שאזור סילון הפליטה וצפיפות המפרצון והשקע שווים בקירוב. לפיכך, מהירות הפליטה חייבת להיות גדולה בהרבה ממהירות המפרצון ( , וקצב זרימת התנע המפרצון זניח ( ). הדחף התיאורטי המתקבל הוא:

(3)

הדחף ממערכות הנעה של מטוסי מודל קטן יחסית, פחות מ-0.1 ין במקרים רבים. כדי לאפשר מדידה של כוחות אלה, תוקם כאן עמדת בדיקה מבוססת ידית (איור 2א). מבנה מעמד הבדיקה מסתובב על חיכוך נמוך הנושא כך המומנט מהמדחף בקצה זרוע אחת_(אורך Lprop מציר נושא למרכז המנוע) מאזן את המומנט בקנה מידה דיגיטלי מדוכא על ידי זרוע רגע קצר יותר_(סולםL). תצורה זו מגבירה את כוח הדחף בסולם כדי להניב קריאות מדויקות יותר. אם קנה המידה מזופת (מאופס) כאשר המדחף כבוי, ניתן לקבוע את הדחף הנמדד במהלך פעולת המדחף עם Eqn. 4. הנה, m הוא הקריאה ההמונית על הסולם.

(4)

הכוח החשמלי המסופק למדחף או למאוורר יכול להיקבע כמו , איפה אני הזרם (באמפרים) ו- V הוא המתח. ניתן להגדיר יעילות דחף כ(בניוטון לוואט).

איור 1: שליטה בעוצמת הקול לזרימה באמצעות התקן הנעה נוזלי

איור 2: א. סכמטי של מתקן בדיקת דחף סטטי. b. תצוגת פירוט של הרכבת ציר. ג. צילום של מתקן ניסוי.

1. ייצור מערכת בדיקת דחף סטטי (ראה שרטוטים וצילום, איור 2)

1. יוצרים שני תותבים גליליים על מחרטה בקוטר חיצוני 42.16 מ"מ, אורך ~ 10 מ"מ, ומשעמם דרך הציר המרכזי של 9.50 מ"מ.
2. לחץ על כדור אוגן אחד הנושא לתוך השעמום על כל תותב. הכנס את התותבים לשטוף לתוך שתי היציאות המקבילות של התאמת טי 4-כיווני, עם המסבים מבחוץ. התותבים צריכים להתאים בצורה נוחה למדידות טי. (ראה את שרטוט הרכבת הציר בתאנה. 2ב.
3. חתוך שני אורכים ארוכים של 100 מ"מ של שחול האלומיניום בזווית ישרה. לקדוח חור 3.2 מ"מ באמצע הצד הארוך יותר של שחול, ~ 45 מ"מ למעלה מהבסיס. מקדח שני חורי הרכבה ליד קצות הצדדים הקצרים יותר של השחול.\
4. הכנס את הפיר דרך שני המסבים בהתאמה טי 4-דרך. אפילו אורכים צריכים להיחשף בכל קצה. החלק את ההבלטות בזווית ישרה אל קצות הפיר החשופים. בורג שחול הזווית הנכונה למשטח העבודה דרך חורי הרכבה. התקן את צווארוני הפיר על הקצוות החשופים של הפיר כדי לשמור על ההרכבה במרכז בין הסוגריים בזווית ישרה.
5. חתוך קצר (~ 18 מ"מ) ואורך ארוך (~ 36 ס"מ) של צינורות PVC בקוטר חיצוני 42.16 מ"מ. הכנס את האורך הקצר ליציאה האופקית בהתאמה לתלולית טי 4-way ואת האורך הארוך ליציאה האנכית. הכנס מכסה צינור בסוף האורך האופקי.
6. מקם קנה מידה דיגיטלי מדויק (±0.1 או ±0.01 גרם מומלץ) מתחת למכסה הזרוע האופקי של הצינור.
7. הר את מנועי המדחף ומאוורר על כובעי צינור. יש להקזז את המדחפים כך שהכובעים לא יחסמו את זרימת האוויר. מומלץ כי מנועי המדחף מודבקים לראשי ברגים דקים המותקנים על כיפות צינור (איור 2c).

2. ביצוע ניסויים

1. הר את המדחף הקטן ביותר ואת מכסה צינור המנוע על זרוע הצינור האנכי.
2. הקלט את המרחקים (זרועות רגע) מציר הציר לציר מנוע המדחף (L_prop) ומציר הציר לנקודת המגע של הזרוע האופקית בסולם.
3. חבר את מנוע המדחף לאספקת מתח DC מתח משתנה (כבוי).
4. הפעל את קנה המידה, ו/ tare (אפס) הקריאה.
5. הפעל את ספק הכוח ושנה את המתח במרווחי V ~ 0.4 עד 3.8 V. עבור כל מקרה, להקליט את המתח, זרם מסופק, קריאת קנה מידה (בגרמים) ואת טווח קנה המידה במהלך פעולה יציבה (בדרך כלל מתנדנד על ידי ~ 0.3 - 5.0 גרם). ייתכן שיהיה צורך להקיש על להב המדחף כדי להתחיל להסתובב. ודא כי זרימת האוויר היא בכיוון הנכון (זורם לכיוון החלק האחורי של המנוע). אם לא, הפוך את הפניות החיוביות והשליליות באספקת החשמל.
6. אם זמין, השתמש בים ים תרמי כדי למדוד את מהירות האוויר ממש מאחורי (במורד הזרם) המדחף בכמה תנאים. המהירות משתנה על פני אזור הפנים של המדחף, כך שזו רק מדידת סדר גודל.
7. חזור על שלבים 2.1 - 2.6 עבור המנוע והמדחף האחרים ומאוורר הקירור של המחשב. המאוורר יכול לפעול עד 12 V.

3. ניתוח

1. באמצעות Eqn. 4, לחשב את המדחף ואת דחיפות המאוורר (T) עבור כל מקרה נמדד. המקור העיקרי לאי הוודאות הוא השונות/תנודה בקריאה בסולם במהלך הפעולה. החלף טווח זה (שלב 2.5) עבור m ב- Eqn. 4 כדי לקבוע את אי הוודאות דחף.
2. עבור כל מקרה, חשב את עוצמת הקלט . אי הוודאות יכולה להיות מוערכת כמו , שבו ΔI ו ΔV הם אי הוודאות הנוכחית ומדידת מתח (0.005 A ו 0.005 V כאן).
3. עבור כל מקרה לחשב את יעילות הדחף . חוסר הוודאות ליעילות הדחף יהיה .
4. השווה את הדחפים הנמדדים עם ערכים תיאורטיים משוערים באמצעות מהירויות האנומטר (Eqn. 3). כאן ניתן להעריך את אזור השקע כאזור הפנים של המדחף / המאוורר, פחות הרכזת או אזור המנוע: . כיצד משתווים אותם לערכים נמדדים?

בתאנה 3a, עקומות הדחף לעומת הכוח מוצגות עבור שלושת התקני ההנעה המוערכים בניסוי זה. המאוורר משיג את הדחף הגבוה ביותר, ומגיע ל-0.68 ± 0.02 N ב-11.83 ± 0.08 ואט. המדחף הקטן יותר מייצר מעט יותר דחף לכל כוח קלט מאשר המדחף הגדול יותר, אך מגיע למתח ההפעלה המרבי שלו ב- 2.66 ± 0.04 W. Fig. 3b מציג את יעילות הדחף עבור שלושת המכשירים. עבור המדחף והמאוורר הקטן, היעילות בדרך כלל פוחתת עם הגדלת קלט הכוח. היעילות של המדחף הגדול יותר היא קבועה יחסית η ~ 0.03 N W^-1.

ערכי דחף תיאורטיים המבוססים על מהירויות שקע נמדדות מושוות לערכי דחף שנמדדו ישירות בטבלה 1. במקרים אלה, המהירויות הנמדדות משתנות מעל אזורי הפנים של המדחף/המאוורר, כך שמדווחים על מהירות וטווחי דחף חזויים, ולא על ערכים בודדים. באופן כללי, נמצאה הסכמה סבירה בין ערכים חזויים לבין ערכים מדודים, המספקת אישור לתיאוריה המתוארת בסעיף עקרונות. עם זאת, טווחי המהירות הנמדדים היו די רחבים במקרים מסוימים, ולכן ניתוח זה צריך להיות רק איכותי.

איור 3: (א) עקומות יעילות דחף ו-(ב) עבור שלושת התקני ההנעה הנחקרים.

טבלה 1 - השוואה בין דחיפות חזויות המבוססות על טווחי מהירות שקע נמדדים עם דחיפות שנמדדו ישירות.

ניסוי זה הציג את עקרונות ההפעלה הבסיסיים של מכשירי הנעה נוזלית שנמצאו במטוסים ובשיט. פלטפורמת מבחן דחף סטטית נבנתה כדי למדוד את יכולת ההנעה של מדחפי מטוסי מודל ומאוורר קירור מחשב. הדחפים ו ויעילות ההנעה שהתקבלו (דחף לכל כוח קלט) נמדדו והושוו. ערכי דחף תיאורטיים הוערכו גם על סמך מהירויות סילון במורד הזרם. מדידה ודירוג של ביצועי מערכת ההנעה, כפי שהודגם כאן בקנה מידה קטן, הוא שלב מפתח בפיתוח מערכת הנעה נוזלית, והוא קריטי כדי להבטיח מנועים לספק רמות דחף נדרשות.

מערכות הנעה נוזליות מועסקות כמעט בכל המטוסים והשיט. בתצורה הנחשבת כאן, נוזל הסביבה במעלה הזרם מואץ למהירות גבוהה במורד הזרם, גם בלחץ הסביבה. בהתקנים כגון מפעילי אוויר HVAC, מדחסי אוויר או משאבות נוזליות של תחנת כוח קיטור, חלק ניכר מעבודת הקלט מסופק כדי ללחוץ על נוזל ולא רק כדי להגביר את מהירות הזרימה. עם זאת, ניתן ליישם את אותם עקרונות כלליים של ניתוח, בהתבסס על מסת נפח בקרה ואיזוני זרימת מומנטום. התקנים כגון טורבינות רוח וטורבינות קיטור פועלים גם הם על עקרונות דומים, אך מפיקים תנופה ואנרגיה מזרימת נוזלים כדי לייצר חשמל מכני וחשמלי.