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Mechanical Engineering

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Overview

출처: 알렉산더 S 래트너; 펜실베이니아 주립대학, 유니버시티 파크, 펜실베이니아 주 기계 및 원자력 공학과

항공기, 로켓 및 선박은 주변 유체 또는 고온 연소 제품을 높은 속도로 가속화하여 추진을 생성합니다. 운동량의 보존 원리로 인해 유체 속도가 증가하면 차량에 효과적인 추력이 발생합니다. 추진 시스템의 추력 기능은 종종 정적 추력 테스트로 측정됩니다. 이러한 테스트에서 추진 시스템은 고정, 계측 플랫폼에 장착 및 작동하며 마운트의 유지력은 추력으로 측정됩니다.

이 실험에서는 소규모 정적 추력 측정 시설을 구성하고 모델링합니다. 두 개의 모델 항공기 모터와 프로펠러 시스템과 컴퓨터 냉각 팬의 추력 곡선을 측정합니다. 추력 효율도 평가됩니다 (추력 힘 / 전력 입력). 측정된 추력 값은 측정된 공기 속도에 따라 이론적 예측과 비교됩니다.

Principles

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보트 소품, 비행기 프로펠러 또는 팬젯 항공기 엔진과 같은 개방형 유체 추진 메커니즘은 주변 유체를 높은 속도로 가속화하여 추력을 생성합니다. 작동 중에 이러한 장치는 큰 업스트림 영역에서 유입 유체를 끌어내고 좁은 고속 제트(도 1)로 하류를 배출합니다. 배기 영역은 프로펠러 면 공기와 거의 동일합니다. 업스트림 섭취량과 배기 제트를 포함한 제어 볼륨에 대한 질량 및 모멘텀 유량 균형은 다음과 같은 결과를 산출합니다.

Equation 1(1)

Equation 2(2)

여기서, Equation 3 질량 유량은 유체 밀도이고, A는 유동 영역이고, U는 유체 속도이며, T는 결과 추력력이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 흡기 부위는 배기 제트 영역과 입구 및 출구 밀도가 거의 동일하다는 것이 훨씬 큽하다. 따라서 배기 속도는 유입 속도보다 훨씬 커야 Equation 4 합니다(및 유입구 모멘텀 유량은 무시할 수 Equation 5 있다). 이론적 결과 추력은 다음과 입니다.

Equation 6(3)

모델 항공기 추진 시스템의 추력은 상대적으로 작고 대부분의 경우 0.1 N 미만입니다. 이러한 힘을 측정하기 위해 레버 암 기반 테스트 스탠드가 여기에 건설됩니다(그림 2a). 테스트 스탠드 구조는 한 팔 의 끝에 프로펠러에서 토크 (모터의 중심까지 길이 L소품)가 짧은 모멘트 암(L스케일)에의해 우울 디지털 스케일에서 토크를 균형 있도록 저마찰 베어링에 피벗. 이 구성은 스케일의 추력 력을 증폭하여 보다 정확한 판독값을 생성합니다. 프로펠러가 꺼질 때 스케일이 타르(제로)되면 프로펠러 작동 시 측정된 추력보다 Eqn.4로 결정될 수 있다. 여기서 m은 저울의 질량 판독값입니다.

Equation 7(4)

프로펠러 또는 팬에 공급되는 전력은 Equation 8 전류(amps)이고 V가 전압인 경우로 판단될 수 있다. 추력 효율은 Equation 9 (와트당 뉴턴)으로 정의할 수 있습니다.

Figure 1
그림 1: 유체 추진 장치를 통한 흐름에 대한 제어 부피

Figure 2
그림 2: a. 정적 추력 테스트 시설의 회로도. b. 피벗 어셈블리의 상세 보기입니다. c. 실험 시설의 사진.

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Procedure

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1. 정적 추력 테스트 시스템의 제조 (회로도 및 사진 참조, 도 2)

  1. 외경 42.16mm, 길이 ~10mm의 선반에 두 개의 원통형 부싱을 형성하고 9.50mm의 중심 축을 통과합니다.
  2. 각 부싱의 보어에 베어링이 달린 볼 한 개를 누릅니다. 부싱을 4방향 티 피팅의 두 개의 병렬 포트에 삽입하고 외부에 베어링을 삽입합니다. 부싱은 티 피팅에 꼭 맞아야 합니다. (도피에서 피벗 어셈블리 회로도를 참조하십시오. 2b.
  3. 알루미늄 직각 압출의 길이 100mm 길이 2개를 잘라냅니다. 압출의 긴 측면의 중간에 3.2mm 구멍을 드릴, ~45 mm 기지에서. 압출의 짧은 측면의 끝 근처에 두 개의 장착 구멍을 드릴.\
  4. 4방향 티 피팅에 두 개의 베어링을 통해 샤프트를 삽입합니다. 심지어 길이는 각 끝에 노출되어야한다. 오른쪽 각도 압출을 노출된 샤프트 끝에 밀어 내립니다. 장착 구멍을 통해 작업 표면에 직각 압출을 나사. 샤프트의 노출된 끝에 샤프트 칼라를 설치하여 어셈블리를 직각 브래킷 사이에 중앙으로 유지합니다.
  5. 짧은(~18mm)과 길이(~36cm) 길이의 42.16mm 바깥쪽 직경 PVC 파이프를 잘라냅니다. 짧은 길이를 4방향 티 피팅의 수평 포트에 삽입하고 긴 길이를 수직 포트에 삽입합니다. 수평 길이의 끝에 파이프 캡을 삽입합니다.
  6. 수평 파이프 암 캡 아래에 정밀 디지털 스케일(±0.1 또는 ±0.01g 권장)을 배치합니다.
  7. 프로펠러 모터를 장착하고 파이프 캡에 팬을 장착합니다. 프로펠러는 캡이 공기 흐름을 차단하지 않도록 오프셋되어야 합니다. 프로펠러 모터는 파이프 캡에 설치된 얇은 나사의 머리에 붙어있는 것이 좋습니다 (도 2c).

2. 실험 수행

  1. 가장 작은 프로펠러와 모터 파이프 캡을 수직 파이프 암에 장착합니다.
  2. 피벗 축에서 프로펠러 모터축(Lprop)까지의거리(모멘트 암)를 기록하고 피벗 축에서 수평 암의 접촉점에 이르기까지 스케일에 기록합니다.
  3. 프로펠러 모터를 가변 전압 DC 전원 공급 장치(꺼기)에 연결합니다.
  4. 축척을 켜고 읽기(0)를 돌립니다.
  5. 전원 공급 장치를 켜고 최대 3.8V까지 ~ 0.4 V 단위로 전압을 다릅니다. 각 케이스에 대해, 전압, 제공된 전류, 스케일 판독(그램) 및 스케일 범위를 일정한 작동 시 기록합니다(일반적으로 ~0.3 - 5.0 g의 진동). 프로펠러 블레이드를 탭하여 회전을 시작해야 할 수도 있습니다. 공기 흐름이 올바른 방향으로(모터 뒤쪽으로 흐르고 있음)인지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 전원 공급 장치에 대한 양수 및 음수 리드를 반전시면 됩니다.
  6. 사용 가능한 경우 열 풍속계를 사용하여 몇 가지 조건에서 프로펠러(다운스트림) 바로 뒤에 있는 공기 속도를 측정합니다. 속도는 프로펠러 면 영역에 따라 다르므로 이는 크기 의 순서 측정에 불과합니다.
  7. 다른 모터 및 프로펠러 및 PC 냉각 팬의 경우 2.1 - 2.6 단계를 반복합니다. 팬은 최대 12V까지 작동할 수 있습니다.

3. 분석

  1. Eqn. 4를 사용하여 각 측정 된 케이스에 대해 프로펠러 및 팬 추력(T)을계산합니다. 불확실성의 주요 원인은 작업 중 스케일 판독의 변동/진동입니다. 이 범위(2.5단계)를 Eqn. 4의 m로 대체하여 추력 불확실성을 결정합니다.
  2. 각 사례에 대해 입력 전원을 Equation 8 계산합니다. 불확실성은 Equation 10 ΔI와 ΔV가 전류 및 전압 측정 불확실성(0.005 A 및 0.005 V)인 경우로 추정할 수 있습니다.
  3. 각 케이스에 대해 추력 효율을 Equation 11 계산합니다. 추력 효율에 대한 불확실성은 Equation 12 것입니다.
  4. 측정된 추력을 적혈구 속도(Eqn. 3)를 사용하여 추정된 이론적 값과 비교합니다. 여기서 콘센트 영역은 프로펠러 /팬 얼굴 영역, 허브 또는 모터 영역이 적을 것으로 추정 할 수 Equation 13 있습니다. 이러한 값은 측정된 값과 어떻게 비교됩니까?

유체 추진 시스템은 기계적 설계에서 유비쿼터스이며 기계적 시스템과 유체 사이에 상대적인 힘을 적용해야 할 때마다 활용됩니다. 모든 공기 및 수공예는 유체 추진 시스템을 사용하여 주변 유체를 통해 가속 및 조향에 필요한 추진력 또는 추력을 제공합니다. 그들의 사용은 비록 차량에 국한되지 않습니다. HVAC 장비와 같은 고정 시스템도 추진 시스템을 사용합니다. 그러나 이러한 경우 그들은 유체 자체의 순환을 구동합니다. 이 비디오는 프로펠러와 팬을 포함하는 범주인 개방형 작동 유체 추진 시스템에 의해 추력이 어떻게 생성되는지 보여줍니다. 그리고 실험실에서 추력 및 추력 효율을 어떻게 추정하고 측정할 수 있는지 를 보여줍니다.

비행기 프로펠러 나 보트 소품과 같은 개방형 작동 유체 추진 시스템에서 추력은 주변 유체를 높은 속도로 가속화하여 생성됩니다. 이러한 시스템은 큰 업스트림 영역에서 유체를 끌어내고 좁은 제트기에서 하류를 소모합니다. 프로펠러 면의 면적과 거의 동일한 아웃 유동 영역을 가진다. 제어 볼륨 접근 방식을 취하여 추력이 어떻게 생성되는지 살펴보겠습니다. 먼저 프로펠러 주변의 스트림 라인을 따라 제어 볼륨을 생성하여 섭취 영역에서 아웃 유동 영역으로 확장합니다. 섭취시 제어 부피로의 질량 유량은 업스트림 유체 밀도, 섭취 영역 및 업스트림 유체 속도의 산물이다. 마찬가지로, 배기시 제어 부피에서 의 질량 유량은 다운스트림 유체 밀도, 유출 영역 및 다운스트림 유체 속도의 산물이다. 정의에 의해 유선형 경계를 가로질러 질량 흐름이 발생하지 않습니다. 꾸준히 작동하는 동안 제어 부피 내부의 질량은 일정하게 유지되어야 합니다. 그런 다음, 질량의 보존에 의해, 유출 영역을 통해 출구 질량의 속도는 섭취 영역을 통해 입력 질량의 속도와 같아야한다. 이제 섭취량과 유출 밀도가 거의 같기 때문에 유출 속도는 유입률에서 유출 면적에 대한 섭취량 비율로 배율이 있는 섭취량 속도와 동일합니다. 흡기 면적은 유출 면적보다 훨씬 크므로 유출 속도가 흡기 속도보다 훨씬 높을 것입니다. 비슷한 방식으로, 모멘텀의 보존은 프로펠러, 추력에 힘으로 나타나는 제어 볼륨의 모멘텀 유량의 차이를 필요로한다. 질량 유량의 균형을 이루고 유출 속도가 흡기 속도보다 훨씬 높기 때문에 섭취 속도 의 기여도는 무시할 수 있습니다. 이 결과에서 질량 유량 기간을 확장하면 추력이 유출 영역과 속도에 의해 잘 근사된다는 것을 알 수 있습니다. 모든 추진 시스템 전력은 추력을 생성하기 위해 외부 소스에 의해 공급된다. 그리스 문자 eta에 의해 여기에 표시된 시스템의 추력 효율은 입력 전력에 생성된 추력의 비율로 정의됩니다. 예를 들어, 모델 항공기 프로펠러와 PC 팬은 전기 모터에 의해 구동됩니다. 추력이 알려지면 전기 입력 전력으로 분할하면 추력 효율이 생성됩니다. 다음 섹션에서는 정적 테스트 스탠드를 사용하여 일부 작은 추진 시스템의 추력 및 추력 효율을 측정합니다. 그런 다음 측정된 추력을 유출 속도에 따라 추정과 비교합니다.

텍스트에 설명된 대로 테스트 스탠드를 조립하고 작업 대원에서 설정합니다. 스탠드에는 조인트의 피벗이 지원하는 견고한 "L" 섹션이 있습니다. 짧은 수평 암의 끝 아래에 정밀 도수를 배치합니다. 짧은 팔의 디지털 스케일에서 토크는 긴 팔에 추력에 의해 생성 된 토크의 균형을 것입니다. 그리고 길이의 차이는 더 정확한 판독값을 산출하기 위해 스케일에 의해 측정 된 힘을 증폭. 테스트 스탠드를 조립하여 가장 작은 프로펠러를 긴 수직 암에 장착하고 프로펠러 축을 정렬하여 짧은 팔과 평행하게 합니다. 소품 직경과 허브 직경을 측정하고 기록합니다. 이제 두 순간 팔의 길이를 측정하고 기록합니다. 긴 팔은 피벗 축에서 프로펠러 축으로 측정해야 합니다. 그리고 짧은 암은 피벗 축에서 스케일의 접점으로 측정되어야 합니다. 모터를 가변 DC 전원 공급 장치에 연결하고 켜서 공기 흐름방향을 확인하여 스케일에 하향 힘이 되도록 지시해야 합니다. 공급을 끄고 필요한 경우 전기 연결을 반전하여 기류 방향을 수정합니다. 모터가 완전히 여전히 스케일을 고수할 때. 공급을 켜고 0 볼트에서 전압을 증가, 포인트 네 볼트 증가, 하지만 모터 최대 공급 전압을 초과하지. 전압의 각 단계에 대해 모터가 안정화될 때까지 기다린 다음 전압, 전류, 평균 스케일 판독 및 스케일 범위를 기록합니다. 열 적혈구계를 사용할 수 있는 경우 낮은 입력 전압과 높은 입력 전압에 대한 유출 공기 속도를 측정합니다. 유출 속도는 위치에 따라 달라지므로 크기 측정 순서에 불과합니다. 더 큰 모터와 PC 팬에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 측정이 완료되면 데이터를 분석할 준비가 되었습니다.

작은 프로펠러에 대해 수집된 데이터를 살펴보십시오. 각 공급 전압에 대해 공급 전류와 스케일 판독값도 있습니다. 또한 유출 공기 속도에 대한 몇 가지 측정이 있어야 합니다. 공급 전압의 모든 값에 대해 다음 계산을 수행합니다. 축척 판독에서 추력을 계산합니다. 스케일의 힘은 중력으로 인한 가속도의 판독 시간입니다. 그리고 추력은 이전에 측정 된 순간 팔의 비율에 의해 확대된 이 힘입니다. 이제 입력 전원을 모터에 계산하여 전압과 전류의 제품일 뿐입니다. 다음으로 추력 및 입력 전력의 비율을 취하여 추력 효율을 계산합니다. 유출 속도를 측정하면 추력을 예측하는 데 사용할 수 있습니다. 먼저 소품과 허브 영역 의 차이를 취하여 대략적인 유출 영역을 계산합니다. 그런 다음 이 결과를 측정된 속도와 결합하여 이전의 추력 방정식을 사용하여 추력을 추정합니다. 텍스트에 표시된 대로 측정 불확실성을 전파하여 최종 결과의 불확실성을 결정합니다. 큰 프로펠러 및 팬에 대해 이러한 계산을 반복합니다.

먼저 추력을 세 장치 모두에 대한 입력 전원 함수로 플로팅합니다. PC 팬은 세 가지 중 가장 높은 추력을 생성하며 최대 입력 전력이 훨씬 높습니다. 소형 프로펠러는 주어진 입력 전력에서 큰 주력보다 약간 더 많은 추력을 생성하지만 큰 팬은 더 높은 출력으로 작동 할 수 있습니다. 이제 추력 효율을 입력 전력의 함수로 비교합니다. 대형 프로펠러의 추력 효율은 상당히 일정하게 유지되지만 다른 두 장치에 대한 전력이 증가함에 따라 효율성이 떨어집니다. 유출 공기 속도의 측정을 수행한 경우 이를 기반으로 한 추력의 예상 범위를 테스트 스탠드에서 측정한 추력과 비교합니다. 예측과 측정 간에 좋은 합의를 찾아야 합니다. 그러나 유출 속도의 대략적인 측정으로 인해 이 분석은 질적 것으로 해석되어야 합니다.

유체 추진 시스템은 다양한 기계적 및 자연 발생 시스템에서 유비쿼터스입니다. 이동성은 생존을 위해 많은 수중 생물에게 중요하며, 그 결과 다양한 자연 추진 시스템이 진화했습니다. 두족류의 제트 추진, 물고기의 지느러미, 아메바의 플래그젤라가 몇 가지 예입니다. 이러한 시스템이 어떻게 작동하는지 배우는 것은 이러한 동물이 어떻게 살고 환경과 상호 작용하는지 이해하는 데 중요합니다. 풍차와 터빈은 이 비디오에서 다루는 동일한 원칙을 적용하지만 반대로 적용됩니다. 저장 전력을 사용하여 추력을 생성하는 대신, 이러한 시스템은 공기로부터 추진력과 에너지를 추출합니다. 풍차의 회전 축은 기계적 공정을 구동하거나 다른 전기를 생산하기 위해 발전기에 연결 될 수 있습니다.

당신은 추진과 추력에 대한 조브의 소개를 보았다. 이제 개방형 작동 유체 추진 시스템으로 추력을 생성하는 기본 원칙을 이해해야 합니다. 또한 소규모 정적 추력 테스트를 수행하고 추력 효율을 결정하는 방법을 배웠습니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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도 3a에서, 추력 대 전력 곡선은 이 실험에서 평가된 세 개의 추진 장치에 대해 제시된다. 팬은 0.68± 0.02 N에서 0.02 N을 ± 0.08 W 입력 파워를 달성했습니다. 더 작은 프로펠러는 더 큰 프로펠러보다 입력 전력당 약간 더 많은 추력을 생성하지만 최대 작동 전압은 2.66 ± 0.04 W. 도 3b는 세 장치에 대한 추력 효율을 제공합니다. 소형 프로펠러와 팬의 경우 일반적으로 전력 입력이 증가함에 따라 효율성이 감소합니다. 더 큰 프로펠러의 효율은 η ~ 0.03 N W-1에서상대적으로 일정하다.

측정된 출구 속도에 따른 이론적 추력 값은 표 1에서 직접 측정된 추력 값과 비교됩니다. 이러한 경우 측정된 속도는 프로펠러/팬 면 영역에 따라 다르므로 단일 값이 아닌 속도와 예측된 추력 범위가 보고됩니다. 일반적으로 예측값과 측정값 간에 합당한 합의가 발견되며, 이는 원칙 섹션에 설명된 이론에 대한 확인을 제공합니다. 그러나 측정된 속도 범위는 어떤 경우에는 매우 넓기 때문에 이 분석은 질적일 뿐입니다.

Figure 3
도 3: (a) 추력 및 (b) 3개의 연구된 추진 장치에 대한 추력 효율 곡선.

추진 장치(아웃) 전원 입력(W) 아울렛 속도 범위 (m s-1) 예측 된 추력 범위 (N) 측정 된 추력 (N)
소형 프로펠러
(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
대형 프로펠러
(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 냉각 팬
(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

표 1 - 측정된 출구 속도 범위에 따라 직접 측정된 추력을 기준으로 예측 된 추력의 비교.

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Applications and Summary

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이 실험은 항공기와 선박에서 발견되는 유체 추진 장치의 기본 작동 원리를 소개했습니다. 모델 항공기 프로펠러와 PC 냉각 팬의 추진 능력을 측정하기 위해 정적 추력 테스트 플랫폼이 구축되었습니다. 생성된 추력 및 추진 효율(입력 전력당 추력)을 측정하고 비교하였다. 이론적 추력 값은 다운스트림 제트 속도에 따라 추정되었다. 추진 시스템 성능의 측정 및 등급은 작은 스케일에서 볼 수 있듯이 유체 추진 시스템 개발의 핵심 단계이며 엔진이 필요한 추력 수준을 제공하는 데 매우 중요합니다.

유체 추진 시스템은 거의 모든 항공기와 선박에 사용됩니다. 여기서 고려되는 구성에서 업스트림 주변 유체는 주변 압력에서도 높은 속도의 다운스트림 제트로 가속됩니다. HVAC 공기 처리기, 공기 압축기 또는 증기 발전소 액체 펌프와 같은 장치에서는 유동 속도를 높이기 보다는 유체를 가압하기 위해 상당한 양의 입력 작업이 공급됩니다. 그러나 제어 볼륨 질량 및 모멘텀 유량 저울에 따라 동일한 일반적인 해석 원칙을 적용할 수 있습니다. 풍력 터빈 및 증기 터빈과 같은 장치는 유사한 원리로 작동하지만 유체 흐름에서 추진력과 에너지를 추출하여 기계적 및 전력을 생산합니다.

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Transcript

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