Overview
Fuente: Alexander S Rattner; Departamento de ingeniería mecánica y Nuclear, la Universidad Estatal de Pensilvania, University Park, PA
Aviones, cohetes y naves producen propulsión mediante la aceleración de los productos de combustión de líquidos o de alta temperatura a alta velocidad. Por el principio de conservación del ímpetu, la velocidad del fluido mayor resulta en una fuerza de empuje eficaz del vehículo. La capacidad de empuje de sistemas de propulsión se mide a menudo con las pruebas de empuje estático. En estas pruebas, sistemas de propulsión son montados y operados en plataformas fijas, instrumentadas, y la fuerza de retención en los Montes se mide como la fuerza de empuje
En este experimento, una instalación de medición de empuje estático en pequeña escala construida y modelada. Las líneas curvas para dos motores de avión modelo y sistemas de hélice y un equipo de enfriamiento del ventilador serán medidos. También se evaluará la eficiencia de empuje (fuerza de empuje / potencia eléctrica de entrada). Mide el empuje que los valores se compararán con las predicciones teóricas basadas en velocidades de aire medido.
Principles
Mecanismos de propulsión fluido de operación abierto, como apoyos de barco, hélices de avión o motores de avión fanjet producen empuje acelerando el ambiente líquido a una velocidad alta. Durante la operación, estos dispositivos sacar líquido de consumo de una amplia zona de aguas arriba y agotarlo abajo como un jet de alta velocidad estrecho (Fig. 1). El área del escape es aproximadamente igual al aire de cara de la hélice. Masa e ímpetu saldos tasa de flujo sobre el volumen de control, incluyendo la toma de aguas arriba y rendimiento del jet del extractor los siguientes resultados:
(1)
(2)
Aquí, 
es la tasa de flujo másico, ρ es la densidad del fluido, A es el área de flujo, U es la velocidad del fluido, y T es la fuerza resultante de empuje. Como se muestra en la figura 1, la zona de consumo es mucho mayor que las densidades de la zona y la entrada y salida de escape jet son aproximadamente iguales. Como tal, la velocidad de escape debe ser mucho mayor que la velocidad de entrada (
, y la tasa de flujo del impulso de entrada es despreciable (
). El empuje resultante teórico es:
(3)
La idea de sistemas de propulsión de aviones de modelo es relativamente pequeña, menos que 0.1 N en muchos casos. Para habilitar la medición de estas fuerzas, se construirá un banco de prueba del brazo de palanca base aquí (Fig. 2a). La estructura de la prueba gira sobre un rodamiento de baja fricción tal que el esfuerzo de torsión de la hélice en el extremo de un brazo (longitud Lapoyo de cojinete de eje al centro del motor) equilibra el esfuerzo de torsión de una escala digital deprimida por un más corto (brazo de momento L de escala). Esta configuración amplifica la fuerza de empuje en la escala de rendimiento de una lectura más precisa. Si la báscula está tarada (cero) cuando la hélice está desactivada, que el empuje medido durante la hélice operación puede determinarse con la ecuación 4. Aquí, m es la masa de la lectura en la escala.
(4)
La energía eléctrica suministrada a la hélice o ventilador puede ser determinada como 
, donde I es la corriente (en amperios) y V es el voltaje. Una eficiencia de empuje puede ser definida como 
(en Newtons por vatio).
Figura 1: Volumen de Control para el flujo a través de un dispositivo de propulsión de fluidos
Figura 2: a. esquema de instalación de prueba de empuje estático. b. vista de detalle de montaje de pivote. c. fotografía de instalación experimental.
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Procedure
1. fabricación del sistema de prueba de empuje estático (ver esquemas y fotografía, Fig. 2)
- Formar dos casquillos cilíndricos en un torno con diámetro exterior 42,16 m m, longitud de ~ 10 mm y diámetro con el eje central de 9,50 mm.
- Presione una brida cojinete de bolas en el agujero en cada buje. Inserte el flush de bujes en los dos puertos paralelos de la t 4 vías conexión, con los cojinetes en el exterior. Los bujes deberían caber estrechamente en la guarnición de la te. (Ver el montaje de pivote esquemático en la figura 2b.
- Cortar dos tiras largo 100 mm el ángulo recto de extrusión de aluminio. Perfore un agujero de 3,2 mm en el centro del lado más largo de las protuberancias, ~ 45 m m encima de la base. Perfore dos agujeros cerca de los extremos de los lados más cortos de la protuberancia. \
- Introduzca el eje a través de los dos rodamientos en la conexión en t de 4 vías. Incluso longitudes se deben exponer en cada extremo. Deslice las extrusiones de ángulo recto en los extremos del eje expuesto. Tornillo de la protuberancia de ángulo recto a la superficie de trabajo a través de los orificios de montaje. Instale las abrazaderas de eje en los extremos expuestos del eje para mantener la Asamblea centrado en el entre los soportes de ángulo recto.
- Corte corto (~ 18 mm) y largo (~ 36 cm) longitudes de 42,16 mm tubos de PVC de diámetro exterior. Introduzca la longitud corta en el horizontal puerto de la conexión en t 4-way y la larga duración en el puerto de vertical. Inserte el casquillo de la pipa en el extremo de la longitud horizontal.
- Colocar una báscula digital de precisión (±0. 1 o ±0. 01 g recomendado) debajo de la tapa de brazo horizontal de la tubería.
- Montar los motores de hélice y ventilador en casquillos de la pipa. Las hélices deben compensarse para que las tapas no bloqueen el flujo de aire. Se recomienda que los motores de hélice se pegan a las cabezas de tornillos delgados instalados en casquillos de la pipa (Fig. 2 c).
2. realización de experimentos
- Montar el propulsor más pequeño y tapa de motor tubo en el brazo vertical de la pipa.
- Registrar las distancias (brazos de momento) desde el eje de pivote del eje motor de hélice (Lprop) y desde el eje de pivote para el punto de contacto del brazo horizontal de la escala.
- Conectar el motor de la hélice a una fuente de alimentación de voltaje variable DC (apagada).
- Encienda la báscula y tara (cero) la lectura.
- Encienda el suministro de energía y variar la tensión en incrementos de ~0.4 V a 3,8 V. Para cada caso, el registro de la tensión, corriente, lectura de la escala (en gramos), y escala de rango durante la operación constante (típicamente oscila por ~0.3 - 5,0 g). Puede ser necesario golpear la hoja de hélice comenzar de spinning. Asegúrese que el flujo de aire en la dirección correcta (que fluye hacia la parte posterior del motor). Si no, invierta los conductores positivos y negativos de la fuente de alimentación.
- Si está disponible, utilizar un anemómetro térmico para medir la velocidad de aire justo detrás (aguas abajo) de la hélice en unas condiciones. La velocidad varía en la zona de la cara del propulsor, así que esto es sólo una medida de orden de magnitud .
- Repita los pasos 2.1-2.6 para el otro motor y propulsor y el ventilador de la PC. El ventilador puede funcionar a 12 V.
3. Análisis
- Ecuación. 4, calcular los empujes del propulsor y fan (T) para cada caso medido. La mayor fuente de incertidumbre es la variación/oscilación en la escala de lectura durante el funcionamiento. Sustituye esta gama (paso 2.5) m en ecuación 4 para determinar la incertidumbre de empuje.
- Para cada caso, calcular la potencia de entrada
. La incertidumbre puede estimarse como 
, donde Δ y ΔV las incertidumbres de medición corriente y tensión (0.005 A y 0.005 V aquí). - En cada caso calcular la eficiencia de empuje
. La incertidumbre para la eficacia de empuje sería 
. - Comparar los empujes medidos con los valores teóricos estimados usando las velocidades de anemómetro (ecuación. 3). Aquí la zona de salida puede ser estimada como la zona de la cara del propulsor/del ventilador, menos el área del eje o motor:
. ¿Cómo estos se comparan con los valores de medición?
, donde Δ y ΔV las incertidumbres de medición corriente y tensión (0.005 A y 0.005 V aquí).
. La incertidumbre para la eficacia de empuje sería 
.
. ¿Cómo estos se comparan con los valores de medición?Sistemas de propulsión de fluidos son omnipresentes en el diseño mecánico y se utilizan en cualquier momento una fuerza relativa debe aplicarse entre un líquido y un sistema mecánico. Todas las embarcaciones de aire y el agua emplean sistemas de propulsión de fluidos para proporcionar propulsión fuerzas o empuja para aceleración y dirección a través del fluido circundante. Su uso no es limitado a los vehículos. Sistemas fijos tales como equipo de HVAC también utilizan sistemas de propulsión. Pero en estos casos la circulación del fluido mismo. Este video ilustra cómo empuje es producido por sistemas de propulsión fluido de operación abierta, una categoría que incluye ventiladores y hélices. Y demostrar cómo empuje y empuje de eficiencia puede ser estimada y medida en el laboratorio.
El impulso de sistemas de propulsión fluido de operación abierta, como propulsores de aeroplano o apoyos del barco, es producido por acelerar el ambiente líquido a una velocidad alta. Estos sistemas de extraer líquido de un área aguas arriba y agotan abajo en un chorro estrecho. Con una salida de flujo de área aproximadamente igual a la zona de la cara de la hélice. Vamos a ver cómo se genera empuje adoptando un enfoque de volumen de control. Comenzar con la construcción de un volumen de control a lo largo de las líneas de corriente alrededor de la hélice, que se extiende desde la zona de entrada a la salida de área de flujo. La tasa de flujo de masa en el volumen de control en el consumo es el producto de la densidad del fluido aguas arriba, la zona de entrada y la velocidad del fluido aguas arriba. Asimismo, la tasa de flujo másico fuera del control de volumen en los gases de escape es el producto de la densidad del fluido aguas abajo, la zona de salida y la velocidad del fluido corriente abajo. No hay flujo de masa se producirá a través de la frontera optimizada por definición. Durante la operación constante la masa dentro del volumen de control debe permanecer constante. Entonces, por la conservación de la masa, la tasa de masa saliendo por la zona de salida debe ser igual a la tasa de masa entrando por el área de admisión. Ahora porque las densidades de entrada y salida son aproximadamente iguales, la velocidad de salida será igual a la velocidad de ingesta escalada por la relación de consumo al área de salida. Desde el área de admisión es mucho más grande que el área de salida, la velocidad de salida será mucho mayor que la velocidad de ingesta. De manera similar, conservación del ímpetu requiere que cualquier diferencia en las tasas de flujo de impulso de y en el volumen de control se manifiesta como una fuerza de la hélice, la fuerza de empuje. Puesto que las tasas de flujo de masa hacia adentro y hacia afuera están en equilibrio y la velocidad de salida es mucho mayor que la velocidad de consumo, la contribución del término de velocidad de entrada es despreciable. Ampliar el término de velocidad de flujo de masa en este resultado muestra que el empuje se aproxima bien por la zona de salida y la velocidad. En cualquier propulsión sistema energía es suministrada por una fuente externa para generar el empuje. La eficiencia de empuje del sistema, aquí denotada por la letra griega eta, se define como el cociente entre el empuje generado a la potencia de entrada. Por ejemplo, hélices de aviones de modelo y los ventiladores de la PC son conducidos por un motor eléctrico. Si se conoce la fuerza de empuje, dividiéndola por la energía de entrada eléctrica dará la eficacia de empuje. A continuación medimos el empuje y la eficiencia de empuje de algunos sistemas de propulsión pequeños utilizando un banco de prueba estático. Y luego comparar el empuje medido a un cálculo basado en la velocidad de salida.
Montar el pedestal de prueba como se describe en el texto y configurarlo en el Banco de trabajo. El soporte tiene una sección de rígido "L" soportada por un pivote a la articulación. Posición de la balanza de precisión en el extremo del brazo horizontal corto. Esfuerzo de torsión de la balanza digital en el brazo corto equilibrará cualquier esfuerzo de torsión generado por el empuje en el brazo largo. Y la diferencia en longitud amplifica la fuerza medida por la escala para obtener una lectura más precisa. Con el Banco de prueba montado, montar el propulsor más pequeño en el brazo vertical largo y alinee el eje de la hélice de manera que esté paralela con el brazo corto. Mida y registre el diámetro de la hélice y el diámetro del eje. Ahora, mida y registre la longitud de ambos brazos de momento. Brazo largo debe medirse desde el eje de pivote del eje de la hélice. Y el brazo corto se debe medir desde el eje de pivote para el punto de contacto en la escala. Conecte el motor a una fuente de corriente continua variable y vuelta a comprobar la dirección del flujo, que debe orientarse para que haya una fuerza hacia abajo en la escala. El suministro y si es necesario corregir la dirección del aire mediante la inversión de la conexión eléctrica. Cuando el motor esté completamente todavía Tarar la báscula. Encienda el suministro y aumentar el voltaje de cero voltios, en incrementos de cuatro voltios de punto, hasta pero no superior a la tensión de alimentación máxima de motores. Para cada paso de la tensión de esperar a que el motor se estabilice y luego registro de la tensión, la lectura de la escala actual, promedio y el rango de la escala. Si se dispone de un anemómetro térmico, medir la velocidad de aire de salida para un voltaje de entrada baja y alta tensión de entrada. Tenga en cuenta que la velocidad de salida varía con la posición, así que esto es sólo una medida de la magnitud. Repita este proceso para el motor más grande y el ventilador de la PC. Una vez las mediciones está listo para analizar los datos.
Mirar los datos recogidos para la hélice pequeña. Para cada tensión de alimentación también hay una fuente de corriente y las lecturas de la escala. También debe tener unas medidas de la velocidad de aire de salida. Realizar los siguientes cálculos para cada valor de tensión de alimentación. Calcular el empuje de la lectura de la escala. La fuerza en la escala es la lectura veces la aceleración debido a la gravedad. Y la idea es esta fuerza magnificada por la relación del momento brazos medición anteriormente. Ahora para calcular la potencia de entrada al motor, que es simplemente el producto de la tensión y corriente. Al calcular la eficiencia de empuje tomando la relación entre el empuje y la energía de entrada. Si se midió la velocidad de salida puede utilizar para predecir la fuerza de empuje. Primero calcular el área de salida aproximado tomando la diferencia entre las áreas de apoyo y centro. Luego combinar este resultado con la velocidad medida para calcular el empuje utilizando la ecuación del empuje de antes. Propagar su incertidumbre de medición como se muestra en el texto para determinar la incertidumbre en sus resultados finales. Repetir estos cálculos para la hélice grande y ventilador.
Comience trazando el empuje en función de la potencia de entrada para los tres dispositivos. El ventilador del PC produce el empuje más alto de los tres, y tiene un máximo mayor entrada de energía. La pequeña hélice produce empuje un poco más que los grandes de cualquier poder de entrada dado, pero el ventilador grande es capaz en funcionamiento en energías más altas. Ahora comparar la eficiencia de empuje en función de la potencia de entrada. La eficiencia de empuje de la hélice grande sigue siendo bastante constante, pero la eficacia disminuye con el aumento de poder de los otros dos dispositivos. Si usted tomó cualquier medición de la velocidad de aire de salida, comparar el rango estimado de empujes basado en que el empuje medido desde el pedestal de prueba. Encontrará buen acuerdo entre la predicción y la medición. Pero debido a la medida aproximada de la velocidad de salida, este análisis sólo debe interpretarlas como cualitativa.
Sistemas de propulsión de fluidos son ubicuos en una variedad de sistemas mecánicos y naturales. La movilidad es fundamental para muchas criaturas bajo el agua para la supervivencia, y una gran variedad de sistemas de propulsión natural han evolucionado como resultado. Aletas de propulsión a chorro de cefalópodos, peces, y flagelos en Ameba son sólo algunos ejemplos. Aprender cómo funcionan estos sistemas es importante para comprender cómo estos animales viven e interactúan con su entorno. Molinos de viento y turbinas funcionan en los mismos principios cubiertos en este video, pero aplicado a la inversa. En lugar de utilizar energía almacenada para generar empuje, estos sistemas extraen el impulso y la energía del aire. El eje de rotación del molino de viento puede conducir a un proceso mecánico o bien estar conectado a un generador para producir electricidad.
Sólo ha visto la introducción de Zeus a propulsión y empuje. Ahora debe comprender los principios básicos de generar empuje con un sistema de propulsión de fluidos de operación abierta. También han aprendido a realizar las pruebas de empuje estático de pequeña escala y determinar la eficiencia de empuje. Gracias por ver.
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Results
En la figura 3a, el empuje vs curvas de energía se presentan para los tres dispositivos de propulsión evaluados en este experimento. El ventilador alcanza el empuje más alto, alcanzando 0.68 ± 0.02 N en 11.83 ± 0,08 W de alimentación. El propulsor más pequeño produce empuje un poco más por la energía de entrada que la hélice más grande, pero alcanza su máxima tensión a 2,66 ± 0,04 W. Fig. 3b presenta la eficiencia de empuje para los tres dispositivos. Para el pequeño propulsor y el ventilador, la eficiencia generalmente disminuye con el aumento de potencia de entrada. La eficiencia de la hélice más grande es relativamente constante en η ~ 0.03 W de N-1.
Se comparan valores de empuje teórico basados en velocidades de salida medida con valores de empuje medido directamente en la tabla 1. Para estos casos, las velocidades medidas varían sobre las áreas de cara ventilador propulsor, velocidad y rangos de empuje predicho se reportan, en lugar de valores individuales. En general, acuerdo razonable se encuentra entre los valores predichos y medidos, que proporciona la confirmación de la teoría descrita en la sección de principios. Sin embargo, rangos de velocidad medida eran bastante amplio en algunos casos, por lo que este análisis es sólo cualitativa.
Figura 3: (a) empuje y empuje (b) curvas de eficiencia para los tres dispositivos de propulsión estudiados.
| Dispositivo de propulsión (Acabo) | Entrada de energía (W) | Gama de velocidad de salida (m s-1) | Rango de empuje predicho (N) | Medida empuje (N) |
| Hélice pequeña (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 | |
| Gran propulsor (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 | |
| Ventilador de PC (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 |
Tabla 1 - comparación de empujes predichos basado en rangos de velocidad de salida medida con empujes directamente medidos.
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Applications and Summary
Este experimento introduce los principios básicos de funcionamiento de dispositivos de propulsión de fluidos encontrados aeronaves y embarcaciones. Se construyó una plataforma de prueba de empuje estático para medir la capacidad de propulsión de hélices de aviones de modelo y un ventilador de pc. Los empujes resultantes y la eficiencia de propulsión (empuje por energía de entrada) se midieron y compararon. También se estimaron en base a velocidades de chorro aguas abajo empuje teórico valores. Medición y calificación del desempeño del sistema de propulsión, como demostrado aquí en escalas pequeñas, es una etapa clave en el desarrollo de sistema de propulsión de fluidos y es fundamentales para garantizar niveles de empuje de motores entrega requerida.
Sistemas de propulsión de fluidos se emplean en casi todos los aviones y embarcaciones. En la configuración considerada aquí, fluido ambiente aguas arriba se acelera a un chorro de alta velocidad aguas abajo, también en la presión ambiente. En dispositivos tales como HVAC manejadoras de aire, compresores de aire o vapor planta bombas de líquido, una parte importante del trabajo de entrada se suministra para presurizar el fluido en lugar de sólo aumentar la velocidad de flujo. Sin embargo, pueden aplicarse los mismos principios generales de análisis, basado en balances de flujo de control volumen masa e ímpetu. Dispositivos tales como turbinas eólicas y turbinas de vapor también operan sobre principios similares, pero extraen el ímpetu y la energía de fluido para producir energía mecánica y eléctrica.
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