Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Mechanical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

Overview

מקור: אלכסנדר ס. רטנר; המחלקה להנדסה מכנית וגרעינית, אוניברסיטת מדינת פנסילבניה, פארק האוניברסיטאות, PA

מטוסים, רקטות וספינות מייצרים הנעה על ידי האצת הנוזלים הסובבים או מוצרי בעירה בטמפרטורה גבוהה למהירות גבוהה. בגלל עקרון שימור המומנטום, מהירות הנוזל המוגברת גורמת לכוח דחף יעיל על הרכב. יכולות הדחף של מערכות הנעה נמדדות לעתים קרובות עם בדיקות דחף סטטיות. בבדיקות אלה, מערכות ההנעה מותקנות ומופעלות על פלטפורמות קבועות ומנותנות, וכוח ההחזקה על ההרים נמדד כדחף

בניסוי זה, מתקן מדידת דחף סטטי בקנה מידה קטן יוקם ויסומן. עקומות הדחף עבור שני מנועי מטוסים מדגם ומערכות מדחף ומאוורר קירור מחשב יימדדו. יעילות דחף ייבחנו גם (כוח דחף / קלט חשמל). ערכי דחף נמדדים יושוו לתחזיות תיאורטיות המבוססות על מהירויות אוויר נמדדות.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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:

Equation 1(1)

Equation 2(2)

כאן, Equation 3 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 ( Equation 4 , וקצב זרימת התנע המפרצון זניח ( Equation 5 ). הדחף התיאורטי המתקבל הוא:

Equation 6(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.

Equation 7(4)

הכוח החשמלי המסופק למדחף או למאוורר יכול להיקבע כמו Equation 8 , איפה אני הזרם (באמפרים) ו- V הוא המתח. ניתן להגדיר יעילות דחף Equation 9 כ(בניוטון לוואט).

Figure 1
איור 1: שליטה בעוצמת הקול לזרימה באמצעות התקן הנעה נוזלי

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 (Lprop) 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 Equation 8 . אי הוודאות יכולה להיות מוערכת כמו Equation 10 , 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 Equation 11 . חוסר הוודאות ליעילות הדחף יהיה Equation 12 .
  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: Equation 13 . כיצד משתווים אותם לערכים נמדדים?

מערכות הנעה נוזליות נמצאות בכל מקום בתכנון מכני ומנוצלות בכל פעם שיש צורך בכוח יחסי בין מערכת מכנית לנוזל. כל כלי השיט האוויריים והמים משתמשים במערכות הנעה נוזליות כדי לספק כוחות הנעה או דחיפות הדרושות להאצה והיגוי דרך הנוזל שמסביב. השימוש בהם אינו מוגבל לכלי רכב. מערכות נייחות כגון ציוד HVAC משתמשות גם במערכות הנעה. אבל במקרים אלה הם מניעים את זרימת הנוזל עצמו. וידאו זה ימחיש כיצד דחף מיוצר על ידי מערכות הנעה נוזל פעולה פתוחה, קטגוריה הכוללת מדחפים ומאווררים. ולהדגים כיצד ניתן להעריך ולמדוד יעילות דחף במעבדה.

הדחף ממערכות הנעה של נוזל פעולה פתוחה, כגון מדחפי מטוסים או אביזרי סירה, מיוצר על ידי האצת נוזל הסביבה למהירות גבוהה. מערכות אלה שואבות נוזלים מאזור גדול במעלה הזרם וממצות אותו במורד הזרם במטוס צר. עם אזור זרימה חיצוני בערך כמו האזור של פני המדחף. בואו נראה כיצד נוצר דחף על-ידי נקיטת גישת נפח שליטה. התחל על ידי בניית נפח בקרה לאורך קווי הנחל סביב המדחף, המשתרע מאזור הצריכה לאזור הזרימה החיצונית. קצב זרימת המסה לתוך נפח הבקרה בצריכה הוא תוצר של צפיפות הנוזל במעלה הזרם, אזור הצריכה ומהירות הנוזל במעלה הזרם. באופן דומה, קצב זרימת המסה מתוך נפח הבקרה בעת הפליטה הוא תוצר של צפיפות הנוזלים במורד הזרם, אזור היציאה ומהירות הנוזל במורד הזרם. לא תתרחש זרימת מסה מעבר לגבול היעילה בהגדרה. במהלך פעולה קבועה המסה בתוך אמצעי האחסון של הפקד חייבת להישאר קבועה. לאחר מכן, על ידי שימור המסה, קצב היציאה ההמונית דרך אזור היציאה חייב להיות שווה לקצב הכניסה ההמונית דרך אזור הצריכה. כעת, מכיוון שצפיפות הצריכה והזרימה שווה בקירוב, מהירות היציאה תהיה שווה למהירות הצריכה שהקטנו ביחס הצריכה לאזור היציאה. מכיוון שאזור הצריכה גדול בהרבה מאזור היציאה, מהירות היציאה תהיה גבוהה בהרבה ממהירות הצריכה. באופן דומה, שימור המומנטום דורש שכל הבדל בקצב זרימת המומנטום מנפח הבקרה ומחוצה לו מתבטא ככוח על המדחף, הדחף. מכיוון שקצבי זרימת המסה פנימה והחוצה מאוזנים ומהירות היציאה גבוהה בהרבה ממהירות הצריכה, התרומה ממונח מהירות הצריכה היא זניחה. הרחבת טווח קצב זרימת המסה בתוצאה זו מראה כי הדחף משוער היטב על ידי אזור הזרימה והמהירות. בכל מערכת הנעה כוח מסופק על ידי מקור חיצוני כדי ליצור את הדחף. יעילות הדחף של המערכת, המוזכרת כאן על ידי האות היוונית eta, מוגדרת כיחס בין הדחף שנוצר לכוח הקלט. לדוגמה, מדחפי מטוסים מדגם ומאווררי PC מונעים על ידי מנוע חשמלי. אם הדחף ידוע, חלוקתה על ידי כוח הכניסה החשמלי תניב את יעילות הדחף. בסעיפים הבאים נמדוד את יעילות הדחף והדחף של כמה מערכות הנעה קטנות באמצעות עמדת בדיקה סטטית. ואז השווה את הדחף הנמדד להערכה המבוססת על מהירות היציאה.

הרכב את עמדת הבדיקה כמתואר בטקסט והגדר אותה על ספסל העבודה. לדוכן יש קטע "L" נוקשה הנתמך על ידי ציר במפרק. מקם את קנה המידה המדויק מתחת לסוף הזרוע האופקית הקצרה. מומנט מהסולם הדיגיטלי על הזרוע הקצרה יתאזן כל מומנט שנוצר על ידי דחף על הזרוע הארוכה. וההבדל באורכים מגביר את הכוח הנמדד לפי קנה המידה כדי להניב קריאות מדויקות יותר. עם עמדת הבדיקה המורכבת, הר את המדחף הקטן ביותר על הזרוע האנכית הארוכה ויישר את ציר המדחף כך שיהיה מקביל לזרוע הקצרה. מדוד ורשום את קוטר האבזר ואת קוטר הרכזת. עכשיו למדוד ולתעד את האורכים של שתי זרועות הרגע. יש למדוד את הזרוע הארוכה מציר הציר לציר המדחף. ויש למדוד את הזרוע הקצרה מציר הציר לנקודת המגע בסולם. חבר את המנוע לאספקת כוח DC משתנה והפעל אותו כדי לבדוק את כיוון זרימת האוויר, אשר צריך להיות מכוון כך שיש כוח כלפי מטה על הסולם. כבה את האספקה, ובמידת הצורך תקן את כיוון זרימת האוויר על-ידי היפוך החיבור החשמלי. כאשר המנוע הוא לגמרי עדיין tare קנה המידה. הפעל את האספקה והגדיל את המתח מאפס וולט, במרווחי נקודה ארבעה וולט, עד אך לא יעלה על מתח האספקה המרבי של המנועים. עבור כל צעד במתח המתן למנוע לייצב ולאחר מכן להקליט את קריאת המתח, הזרם, קנה המידה הממוצע וטווח קנה המידה. אם קיים מד ים תרמי, מדוד את מהירות האוויר התזרימי עבור מתח כניסה נמוך ומתח כניסה גבוה. שימו לב כי מהירות היציאה תשתנה בהתאם למיקום, כך שזה רק סדר של מדידת גודל. חזור על תהליך זה עבור המנוע הגדול יותר ומאוורר המחשב. לאחר השלמת המדידות אתה מוכן לנתח את הנתונים.

תראה את הנתונים שנאספו עבור המדחף הקטן. עבור כל מתח אספקה יש גם זרם אספקה ואת קריאות קנה המידה. אמורות להיות לך גם כמה מדידות של מהירות האוויר התזרימי. בצע את החישובים הבאים עבור כל ערך של מתח אספקה. חשב את הדחף מקריאת קנה המידה. הכוח בסולם הוא הקריאה כפול התאוצה עקב כוח המשיכה. והדחף הוא הכוח הזה מוגדל על ידי היחס בין הרגע זרועות נמדדו קודם לכן. עכשיו לחשב את כוח הכניסה למנוע, שהוא פשוט התוצר של המתח והזרם. לאחר מכן לחשב את יעילות הדחף על ידי לקיחת היחס של הדחף ואת כוח הקלט. אם מהירות היציאה נמדדה, ניתן להשתמש בה כדי לחזות את הדחף. תחילה חשב את אזור היציאה המשוער על-ידי לקיחת ההפרש בין אזורי האביזר והרכזת. לאחר מכן שלבו תוצאה זו עם המהירות הנמדדת כדי להעריך את הדחף באמצעות משוואת הדחף מקודם. הפץ את אי הוודאות של המדידה שלך כפי שמוצג בטקסט כדי לקבוע את אי הוודאות בתוצאות הסופיות שלך. חזור על חישובים אלה עבור המדחף הגדול והמאוורר.

התחל על-ידי התוויית הדחף כפונקציה של כוח קלט עבור כל שלושת ההתקנים. מאוורר המחשב מפיק את הדחף הגבוה ביותר של השלושה, ויש לו כוח קלט מרבי גבוה בהרבה. המדחף הקטן מייצר מעט יותר דחף מהגדול בכל כוח קלט נתון, אך המאוורר הגדול מסוגל לפעול בכוחות גבוהים יותר. עכשיו להשוות את יעילות הדחף כפונקציה של כוח הקלט. יעילות הדחף של המדחף הגדול נשארת קבועה למדי, אך היעילות יורדת עם כוח גובר עבור שני המכשירים האחרים. אם ביצעת מדידות כלשהן של מהירות האוויר התזרימי, השווה את טווח הדחפים המשוער בהתבסס על אלה לדחף הנמדד מעמדת הבדיקה. אתה צריך למצוא הסכמה טובה בין החיזוי למדידה. אבל בשל המדידה המשוערת של מהירות היציאה, ניתוח זה צריך להתפרש רק כאיכותי.

מערכות הנעה נוזליות נמצאות בכל מקום במגוון מערכות מכניות וטבעיות. ניידות היא קריטית ליצורים תת-מימיים רבים להישרדות, וכתוצאה מכך התפתחו מגוון גדול של מערכות הנעה טבעיות. הנעה סילונית מצפלופודים, סנפירים על דגים ופגלה על אמבה הן רק כמה דוגמאות. חשוב ללמוד כיצד מערכות אלה פועלות כדי להבין כיצד בעלי חיים אלה חיים ומתקשרים עם סביבתם. טחנות רוח וטורבינות פועלות על אותם עקרונות המכוסים בסרטון זה, אך מיושמות הפוך. במקום להשתמש בכוח מאוחסן כדי ליצור דחף, מערכות אלה לחלץ מומנטום ואנרגיה מהאוויר. הפיר המסתובב של טחנת הרוח יכול להניע תהליך מכני או אחר להיות מחובר לגנרטור כדי לייצר חשמל.

הרגע צפית בהקדמה של יובה להנעה ודחף. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות הבסיסיים של יצירת דחף עם מערכת הנעה נוזל פעולה פתוחה. למדת גם כיצד לבצע בדיקות דחף סטטי בקנה מידה קטן ולקבוע את יעילות הדחף. תודה שצפיתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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.

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

התקן הנעה (Aהחוצה) קלט הספק (W) טווח מהירות שקע (m-1) טווח דחף חזוי (N) דחף נמדד (N)
מדחף קטן
(0.0016 מ'2)
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
מדחף גדול
(0.0042 מ'2)
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
מאוורר קירור מחשב
(0.0077 מ'2)
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

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter