Propulsión y empuje

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.

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:

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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:

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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 L_apoyo 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.

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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.

1. fabricación del sistema de prueba de empuje estático (ver esquemas y fotografía, Fig. 2)

1. 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.
2. 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.
3. 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. \
4. 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.
5. 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.
6. Colocar una báscula digital de precisión (±0. 1 o ±0. 01 g recomendado) debajo de la tapa de brazo horizontal de la tubería.
7. 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

1. Montar el propulsor más pequeño y tapa de motor tubo en el brazo vertical de la pipa.
2. Registrar las distancias (brazos de momento) desde el eje de pivote del eje motor de hélice (L_prop) y desde el eje de pivote para el punto de contacto del brazo horizontal de la escala.
3. Conectar el motor de la hélice a una fuente de alimentación de voltaje variable DC (apagada).
4. Encienda la báscula y tara (cero) la lectura.
5. 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.
6. 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 .
7. 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

1. 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.
2. 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).
3. En cada caso calcular la eficiencia de empuje . La incertidumbre para la eficacia de empuje sería .
4. 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?

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.

Tabla 1 - comparación de empujes predichos basado en rangos de velocidad de salida medida con empujes directamente medidos.

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.