Propulsion et poussée

Source : Alexander S Rattner ; Département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA

Avions, fusées et navires produisent la propulsion en accélérant entourant des produits de combustion de fluides ou de haute température à grande vitesse. En raison du principe de la conservation du moment, l’augmentation de la vitesse liquide se traduit par un effort de Poussée apparente sur le véhicule. Les fonctionnalités de la poussée des systèmes de propulsion sont souvent mesurées avec essais de poussée statique. Pour ces essais, systèmes de propulsion sont montées et exploités sur les plates-formes fixes, instrumentés, et la force de retenue sur les montures est mesurée comme la Poussée

Dans cette expérience, une installation de mesure de poussée statique à petite échelle est construite et modélisée. L’idée maîtresse courbes pour les deux moteurs d’avion modèle et systèmes d’hélices et un ordinateur ventilateur de refroidissement seront mesurés. Efficacité de Poussée est également évaluées (force de Poussée / puissance électrique absorbée). Mesuré la poussée des valeurs seront comparées avec les prédictions théoriques basées sur les vitesses mesurées dans l’air.

Mécanismes de propulsion liquide ouvert-opération, tels que les accessoires de bateau ou avion ou moteurs d’avion fanjet produisent la poussée en accélérant le fluide ambiant à une grande vitesse. Au cours de l’opération, ces dispositifs dans le liquide de l’apport en tirer une grande surface en amont et il en aval d’échappement comme un jet étroit à haute vélocité (Fig. 1). La section de sortie est approximativement égale à l’air de visage d’hélice. Masse et quantité de mouvement déborder le volume de contrôle, y compris l’apport en amont des équilibres de taux et d’échappement à rendement jet les résultats suivants :

(1)

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Ici, est le débit massique, ρ est la densité du fluide, A est la zone de flux, U est la vitesse du fluide et T est la force de Poussée qui en résulte. Comme illustré à la figure 1, la zone d’absorption est beaucoup plus grande que les densités de zone et l’entrée et la sortie du jet de gaz d’échappement sont approximativement égale. Par conséquent, la vitesse d’échappement doit être beaucoup plus grande que la vitesse d’aspiration (, et la vitesse d’écoulement d’admission dynamique est négligeable (). L’orientation théorique qui en résulte est :

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La poussée des systèmes de propulsion d’avions modèles est relativement faible, moins de 0,1 N dans de nombreux cas. Pour permettre la mesure de ces forces, on construira un banc d’essai de bras de levier basé ici (Fig. 2 a). La structure de banc d’essai qui pivote sur un roulement à faible coefficient de frottement telle que le couple de l’hélice à l’extrémité d’un bras (longueur L_{appui vertical} de l’axe du roulement au centre du moteur) équilibre le couple d’une échelle numérique, déprimé par une plus courte (de bras de moment L _échelle). Cette configuration amplifie l’effort de Poussée sur l’échelle pour donner une lecture plus précise. Si l’échelle est taré (zéro) lorsque l’hélice est éteint, que la Poussée mesurée au cours de l’hélice opération peut être déterminée avec Eqn. 4. Ici, m est la masse de lecture sur l’échelle.

(4)

La puissance électrique fournie à l’hélice ou le ventilateur peut être déterminée comme , où I est le courant (en ampères) et V est la tension. Une efficacité de Poussée peut être définie comme (en Newtons par Watt).

Figure 1 : Régler le volume de flux à travers un dispositif de propulsion liquide

Figure 2 : a. schéma d’installation d’essais de poussée statique. b. vue de détail d’assemblage de pivot. c. photo d’installation expérimentale.

1. fabrication du système de test de poussée statique (voir schémas et photographie, Fig. 2)

1. Former deux douilles cylindriques sur un tour avec diamètre extérieur 42,16 mm, longueur ~ 10 mm et percer l’axe central de 9,50 mm.
2. Appuyez sur un roulement à billes à bride dans le trou sur chaque traversée. Insérez la chasse bagues dans les deux ports parallèles du 4-way té raccord, avec les roulements à l’extérieur. Les traversées doivent s’ajuster dans le raccord en té. (Voir l’articulée schématique dans Fig. 2 b.
3. Couper deux longueurs de 100 mm de l’extrusion d’aluminium à angle droit. Percer un trou de 3,2 mm dans le milieu du côté le plus long des extrusions, ~ 45 mm vers le haut de la base. Percer deux trous de fixation près des extrémités des côtés plus courtes de l’extrusion. \
4. Planter l’arbre à travers les deux roulements dans le raccord en té de la 4 voies. Même longueur doit être exposés à chaque extrémité. Faites glisser les extrusions à angle droit sur les bouts d’arbre exposées. Visser l’extrusion perpendiculairement à la surface de travail à travers les trous de fixation. Installer les colliers d’axe sur les extrémités exposées de l’arbre de tenir l’Assemblée centrée entre les supports à angle droit.
5. Couper court (~ 18 mm) et long (~ 36 cm) longueurs de 42,16 mm diamètre extérieur PVC tuyaux. Insérez la brièveté dans le port horizontal sur le té de 4 voies montage et la longueur dans le port vertical. Insérer un bouchon de tube à l’extrémité de la longueur horizontale.
6. Positionner une balance numérique de précision (± 0,1 ou ±0, 01 g recommandé) sous le bouchon de bras conduit horizontal.
7. Monter l’hélice moteurs et le ventilateur sur les chapeaux de tuyau. Les hélices devraient être compensées afin que les bouchons ne bloquent pas la circulation d’air. Il est recommandé que les moteurs à hélice sont collées sur les têtes de vis minces installés sur les chapeaux de tuyau (Fig. 2c).

2. réaliser des expériences

1. Monter l’hélice plus petit et le capuchon de tuyau moteur sur le bras de canalisation verticale.
2. Enregistrer les distances (bras de moment) de l’axe de pivot à l’axe du moteur hélice (L_prop) et de l’axe de pivot au point de contact du bras horizontal sur l’échelle.
3. Connecter le moteur de l’hélice à une alimentation à tension variable (éteint).
4. Mettez l’échelle et tare (zéro) la lecture.
5. Allumez l’alimentation et de modification de la tension par incréments ~0.4 V jusqu'à 3,8 V. Pour chaque cas, l’enregistrement, la tension, courant, l’échelle de lecture (en grammes) et l’évolution de gamme pendant le fonctionnement stable (généralement oscille par ~0.3 - 5,0 g). Il peut être nécessaire de puiser la pale d’hélice pour le lancer spinning. S’assurer que le débit d’air est dans la bonne direction (qui coule vers l’arrière du moteur). Si ce n’est pas le cas, inverser les fils positifs et négatifs sur l’alimentation.
6. Le cas échéant, utiliser un anémomètre thermique pour mesurer la vitesse de l’air juste derrière (en aval) de l’hélice à certaines conditions. La vitesse varie dans la zone du visage hélice, donc c’est seulement une mesure de l’ordre de grandeur .
7. Répétez les étapes 2,1 à 2,6 pour l’autre moteur et hélice et le ventilateur de refroidissement de PC. Le ventilateur peut fonctionner jusqu'à 12 V.

3. analyse

1. Calculer les axes hélice et ventilateur (T) pour chaque cas mesurée à l’aide Eqn. 4. La principale source d’incertitude est la variation/oscillation dans l’échelle de lecture au cours de l’opération. Remplacer cette gamme (étape 2.5) m en Eqn. 4 pour déterminer l’incertitude de la Poussée.
2. Pour chaque cas, calculer la puissance d’entrée . L’incertitude peut être estimée comme , où Δ j’et ΔV sont les incertitudes de mesure courant et tension (0,005 A et 0,005 V ici).
3. Pour chaque cas, calculer l’efficacité de Poussée . L’incertitude pour l’efficacité de poussée serait .
4. Comparer les poussées mesurées avec les valeurs théoriques estimées en utilisant les vitesses de l’anémomètre (Eqn. 3). Ici la zone de sortie peut être estimée dans la zone du visage hélice/ventilateur, moins la zone moyeu ou moteur : . Comment les comparer avec les valeurs mesurées ?

Fig. 3 a, la Poussée vs courbes de puissance sont présentées pour les trois dispositifs de propulsion évalués dans cette expérience. Le ventilateur permet d’obtenir la Poussée plus forte, atteignant 0,68 ± 0,02 N à 11,83 ± 0,08 W de puissance d’entrée. La plus petite hélice produit un peu plus poussée par la puissance d’entrée que l’hélice plus grande, mais atteint son maximum de tension de fonctionnement à 2,66 ± 0,04 W. Fig. 3 b présente l’efficacité de Poussée pour les trois dispositifs. La petite hélice et du ventilateur, le rendement diminue généralement avec l’augmentation de puissance d’entrée. Le rendement de l’hélice plus grande est relativement constant à η ~ 0,03 W N^-1.

Poussée théorique valeurs basées sur les vitesses de sortie mesurée sont comparées avec les valeurs de la Poussée mesurée directement dans le tableau 1. Dans ces cas, les vitesses mesurées varient sur les zones du visage hélice/ventilateur, donc on rapporte vitesse et gammes de Poussée prévue, plutôt que des valeurs uniques. En général, un accord raisonnable se trouve entre les valeurs prédites et mesurées, qui fournit une confirmation pour la théorie décrite dans la section principes. Cependant, les gammes de vitesse mesurée étaient assez larges dans certains cas, afin que cette analyse devrait être soit seulement qualitative.

Figure 3: (a) Poussée et butée (b) des courbes d’efficacité pour les trois dispositifs de propulsion étudiée.

Tableau 1 - Comparaison des axes prévus basé sur les plages de vitesse de sortie mesurée avec poussées mesurées directement.

Cette expérience a présenté les principes fondamentaux de fonctionnement des dispositifs de propulsion liquide trouvés dans les aéronefs et les embarcations. Une plateforme d’essai de poussée statique a été construite pour mesurer la capacité de propulsion des hélices d’avion modèle et un pc ventilateur de refroidissement. La résultante des poussées et l’efficacité de propulsion (Poussée par la puissance d’entrée) ont été mesurées et comparées. Valeurs d’orientation théorique s’élevaient également basé sur les vitesses de jet en aval. Mesure et évaluation des performances de système de propulsion, comme démontré ici à petite échelle, est une étape-clé dans le développement de systèmes de propulsion liquide et est essentielles pour assurer des niveaux de Poussée moteurs livrer requis.

Systèmes de propulsion liquide travaillent dans presque tous les aéronefs et les embarcations. Dans la configuration considérée ici, fluide ambiant en amont est accéléré d’un jet en aval de haute vélocité, également à la pression ambiante. Dans des dispositifs tels que CVC générateurs, compresseurs d’air ou vapeur centrale électrique pompes à liquide, une partie importante du travail d’entrée est fournie pour mettre sous pression le liquide plutôt que juste pour augmenter la vitesse d’écoulement. Toutefois, les mêmes principes généraux de l’analyse peuvent être appliquées, contrôle volume masse et quantité de mouvement débit Mentrée. Périphériques tels que les éoliennes et turbines à vapeur fonctionnent selon des principes similaires, mais extrait fluide pour produire de l’énergie mécanique et électrique, impulsion et énergie.