추진력과 추력

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.

(1)

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여기서, 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 합니다(및 유입구 모멘텀 유량은 무시할 수 있다). 이론적 결과 추력은 다음과 입니다.

(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 L_소품)가 짧은 모멘트 암(L_{스케일)에}의해 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.

(4)

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

그림 1: 유체 추진 장치를 통한 흐름에 대한 제어 부피

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

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.

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.

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.