Overview
ソース: アレクサンダー S ラトナー;機械・原子力工学、ペンシルバニアの州立大学、大学公園、PA 部
航空機、ロケット、船舶は、周囲の流体や高温高速燃焼製品を加速することによって推進を生成します。運動量保存の原則のため増加の流体の速度は車両に有効な推力の結果します。推進装置の推力機能はしばしば静的推力テストで測定されます。これらのテストで推進システムがマウントされ、固定、インストルメント化されたプラットフォームの運営し、マウントの保持力を推力として測定
この実験で小規模静的推力測定設備を構築し、モデル化します。模型航空機の 2 つのモーターの推力曲線し、プロペラ システムと冷却ファンのコンピューターで測定されます。推力効率も評価 (推力/電力入力)。推力測定風速に基づく理論的な予測と比較対象の値を測定します。
Principles
ボートの小道具、航空機のプロペラ、fanjet 航空機エンジンなどのオープン操作流体形推進機構は、周囲流体を高速度に加速することで推力を生成します。操作中にこのようなデバイスは大規模な上流域から吸気流体で描画し、下流の狭い高速ジェット (図 1) として排出します。排気面積は約プロペラ顔空気に等しいです。質量と運動量は、上流の摂取量などコントロール ・ ボリューム上率バランスの流れし、排気ジェット収量次の結果。
(1)
(2)
ここでは、
質量流量、 ρは流体の密度、 Aは流路面積、 Uは流体の速度、 Tは結果として得られる推力。図 1 のように、取水場は大きい排気ジェット エリア、入口と出口の密度がほぼ等しい。よう、排気速度が入口の速度よりもはるかに大きいことが必要 (
、入口勢い流量はごくわずか (
)。理論的な結果として得られる推力です。
(3)
モデル航空機推進系統から推力は、多くの場合 0.1 N より少ない、比較的小さいです。レバー arm ベースのテスト スタンドを構築するこれらの力の測定を有効にするには、ここで (図 2 a)。テスト スタンドの構造は低摩擦軸受にかかってその片方の腕の端にプロペラ トルク (ベアリング軸から長さLのプロップモーターの中心に) デジタル スケールで短い瞬間腕 (落ち込んでからトルクのバランスをとるLスケール)。この構成より正確な測定値を得るために規模のスラスト力を増幅させます。スケールは (ゼロ) とき tared される場合プロペラがオフになっている、Eqn 4 とプロペラの間に測定された推力よりも操作を決定できます。ここで、 mはスケール上を読んで質量です。
(4)
プロペラまたはファンに供給される電力は、として定めることができる
、どこ私は、電流 (アンペア)、 Vは電圧です。推力効率として定義できます
(でワットあたりニュートン)。
図 1: コントロール ボリューム流体推進装置の流動
図 2: 静推力試験施設の a. の模式図。b. 詳細ビュー ピボット アセンブリの。c. 実験施設の写真。
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Procedure
1. 静的推力テスト システム (見なさい概略図と写真、図 2) の作製
- 外径 42.16 mm、長さと旋盤で 2 つの円筒形ブッシングを形成 〜 10 ミリメートルと 9.50 ミリメートルの中心軸を通って。
- 各ブッシングの穴に 1 つのフランジ付き軸受を押し込みます。ブッシング フラッシュを 4 ウェイ t 字継ぎ手、外側にベアリングの 2 つのパラレル ポートに挿入します。ブッシングは、t 字継ぎ手でぴったりとフィットする必要があります。(図 2 b の図のピボットのアセンブリを参照してください。
- 右角のアルミ押出の 2 つの 100 mm 長い長さをカットします。押し出し、ベースからアップ ~ 45 mm の長い辺の真ん中に 3.2 mm の穴をドリルします。押し出しの短い側面の端の近くの 2 つの取り付け穴をドリルダウンします \。
- 4 ウェイ t 字継ぎ手 2 つのベアリングをシャフトに挿入します。でも長さは、両端に公開します。露出した軸端に直角の押し出しをスライドさせます。取付穴にネジを作業面に直角押し出し。右角括弧の間の中央アセンブリ保持するシャフトの露出された端にシャフトつばをインストールします。
- ショート (〜 18 mm) と長い (~ 36 cm) 長さ 42.16 mm 外径 PVC パイプをカットします。短い長さを水平の 4 ウェイ t 字継ぎ手、長尺垂直ポートにポートに挿入します。水平方向の長さの端にパイプ キャップを挿入します。
- 水平パイプ アーム キャップ下精密デジタル スケール (± 0.1 または 0.01 g 推奨) を配置します。
- パイプ キャップをプロペラ モーターとファンをマウントします。キャップは空気の流れをブロックされないように、プロペラをオフセットする必要があります。パイプ キャップ (図 2 c) を取り付ける細いネジの頭にプロペラ モーターを接着していることをお勧めします。
2. 実験を行う
- 最小のプロペラとモーター パイプ キャップ垂直パイプ アームをマウントします。
- (モーメント アーム) ピボット軸プロペラ モーターの軸 (Lプロップ) から、ピボット軸スケールの水平アームの接触点からの距離を記録します。
- プロペラ モーターを直流可変電圧電源 (電源オフ) に接続します。
- スケール、および風袋 (ゼロ) オン読書。
- 電源をオンにし、異なる ~0.4 V 単位までの 3.8 V の電圧です。その都度、記録、電圧では、現在提供されている、(グラム) で読書をスケールおよび定常運転時の範囲をスケール (通常 ~0.3 - 5.0 グラムによる振動)。それが回転を開始するプロペラ翼をタップする必要があります。(モータの背面に向かって流れる) 右方向に空気の流れが確実します。されていない場合は、電源の正極および負極リードを逆転します。
- 利用可能な場合は、プロペラには、いくつかの条件 (下流) のすぐ後ろに空気の速度を測定する熱風速計を使用します。これは桁の測定のみですので、速度はプロペラの顔領域に異なります。
- 他のモーターとプロペラと PC の冷却ファンについて、手順 2.1 2.6。ファンは 12 V まで動作可能です。
3. 分析
- Eqn。 4 を使用して、各測定ケースのプロペラやファン推力 (T) を計算します。不確実性の主要なソースは、読み取り操作中にスケールの変動・振動です。Eqn。 4 推力不確実性を決定するためにmのこの範囲 (ステップ 2.5) に置き換えてください。
- 各ケースの計算入力電源
。不確実性を示唆する
、どこ Δ は私と ΔV電流と電圧の測定不確実 (0.005 A と 0.005 V ここ)。 - 推力効率を計算ケースごとに
。推力効率の不確実性になる
。 - 風速計速度 (Eqn. 3) を使用して推定の理論値と測定値の推圧を比較します。ここで出口の面積はプロペラファン/顔領域、ハブまたはモーターの面積の減少として推定できる:
。これらはどのように測定値の比較?
、どこ Δ は私と ΔV電流と電圧の測定不確実 (0.005 A と 0.005 V ここ)。
。推力効率の不確実性になる
。
。これらはどのように測定値の比較?機械設計における流体の推進システムと相対的力機械システムと流体間に適用する必要がありますいつでも利用されています。すべての空気と水のクラフトは、推進力や推力を加速するために必要な周囲の液体を介してステアリングを提供する流体の推進システムを採用しています。しかしその使用は車に制限ではありません。空調機器など固定のシステムはまた、推進システムを使用してください。しかし、これらのケースで彼らは流体の循環をドライブします。このビデオは、開く操作流体推進システム、プロペラやファンを含むカテゴリによって推力を生成する方法を示しています。効率を推定し、実験室で測定することができますどのように推力し、推力を実演します。
飛行機プロペラなど船の小道具の開く操作流体推進システムからの推力は、周囲の流体を高速度に加速によって生成されます。これらのシステムは大規模な上流域から流体の描画し、狭いジェット機の排気下流に。うちの流れ地域約プロペラ面の面積と同じです。コントロール ボリュームのアプローチを取ることによって推力を生成する方法を見てみましょう。取水場から外に伸びる、プロペラのまわりの流線に沿ってコントロール ボリュームを構築することによって開始地域を流れます。摂取量でコントロール ・ ボリュームに質量流量は上流の流体密度、取水場、上流の流体の速度の製品です。同様に、排気のコントロール ・ ボリュームから質量流量は下流の流体密度、流出領域、および下流の流体の速度の製品です。定義では、ストリーム ラインの境界を越えての質量流量が発生しません。定常運転時制御空間に大質量が一定に保たする必要があります。その後、質量保存の法則で大量流出領域を介して終了率は大量取水場から入る率を等しくなければなりません。今摂取量と流出の密度はほぼ同じなので、流出速度は区域を流出する摂取量の比によってスケーリング摂取速度と等しくなります。取水場は流出領域よりもはるかに大きいため、流出速度は摂取速度よりも高くなります。同様に、運動量保存の必要勢いの流量のうち、コントロール ・ ボリュームに任意の違いがプロペラの推力に力として現れることになります。質量流量とアウト バランス流出速度は摂取速度よりもはるかに高いので、摂取速度用語からの寄与は無視できます。この結果で質量流量率用語を展開には、推力は流出領域と速度でよく近似しているが表示されます。任意の推進システムの電源は、推力を生成する外部ソースによって提供されます。ギリシャ文字 eta でここに示されるシステムの推進効率は、入力電源に発生する推力の比として定義されます。たとえば、モデル航空機プロペラと PC のファンは、電気モーターによって駆動されます。推力は知られている場合は、入力電力で割った推力効率が生成されます。次のセクションでは推力と推力静的テスト スタンドを使用していくつかの小さな推進システムの効率を測定します。流出速度に基づく推定値に計測された推力を比較します。
テキストで説明するように、テスト スタンドを組み立てるし、作業台に設定。スタンドは、ジョイントでピボットでサポートされている剛体"L"セクションがあります。短い水平アームの先端の下で精密スケールの位置。短腕上デジタル スケールからトルクは長い腕の推力によって生成された任意のトルクのバランスをとる。長さの違いより正確な測定値を生成するための尺度で測定力を増幅させます。組み立てテスト スタンド、縦に長い腕に最小のプロペラ マウントし、短腕と平行になるようにプロペラ軸を配置します。測定し、支柱径とハブ径を記録します。今度は測定し、両方のモーメント アームの長さを記録します。長い腕は、プロペラ軸にピボット軸から測定する必要があります。短腕は、スケールの接触点にピボット軸から測定する必要があります。可変 DC 電源にモーターを接続、電源を入れてチェック スケールで下向きの力があるように監督する必要がある気流の方向。、供給を切り、必要であれば電気的接続を反転させ、エアフローの方向を修正します。ときモーターはまだ風袋規模では完全に。電源をオンにし、モーター最大供給電圧を超えない最大ポイント 4 ボルト単位で、0 v から電圧を高めます。各ステップを安定化し、電圧、電流、平均スケール読書やスケールの範囲を記録するモーターの電圧待機で。熱風速計があり、低電圧および高電圧の流出空気速度を測定します。これは一桁の測定のみですので流出速度、位置、によって異なります注意してください。大きなモータや PC のファンのためには、このプロセスを繰り返します。測定が完了したら、データを分析する準備が整いました。
小型のプロペラで収集されたデータを見てください。各電源電圧のため、供給電流とスケールの測定値もあります。流出空気速度のいくつかの測定も必要です。電源電圧の値ごとに次の計算を実行します。スケールの読書から推力を計算します。スケールの力が重力のための加速時間読書です。推力はこの力のモーメントの比によって拡大と腕が以前測定しました。今は電圧と電流の製品では単にモーターに入力電源を計算します。次に推力と入力電力の比を取って、推力効率を計算します。流出速度を測定した場合は、推力を予測に使用できます。まず支柱とハブの部分の差でおおよそ流出領域を計算します。前に、から推力式を使用して推力を推定する測定の速度と結合この結果。最終的な結果の不確実性を決定するテキストで示すように、あなたの測定の不確実性を反映します。大きなプロペラおよびファンのこれらの計算を繰り返します。
すべての 3 つのデバイスの入力電源の機能として推力をプロットすることによって開始します。PC ファンは 3 つの最高の推力を生成して、はるかに高い最大入力電力。小型のプロペラが生み出す推力は任意の与えられた入力電源で大型のものよりも若干大ファンですが高い力での操作に対応。入力電源の機能として推力効率を比較します。大きなプロペラの推力効率かなり一定している残るが、他の 2 つのデバイスの能力を高めることで、熱効率が 。流出気流速度の測定を行った場合は、推力テスト スタンドから測定に基づく推圧の推定範囲を比較します。予測と測定の良い一致を見つける必要があります。しかし、流出速度のおおよその測定によるこの分析のみ解釈すべきで、質的です。
流体の推進システムは、さまざまな機械と自然に発生するシステム ユビキタス。移動は多くの水中生物の生存のために重要な自然な推進システムの大きい変化は結果として進化してきた。魚類、頭足類からジェット推進フィンし、アメーバの鞭毛はほんの一例です。これらのシステムの動作を学ぶは、これらの動物が住んでいるし、彼らの環境と対話する方法を理解するため重要です。風車、タービンは、このビデオで覆われているが、逆に適用と同じ原理で動作します。代わりに推力を生成する電源を使用して、これらのシステムは、空気から運動量とエネルギーを抽出します。風車の回転軸が電気を生成するジェネレーターに接続するさもないと機械的プロセスを駆動することができます。
推進力および推圧のゼウスの概要を見てきただけ。今、開く操作流体推進システムと推力を生成する基本的な原則を理解してください。また小規模静的推力テストを実行し、推進効率を決定する方法を学んだ。見ていただきありがとうございます。
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Results
図 3 a のパワー曲線と推力はこの実験で評価 3 つの推進装置を掲載されています。ファンは 11.83 ± 0.08 W 入力電力で 0.68 ± 0.02 N に達する最高の推力を実現します。小さいプロペラは大きいプロペラより入力電源あたりもう少し推力を発生が、2.66 ± 0.04 w. 図 3 b、3 つのデバイスの推力効率で電圧に達した。小型プロペラおよびファンは、効率は一般的に電源入力の増加と共に減少します。大きなプロペラの効率はηで比較的一定 〜 0.03 N W-1。
測定コンセント速度に基づく理論推力値は表 1 に推圧直接測定値と比較されます。これらの場合、速度と予測された推力範囲、報告、単一値ではなく、速度測定値はプロペラファン/顔領域にわたって変わります。一般的には、計算結果と実測値の原則のセクションに記載されている理論の確認を提供する間合理的な合意があります。しかし、測定速度範囲だったいくつかのケースではかなり広い定性はこの分析をする必要があります。
図 3: (a) 推力と 3 つの研究推進装置の推力 (b) 効率曲線。
| 推進装置 (Aを) | 入力電力 (W) | アウトレット速度範囲 (m s-1) | 予測の推力範囲 (N) | 測定された推力 (N) |
| 小さなプロペラ (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 | |
| 大きなプロペラ (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 冷却ファン (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 |
表 1 - 直接測定の推力と速度の範囲は測定コンセントに基づいて予測された推圧の比較。
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Applications and Summary
この実験は、航空機や船舶の流体の推進装置の基本的な動作原理を導入しました。模型航空機のプロペラと pc の冷却ファンの推進力を測定する静推力テスト プラットフォームが建設されました。結果として得られる推力・ (入力電力あたりの推力) 推進効率を測定し、比較.理論推力値も下流ジェット速度に基づいて推定しました。測定と推進システムの性能の評価の小さなスケールで、ここで示されているように流体推進システムの開発の重要な段階は、エンジン提供必要な推力レベルを確保するために非常に重要です。
流体の推進システムは、ほぼすべての航空機や船舶で採用されています。ここでは考慮の構成で高速度下流のジェットは、周囲の圧力でも上流周囲流体を促進します。空調空気のハンドラー、空気圧縮機、蒸気発電所ポンプなどのデバイスで入力作業の重要な部分は、流体を加圧するのではなく、流れの速度を増加するために提供されます。しかし、そのコントロール ボリューム質量と運動量流残高に基づいて、分析の同じ一般的な原則が適用できます。風力タービン、蒸気タービンなどのデバイスは、同様の原理で動作も流体機械・電気機器の電力を生成するから運動量とエネルギーを抽出します。
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