THÍ NGHIỆM HÀNG KHÔNG 3 bài báo cáo bài THÍ NGHIỆM máy BAY mô HÌNH bài THÍ NGHIỆM đo LƯỜNG QUÁN TÍNH IMU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG THÍ NGHIỆM HÀNG KHÔNG 3 BÀI BÁO CÁO TỔNG HỢP GVHD Đặng Trung Duẩn Lớp A01 Nhóm 05 Danh sách thành v.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHƠNG THÍ NGHIỆM HÀNG KHƠNG BÀI BÁO CÁO TỔNG HỢP GVHD: Đặng Trung Duẩn Lớp: A01 - Nhóm 05 Danh sách thành viên: Diệp Giang Thủy Khương - 1711829 Huỳnh Anh Huy - 1711480 Trần Đình Phát - 1712579 Nguyễn Quốc Phú - 1712643 Phan Xuân Trường - 1713756 Thành phố Hồ Chí Minh, Thứ tư ngày tháng năm 2020 ii LỜI MỞ ĐẦU Thí nghiệm hàng khơng mơn thí nghiệm cuối ba mơn thí nghiệm thuộc chương trình đào tạo hàng khơng Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Thơng qua ba mơn học này, nhóm ứng dụng cách kiến thức lý thuyết học lớp vào thực tế Đồng thời, việc thí nghiệm giúp nhóm hiểu sâu thêm kiến thức mơn học Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến Thạc sĩ Đặng Trung Duẩn cán giảng viên khoa Kỹ thuật Hàng không xây dựng hướng dẫn môn Thí nghiệm để nhóm hồn thành tốt mơn học iii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG xiii CHƯƠNG BÀI THÍ NGHIỆM MÁY BAY MƠ HÌNH 1.1 MƠ TẢ BÀI THÍ NGHIỆM 1.1.1 Mục đích thí nghiệm 1.2 TIẾN HÀNH THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 1.3 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 1.3.1 Thông số thu được: 1.3.2 Xây dựng mơ hình 3D Solidworks: 1.4 TÍNH TỐN CÁC ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH .10 1.4.1 Ước lượng trọng lượng cất cánh mơ hình máy bay khảo sát : 10 1.4.2 Xác định trọng tâm: .13 1.4.3 Ước tính lực cản tồn thể mơ hình máy bay khảo sát từ thơng số hình học, thơng số khí động: 15 1.4.4 Xác định hệ số lực cản phận máy bay khảo sát 19 1.4.5 Tổng hợp hệ số lực cản phận tính Drag Polar cho mơ hình máy bay B-25 26 1.4.6 Mối quan hệ công suất yếu tố liên quan: 28 1.4.7 Quá trình chọn động cho mẫu máy bay thiết kế: .30 1.4.8 Mối quan hệ tương hỗ chong chóng động cơ: 31 1.4.9 Lực cản bay vân tốc 20 m/s: 32 1.4.10 Giải thích mối quan hệ động chong chóng: 32 i 1.4.11 Đáp ứng ổn định dọc ổn định hướng/lăn mơ hình máy bay khảo sát: 32 1.4.12 The elevator control power C_(m_(δ_e ) ) of the aircraft 34 1.4.13 The rudder control power C_(n_(δ_r ) ) of the aircraft 35 1.4.14 The aileron control power C_(l_(δ_a ) ) of the aircraft 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 CHƯƠNG BÀI THÍ NGHIỆM ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH IMU 40 2.1 MƠ TẢ BÀI THÍ NGHIỆM 40 2.1.1 Yêu cầu thí nghiệm 40 2.1.2 Bộ lọc Kalman EKF .41 2.2 GIỚI THIỆU BỘ THÍ NGHIỆM ĐO GĨC TRẠNG THÁI EULER .47 2.2.1 Bàn xoay ba trục 47 2.2.2 IMU Pololu CHR-6dm: 48 2.2.3 Thiết bị thu phát tín hiệu RF Xbee: .49 2.2.4 Nguồn 3.3V: 50 2.2.5 RS 232 50 2.3 TRÌNH TỰ THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM .51 2.3.1 Lắp đặt thiết bị .51 2.3.2 Nạp chương trình lên IMU Pololu CHR-6dm .54 2.4 CHƯƠNG TRÌNH MATLAB 58 2.5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ƯỚC LƯỢNG GĨC 66 2.5.1 Trường hợp làm thí nghiệm ước lượng góc ROLL: 66 2.5.2 Trường hợp làm thí nghiệm ước lượng góc PITCH 67 2.5.3 Trường hợp làm thí nghiệm ước lượng góc YAW 68 ii 2.5.4 Trường hợp làm thí nghiệm ước lượng góc Roll, Pitch, Yaw kết hợp – MIX 69 2.5.5 Kết luận 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 CHƯƠNG BÀI THÍ NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT 74 3.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM .74 3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .74 3.3 MẪU THÍ NGHIỆM 75 3.4 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM .76 3.5 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM 76 3.6 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 78 3.6.1 Kết thí nghiệm 81 3.6.2 Xử lý số liệu nhận xét: 83 CHƯƠNG BÀI THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG α LÊN LỰC PHÁ HỦY 89 4.1 Mục tiêu thí nghiệm: 89 4.2 Cơ sở lý thuyết 89 4.3 Mẫu thí nghiệm: .91 4.4 Dụng cụ thí nghiệm: .91 4.5 Chuẩn bị thí nghiệm: 92 4.6 Tiến hành thí nghiệm: 93 4.7 Nhận xét giải thích: .94 4.8 Kết thí nghiệm, nhận xét giải thích kết quả: .94 4.8.1 Kết thí nghiệm: .94 4.8.2 Nhận xét kết giải thích .97 iii CHƯƠNG BÀI THÍ NGHIỆM CÁNH 3D TRONG ỐNG KHÍ ĐỘNG 103 5.1 Mơ tả thí nghiệm 103 5.1.1 Mục đích 103 5.1.2 Cơ sở lý thuyết .103 5.1.3 Mô tả thiết bị 107 5.1.4 Tiến hành thí nghiệm 116 5.2 XỬ LÝ SỐ LIỆU 124 5.2.1 Mẫu cánh số 124 5.2.2 Mẫu cánh số 136 5.2.3 Mẫu cánh số 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 151 CHƯƠNG BÀI THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC 152 6.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 152 6.2 CẤU TẠO BỘ THÍ NGHIỆM .152 6.2.1 Nguyên lý hoạt động động .153 6.2.2 Cấu tạo động turbine: 154 6.3 CÁC LOẠI CẢM BIẾN 160 6.3.1 Cảm biến nhiệt độ loại K – EGT 160 6.3.2 Cảm biến hiệu ứng tốc độ Hall Effect 162 6.3.3 Cảm biến xác định lưu lượng khơng khí .165 6.3.4 Cảm biến đo lực đẩy động – cảm biến load cell .166 6.4 XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 171 6.4.1 Nhiệt độ theo tốc độ quay 171 6.4.2 Công suất theo tốc độ quay 173 iv 6.4.3 Áp suất theo tốc độ quay .175 6.4.4 Các thông số nhiên liệu 177 TÀI LIỆU THAM KHẢO 180 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Mơ hình máy bay B-25 Hình 1-2: Thơng số kỹ thuật máy bay B-25 Hình 1-3: Cánh máy bay B-25 Hình 1-4: Thân mơ hình máy bay B-25 Hình 1-5: Bản vẽ máy bay B-25 Hình 1-6: Bản vẽ 3D nhìn từ xuống Hình 1-7: Bản vẽ 3D nhìn từ đằng trước Hình 1-8: Bản vẽ 3D nhìn từ bên cạnh Hình 1-9: Nhóm đo đạc để tìm vị trí trọng tâm 13 Hình 1-10: Vị trí trọng tâm tìm Solidworks 14 Hình 1-11:Dữ liệu thiết kế máy bay B-25 Mitchell 15 Hình 1-12: Giản đồ xác định hệ số hiệu suất cánh e 16 Hình 1-13: Đồ thị hệ số lực ma sát bề mặt theo Reynolds 17 Hình 1-14: Kết xác định thơng số NACA 23017 XFLR5 21 Hình 1-15: Các thơng số ước lượng hệ số lực cản hình dạng động 25 Hình 1-16: Đồ thị thay đổi đặt tính khí động theo góc từ phần mềm Xfoil 27 Hình 1-17: Đồ thị Drag-Polar hiệu suất nâng theo thay đổi lực nâng CL 28 Hình 1-18: Đồ thị đặc tính cơng suất động với cơng suất cất cánh 300kW, hệ số thực nghiệm k=12 29 Hình 1-19: Đồ thị đặc tính cơng suất động với công suất cất cánh 300kW,công suất cực đại 330kW cao độ danh nghĩa 3km, hệ số thực nghiệm k=12 30 Hình 1-20: Các loại động 31 Hình 1-21: Hình chiếu máy bay khảo sát 34 vi Hình 1-22: Hình chiếu cạnh máy bay khảo 34 Hình 1-23: Mơ hình cánh 38 Hình 2-1: Giới thiệu thiết bị IMU 41 Hình 2-2: Bàn xoay ba trục 47 Hình 2-3: IMU Pololu CHR-6dm 48 Hình 2-4: RF Xbee 49 Hình 2-5: Nguồn 3.3V 50 Hình 2-6: RS 232 50 Hình 2-7: Gắn RS232 vào máy tính 51 Hình 2-8: Kiểm tra xem IMU kết nối hay chưa ? 52 Hình 2-9: Khởi động giao diện IMU Pololu CHR-6dm 53 Hình 2-10: Lưu liệu thí nghiệm 53 Hình 2-11: Nối dây nạp chương trình vào RS232 54 Hình 2-12: Nối dây nạp chương trình vào IMU 54 Hình 2-13: Sau nạp chương trình cho IMU xong (1) 55 Hình 2-14: Sau nạp chương trình cho IMU xong (2) 56 Hình 2-15 Xbee gắn vào RS232 57 Hình 2-16 Màn hình chương trình X-CT, thực thao tác 57 Hình 2-17: Đồ thị tương quan thơng số nhà sản xuất thực nghiệm đo góc Roll (Thay đổi góc Roll) 67 Hình 2-18: Đồ thị tương quan thơng số nhà sản xuất thực nghiệm đo góc Pitch (Thay đổi góc Pitch) 68 Hình 2-19 Đồ thị tương quan thơng số nhà sản xuất thực nghiệm đo góc Yaw (Thay đổi góc Yaw) 69 vii p + V = constant - Áp dụng phương trình Bernoulli cho mặt trước mặt sau ta có: 1 V12 = p2 + V2 2 p − p2  V2 =  p1 +  Vậy ta có lưu lượng khơng khí qua tubin là: m = A  ( p − p2 ) 6.3.4 Cảm biến đo lực đẩy động – cảm biến load cell 6.3.4.1 Nguyên lí hoạt động cảm biến load cell: Hoạt động cách chuyển đổi lực học thành giá trị kỹ thuật số mà đọc ghi lại Khi có lực tác động lên thân load cell làm cho load cell bị biến dạng, dẫn đến thay đổi giá trị điện trở strain gauges Sự thay đổi dẫn tới thay đổi điện áp đầu Nói cách khác, load cell chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện Từ quy giá trị lực cần xác định Cảm biến đo lực đẩy động load cell dùng thí nghiệm động phản lực loại dây kết hợp với cầu điện trở cân Wheatstone 166 Hình 6-22: Hệ thống cảm biến load cell dây 6.3.4.2 Đặt tính kỹ thuật động Turbojet J800R thu nhỏ Trong thí nghiệm làm việc với động Turbojet J800R thu nhỏ với thông số kỹ thuật sơ đồ làm việc sau: Thơng số kỹ thuật động Kích thước: Đường kính ngồi: 92 mm, chiều dài: 260 mm với khởi động Khối lượng: J800R – 1.2 Kg Đầu ra: J800R – Lực đẩy lớn nhất: 8.0 kg 153,000 vịng/phút Lực đẩy khơng: 0.3 kg 55,000 vịng/phút Ống xả: Nhôm 7075 Buồng đốt: Inconel + Ống bay thép khơng gỉ 316 Inconel Ổ trục: Vịng bi đỡ chặn tiếp xúc ceramic GRW 167 Trục: Trục bậc thép EN24 NGV: Thép không gỉ đúc chân không PST Turbine: Inconel đúc chân không PST 713 ❖ Được chứng nhận theo AMS-STD-2175 Grade B Aerospace Standard Máy nén: Hợp kim nhôm cao cấp xử lý Garrett Khởi động motor: Hộp nhôm, khớp ly hợp đồng, ổ bi 280 Công nghệ: CAD/CAM & phay tiện CNC, cân số hồng ngoại Những thành phần khác: Thép không gỉ cao cấp Phụ tùng: Bệ động vỏ trước thép khơng gỉ anot hóa Đường ống lọc khí/nhiên liệu cao cấp Dây dẫn điện silicon giác nối mạ vàng Các sơ đồ làm việc: 168 Hình 6-23: Sơ đồ thiết lập nhiên liệu khí 169 Hình 6-24: Sơ đồ bên hộp thiết lập nhiên liệu khí Hình 6-25: Sơ đồ thiết lập bồn bồn dầu 170 Hình 6-26: Sơ đồ tiết diện động turbojet J800R 6.4 XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Do số liệu bao gồm 100 vận tốc quay khác xuất file Excel, nên file báo cáo nhóm đưa bảng số liệu 10 mẫu để đại diện phần đo đạc tính tốn nhóm 6.4.1 Nhiệt độ theo tốc độ quay 171 Row Speed Temp Temp Temp Temp (RPM) T1 (C) T2 (C) T3 (C) T4 (C) Temp T5 (C) 43800 49.3 137.5 673.5 923.3 765.2 49800 48.9 132.5 693.4 908.8 724.3 54660 48.7 129.5 706.2 873.1 688.9 56580 48.2 128.7 727.8 828.2 657.3 56340 48.1 128.0 745.2 804.9 638.2 58200 48.0 127.0 708.4 870.6 652.3 72780 48.1 124.1 724.1 846.9 656.1 82140 48.3 124.4 779.9 780.0 624.0 86460 48.7 127.0 808.9 744.3 599.9 86760 49.4 130.8 820.4 732.3 583.4 10 86880 50.1 132.9 822.6 731.6 572.3 Bảng 6-1: Bảng nhiệt độ đo với 10 giá trị đầu 172 1200 1000 Nhệt độ (C) 800 600 400 200 74 20074 40074 60074 80074 100074 120074 140074 Tốc độ (RPM) Temp T1 (C) Temp T2 (C) Temp T3 (C) Temp T4 (C) Temp T5 (C) Hình 6-27: Đồ thị nhiệt độ theo tốc độ quay Nhận xét: Nhìn chung, nhiệt độ vị trí khơng đổi tăng tốc độ vịng quay Mặt khác, biến động nhiệt độ nhiều nằm vị trí 3,4 Khi tăng số vịng quay nhiệt độ T1 T2 thay đổi ít, gần khơng đổi suốt q trình thay đổi vận tốc Tuy nhiên, nhiệt độ T3, T4 T5 lại có thay đổi đáng ý Trong đó, T4 T5 có hình dạng biến động tương tự nhau, nhiệt độ vị trí ln lớn vị trí suốt q trình Bên cạnh đó, nhiệt độ vị trí ban đầu có giá trị gần với vị trí 5, tăng tốc độ vịng quay lên nhiệt độ cao quay tốc độ cao vị trí có nhiệt độ lớn so với điểm cịn lại 6.4.2 Cơng suất theo tốc độ quay 173 Speed Wt Wc Wt by Wc by (RPM) (kW) (kW) T T 43800 11.316 5.527 11.255 5.502 49800 14.294 5.666 14.212 5.643 54660 14.927 5.719 14.834 5.702 56580 14.239 5.861 14.161 5.844 56340 13.714 5.744 13.634 5.726 58200 18.222 5.755 18.115 5.744 72780 19.645 6.814 19.594 6.839 82140 16.929 7.18 16.946 7.243 86460 16.156 7.625 16.214 7.703 86760 16.532 7.862 16.562 7.933 10 86880 17.698 7.998 17.719 8.07 Row Bảng 6-2: Số liệu mẫu công suất theo tốc độ quay 174 35.000 30.000 Công suất (kW) 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 -10000 10000 30000 50000 -5.000 70000 90000 110000 130000 150000 Tốc độ (RPM) Wt (kW) Wc (kW) Wt by T Wc by T Hình 6-28: Đồ thị công suất theo tốc độ quay Nhận xét: Công suất động tăng tăng tốc độ vòng quay, công suất máy nén (Wc) công suất tua bin (Wt) Giá trị công suất máy nén tua bin giống theo hai cách tính (tính theo nhiệt độ đo nhiệt độ tồn phần) Có thể thấy từ đồ thị, cơng suất máy nén tăng nhẹ khoàng tốc độ từ khoảng 3000 – 90000 RPM, sau tăng nhanh tốc độ vịng quay lớn, có số dao động nhỏ không đáng kể Về công suất tua bin, có tăng đáng ý công suất từ đến 15 kW khoảng tốc độ 3000 – 50000 RPM Sau đó, đường cơng suất tua bin biến động dội có xu hướng lên tốc độ sau đó, cuối đạt đỉnh điểm công suất gần 30 kW tốc độ gần 150000 RPM 6.4.3 Áp suất theo tốc độ quay 175 Speed Pressure Pressure Pressure Pressure Pressure (RPM) P1 (Bar) P2(Bar) P3(Bar) P4(Bar) P5(Bar) 43800 -0.012 0.11 0.1 0.07 0.02 49800 -0.012 0.14 0.13 0.09 0.02 54660 -0.014 0.17 0.15 0.1 0.03 56580 -0.017 0.18 0.15 0.11 0.03 56340 -0.015 0.17 0.14 0.1 0.03 58200 -0.016 0.2 0.21 0.14 0.04 72780 -0.022 0.32 0.32 0.23 0.06 82140 -0.023 0.43 0.37 0.26 0.07 86460 -0.032 0.45 0.39 0.28 0.07 86760 -0.028 0.45 0.39 0.27 0.07 86880 -0.031 0.45 0.39 0.28 0.07 Bảng 6-3: Bảng số liệu mẫu áp suất theo tốc độ quay 176 Hình 6-29: Áp suất_RPM Nhận xét đồ thị bên Khi tăng số vòng quay: - Áp suất P1 có xu hướng giảm nhẹ tăng tốc độ quay - Áp suất P2, P3 P4 không thay đổi 20,000 rpm, bắt đầu tăng qua 20,000 rpm - Áp suất P5 có xu hướng tăng chậm, độ dốc đường đồ thị nhỏ - Ở số vịng quay (tính từ 20,000 rpm), áp suất tăng theo thứ tự: P1, P5, P4, P3, P2 P1 thấp P2 cao 6.4.4 Các thông số nhiên liệu 177 Fuel Air Flow Flow (RPM) Rate Rate Speed F(N) s.f.c (kg/h N) m=mair+mf A/F C6 (m/s) (mL/Min) (kg/s) 43800 80 0.061 2.44 1.572 0.062 57.2 39.4 49800 87 0.066 3.26 1.282 0.067 56.9 48.5 54660 91 0.069 3.93 1.110 0.070 56.9 56.0 56580 93 0.071 4.06 1.099 0.072 57.3 56.2 56340 98 0.07 3.91 1.202 0.071 53.6 54.9 58200 101 0.071 5.51 0.879 0.072 52.7 76.2 72780 115 0.088 9.38 0.589 0.090 57.4 104.7 82140 128 0.093 11.52 0.533 0.095 54.5 121.6 86460 142 0.096 12.16 0.560 0.098 50.7 124.3 Bảng 6-4: Số liệu mẫu thông số nhiên liệu 178 Hình 6-30: Đồ thị thơng số nhiên liệu theo tốc độ quay Nhận xét: Khi tốc độ quay tăng thì: ˗ Lưu lượng nhiên liệu (Fuel flow rate) vận tốc dòng chuyển động đầu (C6) tăng nhanh ˗ Hiệu suất tiêu hao nhiên liệu (s.f.c) giảm dần ˗ Tỉ số khơng khí nhiên liệu (A/F) giảm ˗ Lưu lượng khối lượng khơng khí (Air flow rate) lưu lượng khối lượng hỗn hợp khí đốt (m) có tăng nhẹ khơng đáng kể ˗ Lực đẩy (F) tăng 179 TÀI LIỆU THAM KHẢO HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TURBOJET J800R THU NHỎ 180 ... 1958) 75 Hình 3- 2: Hình dạng mẫu thử thí nghiệm 76 Hình 3- 3: Thiết bị mơ hình thực thí nghiệm phá hủy giấy 76 Hình 3- 4: Mẫu thí nghiệm ảnh hưởng hình dạng vết cắt 77 Hình 3- 5: Mẫu thí nghiệm ảnh... 1-21: Hình chiếu máy bay khảo sát 34 vi Hình 1-22: Hình chiếu cạnh máy bay khảo 34 Hình 1- 23: Mơ hình cánh 38 Hình 2-1: Giới thiệu thiết bị IMU 41 Hình 2-2: Bàn xoay ba trục 47 Hình 2 -3: IMU Pololu... thuật máy bay B-25 Hình 1 -3: Cánh máy bay B-25 Hình 1-4: Thân mơ hình máy bay B-25 Hình 1-5: Bản vẽ máy bay B-25 Hình 1-6: Bản vẽ 3D nhìn từ xuống Hình 1-7: Bản vẽ 3D nhìn từ đằng trước Hình 1-8: