THÍ NGHIỆM kỹ THUẬT HÀNG KHÔNG 2 đo lực cản trên các cố thể phi lưu tuyến đĩa phẳng, bán cầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG  THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT HÀNG KHƠNG Đo lực cản cố thể phi lưu tuyến: đĩa phẳng, bán cầu LỚP L01 – NHÓM 01 GVHD: Ths Đặng Trung Duẩn Sinh viên thực Sỳ Văn Sương Phạm Ngọc Duy Cao Sỹ Huy Huỳnh Tuấn Anh Mã số sinh viên 1914985 1912917 1913498 1912567 Thành phố Hồ Chí Minh – 2023 Điểm số Mục Lục KHẢO SÁT BIÊN DẠNG CHONG CHĨNG MÁY BAY, ĐÁNH GIÁ SƠ BỘ ĐẶC TÍNH LỰC ĐẨY Mục đích thí nghiệm Giới thiệu bàn đo biên dạng chong chóng Đặc tính hình học chong chóng Cơ sở lý thuyết chong chóng 4.1 Lý thuyết động lượng Froude [1][2] 4.2 Lý thuyết phần tử cánh [1] 13 Báo cáo nghiệm 18 5.1 Dựng mơ hình 3D cho chong chóng 18 5.2 Tính lực đẩy moment cho cánh chong chóng .26 Tài liệu tham khảo 30 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Mơ hình 3D bàn đo biên dạng chong chóng Hình 2: Bàn đo biện dạng chong chóng sau khí chế tạo hồn chỉnh Hình 3: Đặc tính hình học biên dạng chong chóng .7 Hình 4: Bước hình học chong chóng Hình 5: Sự truyền động lượng lý tưởng đĩa quay dòng chảy lưu chất .9 Hình 6: Sơ đồ tam giác vận tốc lý thuyết phần tử cánh 13 Hình 7: Dùng lệnh LIST để lấy số liệu bảng excle .19 Hình 8: Thay đổi vị trí góc toạ độ lệnh UCS 19 Hình 9: Xử lí số liệu phân cột excle .20 Hình 10 : Xuất số liệu file text 20 Hình 11: Vẽ biên dạng số liệu từ file text qua lệnh Curves 21 Hình 12: Tập hợp tất biên dạng cánh xử lí 22 Hình 13: Tập hợp biên dạng cánh Convert 22 Hình 14: Liên kết biên dạng vẽ thành chong chóng Boundary 23 Hình 15: Hình đạng ban đầu cánh chong chóng .23 Hình 16: Cánh chong chóng hồn chỉnh 24 Hình 17: Góc nhìn từ xuống chong chóng 24 Hình 18: Góc nhìn từ lên chong chóng .25 Hình 19: Góc nhìn bên cạnh góc độ xoắn cánh chong chóng 25 Hình 20: Biên dạng hcong chóng vị trí 75%R 26 Hình 21: Đồ thị hiệu suất theo tỉ lệ tiến chong chóng .26 Hình 22: Bảng giá trị thay đổi số vòng quay từ 1000rpm đến 15000rpm 28 Hình 23: Đồ thị biểu diễn thay đổi lực đẩy chong chóng T theo thay đổi số vòng quay rpm 28 Hình 24: Đồ thị biểu diễn thay đổi công suất cần cấp theo thay đổi số vòng quay n (rpm) 29 KHẢO SÁT BIÊN DẠNG CHONG CHÓNG MÁY BAY, ĐÁNH GIÁ SƠ BỘ ĐẶC TÍNH LỰC ĐẨY Mục đích thí nghiệm - Sử dụng bàn đo biên dạng chong chóng có phịng thí nghiệm để tiến hành khảo sát biên dạng chong chóng diều lượn có động có đường kính 1.7 m số vị trí bán kính từ 70% R đến 75% R (với R bán kính chong chóng khảo sát) Trên sở kết đo biên dạng, tiến hành dựng lại biên dạng chong chóng vị trí khảo sát Đối chiếu kết biên dạng khảo sát với kết biên dạng R.A.F biên dạng Clark Y (hai biên dạng chuẩn chong chóng) để đưa nhận xét - Áp dụng lý thuyết chong chóng để đưa đánh gia sơ đặc tính đáp ứng lực đẩy chong chóng diều lượn có động theo số J (Advanced ratio) Giới thiệu bàn đo biên dạng chong chóng Bàn đo biên dạng chong chóng gồm hai mica phẳng giống hệt kích thước 1000×200×5 mm gắn cố định bệ đỡ Hình cho chúng song song với song song với mặt phẳng ngang, mica cách 15 mm Hình 1: Mơ hình 3D bàn đo biên dạng chong chóng Ở đầu mica trục đối xứng d1 dọc theo chiều dài hình chữ nhật có đục lỗ để gắn gốc chong chóng cần đo Trên mica có đục lỗ trịn nhỏ theo vị trí bán kính r mm với tâm vị trí đục lỗ gắn gốc chong chóng - Từ vị trí mm đến mm lỗ trịn cách - Từ vị trí mm đến mm lỗ trịn cách - Từ vị trí mm đến mm lỗ trịn cách Hình 2: Bàn đo biện dạng chong chóng sau khí chế tạo hồn chỉnh Hình mơ tả bệ đo chong chóng sau chế tạo hồn chỉnh phịng thí nghiệm C1 với chong chóng dùng để khảo sát chong chóng dùng cho diều lượn Đây chong chóng gỗ có bước khơng thay đổi có đường kính 1.7 m Việc khảo sát tiến hành nhờ vào cột chuẩn làm từ căm xe đạp, ứng với vị trí đo dựa vào giá trị đọc cột chuẩn thước đo (có thể kết hợp với kính lúp) ta có cao độ chong chóng đo vị trí khảo sát Các bước thực khảo sát biên dạng: -Gắn cố định chong chóng cần đo phía mica -Đặt kim đo (dài 150 mm) vào lỗ nhỏ cho mũi kim tiếp xúc với chong chóng -Đọc giá trị lại kim đo (là khoảng cách từ mica đến gốc kim đo) -Lấy số liệu theo vị trí bán kinh r từ r = 150 đến r = 855 với mm -Sau lấy mặt chong chóng đo ta làm tương tự cho mặt lại -Ghi giá trị vào bảng số liệu (theo định dạng đưa tập tin Excel đính kèm) Lưu ý đến quy ước dấu: Các lỗ nằm trục đối xứng d1 00, lỗ lại mặt phẳng đường trục đối xứng (+), mặt phẳng lại đường trục đối xứng (-) Đặc tính hình học chong chóng - Nếu cánh chong chóng nằm ngang cắt mặt phẳng đứng song song với đường tâm tiết diện mặt cắt cánh gọi biên dạng chong chóng vị trí khảo sát Thơng thường, bề dày biên dạng chong chóng tăng dần đến vị trớ ti a v trớ ẳ n ẵ dõy cung cánh, sau giảm dần thu hẹp lại cạnh sau - Đoạn nối cạnh trước đến cạnh sau dây cung cánh c Giao điểm đường dây cung mũi hay cạnh trước tiết diện cánh dùng làm tâm trục tọa độ (x,y) cho biên dạng cánh, trục x theo đường dây cung trục y theo hướng lên Tọa đọa biên dạng cánh thường cho theo giá trị số phần trăm dây cung c - Ở vị trí x đường dây cung cánh có hai điểm tương ứng với mặt mặt cánh, điểm hai điểm xác định Đường qua điểm trung bình từ cạnh trước đến cạnh sau đường cong trung bình cánh - Khoảng cách lớn điểm đường cong trung bình với đường dây cung độ cong tiết diện cánh, thường cho theo trị số phần trăm c Các tiết diện cánh máy bay thường có độ cong từ đến 5%, cánh có độ cong lớn nhiều dung cánh cánh turbine, cánh bơm, quạt Cánh có biên dạng mặt đối xứng với mặt cánh mà đường cong trung bình với đường dây cung độ cong không, tức cánh loại cánh phẳng - Biên dạng cánh đối xứng gọi phân phối bề dày Bởi cánh cong với biên dạng mặt mặt thành lập từ đường cong trung bình phân phối bề dày bề dày cánh đối xứng Vị trí x đường dây cung cánh tương ứng với nơi cánh có bề dày tối đa thơng số quan trọng Bề dày tối đa thường vị trí 25% đến 60% dây cung cánh Một số tiết diện cánh xưa có bề dày tối đa vị trí 25% dây cung, tiết diện cánh đặc biệt lại có bề dày tối đa vị trí 60% dây cung tính từ cạnh trước Hình 3: Đặc tính hình học biên dạng chong chóng - Bước chong chóng định nghĩa khoảng cách tới dòng lưu chất vòng quay Theo định nghĩa chong chóng quay với vận tốc quay n = 2000 (vòng/phút) máy bay đứng n bước chong chóng lúc khơng Còn trường hợp máy bay lượn với vận tốc V tắt động bước chong chóng vơ Do bước chong chóng số khơng hữu dụng việc định dạng hình học chong chóng Và để giải vấn đề người ta chấp nhận phương pháp đo bước chong chóng -Xét biên dạng cánh Error! Reference source not found., vị trí bán kính r tính từ trục chong chóng Đường chấm chấm đường hệ số lực nâng khơng hướng tương đối lưu chất ổn định qua theo hướng Từ Bước hình học phần tử cánh định nghĩa 2r tan Đây bước chong chóng vị trí r Một số chong chóng có bước hình học vị trí bán kính chong chóng loại gọi chong chóng có bước Tuy nhiên số trường hợp bước hình học thay đổi theo vị trí bán kính Trong trường hợp bước hình học chong chóng định nghĩa vị trí 70% bán kính gọi bước hình học chong chóng Hình 4: Bước hình học chong chóng Cơ sở lý thuyết chong chóng 4.1 Lý thuyết động lượng Froude [1][2] Chức chong chóng hay hệ thống lực đẩy phải tạo lực đẩy phía trước dọc theo trục hệ thống lực đẩy tạo thành tác động vào dòng lưu chất chuyển động phía sau Việc tạo lực đẩy tránh khỏi mát lượng thể qua việc mát động lượng, mát lượng chuyển động quay chong chóng tác động lên dịng lưu chất ma sát cánh chong chóng với dịng lưu chất Tuy nhiên để dễ dàng, với ước tính ban đầu người ta bỏ qua mát lượng từ xây dựng lý thuyết cho chong chóng lý tưởng khơng có ma sát, khơng có chuyển động quay lưu chất Đó lý thuyết Động lượng, lý thuyết Froude thực năm 1878 Trong lý thuyết này, công tác động vào lưu chất làm tăng lượng lưu chất lượng sử dụng để làm tăng động lượng phía sau lưu chất, tượng xảy tương tự chong chóng máy bay Lý thuyết giả thiết có bề mặt đĩa lý tưởng diện tích S cung cấp lượng không tạo lực cản lưu chất chuyển động qua Lưu chất qua nhận lượng dạng áp từ diện tích đĩa Người ta giả thiết vận tốc lưu chất vị trí bề mặt đĩa tất lượng truyền hồn tồn cho lưu chất Hình 5: Sự truyền động lượng lý tưởng đĩa quay dòng chảy lưu chất Xét hệ thống Hình 5, đĩa cơng tác diện tích S đặt dịng lưu chất mà vận tốc dịng vơ cực V áp suất p Đường cong bên ngồi thể đường lưu tuyến ngăn cách dịng lưu chất chuyển động qua đĩa không chuyển động qua đĩa Khi dòng lưu chất bên lưu tuyến chuyển động đến trước mặt đĩa gia tốc đến vận tốc V0, áp suất giảm p1 Ngay sau đĩa áp suất tăng lên p không làm tăng đột ngột vận tốc lưu chất Phía sau đĩa lưu chất mở rộng tiếp tục tăng vận tốc vùng xa đĩa áp suất trở áp suất bình thường p vận tốc dịng lưu chất Vs Xét đơn vị thời gian: Khối lượng lưu chất chuyển động qua đĩa = (1) Lượng gia tăng moment động lượng phía sau (2) Lực đẩy đĩa là: (3) 10 Suy (48) Cân phương trình ( 47) (34): (49) Hay (50) Cũng tương tự xét động lượng góc : (51) Trong đó: lượng thay đổi vận tốc góc lưu chất qua đĩa Khi : (52) Suy (53) Ở ta có (54) Thay phương trình phương trình (55) 20 Cân phương trình ta có (56) Cơng suất Cơng suất (57) vào (58) Vì hiệu suất phần tử (59) (60) (61) Đây dạng khác phương trình (19) Với cơng thức ta tính tốn số vị trí bán kính, sau ta lấy tích phân theo bán kính cho lực đẩy monment cản từ suy cơng suất cần cho chong chóng hồn tồn xác định dạng hình học chong chóng Báo cáo thí nghiệm 5.1Dựng mơ hình 3D cho chong chóng - Lấy toạ độ từ file CAD “ Bien dang chong chong do” từ elearning  đưa góc toạ độ điểm lệnh UCS , sau dùng lệnh LIST để lấy số liệu toạ độ đưa vào excle để xử lí xuất file text để đưa vào solidwork để vẽ 21 Hình 8: Thay đổi vị trí góc toạ độ lệnh UCS Hình 7: Dùng lệnh LIST để lấy số liệu bảng excle 22 Hình 9: Xử lí số liệu phân cột excle Hình 10 : Xuất số liệu file text 23 - Sử dụng phần mềm solidwork để vẽ mơ hình 3D, đưa toạ độ biên dạng cánh sử lí vào thơng qua Curves : Hình 11: Vẽ biên dạng số liệu từ file text qua lệnh Curves 24 - Hình ảnh mơ chong chóng: Hình 12: Tập hợp tất biên dạng cánh xử lí Hình 13: Tập hợp biên dạng cánh Convert 25 Hình 14: Liên kết biên dạng vẽ thành chong chóng Boundary Hình 15: Hình đạng ban đầu cánh chong chóng 26 Hình 16: Cánh chong chóng hồn chỉnh Hình 17: Góc nhìn từ xuống chong chóng 27 Hình 18: Góc nhìn từ lên chong chóng Hình 19: Góc nhìn bên cạnh góc độ xoắn cánh chong chóng 28 5.2 Tính lực đẩy moment cho cánh chong chóng Với đề cho : V= 250 km/h = 69.44 m/s n= 3000 rpm D=1.7 m Tỉ lệ tiến (Advance Ratio) chong chóng là: J V nD 69.44  3000 1.7  0.0136 Tại vị trí 75%R = 75%x840 = 630 ta tìm góc đặt cánh từ Autocad  16o 75%R Hình 20: Biên dạng hcong chóng vị trí 75%R Hình 21: Đồ thị hiệu suất theo tỉ lệ tiến chong chóng 29 Ta dựa vào đồ thị hiệu suất theo tỉ lệ tiến chong chóng vị trí 75%R => Hiệu suất chong chóng là:   60% Ta có: i  1 a  60%  1 a  a  0.67 Lực đẩy chong chóng là: T  SV0 (VS  V) Với V0  V1 a VS  V1 2a ta có:  D2 T  1.2256  V  (1 0.67) (V  (1 2a) V ) 1.72 T  1.2256   69.44  (1 0.67) (69.44  (1  0.67)  69.44) T  30017.68N Vì cơng suất hữu dụng TV hiệu suất P P 30017.68 69.44 69.44 / 69.44  (1 V V0 nên công suất cần cung cấp là: TV V / V0  3481kW 0.67) Lượng gia tăng moment động lượng phía sau 30 31 Ta tiến hành thay đổi số vòng quay n từ 1000rpm đến 15000rpm, ta nhận thấy thay đổi từ bảng giá trị sau: Hình 22: Bảng giá trị thay đổi số vòng quay từ 1000rpm đến 15000rpm Sự thay đổi lực đẩy chong chóng T theo thay đổi số vịng quay rpm 4000000 Lực đẩy chong chóng T 3500000 3000000 2500000 2000000 1500000 1000000 500000 0 2000 4000 6000 8000 10000120001400016000 Số vịng quay n (rpm) Hình 23: Đồ thị biểu diễn thay đổi lực đẩy chong chóng T theo thay đổi số vịng quay rpm 32 Đồ thị biểu diễn thay đổi công suất cần cấp theo thay đổi số vòng quay n (rpm) 3.5E+09 3E+09 Công suất cần cấp 2.5E+09 2E+09 1.5E+09 1E+09 500000000 0200040006000800010000120001400016000 Số vòng quay n (rpm) Hình 24: Đồ thị biểu diễn thay đổi cơng suất cần cấp theo thay đổi số vòng quay n (rpm) Nhận xét kết luận: Khi tăng số vòng quay từ 1000rpm đến 15000rpm, lực đẩy chong chóng T công suất cần cấp tăng Ở lần tăng lên 1000rpm (ví dụ từ 2000rpm đến 3000rpm từ 7000rpm đến 8000rpm) độ dốc đường đặc tính cho lực đẩy công suất tăng 33 Tài liệu tham khảo [1] Bài thí nghiệm khảo sát biên dạng hcong chóng máy bay – Thầy Đặng Trung Duẩn [1] E.L Houghton, N.B Carpenter, “Aerodynamics for Engineering Students”, Butterworth Heinemann, 5th ed., 2003 [2] Alfred Gessow, Garry C Myers, JR., “Aerodynamics of Helicopter”, Frederick Ungar Publishing Co., New York, 8th ed., 1985 34