Luận văn nghiên cứu, tính toán, thiết kế cân khí động 3 thành phần dùng cho ống khí động dưới âm

Luận văn tốt nghiệp cao học Kính gửi: Viện khí Động Lực ĐỀ CƢƠNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Họ tên học viên: Nguyễn Hải Dƣơng SHHV: CB090025 Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không Lớp cao học: KT Máy TB thuỷ khí Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thế Mịch Đơn vị công tác: Bộ môn Máy Tự động thuỷ khí Tên đề tài tiếng việt: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế cân khí động thành phần dùng cho ống khí động âm Tên tiếng Anh: Study,calcul, design balance aerodynamics components used for tunel subsonics Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: Việc xác định thành phần lực mô men khí động tác động lên cánh, lên máy bay vật dòng chảy cách xác nhu cầu cần thiết trình nghiên cứu khí động học Việc nghiên cứu tính toán thiết kế nhằm chế tạo cân khí động việc làm để xác định thực nghiệm thành phần khí động Nó đòi hỏi phải nắm phản ứng cánh (một vật thể) đặt dòng chảy cần thiết làm sở để tính toán thiết kế cân khí động Mục đích đề tài (các kết cần đạt đƣợc): Xác định giá trị lực mô men thành phần xác định lên cảm biến xác định lực cảm biến đo mô men sở sơ đồ nguyên lý đo kết cấu cân khí động thiết kế Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: a Xác định sơ đồ nguyên lý làm việc ống khí động có lắp đặt đối tượng cần xác định thành phần khí động b Xác định lực khí động theo thời gian, giá trị lớn thành phần cần đo, xác định tần số lấy mẫu thành phần cần đo c Tính toán thiết kế cân khí động sở kết phần tính toán làm sở lựa chọn sensor cho ba thành phần cần đo 10 Dự kiến kế hoạch thực hiện: Từ 1/2010 đến 28/2/2010 hoàn thành mục a Từ 3/2010 đến 30/4/2010 hoàn thành mục b Từ 5/2010 đến 31/8/2010 hoàn thành mục c Từ 9/2010 đến 12/2010 viết luận văn hoàn chỉnh báo cáo tốt nghiệp Hà nội, ngày 24 tháng 11 năm 2009 Giáo viên hƣớng dẫn Học viên PGS.TS Nguyễn Thế Mịch Nguyễn Hải Dƣơng Ý kiến lãnh đạo viện Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Danh mục hình vẽ Danh mục bảng Danh mục ký hiệu viết tắt PHẦN I 10 TỔNG QUAN VỀ CÂN KHÍ ĐỘNG CƠ – ĐIỆN TỬ 10 1.1 Lược sử cân khí động 10 1.2 Định nghĩa 11 1.3 Phân loại cân khí động 13 PHẦN 22 XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ỐNG KHÍ ĐỘNG 22 2.1.Xác định thành phần ống khí động: 22 2.2 Một số phương án bố trí thiết kế ống khí động 24 PHẦN 30 XÁC ĐỊNH NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÂN KHÍ ĐỘNG 30 3.1.Sơ đồ nguyên lý chung: 30 3.2 Phương trình quan hệ động học, hình học cánh đại lượng đo 32 3.3 Phương trình đại lượng đo theo thời gian 35 PHẦN 37 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÂN KHÍ ĐỘNG, LỰA CHỌN SENSOR CHO BA THÀNH PHẦN CẦN ĐO 37 4.1 Các giá trị lớn thành phần cần đo 37 4.2 Lựa chọn kết cấu 44 4.3.Tính toán đường kính cánh tay đòn 45 Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học 4.4 Lựa chọn kích thước bao cân: 50 PHẦN 53 CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC VÀ KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ CÂN KHÍ ĐỘNG 53 5.1 Quy trình công nghệ chế tạo 53 5.2 Quy trình lắp ráp chi tiết 57 5.3 Lắp đặt cân khí động vào ống khí động 66 5.4 Lắp đặt cánh khí động vào cân khí động ống khí động 67 5.5 Hướng dẫn điều chỉnh điểm đo đạc 69 5.6 Quy trình đo đạc cân khí động lưu trữ số liệu 74 5.7 Bảng số liệu kết đo 76 PHẦN 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Phụ lục : Ảnh chụp cân khí động sau chế tạo tiến hành đo đạc phòng thí nghiệm môn hàng không 85 Phụ lục 2: Chương trình xử lý số liệu cho vi điều khiển 88 Phụ lục : Kết đo đạc xử lý số liệu 108 Phụ lục 4: Bảng giá trị lực tính toán 109 Phụ lục 5: Bản lẽ chi tiết thiết kế cân khí động 116 Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học LỜI NÓI ĐẦU Từ lâu, việc nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy thực nhà khoa học Pitot, Bernoulli… Cùng với phát triển ngành hàng không, thí nghiệm dòng khí bao quanh vật đặt ống khí động nghiên cứu từ sớm Như nghiên cứu dòng bao quanh trụ tròn, nghiên cứu lực cản bao quanh profil chảy tầng Đi kèm với nghiên cứu thiết bị đo dòng chảy ngày đại ứng dụng rộng rãi phòng thí nghiệm giới So với giới, thực nghiệm Việt Nam gặp nhiều khó khăn điều kiện trang thiết bị phòng thí nghiệm Việt Nam hạn chế Với uy trung tâm nghiên cứu nước - Viện khí động lực – Trường ĐHBK HN phòng thí nghiệm khí động xây dựng Tuy nhiên, hầu hết trang thiết bị nhập từ nước tốn Vì vậy,Viện nghiên cứu chế tạo thiết bị thí nghiệm này, thực tế Viện chế tạo thành công ống khí động âm cân khí động 3D (đo thành phần : lực nâng, lực cản momen lắc dọc) trình hoàn thiện để chế tạo Nhằm giúp sinh viên ngành hiểu rõ nguyên lý hoạt động cấu tạo, cách thức thực thí nghiệm thiết bị cân khí động Viện đưa đề tài vào luận văn tốt nghiệp cao học Trong trình hoàn thành nội dung luận văn mình, em nhận bảo, giúp đỡ tận tình thầy cô viện, đặc biệt thầy hướng dẫn GS.TS Nguyễn Thế Mịch Vì em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo hướng dẫn em thời gian qua Hà Nội, Ngày 03 tháng 05 năm 2012 Học viên Nguyễn Hải Dương Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Hình ảnh “máy tay quay” Hình 1.2: Ống khí động PN20D cân khí động thành phần Hình 1.3: Cân khí động Hình 1.4: Cân khí đầu đo gắn với thành phần đo lực Hình 1.5: Cân khí động Hình 1.6: Cân khí động thành phần Hình 1.7: Cân khí động loại mômen Hình 1.8: Loại mômen Hình 1.9: Cân dạng hộp Hình 1.10: Cân dạng hộp loại nhỏ đo thành phần lực nhỏ Hình 1.11: Cân thành phần Hình 1.12: Cân khí động thành phần lực nâng lực cản Hình 1.13:Cân khí động thành phần lực nâng, lực cản mômen dọc trục Hình 1.14: Cân khí động thành phần Hình 2.1: Ống khí động Đan Mạch Hình 2.2: Ống khí động Hình 2.3: Cấu tạo cân khí động Hình 2.4: Cơ cấu cân khí động Hình 2.5: Một số kiểu ống khí động Hình 2.6: Một loại ống khí động NACA sử dụng Hình 2.7: Sơ đồ ống khí động khép kín Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học Hình 2.8: Sơ đồ ống khí động khép kín Hình 2.9: Ống khí động PN20D cân khí động thành phần Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý lực cân khí động Hình 3.2: Sơ đồ xác định lực cản Hình 3.3: Sơ đồ xác định lực cản Hình 3.4: Sơ đồ xác định mômen Hình 3.5: phụ thuộc lực vào vào góc  Hình 3.6: Sự phụ thuộc lực vào thời gian Hình 4.1: Ống khí động PN20D cân khí động thành phần Hình 4.2 : Mô hình cân cho tính lực nâng với kích thước chọn sơ Hình 4.3 : Quan hệ hệ số lực nâng CL theo Hình 4.4 : Mô hình cân cho tính lực cản với kích thước lựa chọn sơ Hình 4.5 : Quan hệ hệ số lực nâng CL theo Cd Hình 4.6: Mô hình cân cho tính mômen với kích thước lựa chọn sơ Hình 4.7 : Quan hệ hệ số mômen Cm  Hình 4.8: Mô hình cân BE3 Italy Hình 4.9: Nguyên lý truyền lực cân khí động mô hình BE3 Hình 4.10: Kích thước cánh tay đòn Hình 5.1: Sơ đồ lắp đặt cân khí động vào ống khí động Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học Hình 5.2: Cửa để đưa cánh thử thí nghiệm vào ống khí động Hình 5.3: Quy trình điều lắp đặt cánh khí động điều chỉnh cánh Hình 5.4: Cánh sau lắp đặt điều chỉnh chuẩn bị cho đo đạc thí nghiệm Hình 5.5: Các núm chỉnh Reset đồng hồ đo Hình 5.6: Quy trình điều chỉnh góc đặt cánh Hình 5.7: Quy trình điểu chỉnh vận tốc dòng khí cho ống khí động Hình 5.8: Đồng hồ hiển thị kết qảu lực lúc đo đạc thí nghiệm ghi nhận kết đo Hình 5.9: Hướng dẫn lắp đặt cánh vào cân khí động Hình 5.10: Hướng dẫn điều chỉnh góc đặt cánh Hình 5.11: Ví dụ đọc giá trị số liệu đo lực nâng Hình 5.12: Hình ảnh đo đạc xác định vận tốc ống khí động Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học Danh mục bảng Bảng : Bảng đặc tính không khí theo nhiệt độ Bảng 2: Bảng thông số lực cắt, mômen uốn, ứng suất nút Bảng 3: bảng số liệu kết đo Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học Danh mục ký hiệu viết tắt ĐHBK Hà Nội Đại học Bách Khoa Hà Nội CKĐ 3D Cân khí động thành phần ÔKĐDÂ Ống khí động âm Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch Luận văn tốt nghiệp cao học PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÂN KHÍ ĐỘNG CƠ – ĐIỆN TỬ 1.1 Lƣợc sử cân khí động Benjamin Robins (1707-1751) – nhà kỹ sư quân đội người Anh đồng thời nhà toán học, phát minh “máy tay quay” dài feet làm vài thí nghiệm khoa học hàng không (hình minh hoạ) Hình 1.1: Hình ảnh “máy tay quay” Sau Sir George Cayley (1773-1857) – cha đẻ khí động học sử dụng loại máy để đo lực nâng lực cản nhiều dạng cánh khác Cánh tay quay ông dài feet có tốc độ đạt tới 10 – 20 ft/s Từ liệu thí nghiệm đó, ông chế tạo dạng tàu lượn nhỏ Đây thành công phương tiện bay có trọng lượng lớn không khí mà mang người lịch sử Tuy nhiên với loại thiết bị gặp phải nhiều nhược điểm để đưa kết thí nghiệm xác Đặc biệt với dòng chảy rối, kinh nghiệm thực tế xác định cách đắn ảnh hưởng vận tốc không khí mô hình thí nghiệm Thêm nữa, khó khăn để lắp đặt dụng cụ thí nghiệm, đo lực nhỏ (nhiễu nhỏ) sinh mô Học viên: Nguyễn Hải Dƣơng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch 10 11 10 19 18 90° 25 25 44 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Đế đỡ lưỡi dao Hợp Kim Nhôm Số lượng 02 Tỷ lệ 2:1 3 3 20 25 12.5 40 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Đế lót lưỡi dao Hợp Kim Nhôm Số lượng 02 Tỷ lệ 2:1 380 15 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch 10 20 7.500 M10 Trường ĐHBKHN Thanh Ngang Hợp Kim Nhôm Số lượng 01 Tỷ lệ 1:2 20 10 15 10 50 45° 10 M10 20 7.500 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Thanh Ngang đứng Hợp Kim Nhôm Số lượng 01 Tỷ lệ 2:1 1.5 55 20 45 ° 22 10 14° 10 14 14° 1.5 10 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Thanh Ngang nhỏ Hợp Kim Nhôm Số lượng 01 Tỷ lệ 2:1 2 38 10 10 34 20 20° 10 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Kim góc tới Hợp Kim Nhôm Số lượng 01 Tỷ lệ 2:1 38.400 45° 6 70 10.8 10 10.8 60 45 ° 20 50 40 15 5 4 R2.5 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Gối đỡ đầu đo mômen Hợp Kim Nhôm Số lượng 01 Tỷ lệ 2:1 A 45° 1 12 11 44 45° A SECTION A-A 60 30 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Núm chao Hợp Kim Nhôm Số lượng 02 Tỷ lệ 2:1 60 44 4.8 A A SECTION A-A SCALE : 12 10 4.5 43.5 15 24 45° 15 45° Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Núm chao Hợp Kim Nhôm Số lượng 02 Tỷ lệ 2:1 22 14° 1.5 440 30 10 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Thanh ngang Hợp Kim Nhôm Số lượng 01 Tỷ lệ 1:2 10 75 ° A A 10 10 14.5 M10 SECTION A-A 30 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Núm chân đế Thép cácbon Số lượng 04 Tỷ lệ 2:1 3 5 10 23.5 4 44 10 90 10 45° 5 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Đế đỡ đầu đo mômen Hợp Kim Nhôm Số lượng 01 Tỷ lệ 2:1 20 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Vô lăng Số lượng 02 Tỷ lệ 5:1 10 10 15 M3 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Ốc chặn Hợp Kim Nhôm Số lượng 02 Tỷ lệ 5:1 12 10 110.5 Người vẽ Ng Hải Dương Kiểm Tra Ng Thế Mịch Trường ĐHBKHN Ống lót trục Hợp Kim Nhôm Số lượng 01 Tỷ lệ 2:1 ... 1.2: Ống khí động PN20D cân khí động thành phần Hình 1 .3: Cân khí động Hình 1.4: Cân khí đầu đo gắn với thành phần đo lực Hình 1.5: Cân khí động Hình 1.6: Cân khí động thành phần Hình 1.7: Cân khí. .. Hình 1. 13 :Cân khí động thành phần lực nâng, lực cản mômen dọc trục Hình 1.14: Cân khí động thành phần Hình 2.1: Ống khí động Đan Mạch Hình 2.2: Ống khí động Hình 2 .3: Cấu tạo cân khí động Hình... học PHẦN XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ỐNG KHÍ ĐỘNG 2.1.Xác định thành phần ống khí động: Hình 2.1: Ống khí động Đan Mạch Ống khí động thiết bị cho phép xác định ảnh hưởng dòng khí động