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

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Việc xác định các thành phần lực và mô men khí động tác động lên cánh, lên máy bay và các vật trong dòng chảy một cách chính xác là một nhu cầu

Trang 1

Học viên: Nguyễn Hải Dương

GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Mịch

1

Kính gửi: Viện cơ khí Động Lực

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

1 Họ và tên học viên: Nguyễn Hải Dương SHHV: CB090025

2 Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không Lớp cao học: KT Máy và TB thuỷ khí

3 Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thế Mịch

4 Đơn vị công tác: Bộ môn Máy và Tự động thuỷ khí

5 Tên đề tài tiếng việt: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế cân khí động 3 thành phần dùng cho ống khí động dưới âm

6 Tên tiếng Anh: Study,calcul, design balance aerodynamics 3 components used for

tunel subsonics

7 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Việc xác định các thành phần lực và mô men khí động tác động lên cánh, lên máy bay

và các vật trong dòng chảy một cách chính xác là một nhu cầu hết sức cần thiết trong quá trình nghiên cứu khí động học Việc nghiên cứu tính toán thiết kế nhằm chế tạo được cân khí động là một việc làm đầu tiên để có thể xác định bằng thực nghiệm các thành phần khí động

Nó đòi hỏi chúng ta phải nắm được phản ứng của một cánh (một vật thể) khi được đặt trong dòng chảy là hết sức cần thiết làm cơ sở để tính toán thiết kế cân khí động

8 Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):

Xác định được giá trị các lực và mô men thành phần xác định lên các cảm biến xác định lực và cảm biến đo mô men trên cơ sở sơ đồ nguyên lý đo và kết cấu của cân khí động đã thiết kế

9 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:

a Xác định sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động có lắp đặt các đối tượng cần

xác định các thành phần khí động

b Xác định các lực khí động theo thời gian, các giá trị lớn nhất của các thành phần cần

đo, xác định tần số lấy mẫu của thành phần cần đo

c Tính toán thiết kế cân khí động trên cơ sở kết quả của phần tính toán trên làm cơ 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 hướng dẫn Học viên

PGS.TS Nguyễn Thế Mịch Nguyễn Hải Dương

Ý kiến của lãnh đạo viện

Trang 2

2

1.2 Định nghĩa 11

1.3 Phân loại cân khí động 13

PHẦN 2 22

XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ỐNG KHÍ ĐỘNG 22

2.1.Xác định các thành phần của ống khí động: 22

2.2 Một số phương án bố trí và thiết kế của ống khí động 24

PHẦN 3 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 của cánh và các đại lượng đo 32

3.3 Phương trình của các đại lượng đo theo thời gian 35

PHẦN 4 37

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÂN KHÍ ĐỘNG, LỰA CHỌN SENSOR CHO BA THÀNH PHẦN CẦN ĐO 37

4.1 Các giá trị lớn nhất của các thành phần cần đo 37

4.2 Lựa chọn kết cấu 44

4.3.Tính toán đường kính cánh tay đòn 45

Trang 3

3

4.4 Lựa chọn kích thước bao của cân: 50

PHẦN 5 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 và ống khí động 67

5.5 Hướng dẫn điều chỉnh các điểm đo đạc 69

5.6 Quy trình đo đạc trên cân khí động và lưu trữ số liệu 74

5.7 Bảng số liệu kết quả đo 76

PHẦN 6 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

Phụ lục 1 : Ảnh chụp cân khí động sau chế tạo và tiến hành đo đạc tại phòng thí nghiệm bộ môn hàng không 85

Phụ lục 2: Chương trình xử lý số liệu cho vi điều khiển 88

Phụ lục 3 : Kết quả đo đạc và 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

Trang 4

4

So với thế giới, thực nghiệm tại Việt Nam gặp rất nhiều khó khăn do điều kiện trang thiết bị tại các phòng thí nghiệm tại Việt Nam còn hạn chế Với uy thế là trung tâm nghiên cứu của cả nước - Viện cơ khí động lực – Trường ĐHBK HN một phòng thí nghiệm khí động đã được xây dựng Tuy nhiên, hầu hết trang thiết bị được nhập từ nước ngoài rất tốn kém Vì vậy,Viện đã nghiên cứu chế tạo các thiết bị thí nghiệm này, thực

tế Viện đã chế tạo thành công 1 chiếc ống khí động dưới âm và 1 cân khí động 3D (đo 3 thành phần : lực nâng, lực cản và momen lắc dọc) đang trong quá trình hoàn thiện để chế tạo

Nhằm giúp các sinh viên của ngành hiểu rõ về nguyên lý hoạt động cũng như cấu tạo, cách thức thực hiện thí nghiệm của thiết bị cân khí động Viện đã đưa đề tài này vào luận văn tốt nghiệp cao học Trong quá trình hoàn thành nội dung luận văn của mình, em đã nhận được sự chỉ bảo, giúp

đỡ tận tình của các thầy cô trong viện, đặc biệt là thầy hướng dẫn GS.TS Nguyễn Thế Mịch Vì vậy em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến

các thầy cô giáo đã hướng dẫn em trong thời gian qua

Hà Nội, Ngày 03 tháng 05 năm 2012

Nguyễn Hải Dương

Trang 5

Hình 2.3: Cấu tạo chính cân khí động

Hình 2.4: Cơ cấu cơ bản cân khí động

Hình 2.5: Một số kiểu ống khí động

Hình 2.6: Một loại ống khí động của NACA sử dụng

Hình 2.7: Sơ đồ ống khí động khép kín

Trang 6

6

Hình 3.5: sự phụ thuộc của lực vào vào góc tấn

Hình 3.6: Sự phụ thuộc của lực vào thời gian

Hình 4.5 : Quan hệ hệ số lực nâng CLtheoC d

Hình 4.6: Mô hình cân cho tính mômen với các kích thước lựa chọn sơ bộ Hình 4.7 : Quan hệ hệ số mômen C và m 

Hình 4.8: Mô hình cân BE3 của Italy

Hình 4.9: Nguyên lý truyền lực cân khí động mô hình BE3

Hình 4.10: Kích thước cánh tay đòn chính

Hình 5.1: Sơ đồ lắp đặt cân khí động vào ống khí động

Trang 7

7

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 và điều chỉnh cánh

Hình 5.4: Cánh sau khi được lắp đặt và 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 và ghi nhận kết quả 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 các số liệu đo lực nâng

Hình 5.12: Hình ảnh đo đạc và xác định vận tốc của ống khí động

Trang 8

8

Trang 9

9

Danh mục các ký hiệu viết tắt

ĐHBK Hà Nội Đại học Bách Khoa Hà Nội

CKĐ 3D Cân khí động 3 thành phần

ÔKĐDÂ Ống khí động dưới âm

Trang 10

10

Hình 1.1: Hình ảnh “máy tay quay”

Sau đó Sir George Cayley (1773-1857) – cha đẻ của khí động học cũng đã sử dụng loại máy này để đo lực nâng và lực cản của nhiều dạng cánh khác nhau Cánh tay quay của ông dài 5 feet và có tốc độ đạt tới 10 – 20 ft/s Từ những dữ liệu thí nghiệm đó, ông đã chế tạo 1 dạng tàu lượn nhỏ Đây chính là thành công đầu tiên về phương tiện bay có trọng lượng lớn hơn không khí mà có thể mang được con người trong lịch sử Tuy nhiên với loại thiết bị này vẫn gặp phải nhiều nhược điểm để đưa ra kết quả thí nghiệm chính xác Đặc biệt với dòng chảy rối, những kinh nghiệm thực tế không thể xác định một cách đúng đắn sự ảnh hưởng của vận tốc không khí đối với mô hình thí nghiệm Thêm nữa, rất khó khăn để lắp đặt dụng cụ thí nghiệm, và đo những lực nhỏ (nhiễu nhỏ) sinh ra trên mô

Trang 11

, với 1 máy quạt gió dẫn động bằng 1 động cơ hơi nước, để đưa dòng khí vào trong ống và tạo dòng chảy trên mô hình Ông đã gắn rất nhiều mô hình với nhiều hình dạng khác nhau để đo lực nâng và lực cản do dòng khí chuyển động quanh vật thể tạo ra Kết quả thí nghiệm của ông đã để lại một ý nghĩa vô cùng quan trọng Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành hàng không, sự ra đời của ống khí động và ứng dụng khoa học tiên tiến, cân khí động ra đời với nhiều chủng loại và ứng dụng đa dạng

1.2 Định nghĩa

Cân khí động là dụng cụ đo lực và momen tác dụng lên cánh thử, khi

cánh được đặt trong buồng thử của ống khí động có dòng khí chuyển động trong ống

Mục đích chính của hệ thống đo lường trong ống khí động là đo các thành phần lực và mô men Trong đó hơn 70% các thí nghiệm trong ống khí động là để đo lực,trước đây dụng cụ đo đơn thuần là cơ khí và cơ chế của cân cũng tương tự như các cân đo bình thường Ngày nay những cân này thường dựa vào những bộ chuyển đổi hay thông qua một thanh dẫn kim loại từ đó tác động lên cảm biến Tất cả những cân này đều có một cảm biến nhỏ cho mỗi thành phần được đo

Nguyên lý hoạt động chung của cân khí động : Các lực và mô men tác dụng lên cánh truyền qua các thanh truyền tới các cảm biến Tại đây,

Trang 12

Nhiệm vụ của ống khí động là tạo ra dòng khí chuyển động thẳng đều, muốn vậy thì hình dạng ống và các bộ phận trong ống phải được lắp đặt phù hợp Sau khi tạo được dòng khí thẳng đều, vật mẫu thí nghiệm được đặt bên trong ống sẽ chịu tác dụng của dòng khí thổi qua và sẽ sinh

ra các lực nâng, lực cản tương ứng Khi đó, cân khí động sẽ chịu trách

Trang 13

13

nhiệm đo đạc các lực tác dụng đó, tùy vào các điều kiện khác nhau của dòng khí Với nhiệm vụ đó, ống khí động đã được ứng dụng trong nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực khác nhau

Đối với các nhà nghiên cứu về lĩnh vực hàng không, không gian, mục đích chính của họ khi sử dụng ống khí động là để thiết kế, chế tạo ra nhiều loại máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, tàu con thoi… đảm bảo hoạt động được trong các yêu cầu khác nhau: tốc độ bay dưới âm, trên âm, siêu âm; giảm tối đa lực cản của không khí, nâng cao đặc tính khí động cho các thiết bị đó Dần dần họ cải tiến các thế hệ máy bay sao cho thế hệ sau có

nhiều tính năng ưu việt hơn thế hệ trước

Đối với các nhà kiến trúc, khi họ có dự án xây dựng một tòa nhà hay một khu nhà cao tầng, họ cần chế tạo các mô hình có kích thước thu nhỏ và đưa các mô hình đó vào trong ống khí động Sau đó họ đánh giá ảnh hưởng của không khí, gió mưa, các điều kiện thiên nhiên lên mô hình thông qua các thí nghiệm trong ống khí động, để từ đó đánh giá được kết cấu thực tế của tòa nhà, khu nhà sao cho phù hợp Đặc biệt khi họ xây nhà trong những khu vực thường xuyên xảy ra các hiện tượng địa hình, thời tiết khắc nghiệt Các công trình xây dựng phải được bố trí, thiết kế sao cho kiến trúc của chúng có đặc tính khí động phù hợp với điều kiện tự nhiên, thời tiết xung quanh Từ đó nhà thiết kế sẽ đưa ra những phương

án thiết kế thích hợp và hiệu quả

1.3 Phân loại cân khí động

Cân khí động có thể được phân biệt bởi số những thành phần lực,

mô men nào được đo đồng thời; với cách này thì cân khí động chia làm sáu loạ1 Hoặc sự định vị (vị trí) tại mà chúng được đặt Nếu chúng được đặt ở trong mô hình khảo sát gọi là Cân khí động trong (Internal balance)

Trang 14

Trang 15

15

Hình 1.4: Cân khí ngoài các đầu đo gắn với các thành phần đo lực

 Cân khí động trong (Internal balance):

Với loại cân này cần có không gian hạn chế bên trong bản thân mô hình, vì vậy loại cân này tương đối nhỏ khi so sánh tới những cân khí động ngoà1

Hình 1.5: Cân khí động trong

Có hai nhóm cân khí động trong Đầu tiên là nhóm gồm có cái gọi

là sự cân bằng hộp, nó có thể được cấu tạo từ một mảnh kim loại cứng hoặc tập hợp từ một vài thành phần Chúng thường có dạng hình lập phương, sao cho tải tác dụng được chuyền từ đỉnh đến chân của cân; Nhóm thứ hai của cân khí động trong là cân bằng cần( sting balances) Chúng có dạng hình trụ, sao cho tải tác dụng được chuyền từ đầu này đến một đầu khác theo chiều dọc hình trụ

 Cân dạng cần

Trang 16

16

nhóm Khoảnh khắc- kiểu cân bằng và bắt buộc- những sự cân bằng kiểu

có một đặc tính chính chung, là sự thiếu (của) một trực tiếp gửi ra thành phần của tỷ lệ tới thang máy/ hắc ín và lực/ trượt cạnh những tín hiệu mà cân đối đối với tất cả chúng tải phải rồi được tính toán bởi tổng hay trừ tín hiệu từ việc lẫn nhau, trước đây được nuôi vào trong dữ liệu quá trình thử Lợi thế là associ kia- sự nối dây tập trung được ăn trên mỗi mục(khu vực) (thì) nhiều ít hơn có cảm giác đối với những hiệu ứng nhiệt độ

Trang 17

17

Hình 1.6: Cân khí động trong 3 thành phần

 Loại cân mô men

Loại cân này có một mômen uốn đang đo mục(khu vực) trong mặt trước tốt như trong ở đuôi tàu là những vùng (của) sự cân bằng

Phép đo hai thành phần mô men uốn (S1 và S2) được dùng để tìm ra tín hiệu mà tỉ với lực trong phép đo thứ hai nữa là tỉ lệ với mô men quanh trục thẳng góc tới phép đo

mômen nghiêng mục(khu vực)

phải được áp dụng với cảm biến

Trang 18

 Cân dạng hộp

Sự khác nhau chính giữa những sự cân bằng hộp và những sự cân bằng cần là mô hình và vùng phiếu đính kèm ngò1 Chuyển đổi tải trong những sự cân bằng như vậy đến từ đỉnh tới đáy dọc theo trục Z thẳng đứng

Trang 19

Hình 1.10: Cân dạng hộp loại nhỏ đo các thành phần lực nhỏ

Trang 20

Trang 21

21

 Cân ba thành phần(3D): Đo lực cản lực(drag force), nâng(lift

force) và mô men lắc dọc trục ( pitching moment )

Hình 1.13:Cân khí động 3 thành phần lực nâng, lực cản và mômen dọc

Trang 22

Hình 2.2: Ống khí động

Trang 23

23

+ Để dẫn dòng khí hiệu quả, ống khí động có dạng đầu vào hình trụ

tròn với bán kính thiết diện lớn,

+ Sau đó hình thuôn nón để gây nén khí và tăng cường vận tốc

+ Dòng khí được dẫn tới vùng kiểm tra Vùng ống này có dạng thiết

diện đều để đảm bảo sự ổn định của dòng khí tác dụng lên thiết bị cần

kiểm tra đặc tính khí động

+ Vùng ống còn lại có dạng hình nón với bán kính mở rộng ra, Diều

này cho phép giảm áp dòng khí và giảm tốc độ của khí khi ra khỏi thiết

bị Không gây áp lực đột ngột lên môi trường xung quanh

Việc dẫn dòng khí sẽ được thiết kế cơ cấu quạt hút gió

+ Để cho dòng khí đi vào là ổn định ta thiết kế quạt ở phía đầu ra

của ống khí động và cho phép hút khí thay vì thổi khí thiếu ổn định bằng

(Motor)

+ Để đảm bảo hơn nữa dòng khí vào là ổn định không xoáy người ta

bố trí thêm tại đầu vào ống cơ cấu tấm lỗ tổ ong Cơ cấu này cũng góp

phần ngăn chặn các vật tạp có hại có thể bị hút vào ống khí, va đập vào

cơ cấu cần kiểm tra đặc tính khí động cũng như quạt hút (Hình 17)

Hình 2.3: Cấu tạo chính cân khí động

Trang 24

- Cơ cấu thu thập dứ liệu tính toán và hệ thống điều khiển

- Đầu vào ống khí dạng hình chop

- Tấm chắn vào hình tổ ong

2.2 Một số phương án bố trí và thiết kế của ống khí động

Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, có rất nhiều phương án cải tiến và bố trí ống khí động đảm bảo kết quả đo được chính xác bằng cách hướng tác động cho việc ổn định dòng khí với những cách khác nhau

Trang 25

Trang 26

26

Hình 2.6: Một loại ống khí động của NACA sử dụng

Trang 27

Trang 28

28

Hình 2.8:Mô hình ống khí động cỡ lớn của NACA

Với phòng thí nghiệm của bộ môn ống thí nghiệm cùng với cân khí động:

Trang 29

29

Hình 2.9: Ống khí động PN20D và cân khí động 3 thành phần

Trang 30

Hình 3.3: Sơ đồ xác định lực cản

Hình 3.2: Sơ đồ xác định lực cản

Trang 31

31

khí động L thông qua sự biết trước khoảng cách a,b (hình 3.2)

Sơ đồ xác định lực cản:

Tương tự lực nâng, qua tác dụng của dòng khí tới với vận tốc v, tạo

ra lực cản khí động đặt lên cánh D, và tương tác lực vị trí tại d Và tại d ta đặt một đồng hồ đo lực ta hoàn toàn xác định được lực khí động D thông qua sự biết trước khoảng cách a,b (hình 3.3)

lực Fm lên điểm đặt tại Fm, tại

đây nếu ta đặt một đồng hồ đo

Trang 32

3.2 Phương trình quan hệ động học, hình học của cánh và các đại lượng đo

Trước hết, ta sẽ tìm hiểu về sự hình thànhvà sự xác định ba lực khí động lực học

Chúng ta chú ý đầu tiên đó là góc tấn  được định nghĩa là góc giữa vận tốc khí và dây cung c của profin cánh Tóm lại, do nguyên lý thuận nghịch, các lực khí động được hình thành khi profin chuyển động trong dòng khí ngược chiều vận tốc với độ lớn v

Trang 33

33

Khi góc tấn thay đổi, phân bố vận tốc dòng chảy trên lưng và bụng cánh thay đổi dẫn đến sự chênh lệch áp suất giữa lưng và bụng cánh (theo định luật bernulli : 1 2

2

   ) Sự chênh lệch áp suất đó làm xuất hiện lực cản và lực nâng Khi  thay đổi các giá trị này cũng thay đổi theo

Hình 3.5 minh họa về sự phụ thuộc của lực nâng vào góc tấn : Thực nghiệm và lý thuyết đã chứng minh rằng: lực nâng tỉ lệ với khối lượng riêng của dòng khí công tác, bình phương vận tốc, góc tấn 

và các thông số hình học của cánh

Lực nâng được tính theo công thức:

2 L

2 D

Mô men tác dụng lên cánh ở đây do hai thành

phần gây ra: Thứ nhất do dòng khí động gây ra và

được tính theo công thức :

2 M

Trang 34

Các phương trình (1), (2), (3) chính là các phương trình phụ thuộc

vào thông số động học và hình học của cánh của các thành phần đo

Trang 35

3.3 Phương trình của các đại lượng đo theo thời gian

Theo các kết quả nghiên cứu thì vận tốc tại một điểm nhất định trên profin cánh trong những thời điểm khác nhau là khác nhau Nghĩa là, vận tốc phụ thuộc vào thời gian Do đó, các đại lượng đo cũng phụ thuộc vào thời gian :

i

v t V

t





Trong đó vi là vận tốc tức thời tại thời điểm ti

Các phương trình (7), (8), (9) gọi là các phương trình theo thời gian của các đại lượng đo

Hình minh họa sự phụ thuộc của lực vào thời gian

Trang 36

36

Hình 3.6: Sự phụ thuộc của lực vào thời gian

Trang 37

37

PHẦN 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÂN KHÍ ĐỘNG, LỰA CHỌN

SENSOR CHO BA THÀNH PHẦN CẦN ĐO

4.1 Các giá trị lớn nhất của các thành phần cần đo

Trong thiết kế ta chọn mô hình thiết kế cân theo mẫu mô hình cân BE3 với các kích thước lựa chọn như hình mô hình tính toán

 M – Bảng điều khiển cân khí động

 N - Máy đo Mnogotrubochny

+ Mô hình cân cho tính lực nâng với các kích thước chọn sơ bộ:

197

L

l

Trang 38

38

Hình 4.2 : Mô hình cân cho tính lực nâng với các kích thước chọn sơ bộ

+ Phương trình cân bằng mômen tại O ta có :

  là khối lượng riêng của không khí  1,225kg / m3

 V là vận tốc dòng không khí thổi vào Vmax 38 m / s

 CL- hệ số lực nâng của cánh

Với cánh sử dụng là NACA4412 ta có biếu đồ mối quan hệ CLtheo 

sau : (tài liệu Theory of Wing section)

Trang 39

39

Hình 4.3 : Quan hệ hệ số lực nâng CLtheo

Biểu đồ trên là biểu đồ lực nâng với 3 giải reynold 3.10 , 6.10 , 9.10 6 6 6

Ta tính số

VL

Re 

Trong đó :

Trang 40

40

Bảng 1 : Bảng đặc tính không khí theo nhiệt độ

Qua bảng chọn được  15,11.10 m / s6 2 ứng với nhiệt độ 20o

Định dạng
Số trang	143
Dung lượng	10,61 MB