Библиографическое описание:

Хоробрых М. А., Фролов В. А. Проектирование экспериментальной установки для весового эксперимента в аэродинамической трубе // Молодой ученый. — 2013. — №3. — С. 116-122.

1 Весы аэродинамические

Весы аэродинамические — установка или система для измерения составляющих аэродинамических сил и моментов, действующих на модель в аэродинамической трубе. Каждая составляющая воспринимается отдельным измерительным каналом — компонентом. Аэродинамические весы могут иметь от одного до шести компонентов. По принципу действия аэродинамические весы подразделяются на механические и электрические (тензометрические).

Механические аэродинамические весы состоят из жёсткой рамы (расположена за границами потока аэродинамической трубы) и связанных между собой рычажных систем, удерживающих её в положении равновесия; выходные звенья рычажных механизмов соединены с измерительными приборами. Модель устанавливается на раме с помощью стоек или растяжек; имеется также механизм дистанционного изменения углов установки модели. В процессе эксперимента усилие, развиваемое выходным звеном какой-либо. рычажной системы, пропорционально одноимённой составляющей аэродинамической силы или момента, действующей на модель. Измерение усилия осуществляется при помощи автоматических коромысловых весовых элементов с подвижными грузами либо электрическими динамометрами. В том и другом случаях значение усилия преобразуется в электрический сигнал с целью его регистрации и дальнейшей обработки на электронно-вычислительной машине. Полный диапазон измерения механических весов разбивается на ряд поддиапазонов. Погрешность весов, приведённая к 0,05 %.

Электрические аэродинамические весы состоят из упругого тела, чувствительных элементов и преобразователей деформации чувствительных элементов (обычно тензорезисторных) в электрический сигнал. Чувствительные элементы выполнены вместе с телом и ориентированы так, чтобы деформация элемента, вызванная соответствующей составляющей аэродинамической силы или момента, была максимальной. Различают два типа электрических аэродинамических весов — с вынесенными чувствительными элементами и с элементами, расположенными внутри модели. Для измерения всего диапазона возможных значений составляющих аэродинамической силы и момента, реализуемых в данной аэродинамической трубе, обычно требуется ряд аэродинамических весов. Погрешность электрических аэродинамических весов, приведённая к диапазону, составляет 0,3–0,5 %.

2 Аэродинамическая труба

2.1 Основные параметры трубы

Аэродинамическая труба Т-3 СГАУ (Рисунок 1) является трубой малых скоростей, замкнутого типа с открытой рабочей частью. Коэффициент поджатия сопла равен 6 (отношение площади поперечного сечения форкамеры к площади рабочей части). Рабочая часть трубы открытая, длиной 1 м. Поперечное сечение сопла прямоугольное 0.4х0.6м, со скошенными углами. Для перемещения исследуемой модели рабочая часть оборудована a — b механизм. Диапазон перемещения модели по углу α [-10°;+20°], по углу β [-20°;+45°]. Поток в рабочей части трубы создаётся центробежным вентилятором, ротор которого представляет собой крыльчатку. Скорость потока задается до 50 м/с за счет изменения числа оборотов двигателя вентиляторной установки. Минимальная скорость, которая может поддерживаться автоматизированной системой 2 м/с.

Рис. 1. Состав аэродинамической трубы


2.2 Воздушный тракт

Воздушный тракт трубы (рисунок 2) состоит из сопла, открытой рабочей части, входного диффузора, обратного канала с поворотными коленами, форкамеры с хонейкомбом и сеткой.

Рис. 2. Воздушный тракт трубы


Поток в рабочей части трубы создаётся центробежным вентилятором, ротор которого представляет собой крыльчатку. В контуре имеются 4 поворотные колена. За рабочей частью расположен входной двухконтурный диффузор, который представляет собой расширяющийся канал, обеспечивающий торможение потока с наименьшими потерями и, тем самым, эффективное превращение кинетической энергии в энергию давления. В корпусе диффузора выполнены инжекторные регулируемые окна, предназначенные для снижения пульсаций потока. Сетка служит для детурбулизации воздушного потока на входе в вентилятор. Обратный канал представляет собой канал переменного сечения с поворотными коленами и вентиляторным отсеком. В первом поворотном колене располагаются профилированные направляющие лопатки, разворачивающие поток на 90° и уменьшающие завихрения потока на поворотах. Во втором — диаметральный вентилятор сварной конструкции. В третьем и четвертом поворотных коленах также имеются профилированные направляющие лопатки. За четвертым поворотным коленом в форкамере установлен металлический хонейкомб, служащий для выравнивания потока по направлению и представляющий собой сотовый блок из стальных пластин. За хонейкомбом стоит специальная детурбулизирующая сетка, которая гасит возмущения и уменьшает неравномерности распределения скорости потока по сечению форкамеры.

2.3 Привод и вентилятор

Поток в рабочей части трубы создаётся центробежным вентилятором, ротор которого представляет собой крыльчатку. Вентилятор приводится в движение электродвигателем постоянного тока мощностью 45 кВт. Для питания электродвигателя используется тиристорные преобразователь ТЕ4–100/460 дополненый системой принудительного воздушного охлаждения. Система управления питанием электродвигателя имеет обратную связь по частоте вращения. В качестве задатчика оборотов используется ЦАП установленый в управляющей ПЭВМ.

3 α-β механизм

α-β-механизм (рисунок 3) предназначен для установки модели в рабочей части аэродинамической трубы, с требуемыми углами атаки α и скольжения β. Величины углов α и β задаются программно. Основой механизма является основание и корпус с вертикальной осью вращения. Для крепления тензовесов имеется стальной кронштейн, который жестко связан с зубчатым колесом. Электрожгут связи тензовесов с измерительной системой проложен в канале, находящемся под обтекателем. Диапазон перемещений модели по углу α [-10°;+20°], по углу β [-20°;+45°]. Перемещения α-β-механизма осуществляются двумя двигателями постояного тока типа ДП-50. Для контроля скорости вращения двигатели оснащены тахогенераторами.

3.1 Средства измерения

Аэродинамические тензовесы состоят из упругого тела, чувствительных элементов (профрезерованных соответствующим образом балок) и преобразователей деформаций (мосты тензорезисторов) в электрический сигнал. Чувствительные элементы выполнены вместе с телом тензовесов как одно целое и ориентированы так, чтобы деформации элементов, вызванные соответствующей составляющей аэродинамической силы или момента, были максимальными.

Рис. 3. Аэродинамические тензовесы


Конструкция тензовесов такова, что позволяет измерять силы и моменты относительно заданной точки. Эта задача для Y, Mz и для Z, My решается при помощи двух упругих элементов установленных так, что по отношению друг к другу они выполняют роль кинематического элемента. При этом центральный стержень подвергается поперечному изгибу и воспринимает на себя большую часть силы. Наружные элементы являются звеньями упругого параллелограмма и совершают поступательное движение. Пара сил момента воспринимается наружными элементами, нагружаемыми силами противоположного знака. При этом центральный стержень играет роль упругого шарнира, относительно которого происходит поворот звена.

4 Проектирование математической модели

Для проектирования был выбран профиль GA(W)-1 [1]. Ниже приведены координаты профиля GA(W)-1 в процентах от зависимости от хорды профиля.

Рис. 4. Координаты профиля GA(W)-1


При выбранное хорде b = 200 мм, получаем координаты (таблица 1).

Таблица 1

Координаты профиля GA(W)-1 при b = 200 мм

Yb

YH

x

0,000

0,000

0,000

2,600

-1,948

0,400

4,070

-2,888

1,000

6,138

-4,104

2,500

8,330

-5,382

5,000

9,948

-6,382

7,500

11,200

-7,138

10,000

13,122

-8,418

15,000

14,618

-9,4

20,000

15,818

-10,174

25,000

16,826

-10,852

30,000

17,696

-11,4

35,000

18,418

-11,852

40,000

19,556

-12,53

50,000

20,338

-12,896

60,000

20,818

-13,034

70,000

21,000

-12,966

80,000

20,912

-12,688

90,000

20,538

-12,182

100,000

19,834

-11,366

110,000

19,348

-10,792

115,000

18,748

-10,122

120,000

18,026

-9,356

125,000

17,208

-8,53

130,000

16,288

-7,66

135,000

15,278

-6,766

140,000

14,192

-5,86

145,000

13,034

-4,922

150,000

11,826

-4,06

155,000

10,582

-3,174

160,000

9,288

-2,382

165,000

7,966

-1,704

170,000

6,626

-1,13

175,000

5,278

-0,704

180,000

3,930

-0,496

185,000

2,574

-0,514

190,000

1,208

-0,792

195,000

-0,148

-1,566

200,000


Зная координаты верхней и нижней поверхности профиля построим контур профиля (рисунок 5).

Рис. 5. Контур профиля


Проектирование модели крыла с вихревыми ячейками проводилось в программном пакете SolidWorks [2]. Программный комплекс SolidWorks предназначен для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства изделий любой степени сложности и назначения. Специализированные модули программного комплекса решают задачи на этапе производства и эксплуатации.

Ниже приведены результаты проектирования модели профиля крыла в разобранном виде и в сборе.

Рис. 6. Разобранная модель (вид спереди)


Рис. 7. Разобранная модель (вид сзади)


Рис. 8. Собранная модель (вид сзади)


Рис. 9. Собранная модель (вид спереди)


5 3D-печать

До недавнего времени процесс проектирования и изготовления аэродинамических моделей занимал до нескольких недель, а порой и месяцев. Процесс изготовления аэродинамических моделей во многом совпадает с более общим процессом, имеющим место в промышленности, который имеет название «прототипирование». Процесс прототипирования это создание объектов по их компьютерной 3D-модели. Сфера разработки и изготовления макетов находится в постоянном развитии, что способствует появлению новых инструментов и приёмов.

Пожалуй, самым ярким примером такого развития является технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping) или как её ещё называют ‒ 3D-печать. С помощью 3D-принтеров можно в кратчайшие сроки создать образцы практически любых объектов, в том числе макеты зданий, промышленных конструкций, элементов сложных механизмов и многое другое.

Достигается это за счёт так называемого процесса «наращивания» объекта с использованием специальных компонентов по заранее подготовленной компьютерной 3D-модели.

Данный метод изготовления моделей является более быстрым, точным и недорогим по сравнению с традиционным методом изготовления аэродинамических моделей.

3D-принтеры компании Z Corporation [3] отличаются от конкурентных мировых аналогов высокой производительностью, хорошей цветопередачей и наименьшей стоимостью изготовления прототипов.

Рис. 10. 3D-принтер компании Z Corporation


Ниже приводятся основные характеристики 3D-принтера Spectrum Z™510:

  • скорость печати: 2 слоя в минуту;

  • размеры рабочей части: 254×356×203мм;

  • толщина одного слоя: 0,0875 мм;

  • разрешение печати: 600×540 dpi;

  • количество печатающих головок: 4.

Возможные материалы: высококачественные композитные материалы, материалы для непрерывного литья, стандартным материалом является порошок на основе гипса.

Для подсчёта стоимости будущего изделия учитывается не габаритный, а только полезный объём 3D-модели. Изделия проектируются пустотелыми для экономии используемого материала и уменьшения полезного объёма модели. Примерная стоимость рассчитывается исходя из 1см3 = 40 руб., в зависимости от сложности 3D-модели и её размеров.


Литература:

  1. Кашафутдинов С. Т., Лушин В. Н. Атлас аэродинамических характеристик крыловых профилей. — М.: Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина, 1994. — 74 с.

  2. Прохоренко В. П. SolidWorks. Практическое руководство. — М.: Бином, 2004. — 289 с.

3. Rev J. Spectrum Z™510 3D Printer. Hardware manual. 08 2007, from http://isites.harvard.edu/fs/docs/icb.topic907832.files/ZCorp-Z510-UserManual.pdf

Основные термины (генерируются автоматически): аэродинамической трубе, составляющей аэродинамической силы, дренажной модели профиля, Разработка дренажной модели, аэродинамической трубы, рабочей части, рабочей части трубы, соответствующей составляющей аэродинамической, изготовления аэродинамических моделей, автоматизированного эксперимента, аэродинамических весов, электрических аэродинамических весов, аэродинамические весы, потока аэродинамической трубы, центробежным вентилятором, Похожая статья, экспериментальной установки, чувствительных элементов, рабочей части аэродинамической, электрический сигнал.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle