IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Стенд для измерения тягового усилия газо-жидкостного реактивного двигателя

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Васильев А.И. 1

---

1МАОУ Гимназия №35, г. Екатеринбург

Черных И.В. 1

---

1УрФУ

Работа в формате PDF

627.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Реактивное движение — это движение, которое возникает при отделении от тела некоторой его части с определенной скоростью. Принцип реактивного движения подсмотрен человеком в природе [1]. Человек заметил, что некоторые представители бескрайних просторов воды передвигаются не так, как это делают обычные рыбы. Они буквально выталкивают из себя воду, что и заставляет их начинать стремительно двигаться и набирать скорость (рисунок 1). Это и есть реактивное движение.

К онструкция простейшего реактивного двигателя показана на рисунке 2. Топливо и окислитель смешиваются в специальной камере и сгорают. В результате сгорания получается большой объем газа, имеющий высокое давление. Этот газ, выходя из камеры через узкое сопло, приобретает высокую скорость. Сам двигатель перемещается в противоположном направлении.

Т аким образом в реактивном двигателе обязательно должны быть представлены три элемента:

Некоторая емкость (камера, бак и т.п.) в которой поддерживается высокое давление.

Сопло – узкое отверстие в камере или баке.

Рабочее тело (газ, жидкость) которое выходит через сопло с высокой скоростью.

Преимуществами реактивного двигателя по сравнению с другими типами двигателей [2] являются:

простота конструкции, малое количество подвижных деталей, высокая мощность на единицу массы двигателя, высокий коэффициент полезного действия (КПД) – 47-60%, работа при низком давлении воздуха или вовсе без него в условиях безвоздушного пространства.

Реактивный двигатель имеет и недостатки: издаёт сильный шум при работе, быстро расходует топливо, имеет меньший ресурс работы чем у других типов двигателей.

Самой главной технической характеристикой двигателя является развиваемое им тяговое усилие. Существуют методики для расчета этого усилия. Однако, для проверки теории необходимо проводить физические эксперименты для определения усилия. Такие эксперименты проводятся на испытательных стендах. Каждый из таких стендов создается специально для определенного типа двигателя. Для испытания газо-жидкостного двигателя также нужен специальный стенд. Таким образом, тема проекта, посвящённого созданию испытательного стенда является актуальной.

Цель работы: Спроектировать и изготовить стенд для измерения тягового усилия газо-жидкостного реактивного двигателя (ГЖРД). Измерить тяговое двигателя. Определить, возможно-ли движение судна с помощью такого двигателя.

Гипотеза: Судно может двигаться с помощью газо-жидкостного реактивного двигателя.

Задачи:

Спроектировать и изготовить стенд для измерения тягового усилия газо-жидкостного реактивного двигателя.

Определить усилие сопротивления при движении судна по воде.

Определить может ли судно двигаться с помощью газо-жидкостного реактивного двигателя.

Исследование велось следующими методами:

Физический эксперимент

Расчет

Область исследования проекта – реактивные двигатели.

Объектом исследования в проекте является газо-жидкостный реактивный двигатель.

Предмет исследования – тяговое усилие газо-жидкостного реактивного двигателя.

Глава 1. Применение реактивного двигателя на морских и речных судах

Гоночные катера

В настоящее время реактивные двигатели устанавливаются, в основном, на ракеты и самолеты. Но есть и примеры установки таких двигателей на быстроходные суда (рисунок 3). Так в 1952 году был построен первый реактивный катер [3]. Катер показал скорость 331 км/ч, что даже для гоночных автомобилей является очень высокой скоростью. В конце заезда катер врезался в затопленное бревно, и пилот погиб.

В настоящее время рекорд скорости для реактивного катера 511 км/ч. Он был установлен в 1978 г. австралийцем Кеном Уорби.

Использование газо-жидкостного реактивного двигателя на морской парусной яхте

Одним из вариантов реактивного двигателя является двигатель, рабочим телом которого является газо-жидкостная смесь. Случай применения такого двигателя описан в повести Андрея Некрасова «Приключения капитана Врунгеля в 1937 году в журнале «Пионер» [4]: Но у самого финиша мы сплоховали: не рассчитали немножко, зашли под бережок, попали в полосу безветрия, заштилели... Мистер Денди посмотрел за корму и загрустил: выругался, сорвал крышку с ящика, извлек бутылку — и хлоп в донышко! Пробка вылетела, как из пушки. При этом «Беда» получила такой толчок, что заметно продвинулась вперед...Мы все трое встали на корме и одну за другой принялись вышибать пробки... А «Беда» между тем движется вперед по ракетному принципу, набирает ход.

Как это происходило в повести показано на рисунке 4.

Конечно, автор повести выдумал этот случай. Однако, бутылка с газированным напитком при открывании является, с точки зрения физических принципов, настоящим реактивным двигателем. В ней присутствуют все элементы реактивного двигателя. Сама бутылка является баком, внутри которого создано повышенное давление, горлышко бутылки является соплом, а рабочим телом жидкость с пузырьками газа (рисунок 5).

Поскольку рабочим телом такого двигателя является жидкость с пузырьками углекислого газа, то такой двигатель следует называть газо-жидкостным реактивным двигателем (ГЖРД). Давление в бутылке Шампанского может достигать 1,27МПа при 35⁰С [5]. Это больше, чем давление в шинах грузовика грузоподъемностью 15т! [6]. Доказательством того, что бутылка с Шампанским и в самом деле является реактивным двигателем служит видеоролик, в котором жених бросает в памятник бутылку, а она отскакивает и летит как ракета в него обратно [7]. Кадр из этой видеозаписи показан на рисунке 6.

Как уже отмечалось во Введении тяговое усилие реактивного двигателя является его главной технической характеристикой. Однако, в настоящее время полностью отсутствуют сведения о том какое тяговое усилие может развить бутылка Шампанского. Отсутствие таких данных и побудило автора проекта создать стенд для измерения силы тяги бутылки Шампанского или, иными словами, газо-жидкостного реактивного двигателя. Знание величины этого усилия позволит судить, является-ли эпизод с гонками парусных яхт в книге Некрасова выдумкой, или же такой случай и в самом деле мог произойти.

Выводы:

Бутылка с Шампанским является газо-жидкостным реактивным двигателем.

Данные о величине тягового усилия рассматриваемого реактивного двигателя отсутствуют.

Требуется экспериментальное определение величины тягового усилия.

Глава 2. Проектирование и изготовление стенда для измерения тягового усилия.

2.1 Проектирование стенда

Для успешного проведения испытаний стенд должен иметь три основных элемента: корпус – для закрепления двигателя, систему измерения и систему фиксации (протоколирования) измерений.

2.1.1 Корпус стенда

Корпус стенда изготовлен из сантехнической пластиковой трубы внешним диаметром D₁ = 110 мм и внутренним D₂ = 92 мм. Поскольку диаметр бутылки dсоставляет 85 мм, то необходимо еще установить дополнительное кольцо, исключающее смещение бутылки относительно оси стенда. Корпус стенда показан на рисунке 7. На рисунке показан также предохранительный болт, исключающий выпадение бутылки из корпуса стенда.

Примечание: здесь и далее, на рисунках, показаны трехмерные модели деталей, выполненные в программе Solidworks.

Рисунок 7 – Корпус стенда (1 – корпус, 2 – кольцо, 3 – предохранительный болт)

2.1.2. Система измерения

Для измерения тягового усилия использован ручной силомер [8]. Силомер показан на рисунке 8.

Поскольку силомер рассчитан на максимальное усилие 100 кгс, что, по-видимому, много больше, чем тяговое усилие бутылки Шампанского, то пружины силомера заменены на более мягкие. Корпус стенда вместе с силомером показан на рисунке 9. Для фиксации силомера в корпусе стенда с двух его сторон предусмотрены прямоугольные отверстия размером 20х70 мм. В эти отверстия вставляется силомер. Силомер закреплен с помощью двух винтовых хомутов, охватывающих корпус (на рисунке не показаны). Фиксация силомера в продольном направлении выполнена с помощью двух шпилек с фигурными втулками.

Сами шпильки, в свою очередь, закреплены с помощью еще одного винтового хомута (на рисунке не показан). Тяговое усилие от бутылки передается на силомер с помощью специального адаптера. Под действием тягового усилия подвижный элемент силомера сдвигается и его перемещение с помощью зубчатой передачи внутри силомера передается стрелке. Угол поворота стрелки силомера прямо пропорционален величине усилия.

Рисунок 9 – Система измерения (1 – адаптер, 2 – силомер, 3 – шпилька, 4 – втулка)

2.1.3. Система фиксации измерений

Для фиксации измерений использована экшн-камера (Actioncamera). Экшн-камера – это цифровая видеокамера, специально предназначенная для съёмки в условиях агрессивной окружающей среды и во время движения [9]. Она имеет малые габариты и вес. Экшн-камера позволяет снимать видео с частотой 120 fps (кадров в секунду). С помощью адаптера камера в защитном боксе крепится к корпусу стенда (рисунок 10). Объектив камеры находится напротив шкалы силомера. Таким образом, во время проведения эксперимента камера фиксирует движение стрелки силомера. В дальнейшем, при покадровом просмотре видеоролика, можно для выбранного момента времени увидеть положение стрелки и записать величину усилия.

Поскольку видеокамера снимает с высокой частотой кадров, то для ее работы требуется хорошее освещение. Поэтому на корпусе с помощью специального держателя закреплен светодиодный фонарик. Фонарик освещает шкалу силомера.

Рисунок 10 – Стенд с системой фиксации измерений (1 – защитный бокс камеры, 2 – камера, держатель, 3 – фонарик)

2.2 Изготовление стенда

В качестве корпуса стенда использована сантехническая труба длиной 380 мм. Основные детали изготовлены с помощью 3D-принтера [10] из ABS-пластика. Сборка стенда не вызвала затруднений, поскольку предварительно была создана сборочная модель в программе Solidworks. В процессе создания сборочной модели детали стенда изменялись, так, чтобы они идеально состыковывались друг с другом. Готовый стенд показан на рисунке 11.

Рисунок 11 – Готовый стенд

Выводы:

Разработана конструкция стенда для испытания газо-жидкостного реактивного двигателя.

Стенд для испытаний изготовлен.

Глава 3. Методика проведения и подготовка к эксперименту

3.1 Методика проведения эксперимента

Снять фольгу закрывающую горлышко бутылки.

Поскольку в повести Некрасова гонки проходили в южных широтах, а холодильника на яхте не было, то можно предположить, что бутылки были теплыми. Поэтому необходимо поместить бутылку в емкость с теплой водой и контролировать температуру. Через один час, при условии, что температура в емкости лежит в пределах 35-40 ⁰С можно приступать к испытаниям.

Вставить бутылку в стенд.

Закрутить предохранительный болт, чтобы бутылка не выпала.

Включить фонарик и видеокамеру

Упереть стенд в неподвижный предмет (стену, столб и т.п.) в горизонтальном положении.

Открутить проволоку, которой зафиксирована пробка бутылки. Пробка, а вслед за ней и газо-жидкостная струя вылетит из бутылки.

Выключить камеру и фонарик.

Извлечь видеокамеру и достать из нее SD-карту с видеозаписью.

Выполнить обработку видеозаписи.

3.2 Обработка видеозаписи

Современные видеокамеры не записывают каждый кадр видеоизображения. Камера записывает, так называемый, ключевой кадр полностью, а для нескольких последующих кадров записывает лишь разность между ключевым и текущим кадром. При резком изменении изображения в кадре камера вновь записывает полностью ключевой кадр, а потом опять пишет только отличия текущего кадра от нового ключевого. Такой способ записи позволяет существенно снизить объем видеозаписи. Однако, если открыть такую запись в видеоредакторе, то увидеть можно будет только ключевые кадры. Поэтому, необходима «распаковка» видеозаписи. В распакованной видеозаписи можно будет увидеть каждый кадр. Выполнить распаковку можно бесплатной программой ffmpeg [11]. Для этого в командной строке Windows необходимо задать команду на выполнение:

ffmpeg -i "input.mp4" -c:v rawvideo -an "output.avi" ,

где input.mp4 – имя исходного видеофайла,

output.avi– имя распакованного видеофайла.

После выполнения распаковки видеофайл необходимо открыть в каком-либо видеоредакторе, например, VirtualDub [12]. Просмотр видеозаписи в покадровом режиме позволяет определить значения усилия и моменты времени для этого усилия. Пример кадра видеозаписи эксперимента показан на рисунке 12.

На кадре видеозаписи видно, что усилие составляет 38 делений (между двумя крупными делениями шкалы находятся 6 малых), а момент времени 11.692с. Таким образом можно составить таблицу зависимости усилия двигателя от времени и построить по этой таблице график.

3.3 Калибровка силомера

Купленный силомер рассчитан на измерение усилия до 100 кгс. Поскольку, предполагалось, что тяговое усилие газо-жидкостного двигателя будет меньше (так и оказалось в последствие) жесткие пружины силомера были заменены на более мягкие. Таким образом шкала силомера не соответствовала измеряемым усилиям, а значит необходимо было провести калибровку силомера. Для калибровки был изготовлен дополнительный стенд.

Процесс калибровки происходил следующим образом. На стол калибровочного стенда устанавливалась емкость с водой, записывалось количество делений, которое показал силомер, а затем с помощью электронных весов измерялась масса емкости с водой (рисунок 13). Поскольку в силомере использованы пружины, а зависимость усилия сопротивления пружины от величины ее сжатия есть прямая [13], то калибровку можно провести по одной точке (для одного значения усилия).

При вычислении цены деления силомера к массе емкости с водой (4545 г) добавлялась масса стола стенда (она равна 1361 г). Далее по формуле F = mg было вычислено усилие сжатия силомера (т.е. вес стола и груза) для этого опыта. Оно составило Р = 57,9 Н. Поскольку стрелка отклонилась в опыте на n = 43 деления, то цена деления составила k = F/n = 1.35 Н.

Выводы:

Разработана методика измерения тягового усилия газо-жидкостного реактивного двигателя.

Выполнена калибровка измерительного устройства

Глава 4. Движение яхты с помощью ГЖРД

4.1. Сравнение результатов опытов

Для измерения усилия проведены 3 опыта. После покадрового просмотра видеозаписей заполнены три таблицы по которым построены графики. Для сравнения результатов все полученные зависимости тягового усилия были построены в одной системе координат (рисунок 14).

Сравнение результатов опытов показывает, что длительность импульса тягового усилия составляет t_имп ≈ 0,07с, а максимальное тяговое усилие F_m ≈ 80 Н.

5.2. Сопротивление воды движению судна

Сопротивление воды движению судна не является постоянной величиной [14]. Каждый кто купался в воде замечал, что если вести рукой в воде медленно, то сопротивление воды почти не ощущается. Но стоит попытаться провести рукой быстро, так сразу становится ясно, что для этого требуется значительное усилие. Этот эффект имеет место для движения любого предмета в воде. Таким образом, чем больше скорость движения судна, тем большее сопротивление оказывает вода. В статье [14] приведена зависимость усилия сопротивления от скорости для яхты класса Folkbot [15] (рисунок 15). Кривая 1 соответствует прямому положению судна в спокойной воде.

К сожалению, по размерам яхта класса Folkbot несколько меньше, чем яхта «Беда» в повести Некрасова. Длина яхты Folkbotсоставляет L_F = 7.64 м. О размерах яхты «Беда» известно только, что она была длиной «Сорок футов по палубе» [4]. Поскольку 1 фут равен 0.3048 м, то длина яхты капитана Врунгеля составляла L_Б = 40·0.3048 м = 12.2 м. Очевидно, что усилие сопротивления движению пропорционально размерам яхты. Яхта «Беда» длиннее яхты Folkbotв 1.6 раза (L_Б/L_F = 12.2 м/7.64 м = 1.6). Поэтому, можно допустить, что и усилие сопротивлению движения яхты «Беда» тоже будет больше в 1.6 раза чем у яхты Folkbot. Конечно, сопротивление движению зависит и от других размеров яхты, но в связи с отсутствием точных данных о размерах яхты «Беда» примем данное допущение.

Рассчитанный для яхты «Беда» график усилия сопротивления воды показан на рисунке 18. График построен в программе Mathcad.

Рисунок 16 – Кривая полного сопротивления воды движению яхты «Беда»

На графике отмечена точка, соответствующая тяговому усилию, развиваемому тремя бутылкам с Шампанским F = 240 Н (согласно повести, бутылки открывали все 3 члена команды). Скорость яхты для данного усилия V =1,85 м/c = 6,7 км/ч. Скорость эта не велика и, скорее, соответствует скорости пешехода, однако ее достаточно, чтобы вывести яхту из зоны штиля.

Выводы:

Проведены физические эксперименты.

Обработаны результаты экспериментов.

Впервые определено тяговое усилие, которое развивает бутылка Шампанского.

Определена зависимость сопротивления движению яхты «Беда» от скорости.

Рассчитана скорость движения яхты «Беда» при использовании трех газожидкостных реактивных двигателей. Она составляет 6,7 км/ч.

Заключение

В ходе выполнения проекта, я познакомился с устройством реактивного двигателя. Обосновал, что бутылка с Шампанским является газо-жидкостным реактивным двигателем (ГЖРД). Выяснил, что данные о величине тягового усилия рассматриваемого реактивного двигателя отсутствуют и требуется его экспериментальное определение. Разработал и изготовил стенд для испытаний газо-жидкостного реактивного двигателя. Разработал методику проведения эксперимента по измерению его тягового усилия. Провел физические эксперименты и впервые получил данные о величине тягового усилия, которое развивает бутылка Шампанского. Оно, для температуры 35-40 ⁰С, равно 80 Н. Также определил зависимость усилия сопротивления воды движению яхты «Беда». Выяснил, что для описанного в повести А. Некрасова эпизода яхта могла двигаться с небольшой скоростью (6.7 км/ч) и выйти из зоны штиля. Таким образом, рабочая гипотеза подтверждена, задачи проекта решены. Однако, необходимо продолжить исследования для уточнения полученных результатов.

Список использованной литературы

Принцип реактивного движения ракеты [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://rutvet.ru/princip-reaktivnogo-dvizheniya-rakety-10824.html (27.03.2020)

Плюсы и минусы реактивного двигателя [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://plusiminusi.ru/plyusy-i-minusy-reaktivnogo-dvigatelya (27.03.2020)

Гонки на воде: Катера с ракетными двигателями [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.popmech.ru/adrenalin/8187-gonki-na-vode-katera-s-raketnymi-dvigatelyami/ (27.03.2020)

Некрасов А.С. Приключения капитана Врунгеля // Пионер.  – 1937. – №4 . C. 120 – 123.

Фролов-Багреев А.М. Советское шампанское. – М. :Пищепромиздат, 1948. – 272 с.

Давление в шинах грузового автомобиля (таблица). Какое нормальное давление колес в грузовой машине? [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.spbkoleso.ru/davlenie-v-gruzovih-shinah.html (27.03.2020)

Бутылка шампанского отомстила жениху [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=_LPNh-_cGZo (27.03.2020)

Hand Evaluation Measurement force gauge load cell Dynamometer Grip Strength High quality [Электронныйресурс] – Режимдоступа: https://aliexpress.ru/item/32867180906.html (28.03.2020)

Экшен-камера [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%88%D0%B5%D0%BD-%D0%BA%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B0 (28.03.2020)

Васильев А.И. 3D-принтер PRUSAI3. Сборка, настройка, модернизация // Старт в науке. – 2018. – №5, Ч.8. – С. 1311 – 1319.

FFmpeg [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ffmpeg.org/ (29.03.2020)

VirtualDub [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://virtualdub.ru/ (29.03.2020)

Филонович Н.В., Перышкин, А.В. Физика. 7 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений / А.В. Перышкин. – 2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2013. – 221, с.: ил.

Якшаров П.С. Буксировочные испытания яхт // Катера и Яхты.  – 1974. – №4 (50). C. 44 – 45.

Яхта-монотип «Фолькбот» [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://vodnyimir.ru/Yahta_monotip_Folkbot.html (29.03.2020)