Исследование сил, действующих на лопатки в потоке воздуха

Цель работы: определение сил в потоке воздуха, действующих на лопатку, и установление их зависимости от угла атаки.

Общие сведения

В лопастных нагнетательных устройств (вентиляторах, компрессорах, насосах) передача энергии к потоку перемещаемой среды (жидкости либо газа) осуществляется при помощи рабочего колеса, представляющего собой систему лопастей, закрепленных на втулке. При вращении колеса лопатки взаимодействуют с потоком, передают ему энергию, и в результате среда перемещается.

Для рассмотрения работы лопастных нагнетательных устройств пользуются теорией решетки профилей. Если рассечь рабочее колесо с лопастями цилиндрической поверхностью, и затем развернуть эту поверхность с сечениями лопастей, то получается плоская решетка профилей (рис. 2.1).

Профили несимметричного сечения расположены под некоторым углом a к потоку среды, движущемуся со скоростью w₀. При обтекании профилей скорость среды в точке a больше, чем скорость в точке b. Поэтому в соответствии с уравнением Бернулли давление в точке a меньше давления в точке b. Таким образом, из-за разности давлений на каждый профиль решетки действует сила давления, которая дает результирующую гидродинамичес-кую силу R. Суммарная сила воздействия потока среды на решетку определяется суммой всех сил, действующих на каждый профиль решетки.

Пример обтекания потоком среды решетки профилей позволяет пояснить работу турбин.

В нагнетательных устройствах рабочее колесо, представляющее собой решетку несимметричных профилей, приводится во вращение электродвигателем. При вращении колеса профили движутся по отношению к жидкости или газу и возникают силы взаимодействия между профилями и средой, приводящие ее в движение.

Детальное рассмотрение взаимодействия потока с колесом можно провести на одной элементарной лопатке.

На лопатку, находящуюся в потоке газа, действует сила гидродинамического воздействия (рис. 2.2). Эту силу можно разложить на две составляющие. Составляющая силы, направленная вдоль скорости набегающего потока w₀, называется силой лобового сопротивления F_x. Кроме силы лобового сопротивления на лопатку в потоке газа действует еще и подъемная сила F_y, представляющая собой составляющую полной силы гидродинамического воздействия , перпендикулярную скорости набегающего потока.

Сила лобового сопротивления F_x и подъемная сила F_у определяется соответственно выражениями

, .

Коэффициент называется коэффициентом лобового сопротивления, коэффициент с_у - коэффициент подъемной силы. В приведенных выражениях w представляет собой площадь миделева сечения.

Подъемная сила возникает при несимметричном относительно направления потока обтекании лопаток. Эта несимметричность может создаваться за счет несимметричной формы профиля лопатки, а также за счет задания ориентации лопатки в потоке.

Помимо коэффициентов с_х и для описания аэродинамических характеристик лопаток используется величина К = с_у/с_х , называемая качеством лопатки. В большинстве устройств требуется большая подъемная сила при малом лобовом сопротивлении. Лопатка тем лучше будет удовлетворять этому требованию, чем больше К.

Коэффициент лобового сопротивления с_х может быть определен только экспериментальным путем. Приближенное значение коэффициента с_у можно рассчитать теоретически, но более точные его значения – при экспериментальном испытании.

Коэффициенты с_х, с_у и К зависят от угла атаки a. Существует некоторое значение угла a, при котором величина К имеет максимальное значение.

Экспериментальная установка

Работа выполняется на аэродинамической трубе (рис. 2.3). Лопатка помещается в рабочую область трубы. При включении вентилятора она обтекается потоком воздуха со скоростью w₀. Скорость потока воздуха измеряется трубкой Пито-Прандтля и микроманометром (на рисунке не показаны).

Для измерения подъемной силы и силы лобового сопротивления лопатка закреплена на рычажных весах (рис. 2.4). Действие измеряемой силы уравновешивается путем перемещения правого груза. Таким образом, измерение силы сводится к измерению координаты х центра правого груза.

Порядок проведения работы

1. До включения аэродинамической трубы снять начальное показание микроманометра l₀ .

2. Включить аэродинамическую трубу, установив в ней постоянное значение скорости w₀ воздушного потока. Измерить значение скорости потока с помощью трубки Пито-Прандтля, установленной в рабочем зазоре трубы. Для этого необходимо снять показание l микроманометра. Данные записать в табл. 2.1.

3. Внося в рабочий зазор трубы исследуемые профили лопаток, измерить действующую на них силу лобового сопротивления F_x и подъемную силу F_y при указанных в табл. 2.1 углах атаки. Для этого необходимо уравновесить эти силы правым грузом измерительной системы и измерить координату правого груза х.

3.Данные измерений и вычислений занести в табл. 2.1.

Таблица 2.1

l₀ = мм; l = мм ; w₀ = м/с

Обработка экспериментальных результатов

1. Вычислить скорость потока воздуха w₀ по формуле

,

где r_ж – плотность спирта в микроманометре (r_ж = 809 кг/м³)

r_в – плотность воздуха (r_в = 1,2 кг/м³)

l – l₀ – разность показаний микроманометра, м,

k – синус угла наклона трубки микроманометра, k = 0,2.

2. Сила лобового сопротивления F_x и подъемная сила F_у определяются по тарировочному графику на рис. 2.5.

3. Вычислить коэффициент лобового сопротивления и коэффициент подъемной силы

,

где площадь w = 0,47×10 ^-2 м².

4. Вычислить качество лопатки К = с_у/с_х.

5. Построить зависимости с_x, с_y и качества лопатки К от угла атаки.

6. Определить критический угол атаки a_кр, при котором подъемная сила начинает падать.

Рис. 2.5. Тарировочный график для определения силы

Лабораторная работа № 3