|
Алексей Шишманцев
Элементы конструкции стенда
Манометр
Динамометр
Сопло
Стенд в сборе
Опыты
Обработка результатов
Некоторые соображения
Для проверки данных, полученных Л.С.Котоусовым, был создан стенд, внешний вид которого показан на фотографиях.
Элементы конструкции стенда
Манометр
Класс точности манометра 1.6, шкала 6 бар (~6 атм).
Динамометр
В качестве силоизмерительного элемента применён тензометрический датчик BC-5AS фирмы CAS.
Измерительный прибор самостоятельного изготовления, аналогово-измерительная часть выполнена на базе дельта-сигма АЦП AD7705. Прибор был откалиброван с помощью эталонного груза 2000 грамм. Цена деления прибора — 1 грамм. Перед каждым запуском прибора в режим измерения автоматически производится калибровка нуля.
Лопасть тензометрического датчика была выклеена из восьми слоёв стеклоткани толщиной 0.1 мм.
Лопасть тензометрического датчика. Сопло
Для изготовления форсунки использовалась латунная заглушка 1/2 дюйма. Диаметр отверстия сопла 4.6 мм. Трубка сопла плотно вставлена в трубу подвода и обварена по стыку. Материал труб — сталь.
Конструкция сопла. Стенд в сборе
Расход измерялся путём забора воды в ёмкость в течение десяти секунд с последующим взвешиванием на весах Atlanta ATH-814.
Опыты
Измерения проводились при избыточных давлениях 1 и 2 бара.
В ходе замеров были получены следующие данные.
Массовый расход:
при 1 баре — 0.169 кг/с;
при 2 барах — 0.226 кг/с.
Входная мощность потока рассчитывалась по формуле
где Q — объёмный расход (м3 / с); ΔP — избыточное давление (Па).
Соответственно мощность входного потока при плотности воды 1000 кг/м3:
при 1 баре Nf1 = 105 · (0.169 / 1000) = 16.9 Вт;
при 2 барах Nf2 = 2·105 · (0.226 / 1000) = 45.2 Вт.
Измерения давления на лопасть проводились для следующих расстояний от среза сопла до лопасти тензометрического датчика L: 5 мм, 55 мм, 105 мм, 305 мм. Для каждого из расстояний производилось трёхкратное измерение силы с последующим усреднением. Данные, полученные в результате опытов, приведены в таблице.
| L → |
5 мм |
55 мм |
105 мм |
305 мм |
| 1·105 Па |
213 г
207 г
209 г
|
среднее 209 г (2.05 Н) |
222 г
220 г
225 г
|
среднее 222 г (2.18 Н) |
231 г
235 г
230 г
|
среднее 232 г (2.27 Н) |
228 г
227 г
235 г
|
среднее 230 г (2.26 Н) |
| 2·105 Па |
387 г
386 г
395 г
|
среднее 389 г (3.82 Н) |
454 г
449 г
450 г
|
среднее 451 г (4.42 Н) |
460 г
455 г
470 г
|
среднее 461 г (4.52 Н) |
472 г
460 г
470 г
|
среднее 467 г (4.58 Н) |
Максимальное значение для одного бара — 2.27 Н (при L = 105 мм). Для двух бар — 4.58 Н (при L = 305 мм).
Обработка результатов
Подсчитаем среднюю скорость струи для этих значений по формуле, аналогичной используемой Котоусовым:
v = (F / m') · k (2),
где F — сила, измеренная динамометром (Н); m' — массовый расход воды (кг / с); k = 1.4 — коэффициент, определённый Котоусовым для аналогичной измерительной лопасти.
Средняя скорость струи:
при 1 баре v = (2.27 / 0.169) · 1.4 = 18.8 м /с;
при 2 барах v = (4.58 / 0.226) · 1.4 = 28.4 м /с.
Вычислим мощность струи по формуле
Nc = (m' · v2) / 2 (3),
где m' — массовый расход воды (кг / с); v — скорость струи (м / с).
Мощность струи:
при 1 баре Nc1 = (0.169 · 16.22) / 2 = 29.9 Вт;
при 2 барах Nc2 = (0.226 · 28.42) / 2 = 91.1 Вт.
Соответственно коэффициент преобразования q = Nc / Nf:
при 1 баре q = 29.9 / 16.9 = 1.77;
при 2 барах q = 91.1 / 45.2 = 2.02.
Некоторые соображения
Не претендуя на истинность, приведу некоторые свои соображения.
По измеренному расходу и избыточному давлению была определена мощность входного потока Nf.
Предположим, что после прохождения сопла значение этой мощности не изменилось.
Определим скорость струи по формуле
v = √((2 · N) / m') (4),
где m' — массовый расход воды (кг / с); N — мощность струи в сопле (Вт).
Рассчитанная по мощности скорость:
при 1 баре v = √(2 · 16.9 / 0.169) = 14.1 м/с;
при 2 барах v = √(2 · 45.2 / 0.226) = 20.0 м/с.
Подсчитаем силу давления струи на преграду для этих скоростей по классической формуле
F = k · Q · v · ρ = k · m' · v (5),
где k — безразмерный коэффициент, зависящий от формы преграды и условий столкновения (коэффициент формы, для перпендикулярной преграды k = 1); Q — объёмный расход воды (м3 / с); v — скорость струи (м / с); ρ — удельная плотность воды (кг / м3); m' — массовый расход воды (кг / с).
Рассчитанная по мощности сила струи:
при 1 баре F = 1 · 0.169 · 14.1 = 2.38 Н;
при 2 барах F = 1 · 0.226 · 20.0 = 4.52 Н.
Примечание. Так как температура воды не 4 градуса, а больше (порядка 10–12 градусов), эти значения в реальности чуть меньше.
Если сравнить эти значения с полученными в ходе опытов данными, то получается, что вода проходит тракт от манометра до лопасти тензометрического датчика практически без потерь по мощности, а для случая двух атмосфер, ещё и усиливается.
♦
| 
