Алексей Шишманцев
Модификация стенда
Опыты на модифицированном стенде
Результаты измерений
Обработка результатов
Расширенная серия опытов
Некоторые выводы и соображения
Модификация стенда
Стенд для повторения опытов Л.С.Котоусова был достаточно подробно описан в первой части отчёта о моих опытах. По результатам предыдущих опытов были произведены следующие доработки стенда.
-
Установлен второй манометр, входной патрубок которого вварен на расстоянии 50 мм от входа в сопло. Это сделано для контроля показаний первого манометра и для более полного соответствия стенду Л.С.Котоусова.
-
Доработана форсунка сопла, как показано на чертеже. Это сделано для увеличения значения коэффициента сжатия и, как следствие, расхода.
Опыты на модифицированном стенде
На доработанном стенде была проведена новая серия опытов.
![](ktsv2_03.jpg)
Характер разлёта струй на лопасти динамометра (здесь стенд ещё не модифицирован, но лопасть динамометра модификации не подвергалась).
![](ktsv2_04.jpg)
Вид струи, истекающей из модифицированного сопла.
Результаты измерений
В ходе замеров были получены следующие данные.
Массовый расход:
при 1 баре — 0.192 кг/с;
при 2 барах — 0.270 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 · (0.192 / 1000) = 19.2 Вт;
при 2 барах Nf2 = 2·105 · (0.270 / 1000) = 54.0 Вт.
Измерения давления на лопасть проводились для следующих расстояний от среза сопла до лопасти тензометрического датчика L: 5 мм, 205 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 |
205 мм |
305 мм |
1·105 Па |
249 г 250 г 249 г
|
среднее 249.3 г (2.45 Н) |
279 г 285 г 282 г
|
среднее 282.0 г (2.77 Н) |
274 г 268 г 269 г
|
среднее 270.0 г (2.65 Н) |
2·105 Па |
533 г 536 г 535 г
|
среднее 534.6 г (5.25 Н) |
661 г 653 г 651 г
|
среднее 655.0 г (6.43 Н) |
561 г 554 г 556 г
|
среднее 557.0 г (5.46 Н) |
Максимальное значение для одного бара — 2.77 Н (при L = 205 мм). Для двух бар — 6.43 Н (при L = 205 мм).
Обработка результатов
(Расчёт ведётся без учёта повышающего коэффициента 1.4, введённого Л.С.Котоусовым при расчёте скорости струи)
Подсчитаем среднюю скорость струи для этих значений по формуле, аналогичной используемой Котоусовым:
v = F / m' (2),
где F — сила, измеренная динамометром (Н); m' — массовый расход воды (кг / с).
Средняя скорость струи:
при 1 баре v = 2.77 / 0.192 = 14.4 м /с;
при 2 барах v = 6.43 / 0.270 = 23.8 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 = (0.192 · 14.42) / 2 = 19.96 Вт;
при 2 барах Nc2 = (0.270 · 23.82) / 2 = 76.47 Вт.
Соответственно коэффициент преобразования q = Nc / Nf:
при 1 баре q = 19.96 / 19.2 = 1.04;
при 2 барах q = 76.47 / 54.0 = 1.42.
Расширенная серия опытов
Спустя две недели была проведена расширенная серия опытов с доработанной форсункой. Измерения производились на расстояниях от 5 мм до 405 мм с шагом 50 мм.
Кроме того, был изготовлен отсекатель эжектируемого струёй воздуха, и проведены измерения с ним на тех же расстояниях. Отсекатель показан на фотографии. Он имеет отверстие диаметром 20 мм и устанавливался на расстоянии 40 мм от лопасти динамометра.
Результаты опытов приведены в таблице.
Дистанция L |
Усилие на лопасти динамометра при давлении 1 бар |
Усилие на лопасти динамометра при давлении 2 бара |
Без отсекателя |
С отсекателем |
Вклад воздуха |
Без отсекателя |
С отсекателем |
Вклад воздуха |
5 мм |
247 г; 246 г; 244 г среднее 245.6 г (2.41 Н) |
не измерялось |
- |
536 г; 533 г; 538 г среднее 535.6 г (5.25 Н) |
не измерялось |
- |
55 мм |
266 г; 263 г; 265 г среднее 264.6 г (2.60 Н) |
257 г; 251 г; 254 г среднее 254.0 г (2.50 Н) |
4.0% |
563 г; 561 г; 563 г среднее 562.3 г (5.52 Н) |
538 г; 544 г; 543 г среднее 541.6 г (5.31 Н) |
4.0% |
105 мм |
273 г; 272 г; 273 г среднее 272.6 г (2.67 Н) |
262 г; 258 г; 259 г среднее 259.6 г (2.55 Н) |
4.7% |
583 г; 586 г; 585 г среднее 584.6 г (5.73 Н) |
578 г; 580 г; 582 г среднее 580.0 г (5.67 Н) |
1.1% |
155 мм |
277 г; 283 г; 284 г среднее 281.3 г (2.76 Н) |
271 г; 269 г; 267 г среднее 269.0 г (2.64 Н) |
4.5% |
607 г; 605 г; 609 г среднее 607.0 г (5.95 Н) |
595 г; 596 г; 598 г среднее 596.3 г (5.85 Н) |
1.7% |
205 мм |
281 г; 280 г; 280 г среднее 280.3 г (2.75 Н) |
264 г; 266 г; 266 г среднее 265.3 г (2.60 Н) |
5.8% |
637 г; 639 г; 642 г среднее 639.3 г (6.27 Н) |
614 г; 617 г; 613 г среднее 614.6 г (6.03 Н) |
4.0% |
255 мм |
282 г; 280 г; 281 г среднее 281.0 г (2.76 Н) |
265 г; 264 г; 267 г среднее 265.3 г (2.60 Н) |
6.2% |
598 г; 596 г; 595 г среднее 596.3 г (5.85 Н) |
576 г; 576 г; 573 г среднее 575.0 г (5.64 Н) |
3.7% |
305 мм |
272 г; 269 г; 274 г среднее 271.6 г (2.66 Н) |
263 г; 261 г; 261 г среднее 261.6 г (2.56 Н) |
3.9% |
589 г; 589 г; 591 г среднее 589.6 г (5.80 Н) |
566 г; 571 г; 570 г среднее 569.0 г (5.62 Н) |
3.2% |
355 мм |
291 г; 289 г; 291 г среднее 290.3 г (2.84 Н) |
274 г; 274 г; 273 г среднее 273.6 г (2.70 Н) |
5.2% |
595 г; 595 г; 594 г среднее 594.6 г (5.83 Н) |
579 г; 575 г; 576 г среднее 576.6 г (5.66 Н) |
3.0% |
405 мм |
290 г; 287 г; 290 г среднее 289.0 г (2.83 Н) |
270 г; 271 г; 272 г среднее 271.0 г (2.66 Н) |
6.4% |
600 г; 600 г; 598 г среднее 599.3 г (5.88 Н) |
573 г; 573 г; 570 г среднее 572.0 г (5.61 Н) |
4.8% |
Измеренный массовый расход:
при 1 баре — 0.190 кг/с;
при 2 барах — 0.271 кг/с.
Приведу сразу конечный результат.
Для опытов без отсекателя — |
1 бар: |
q = 1.12 (L = 405 мм); |
2 бара: |
q = 1.34 (L = 205 мм). |
Для опытов с отсекателем — |
1 бар: |
q = 1.01 (L = 355 мм); |
2 бара: |
q = 1.24 (L = 205 мм). |
Примечание. Расчёт также вёлся без учёта повышающего коэффициента 1.4, введённого Л.С.Котоусовым при расчёте скорости струи.
Некоторые выводы и соображения
Сначала, собственно, по результатам опытов.
Как мне думается, исходя из результатов можно сделать следующие выводы (моя рабочая гипотеза на сегодняшний день):
-
Характеристика функции силы от расстояния представляет собой колебательный процесс. У него есть максимум отклонения от равновесия, а затем идут затухающие колебания, и в конце концов достигается равновесие, значение которого равно силе (а следовательно скорости и мощности) соответствующей классическим расчётам.
-
На величину значения максимума отклонения от равновесия влияют геометрия форсунки и значение избыточного давления. Геометрия форсунки должна обеспечивать максимальный расход воды при условии сохранения явления сжатия струи, а избыточное давление должно быть достаточно большим (насколько большим, не имею пока возможности проверить).
Теперь относительно эжекции воздуха струёй воды.
Как и ожидалось, эжекция имеет место быть. Из результатов опытов видно, что это явление, в данном случае, даёт 3-4% добавки по силе. Ну, так ведь это замечательно. Думается, влияние этого явления нужно усилить, применив специальные технические средства.
Например так (http://airbase.ru/modelling/rockets/res/books/kns/kns9.htm#9.7):
«Реактивные двигатели многих самолетов тоже имеют сужающееся сопло. Конструкторы авиационных двигателей не прочь бы поставить на самолет сопло Лаваля - выгоды такого сопла им хорошо известны. Но сделать это трудно: авиационный двигатель многорежимен - в крейсерском полете он создает сравнительно небольшую тягу, а вот на взлете и при маневрировании от него требуется полная, максимальная тяга. Для многорежимных двигателей нужно регулируемое сопло - сопло, изменяющее свои формы. Выполнить регулируемым сопло Лаваля чрезвычайно сложно, и поэтому приходится применять простейший тип сопла - сужающийся. Чтобы компенсировать недостатки сужающегося сопла, конструкторы нашли оригинальный выход. Его идею просто понять из рисунка 10.
В зоне сопла снаружи устанавливается кольцевая втулка. Реактивная струя газа подсасывает (эжектирует) в узкую щель между втулкой и соплом воздух, который и образует недостающую, расширяющуюся часть сопла.»
Кстати, мне думается, что упоминаемый Л.С.Котоусовым в своей статье насадок для увеличения реактивной тяги представлял собой нечто подобное.
♦
|