Сверхзвуковая аэродинамическая труба с регулируемым диффузором

Помещение.cdw

Теневой прибор ИАБ-451
Узел опспределительный

Диффузор.cdw

Уступ зачистить заподлицо
*Размеры для справок.
Обеспечить свободный ход без заеданий вдоль плоскостей Е Д
узлов поз. 6 7 на всей длине хода 160 мм а также вращения в
Шток пневмоцилиндра поршень поз. 3 и шпонка поз. 46 должны
перемещаться без заеданий на длине рабочего хода 160 мм.
Уплотнения поз. 16 17 18 посадить на клей 88НП

Камера.cdw

*Размеры для справок.
При установке дет. поз. 7 8 обеспечить зазор между ними и
стенками поз. 2 5 01 05 мм одинаковый с обеих сторон.
Клеить клеем 88НП ТУ 38.105540-85.

пояснительная записка .docx

The research paper presents the calculation and design of supersonic wind tunnel with variable nozzles' geometry and adjustable diffuser.The research of currently available stands has been conducted and supersonic wind tunnel with variable nozzles' geometry and an adjustable diffuser has been designed to simulate the impact of the environment on moving in her body.All calculations are carried out using application software: KOMPAS-3D V15
В работе представлен газодинамический расчет и конструкция сверхзвуковой аэродинамической трубы с изменяемой геометрией регулируемого диффузораПроведены исследования имеющихся на данный момент аэродинамических стендов и спроектирована сверхзвуковая аэродинамическая труба с изменяемой геометрией сопла и регулируемым диффузором для моделирования воздействия среды на движущиеся в ней тела.Все расчёты проведены с помощью прикладной программы: KOMPAS-3D V15.
Проектно-конструкторская часть . .8
1. Классификации аэродинамических труб . .. 9
2. Дозвуковые аэродинамические трубы .. . ..11
3. Сверхзвуковые и гиперзвуковые аэродинамические трубы. .16
4. Вакуумные аэродинамические трубы . .25
Теоретическая часть 27
1. Требования к аэродинамическим трубам 27
2. Типы экспериментов в аэродинамических трубах . .30
3. Расчет трубы кратковременного действия . ..31
4. Сверхзвуковое сопло ..32
5. Относительная площадь сечения сопла и ее связь с относительными скоростью и давлением .34
6. Режимы работы сверхзвукового сопла .36
7. Научно патентный поиск 39
Газодинамический расчет стенда .41
1.Критическое сечение 42
4. Рабочая часть ..44
6. Горло диффузора 48
7. Расширяющийся участок 49
8. Определение минимального давления в форкамере стенда .. .50
9. Определение степени сжатия необходимого для запуска и работы стенда ..51
10. Определение расхода воздуха протекающего через рабочую часть стенда ..52
11. Определение массы сжатого воздуха для проведения экспериментов 53
12. Система обеспечения сжатия воздухом .54
Экономическая часть .. 58
1. Организация научно-исследовательских работ 58
2.Расчет трудоемкости проекта . 59
3. Экономическая оценка научно-исследовательских работ .. 63
Экологичность проекта ..70
1. Загрязнение атмосферы 71
2. Загрязнение гидросферы 71
3. Загрязнение излучением 71
4. Тепловое загрязнение 71
5. Твердые отходы .72
Безопасность жизнедеятельности . .72
1. Описание производственного участка . 73 6.2 Защита от шума 74
3 Анализ опасных и вредных факторов 76
4. Мероприятия по устранению или снижению воздействия опасных и вредных факторов ..78
5.Пример расчёта уровня шума в жилой застройке 81
6. Пожарная безопасность . .. .. . ..82
Библиографический список ..88
Для аэродинамического расчета летательного аппарата или другого объекта необходимо знать как параметры набегающего потока так и аэродинамическую силу и момент возникающие при этом. В ряде случаев эта задача может быть решена теоретически что неизбежно связано с выбором математической модели которая не совсем точно описывает весьма сложные явления возникающие при движении аппарата в жидкой или газообразной среде. Поэтому в практику аэродинамических исследований прочно вошел эксперимент который в настоящее время достиг большого совершенства. В современных условиях метод прямого исследования с применением сложной аппаратуры и специальных способов измерений применяется в различного рода натурных и полигонных испытаниях летательных аппаратов (самолетов ракет и т. п.) и их моделей и для испытаний отдельных элементов этих аппаратов.
Натурные и летные испытания позволяют в опытах выдержать полное динамическое подобие но их главный недостаток состоит в том что помимо дороговизны и сложности в натуре технически затруднено а во многих случаях совершенно невозможно проведение исследований многочисленных вариантов аппарата выявление взаимного влияния отдельных его элементов например крыла и оперения или винта и фюзеляжа проведение ряда испытаний в одинаковых условиях работы аппарата и т. д. Поэтому аэромеханические испытания в натуре дополняют и завершают испытания в аэродинамических трубах.
ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
Исследование законов воздействия воздуха на движущееся в нем тело возможно двумя методами: сообщением телу некоторой скорости относительно неподвижного воздуха или сообщением воздуху некоторой скорости по отношению к неподвижно укрепленному телу.
Большинство задач экспериментальной аэромеханики связано с изучением движения тел относительно неподвижного воздуха или жидкости (прямая задача). Однако можно явление обратить и исследовать движение воздуха или жидкости относительно неподвижного тела (обращенная задача). Результаты такого рода исследований при тщательном соблюдении условий обращения движений — при исключении из опытов дополнительных явлений связанных с границами потока т. е. с тем что поток например в аэродинамической трубе не безграничен а имеет конечные соизмеримые с исследуемым телом размеры—дают полное совпадение законов обтекания тел при прямом и обращенном движении.
Исследование силового взаимодействия потока и летательного аппарата (ЛА) представляет собой одну из важнейших задач аэродинамики решаемых с помощью эксперимента в аэродинамических трубах. При этом в большинстве случаев используется принцип обращенного движения когда модель ЛА закрепляется в трубе а газовый поток набегает на нее с заданной скоростью. Данный принцип в соответствии с общим принципом относительности классической механики применим в случае равномерного прямолинейного поступательного движения тела.
В основном все используемые в настоящее время аэродинамические трубы можно разделить по конструктивным признакам на трубы замкнутого и незамкнутого типа. В трубах первого типа непрерывно циркулирует одна и та же масса газа. В незамкнутых трубах газ попав в рабочую часть через сопло затем выбрасывается из трубы. Расход энергии в такой трубе выше чем в замкнутой установке где необходимо лишь поддерживать движение циркулирующего газа однако стоимость незамкнутой трубы оказывается меньше.
В зависимости от скорости потока в рабочей части аэродинамические трубы можно подразделить на дозвуковые (О М. 08) околозвуковые (08 М. 12) сверхзвуковые (12 М. 5) и гиперзвуковые (М. > 5). Дозвуковые трубы дополнительно делят на трубы малых (0 М. 02) и больших(02 М. 08) дозвуковых скоростей. Первые три вида труб могут быть выполнены как по замкнутой так и незамкнутой схемам. Гиперзвуковые трубы строятся обычно незамкнутыми и с обязательным подогревом рабочего газа.
По виду рабочей части аэродинамические трубы разделяют на трубы с открытой рабочей частью закрытой рабочей частью и трубы с герметической камерой.
В зависимости от длительности работы трубы бывают кратковременного и постоянного действия. Труба кратковременного действия позволяет испытывать модели лишь в течение малого промежутка времени (несколько минут). Питание такой трубы осуществляется от батареи баллонов высокого давления куда воздух предварительно накачивается компрессорами. Емкость баллонной батареи определяет продолжительность работы аэродинамической трубы. В трубах постоянного действия поток газа создается с помощью осевого компрессора встроенного в аэродинамическую трубу и обеспечивающего необходимую степень сжатия газа для достижения заданных чисел М. Время действия такой трубы практически не ограничено и определяется условиями эксперимента.
1. Классификации аэродинамических труб
Методы аэродинамического эксперимента можно разбить па две группы. К первой группе относятся исследования когда тело движется в неподвижной среде: свободное падение аэродинамическая тележка ротативиая машина летные испытания. Ко второй группе относятся исследования с использованием аэродинамических труб. В этом случае в основу аэродинамического эксперимента положен принцип обращения движения согласно которому картина взаимодействия тела и потока его обтекающего не изменяется от того набегает поток на неподвижное тело или тело движется в неподвижной среде. Стремление исследователей приблизить условия эксперимента к натурным привело к созданию многочисленных и разнообразных по конструкции установок для проведении эксперимента. Лабораторные установки создающие газовый поток заданных параметров для исследования обтекания твердых тел называются аэродинамическими трубами.
По конструктивным признакам современные аэродинамические трубы можно разбить на два класса:
трубы незамкнутого типа (с незамкнутым потоком)
трубы замкнутого типа (с замкнутым потоком).
В зависимости от скорости потока в рабочей части аэродинамические трубы делятся на:
околозвуковые и трансзвуковые 08 М 12
гиперзвуковые М > 5.
Иногда эта классификация дополняется трубами малых дозвуковых скоростей (0 М 05) и трубами больших дозвуковых скоростей (05 М 1).
По виду рабочей части аэродинамические трубы делятся на трубы с открытой рабочей частью и трубы с закрытой рабочей частью. Встречаются также трубы с герметической камерой вокруг рабочей части (камера Эйфеля)
Рисунок 1.1 Схемы рабочей части:а —открытая;б —закрытая;в —камераЭйфеля (герметичная камера для начального участка свободной струи)
В зависимости от продолжительности потока в рабочей части различают трубы периодического (кратковременного) действия и непрерывного действия. Иногда ввиду специфики исследований в потоках газа низкой плотности в отдельную группу выделяют вакуумные аэродинамические трубы (вакуумные установки).
2. Дозвуковые аэродинамические трубы.
рис 1.2 Схема дозпуконой незамкнутой аэродинамической трубы.
- хонейкомб; 2-сетка; 3-форкамера: 4-сопло; 5 - рабочая часть:
-диффузор; 7-привод (вентилятор); 8-электродвигатель.
Из рис.1.2 где приведена схема дозвуковой незамкнутой аэродинамической трубы видно что вентилятор 7 приводимый во вращение электродвигателем 8 засасывает в трубу воздух через сопло 4. Поток воздуха пройдя спрямляющую решеткухонейкомб 1и сетку 2 становится плоскопараллельным и входит в рабочую часть 5 где установлена испытуемая модель. Из рабочей части поток попадает в диффузор 6 и затем выбрасывается в окружающее пространство.
В замкнутых аэродинамических трубах которые строятся как с открытой так и с закрытой рабочей частью поток пройдя рабочую часть и диффузор направляется в обратный канал и через сопло вновь возвращается в рабочую часть т. е. поворачивается на 360°. Этот поворот осуществляется в четырех коленах обратного канала. В каждом колене поток поворачивается на 90°. В этих коленах устанавливаются направляющие профилированные лопатки которые плавно с минимальными потерями поворачивают поток и способствуют получению равномерного поля скоростей и давлений в рабочей части. Для устранения закрутки потока вентилятором за его рабочим колесом устанавливается спрямляющий аппарат. Остальные элементы в основном такие же как в трубах незамкнутого типа.
рис 1.3 Схема замкнутой аэродинамической трубы.
- направляющие лопатки: 2-обратный клапан: 3-поворотная часть; 4-переходная часть сопла; 5-сопло; 6-рабочая часть; 7- кольцо диффузора. 8-диффузор. 9-цилиндрическая часть диффузора; 10-переходная часть диффузора; 11-вентилятор с винтомоторной рамой; 12- электромотор13- поворотная часть диффузора
Труба имеет следующие технические характеристики: сопло круглого сечения с диаметром выходной части 15 м; длина рабочей части 225 м; общая длина трубы 195 м; высота 685 м. Диффузор круглого сечения длиной 445 м с утлом конусности 6°40'; обратный канал прямоугольного сечения с углом конусности 2°30'; в коленах обратного канала установлено 66 профилированных лопаток поставленных под углом 48° к оси трубы; вентилятор четырехлопастной деревянный диаметром 25 м. Конец вала вентилятора соединен при помощи мягкой муфты с электромотором постоянного тока мощностью 40 кВт с ручной регулировкой числа оборотов от 0 до 1000 обмин. Все это обеспечивает получение достаточно равномерного поля скоростей и давлений в рабочей части трубы в диапазоне скоростей от 5 до 37 мс со степенью турбулентности потока е ~ 04 ч- j 05%.
Дадим краткую характеристику основных частей дозвуковой трубы.
Форкамера служит для выравнивания и успокоения потока. В ней устанавливаются хонейкомб и детурбулизирующие сетки.
Хонейкомб представляет собой сотообразную решетку набранную из тонких металлических пластин. Его назначение — выравнивать скосы потока и разрушать крупные вихри.
Детурбулизирующие сетки способствуют выравниванию поля скоростей и уменьшению начальной турбулентности потока в рабочей части трубы. Размеры форкамеры существенно влияют на равномерность поля скоростей в рабочей части. Чем больше форкамера тем равномернее поле.
Сопло служит для разгона потока воздуха от минимальной на входе до расчетной скорости на выходе в рабочую часть. Поперечное сечение сопла может быть круглым эллиптическим прямоугольным квадратным и восьмигранным. Дозвуковые сопла имеют вид сужающихся каналов. Форму кривой образующей дозвукового сопла чаще всего рассчитывают по формуле Витошинского. Существуют и другие формулы для расчета кривой образующей сопла например по синусоиде или но методу Тзяня [36]. Одной из важных характеристик дозвукового сопла является степень поджатия равная отношению площадей на входе F1 и на выходе F0:
Высокая степень поджатия устраняет неравномерность скоростей и способствует снижению степени начальной турбулентности потока в рабочей части. Для современных труб степень поджатия колеблется от 5 до 20 ч- 25.
Рабочая часть — это пространство между соплом и диффузором. Здесь устанавливаются модели для испытания здесь же располагаются аэродинамические весы и другие приборы. Газовый поток в рабочей части трубы должен иметь равномерное поле скоростей и давлений. Рабочая часть может быть открытой (не иметь стенок) закрытой (ограничена стенками) или иметь вид герметической камеры так называемой камеры Эйфеля (см. рис. 1.1). Открытая рабочая часть обеспечивает свободный доступ к модели при ее установке и удобство наблюдений. Однако трубы с открытой рабочей частью требуют дополнительной мощности на восполнение потерь вызванных взаимодействием свободной струи с окружающим воздухом.
В трубах замкнутого типа со скоростями до 100—150 мс обычно применяют открытую рабочую часть.
В целях уменьшения потребной мощности привода для труб с большими скоростями применяют закрытую рабочую часть. Аэродинамические характеристики потока в трубе с закрытой рабочей частью выше чем с открытой.
К недостаткам труб с закрытой рабочей частью следует отнести: затруднения в доступе при установке модели сложность конструкции (придание конусности в пределах 01-4-05° в зависимости от числа Re для сохранения постоянства скорости) необходимость тщательной герметизации этого пространства усложнение конструкции аэродинамических весов. Рабочая часть в виде герметической камеры имеет большие по сравнению с закрытой рабочей частью размеры что в значительной мере упрощает установку моделей и ее обслуживание во время испытания.
Длина рабочей части в обычных трубах равна 15—2D а в трубах для испытаний длинных тел — 2—4D (D — диаметр выходного сечения сопла).
Диффузор располагается сразу за рабочей частью. Он представляет собой специальным образом спрофилированный канал который служит для уменьшения скорости потока. Дозвуковой диффузор представляет собой расширяющийся вниз по течению канал в котором происходит торможение потока. Наименьшие потери энергии у диффузоров с углом расширения (угле конусности) 6 4- 8°. Длина диффузора зависит от угла конусности а также от общих размеров трубы и помещения в котором располагается труба. При углах конусности меньше 6° длина диффузора увеличивается возрастают потери на трение что нежелательно.
При больших углах конусности длина диффузора уменьшается и хотя потери на трение уменьшаются создаются условия для отрыва пограничного слоя и образования мощных вихрей. Суммарные потери возрастают. Для уменьшения входных потерь и градиента статического давления в рабочей части диффузоры в трубах с открытой рабочей частью имеют диаметр входа больше диаметра рабочей части. Вокруг диффузора устанавливается профилированное кольцо.
Привод аэродинамической трубы — это устройство сообщающее потоку газа необходимую энергию для получения расчетных скоростей в рабочей части трубы. Подвод энергии в дозвуковых трубах осуществляется с помощью низконапорных осевых вентиляторов которые помещаются в цилиндрической вставке сразу за диффузором. Перед вентилятором устанавливают предохранительную сетку защищающую его от механическнх повреждений в случае аварии с моделью в рабочей части. Число лопастей вентилятора и его диаметр выбираются индивидуально для каждой трубы.
В качестве двигателя для вентилятора аэродинамических труб применяются электромоторы постоянного тока которые дают возможность изменять в широких пределах число оборотов вентилятора и вместе с этим скорость потока в рабочей 1части.
ср-средняя скорость потока
Δx2Δy2Δz2- средние значения квадрата турбулентных пульсаций компонент скорости в направлении осей координат х у z
3. Сверхзвуковые и гиперзвуковые аэродинамические трубы.
Сверхзвуковые аэродинамические трубы работают в диапазоне чисел Маха 12 М 5.
По своему устройству сверхзвуковые трубы так же как и околозвуковые трубы бывают непрерывного и периодического действия. Хотя конструкция и оборудование этих труб различны тем не менее аэродинамический контур сверхзвуковых труб от форкамеры до диффузора не зависит от времени ее действия и типа привода.
Сверхзвуковые сопла имеют дозвуковой и сверхзвуковой участки. На дозвуковом участке воздух поступающий из форкамеры разгоняется до звуковой скорости. На сверхзвуковом происходит дальнейшее увеличение скорости и окончательное формирование равномерного сверхзвукового потока. При определении внутренних контуров сверхзвуковых сопел в области между критическим (минимальным) сечением и рабочей частью используют метод характеристик а контур дозвуковой части рассчитывают так же как дозвуковое сопло.
Для М > 5 применяются как осесимметричные так и прямоугольные в поперечном сечении сопла у которых боковые стенки параллельны а две другие образуют профилированный контур обеспечивающий равномерное сверхзвуковое течение.
Каждое сверхзвуковое сопло рассчитано на получение определенного значения числа Маха на выходе которое зависит от отношения площадей критического и выходного сечений сопла. Для получения нескольких значений числа Маха применяют сменные или регулируемые сопла. Регулируемые сопла делаются прямоугольного поперечного сечения с гибкими стенками. Вдоль внешней поверхности стенок расположены специальные винтовые домкраты с помощью которых контуру сопла можно придавать любую форму соответствующую требуемому числу Маха. Такие сопла удобны в эксплуатации но сложны в изготовлении. Применение регулируемых сопел удешевляет стоимость испытаний и увеличивает пропускную способность трубы.
Пограничный слой образующийся на стенках уменьшает
проходные сечения сопла что влечет за собой снижение числа Маха на выходе по сравнению с расчетным. Для устранения этого недостатка увеличивают поперечное сечение сопла найденного расчетным способом на величину равную удвоенной толщине вытеснения пограничного слоя (2). Величина характеризует расстояние на которое надо сместить стенку сопла от положения определенного методом характеристик чтобы учесть пограничный слой. Пограничный слой в трубах больших скоростей обычно турбулентный. При разгоне течения от малых скоростей в форкамере до скорости звука в критическом сечении сопла пограничный слой в этом сечении сопла обычно становится пренебрежимо тонким. Толщина его начинает увеличиваться с увеличением расстояния от критического сечения (вниз по потоку) и числа Маха.
Участок сопла от критического сечения до выходного играет определяющую роль в создании равномерного сверхзвукового течения. Толщина вытеснения определяется именно для этого участка а затем с учетом полученных поправок корректируется контур сопла рассчитанный для идеального газа.
Для улучшения равномерности потока в сопле иногда применяют отсос воздуха через его пористые стенки. Это особенно важно для труб высокого разрежения в которых пограничный слой выходящий из сопла занимает значительную долю рабочей части.
Рабочая часть сверхзвуковых труб в большинстве случаев закрытая с поперечным сечением в виде квадрата или прямоугольника. Внутренние поверхности рабочей части тщательно полируются.
Сверхзвуковой диффузор состоит из двух частей (см. рис. 1.й)—начального сужающегося канала и следующего за ним расширяющегося участка трубы. В первой части диффузора сверхзвуковая скорость газа постепенно снижается до звуковой за счет образования скачков уплотнения затем дозвуковой поток попадает в расширяющуюся часть канала (дозвуковую) где происходит дальнейшее торможение потока.
Известно что торможение сверхзвукового потока с помощью косых скачков уплотнения сопровождается меньшими потерями полного давления чем с помощью прямого скачка. Поэтому сверхзвуковую часть канала диффузора профилируют так чтобы торможение потока осуществлялось в системе косых скачков уплотнения.
Важным требованием к конструкции диффузора является обеспечение достаточно малого по величине положительного продольного градиента давления чтобы избежать отрыва пограничного слоя и интенсивного вихреобразования.
В настоящее время существует большое разнообразие типов сверхзвуковых аэродинамических труб. Однако с точки зрения основных условий эксперимента их можно разделить на два типа: трубы непрерывного действия и трубы периодического действия.
По принципу работы трубы периодического действия бывают: атмосферно-вакуумные; эжекторные; баллонные; баллонно-вакуумные и баллонно-эжекторные.
Рис. 1.4. Схема атмосферно-вакуумной сверхзвуковой трубы периодического действия:
— коллектор; 2 — спрямляющая решетка; 3— сопло Лаваля; 4— рабочая часть;
—испытуемый объект; 6—регулируемый диффузор;
—диффузор; 3—быстродействующий кран; 9— ресивер.
На рис. 1.4 показана схема атмосферно-вакуумной трубы периодического действия. Труба работает следующим образом. В резервуаре 9 вакуумным насосом создается необходимое для работы разрежение. После открытия быстродействующей задвижки 8 атмосферный воздух устремляется в трубу через фор-
— коллектор; 2 — спрямляющая решетка; 3— сопло Лаваля; 4— рабочая часть; 5—испытуемый объект; 6—регулируемый диффузор;
камеру 1 в которой установлены сетки и решетки 2 спрямляющие поток. В сопле 3 воздух достигнув сверхзвуковой скорости с заданным числом Маха поступает в рабочую часть 4 а затем через диффузоры 6 и 7— в вакуумный резервуар 9. При этом в рабочей части трубы в течение короткого промежутка времени зависящего от объема вакуумного резервуара создается сверхзвуковой поток.
Чтобы предотвратить конденсацию водяного пара в рабочей части атмосферный воздух пропускают через осушитель.
Принципиальная схема эжекторной трубы показана на рис. 19. Поток воздуха в этой трубе создается от эжектора (струйного насоса) 5 установленного за рабочей частью 3 к которому подается воздух повышенного давления. Труба работает следующим образом: в ресивере 8 эжектора 5 создается компрессором повышенное давление. После открытия крана 7 воздух из ресивера 8 поступает в эжектор 5. Эжектируемый воздух поступает в трубу из атмосферы проходит через осушитель сопло Лаваля 2 и рабочую часть 3 после чего смешиваясь с эжектирующим воздухом уходит через диффузор 6 в атмосферу.
Рис. 1.5. Схема эжекторной сверхзвуковой трубы периодического действия.
— осушитель; 2—сопло Лаваля; 3—рабочая часть; 4—испытуемый объект; 5—эжектор; 6—диффузор; 7—быстродействующий кран; 8—ресивер.
Если разряжения создаваемого одним эжектором недостаточно то применяют многоступенчатый эжектор. Схема трехступенчатого эжектора показана на рис.1.6
рис. 1.6. схема трехступенчатого эжектора
Рис. 1.7. Схема аэродинамической сверхзвуковой трубы периодического действии.
— электродвигатель; 2—компрессор; 3 — ампирный кран; 4—рабочие баллоны;
-воздухопровод высокого давлении; 6 — запорный кран с электромеханическим приводом; 7—регулировочный кран; 8 — ресивер; 9— спрямляющим решетка; 10—сопло предварительного поджатия; 11— сопло Лаваля; 12—рабочая часть; 13 — испытуемая модель: 14 — диффузор.
На рис.1.7 приведена схема баллонной трубы периодического действия. Работа трубы протекает следующим образом: компрессор 2 приводимый в действие электродвигателем 1 накачивает воздух в баллоны 4 под высоким давлением( при этом пусковой кран 6 закрыт а запорный кран 3 открыт). После этого перекрывают кран 3 и открывают кран 6. Воздух из баллона 4 проходит спрямляющую решетку сопло Лаваля 11 рабочую часть 12 диффузор 14 и выбрасывается в атмосферу. Баллонно-вакуумные и баллонно-эжекторные трубы обычно используются для получения гиперзвуковых скоростей.
В гиперзвуковых трубах для получения потока с числом Маха больше 5 необходимо в форкамере создать давление превышающее давление в рабочей части в десятки тысяч раз что обусловливает большие абсолютные значения давления в фор- камере. Получение необходимого перепада давлений можно обеспечить за счет разрежения и рабочей части которое может быть достигнуто при помощи вакуум-камеры или применением
многоступенчатого эжектора (см. рис. 1.6). Если скорость потока в рабочей части трубы выше 4 ч- 45 М то выходящий из сопла воздух расширяясь настолько снижает свою температуру что начинается его конденсация. Это явление можно устранить используя например гелий температура конденсации которого ниже чем у воздуха или же применением подогрева воздуха. С этой целью перед форкамерой
Рис. 1.8. Схема гиперзвуковой трубы.
— трубопровод высокого давления: 2—подогреватель; 3—камера сгорания
— задвижка: 5 — сопло; 6—рабочая часть; 7—сильфоны; 8—трубопровод для откачки; 9— задвижка; 10—теплопоглотитель; 11—вакуум-камера; 12 — патрубок к вакуум-насосу.
На рис. 1.8 показана схема гиперзвуковой трубы. Перед запуском трубы из рабочей части 6 (через трубопровод 9) и из вакуум-камеры 11 (через патрубок 12) откачивают воздух создавая необходимое разрежение. Воздух из баллона высокого давления поступает в трубу по трубопроводу 1. В теплообменнике 2 он подогревается за счет тепла получаемого при сжигании газа в камере 3. В момент запуска открывают задвижки 4 и 8 и воздух пройдя через регулирующую задвижку 4 поступает в сопло 5 затем в рабочую часть и дальше по кон- туру трубы в вакуум-камеру. В рабочей части устанавливается поток с заданным числом М. Для отвода тепла переносимого подогретым воздухом служит теплопоглотитель 10. Уменьшение напряжений в элементах конструкций трубы вызванных большими перепадами температур и давлений осуществляется с помощью сильфона 7. В гиперзвуковых трубах обычно применяются осесимметричные сопла.
Описанные выше трубы периодического действия обладают некоторыми преимуществами по сравнению с трубами непрерывного действия. Во-первых они позволяют получать потоки с большим числом Маха при сравнительно небольших затра тах мощности привода во-вторых число Рейнольдса может сохранить достаточно высокие значения если в рабочей части трубы не создавать слишком больших разрежений. Тем не ме нее в отдельных случаях работа труб периодического действия настолько кратковременна что получение количественных характеристик испытуемого объекта становится затруднительным. Поэтому наряду с трубами периодического действия используются и трубы непрерывного действия. Преимущества труб непрерывного действия следующие:
лучше контролируются и точнее воспроизводятся заданные параметры потока;
рабочие условия могут поддерживаться неизменными в течение длительного времени.
Рис. 1.9 Схема сверхзвуковой трубы непрерывного действия.
—диффузор; 2—испытуемая модель; 3—рабочая часть; 4—сопло Лаваля; 5—охладитель; 6— компрессор; 7—поворотные лопатки; 8—электродвигатель; 9—колена обратного канала.
Схема сверхзвуковой аэродинамической трубы непрерывного действия показана на рис. 1.9. Труба приводится в действие электродвигателем 8 на валу которого смонтирован многоступенчатый компрессор обеспечивающий высокий перепад давлений для работы трубы на сверхзвуковых скоростях. Воздух пройдя компрессор сильно нагревается. Поэтому в конструкции трубы предусмотрен охладитель 5 в который н направляется воздух. Охлажденный воздух пройдя сопло Лаваля 4 приобретает сверхзвуковую скорость и поступает в рабочую часть 3 затем через диффузор 1 и колено обратного канала 9 с поворотными лопатками 7 возвращается в компрессор. Для непрерывного изменения скорости потока в сверхзвуковых трубах помимо изменения режима работы компрессора изменяют площади сечения сопла рабочей части и диффузора. Это вызвано тем что фиксированное сопло рассчитано на определенный перепад давления.
4 Вакуумные аэродинамические трубы.
Основные принципы устройства аэродинамических труб низких плотностей мало отличаются от принципов устройства труб других типов. Однако диапазон рабочих параметров и особенности их устройства имеют свою специфику. Эти трубы предназначены для проведения экспериментов в потоке разреженного газа т. е. в условиях соответствующих полету на больших высотах.
На рис. 24 изображена схема одной из труб с потоком разреженного газа. Из баллонов в ресивер 1 подается газ который через сопло 6 поступает в рабочую часть трубы — камеру Эйфеля. Затем из уравнительной камеры 4 газ отсасывается масляно-диффузионными насосами 2 и подается к форвакуумным насосам 3 которые и выводят газ из системы трубы. Рабочим газом могут быть воздух гелий азот. Для моделирования полета на больших высотах обычно используются трубы непрерывного действия поскольку время установления стационарных режимов в разреженном газе велико. В трубах непрерывного действия весь газ поступающий через сопло в рабочую часть должен откачиваться что требует высокой производительности откачной системы. Производительность откачной системы является одной из важнейших характеристик вакуумной установки поскольку она определяет расход через сопло а следовательно и размер рабочего ядра потока в котором можно обеспечить изоэнтропическое течение. Для увеличения производительности откачной системы можно увеличить количество вакуумных насосов соединяя их большим коллектором. Однако рост сопротивления коллектора приводит к тому что начиная с некоторого предела дальнейшее увеличение количества насосов не увеличивает производительности откачной системы. Поэтому в последнее время получил распространение криогенный способ откачки — за счет конденсации газа на криопанелях охлаждаемых жидким гелием. В современных вакуумных установках достигнуты разрежения до 10-8 мм.рт. ст.
Увеличить размер изэнтропического ядра потока в вакуумных установках затрудняет и нарастание на стенках сопла пограничного слоя который очень быстро утолщается с уменьшением плотности. Для уменьшения пограничного слоя применяют короткие сопла с угловой точкой в критическом сечении кроме того используют охлаждение стенок сопла жидким азотом (так называемое «вымораживание» пограничного слоя) или отсос пограничного слоя через пористые стенки.
Рис. 1.10. Схема аэродинамической трубы с потоком разреженного газа.
— ресивер; 2—масляно-диффузионные насосы; 3 — форвакуумные насосы; 4—-уравнительная камера; 5—камера для проведения опытов; 5—сопло с пористыми стенками.
Особенности исследований в потоках низкой плотности в вакуумных аэродинамических трубах связаны с малостью абсолютных значений измеряемых величин (давлений и сил) и с тем что газ при малых давлениях нельзя считать сплошной средой.
1. Требования к аэродинамическим трубам
Зародившись в конце XIX века аэродинамические трубы в настоящее время получили широчайшее распространение и в промышленно развитых странах насчитываются десятками и даже сотнями. Размеры существующих труб меняются в большом диапазоне — от труб с сечением рабочей части в несколько квадратных сантиметров до труб позволяющих испытать современный бомбардировщик в натуральную величину. Мощности необходимые для приведения труб в действие доходят до сотен тысяч киловатт. Однако при всем разнообразии типов размеров и конструкций аэродинамических труб их основные принципиальные характеристики являются общими и меняются лишь в зависимости от исследовательских целей которым данная аэродинамическая труба должна наиболее полно удовлетворять.
Так как основное назначение трубы — это создание поступательного равномерного прямолинейного потока воздуха то исходным требованием к трубе является получение качественного потока. Выполнение этого требования в полном объеме является наибольшей трудностью возникающей перед исследователем при создании трубы. В первом приближении прямолинейность и равномерность обеспечиваются геометрической формой внутреннего контура стенок и внутренних устройств аэродинамической трубы.
На рис. 2.1 приведен пример «поля» скоростей в одном из сечений рабочей части. Как видно из этого рисунка в рабочей части трубы имеется значительная область равномерных прямолинеиных с к о р ос те й — большое «ядро» потока где может быть
Рис. 2.1. Поле скоростей в рабочей части аэродинамической трубы.
помещено испытуемое тело. От ядра потока к границам или стенкам скорость падает до нуля. Важно стремиться к тому чтобы ядро потока было по возможности больше а область падения скоростей меньше. «Поле» трубы не должно заметно изменяться при переходе от одного сечения рабочей части к другому и должен- отсутствовать градиентетатичеекого давления по длине рабочей части! в противном случае крыло например испытывалось бы в одних условиях а оперение — в других. В хороших аэродинамических трубах отклонение величины скорости в рабочей части *) от среднего значения колеблется в пределах ± 05—075% а отклонение направления скорости от осевого в горизонтальной или вертикальной плоскостях не превышает ± 025°.
Величина статического давления вдоль рабочей части изменяется примерно по линейному закону; для трубы малых скоростей (V » 100 мсек) с открытой рабочей частью**) градиент равен
dрdx=001 м-1 (р— разность между статическим давлением в потоке и атмосферным давлением отнесенная к скоростному напору).
Не менее важным но значительно более сложным по своему выполнению является обеспечение малой начальной турбулентности потока в рабочей части трубы. Воздушный поток в трубе всегда в той или иной степени турбулизирован. Высокая степень турбулентности или завихренности потока оказывает значительное влияние на результаты опытов а иногда и искажает их из-за изменений качественного характера обтекания вызывая преждевременный переход пограничного слоя около испытуемого тела от ламинарного к турбулентному режиму течения смещает вперед по телу точку перехода изменяет сопротивление трения и т. п. Таким образом увеличение турбулентности потока в некоторой степени аналогично возрастанию числа Рейнольдса. Влияние начальной турбулентности потока в трубе связано с условиями опыта. В спокойной атмосфере в обычных условиях свободного полета или движения тела турбулентность пренебрежимо мала. Для возможности выявления влияния числа Re необходимо максимально уменьшить степень турбулентности потока в рабочей части трубы. Степень турбулентности потока
=Vcр где -1t0tV2dt - средняя квадратичная величина лульсационнон скорости и t — некоторый период времени на который приходится большое число пульсаций. Величину е выражают в процентах. Так как в трубах чаще всего применяются измерительные приборы дающие осредненное значение скорости то при анализе и оценке результатов измерений экспериментатор должен иметь в виду степень турбулентности потока.
2. Типы экспериментов в аэродинамических трубах
Эксперименты в аэродинамических трубах можно разбить на следующие группы:
Исследование влияния формы обтекаемого воздухом тела на аэродинамические характеристики этого тела в зависимости от скорости набегающего потока и положения тела в пространстве. Такого рода эксперименты как правило проводятся раздельно: сначала на одних моделях исследуется влияние различных форм при одной скорости потока (обычно в трубах малых скоростей) а затем отобранные наиболее рациональные формы в случае надобности исследуются на других моделях при различных скоростях в трубах больших скоростей *).
Исследование воздушных машин — газовых турбин компрессоров винтов ветряков вентиляторов и т. п.
Исследование характеристик двигателей — поршневых турбореактивных прямоточных и других и их элементов.
Исследование динамики полета летательных аппаратов.
Исследование влияния аэродинамических сил на упругие характеристики конструкций летательных аппаратов (например исследование флаттера крыльев самолетов).
Физические исследования связанные с течением воздуха в различных условиях: исследования пограничного слоя сверхзвуковых течений пространственных течений и т. п.
Методические исследования связанные с созданием аэродинамических труб как физических приборов и с разработкой методов испытаний в трубах и обработки полученных результатов измерений.
Несмотря на то что в методике проведения указанных типов экспериментов много общего как правило приходится создавать аэродинамические трубы наилучшим образом приспособленные для ограниченных типов исследований. Это обстоятельство и породило многообразие типов и конструкций современных аэродинамических труб.
3. Расчет трубы кратковременного действия
Балонная труба прямого действия. Расчет сводится к определению минимального давления в баллонах p0min необходимого для получения в рабочей части заданныхчисел М и Re и к определению потребного объема W при заданных значениях времени работы трубы t и начального давления pон.
Величина p0min для заданного числа М определяется по потерям полного давления в трубе воздухопроводе от баллонов до трубы (в) и потерям на выхлоп. Потери на выхлоп 4 могут быть определены по выражению:
=рар0д= (1-x-1x+1λд2)xx-1
где ра- атмосферное давление р0д- полное давление в конце диффузора λд2 - скорость в конце диффузора.
Предположив равенство давления на выходе из трубы к атмосферному
p0min = рав1 4(1-x-1x+1λ42)xx-1
Число Re в рабочей части равно
Re=bxgRT01(2x+1)x+12(x-1)в1 p0min q(λ2)
и величина p0min для заданного числа Re будет
p0min=(x+12)x+12(x-1)Reqλ2bв1qRT01x
при x =1.4 считая T01=TH ( в баллонах) получим
Время действия трубы
t=2x+1mHQH[1-(p0 minp0H)x+12x
QH =q(λ2)F2(2x+1)1x-1в1a*H p0 minqRT01
mH- начальная масса воздуха вбаллонах QH - начальный расход воздуха.
При быстром падении давления в баллонах вместо x надо взять x где 1.
При медленном падении давления в баллонах процесс изменения состояния воздуха вследствие передачи тепла через стенки близок к изотермическому. В этомслучае имеем
4. Сверхзвуковое сопло
Сверхзвуковое сопло (рис. 2.3 вверху) называемое соплом Лаваля имеет форму насадка вначале сужающегося для того чтобы увеличить скорость от V0=0 (внутри резервуара) до V= а (в наиболее узком сечении) затем расширяющегося с тем чтобы обеспечить дальнейшее нарастание сверхзвуковой скорости.
Если поток газа протекающий сквозь сопло Лаваля имеет везде скорость меньше скорости звука то изменение скорости и давления вдоль сопла происходит по кривой I (рис. 2.3). Во входной части скорость нарастает в сжатом сечении достигает максимума и в выходной части убывает. Давление нигде не достигает критического значения (ркр = 0528pо для воздуха и других двухатомных газов) и сопло по существу ничем не отличается от трубки Вентури.
Если поток газа имеет везде сверхзвуковую скорость то изменения скорости и давления вдоль сопла происходят по кривой II.Во входной части скорость уменьшается в сжатом сеч нении достигает минимума и затем в выходной части нарастает. В этом случае давление также нигде не достигает значения Pкр.
Кривые III и IV (рис. 2.3) показывают изменения скорости и давления при переходе через скорость звука акр которая имеет место в наиболее узком сечении сопла Кривые III характеризуют разгон газа от дозвуковых до сверхзвуковых скоростей; кривая IV наоборот — изоэнтропическое торможение газа от сверхзвуковых к дозвуковым скоростям. Типичными для сверхзвуковых сопел являются кривые П1 так как эти сопла предназначаются для разгона газа до сверхзвуковых скоростей.
Кривые I—IV имеют только теоретическое значение так как в действительности в соплах всегда имеется трение а также (в сверхзвуковой части сопла) скачки уплотнения которые нарушают изоэнтропический характер течения.
Рис. 2.2. Изменение давления и скорости вдоль оси сопла соответствующее четырем различным случим течения газа
5. Относительная площадь сечения сопла и ее связь с относительными скоростью и давлением
Связь между давлением и площадью сечения сопла при изоэнтропическом истечении можно установить с помощью уравнения постоянства расхода следующим образом. Из уравнения неразрывности = plV1 F1 = p2V2 F2 находим
F2F1=ρ1V1ρ2V2=ρ1V1ρ0акрρ2V2ρ0акр = (1-k-1k+1λ12)1k-1λ1(1-k-1k+1λ22)1k-1λ2
Отсюда видно что отношение площадей в двух разных произвольных сечениях сопла зависит только от рода газа и от относительных скоростей λ1 и λ2 в этих сечениях.
Введем относительную площадь сечения сопла = F Fкр Тогда по формуле полагая F2 = F F1== Fкр λ2= λ и λ1=1 получим:
=FFкрρρкрρ2ρ0λ= (2k+1)1k-1(1-k-1k+1λ2)1k-1λ
т.е. есть функция только λ и k
Приведенную скорость X можно заменить через относительное давление
λ=Vaкр=k+1k-1[1-(pp0)k-1k]
=(2k+1)1k-1k+1k-1[1-(pp0)k-1k](pp0)1k= (2k+1)1k-1 k-1k+1(pp0)2k-(pp0)k+1k
Видим что если сопло задано n е. величина в каждом сечении конструктивно определена заранее то относительное давление р ро (а также относительные температура T T0 и плотность ρ ρо) в каждом сечении является вполне определенной величиной.
В случае дозвукового истечения изменение внешнего давления передаваясь вдоль струн внутрь сопла будет оказывать влияние на величину р и ро ; отношение р ро при этом изменяться не будет При сверхзвуковом истечении как «местное» давление р так и давление вообще не зависят от внешнего давления.
= (1+k-12M2)k+12(k-1)M(k+12)k+12(k-1)
При k=1.4 эта формула имеет вид
По графику зависимости от чиста М (рис. 2.3) построенному по этой формуле мы видим одно и то же значение соответствует двум разным числам М одно из которых меньше единицы другое - больше как этого и следовало ожидать исходя из того что в дозвуковой части сопло должно сужаться а в сверхзвуковой - расширяться.
Формула (2.11) показывает что при выбранных форме и размерах сопла число M которое получается в любом его сечении в том числе и в выходном будет заранее определено и не зависbт ни от внешних условий (рH. TH ни от условий в резервуаре (р0 То). Для получения на выходе из сопла определенного значения числа М
Рис. 2.3. Зависимость безразмерной площади сверхзвукового сопла от числа Маха
необходимо соответствующим образом подобрать площадь сечения и кроме того надо иметь достаточный запас давления в резервуаре.
6. Режимы работы сверхзвукового сопла
Характер распределения параметров течения газа в сопле зависит от степени нерасчетности струи п равной отношению давления на выходе из сопла ра к давлению окружающей среды рн (п = ра рн). В зависимости от величины не- рвсчетности и сверхзвуковое сопло может работать на режимах: расчетном недорасширения и перерасширения (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Распределение давления и скорости в сверхзвуковом потоке при различных режимах работы сопла
) Расчетный режим - давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды ра = рн (n =1). Изменение скорости и давления газа в сопле изображено линиями АОВ. За соплом сверхзвуковая струя сечением Fa течет со скоростью Vа при давлении ра = рн. По мере удаления от сопла скорость газа уменьшается за счет турбулентного смешивания с окружающим газом.
) Режим недорасширения - давление на срезе сопла больше давления окружающей среды ра > рн (n > 1). Характер изменения скорости и давления газа в тракте сопла на режиме недорасширения совпадает с расчетным (линия АОВ) давление на срезе сопла и скорость истечения остаются расчетными. Волны пониженного давления из окружающей среды не могут достичь среза сопла - они сносятся сверхзвуковым потоком. Избыточное давление (ра - рН2) расходуется на увеличение скорости сверхзвукового потока но уже за срезом сопла.
) Режим перерасширения - давление на срезе сопла меньше давления окружающей среды: ра рн(п 1). До некоторого предела повышение давления окружающей среды рн4 (рис. 2.4) не влияет на течение по соплу которое остается расчетным (линия АОВ от точки 1 до точки 4). Волны повышенного давления сносятся сверхзвуковым потоком истекающим из сопла. Эта схема истечения возможна лишь при небольшом превышении давления рн над ра. При значительном же противодавлении среды струи газа вырывающиеся из сопла со сверхзвуковыми скоростями встречая на своем пути массы малоподвижного газа находящегося под более высоким давлением испытывают газовый удар. Удар приводит к скачкообразному изменению параметров газа истекающего из сопла т. е. к появлению скачка уплотнения. Фронт скачка уплотнения в виде волны перемешается быстрее скорости звука поэтому скачки двигаясь против течения входят внутрь сопла и при повышении давления до рИ проникают
иногда вплоть до критического сечения. Такие глубоко проникающие в сопло скачки обычно прямые поток за ними дозвуковой и давление меньше критического. Например при рн7 реализуется дозвуковое течение в сужающейся части
сопла сверхзвуковое - на участке Ol в расширяющейся части до ударной волны и дозвуковое - на участке m7 за ударной волной. За скачком вниз по течению в расширяющейся части сопла дозвуковая скорость может только падать а давление - возрастать. Наконец при рн8 скачок доходит до критического сечения и
исчезает. При р устанавливается режим полностью дозвукового течения трубки Вентури. На режимах Pн4.. pH9 дозвукового истечения из сопла давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды.
7. Научно-патентный поиск
Научно-патентный поиск является важным этапом при решении конструкторских задач. Использование новых перспективных решений в области газодинамической техники может повысить эффективность изделия технологичность производства расширит возможность проводить различные опыты и исследования .
Целью научно-патентного поиска является выявление наиболее свежих и перспективных идей которые могут быть использованы для улучшения характеристик проектируемого аэродинамическогостенда.
Источниками для патентного поиска являются: авторские работыпатенты опубликованные заявки со сроком давности не более 20 лет. Этопродиктовано необходимостью использования современных технологийдающих возможность развития науки и техники в данной области.В результате патентно-технического поиска были отобраны следующиетехнические решения предоставляющие интерес по данной теме дипломной работы:
Патент RU 2310179. Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики в частности к классу аэродинамических труб и может быть использовано для получения низкотурбулентного потока воздуха при проведении наземных испытаний объектов авиационной техники. Устройство содержит форкамеру с элементами для повышения качества потока коллектор-сопло систему слива рабочую часть и нагреватели. По первому варианту отличительной особенностью устройства является наличие двух ступеней поджатия потока в коллекторе разделенных промежуточным отсеком снабженным системой отсоса-слива части потока и нагревателей стенки отсека размещенных по периметру отсека с внешней стороны аэродинамического контура. Во втором варианте исполнения устройства вторая ступень поджатия переходит в рабочую часть непосредственно после критического сечения труба дополнена опорами и контрольными средствами для ее вертикального расположения. Технический результат заключается в повышении устойчивости ламинарного пограничного слоя и способствует затягиванию ламинарно-турбулентного перехода и тем самым обеспечивает снижение уровня турбулентности потока внутри трубы
Патент RU 2166186. Изобретение относится к экспериментальной технике для аэродинамических исследований летательных аппаратов при больших числах Рейнольдса и гиперзвуковых числах Маха. Аэродинамическая труба имеет форкамеру сопло и систему газообеспечения. Она снабжена левым и правым мультипликаторами давления установленными симметрично с образованием общей форкамеры. Задачей изобретения является расширение экспериментальных возможностей аэродинамической трубы путем увеличения ее предельных температур чисел Рейнольдса или продолжительности испытаний.Патент RU 2396532. Изобретение относится к экспериментальной аэрогазодинамике в частности к средствам для установки и перемещения моделей различных летательных аппаратов в рабочих частях аэродинамических труб с высокими значениями скоростных напоров. Способ реализуется за счет того что испытуемую модель устанавливают на направляющих с возможностью перемещения под действием чрезмерной нерасчетной нагрузки с помощью обтекаемой стойки и хомутов охватывающих направляющие с усилием которое задают и изменяют с помощью динамометрических болтов. При этом в исходном положении и при действии расчетных нагрузок обеспечивают неподвижное положение модели на направляющих.Патент RU 1774204. Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике и может быть использовано при аэродинамических исследованиях летательных аппаратов в условиях гиперзвуковых скоростей. Целью изобретения является расширение экспериментальных возможностей за счет увеличения продолжительности рабочего цикла.Патент RU 2436058. Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для получения гиперзвукового потока газа в диапазоне чисел Маха 4-20 в лабораторных условиях. Задачей предлагаемого технического решения является расширение экспериментальных возможностей аэродинамической трубы кратковременного действия путем увеличения диапазона реализуемых параметров торможения потока за счет использования простой системы синхронизации движения поршней обеспечивающей надежную стабилизацию параметров потока в течение рабочего режима независимо от способа подогрева рабочего газа.
Газодинамический расчет стенда
Поперечное сечение динамического канала стенда выбрано прямоугольным вследствие того что устройство регулируемой верхней и нижней стенки рабочей части и диффузора конструктивно значительно проще в случае прямоугольного сечения нежели осесимметричного.
Схема стенда с характерными сечениями для газодинамического расчета представлена на рис.2
1.Критическое сечение
В качестве расчетной принимается площадь критического сечения Fкр=0.016 м2 . При данной площади Fкр и принятой ширине канала b= 200 мм высота критического сечения составляет 80 мм. Такой размер обеспечивает умеренный расход воздуха через рабочую часть.
Скорость звука в критическом сечении для воздуха (к=1.4) при температуре торможения
Т0=2600 К определяется из выражения
aкр=2КК+1RT0=2×1.41.4+1×287.14×260=295.1 мс
Форкамера служит для выравнивая и успокоения воздушного потока. С этой целью в нашей форкамере установлены хонейкомб служащий для выравнивания потока и сетки гасящие турбинные возмущения . Длина форкамеры принята равной 2 калибрам .
Площадь поперечного сечения форкамеры F1 определена в предположении изотропичности течения между сечениями критическим 1-1 из соотношения
Где q(M1)-относительный удельный расход соответствующий скорости М1. С целью равномерного распределения температуры в форкамере и возможности увеличения размера критического сечения Fкр при проведении экспериментов по сравнению с расчетным величина расчетного числа Маха в форкамере принята равной 0037[1]. Этой величине М соответствует значение q(M)=0.064 . Тогда площадь поперечного сечения форкамеры
F1=0.0160.064=0.25 м2
При квадратном поперечном сечении форкамеры размеры его состовляющей (0.5×0.5)м.
При такой площади форкамеры скорость течения в ней при температуре торможения Т0=2600К будет примерно равна 12мс. Такая сравнительно невысокая скорость течения объявляется также необходимостью предохранения от повреждения сетчатых экранов входящие в комплект форкамеры.
Сопло предназначено для разгона потока воздуха малой скорости подходящего со стороны форкамеры до расчетной скорости в рабочей части . Кроме того сопло благодаря своему поджатию уменьшает неравномерности распределения скоростей и обеспечивает малую турбулентность потока поступающего в рабочую часть . Степень поджатия сопла определяемая как отношения F1Fкр равна 16.
Так как форкамера имеет квадратное поперечное сечение а выходное сечение сопла имеет форму прямоугольника кривизна стенок сопла во взаимно-перпендикулярных плоскостях различна. Контур входного участка сопла обеспечивающего плавное изменение числа Маха от форкамеры до минимального сечения сопла расчетам по формуле Витошинского [2]:
r= r11-[1-(r1rкр)2](1-x2l2)2(1+x2l2)3
Где r1-размер входного сечения сопла от оси симметрии
rкр-размер выходного сечения сопла от оси симметрии
x-координата вдоль оси сопла
r-текущий размер поперечного сечения сопла.
Так как при течении воздуха в форкамере сопле потери относительно потерь в других элементах стенда малы и состоят в основном из потерь и трение коэффициент восстановления давления на этом участке принят равным V1=0.98[3].
Рабочая часть стенда выполнена закрытой со съёмными боковыми стендами снабженными смотровыми окнами . Закрытая рабочая часть позволяет менять давления около модели в пределах необходимых для осуществления метода крупномасштабного моделирования и существенно снизить давление в форкамере .
С целью уменьшения интерференции исследуемых моделей и стенок рабочей части и слива нарастающего пограничного слоя предусмотрен отсос воздуха в диффузор через периметр критического сечения и боковых стенок рабочей части .
В силу большого разнообразия форм моделей подлежащих исследованию на стенде принят наиболее вероятным диапазон изменения числа Маха в рабочей части в пределах от 1.5 до 3.
Проточный канал рабочей части имеет следующие характерные сечения (рис2)
-2 –сечение соответствующее положению лобовой поверхности модели;
-3- сечение максимального поперечного размера канала рабочей части у боковой поверхности модели.
Отношение площадей FкрF2 необходимое для получения заданного числа М получается из уравнения неразрывности между критическим сечением и сечением рабочей части.
в соответствии с которым
FкрF2 = ρ2V2ρкракр = q(M2)
где q(M2)=М2[2K+1(1+K-12M22]-K+12(K-1) [4]
Для предельных соотношений этих площадей имеем:
М2=1.5. Площадь F2 минимальна. Относительный удельный расход при М=1.5 равен q(M2)=0.850 [5]. Площадь сечения при этом равна.
F2=Fкрq(M2)= 00160850=00188 м2
Следовательно размеры канала в этом сечении равны (02×0094)м.
М2 = 30. Площадь F2 максимальна. При данном числе Маха q(M2)=0.236. Отсюда площадь сечения F2=0068м2чемусоответствуют размеры канала (02×0339)м.
Таким образом высота расположения верхней гибкой пластины формирующей внешний контур канала рабочей части в зоне боковой поверхности модели изменяется в пределах (94÷339)мм.
Сопротивление рабочей части в виде потерь полного давления связано с трением о твердые стенки и с сопротивлением модели и поддерживающих устройств . Коэффициент восстановления давления в закрытой рабочей части может быть найден по изменению скорости в начале и в конце рабочей части [3]
При скорости близкой к скорости звука
где Δ - определяется из выражения λ2= λ3(1- Δ). Связь между λ3 и Δ можно определить по приближенной формуле:
(1- λ32) Δ+(2- λ32) Δ2= КK+1λ32(φ2lр.4Dр.4+ сxFмод.Fр.4.)
В случае закрытой рабочей части имеющей длину lр.4Dр.4 = 3.2 для расчета можно принять
φ2lр.4Dр.4=0.03 сxFмод.Fр.4.=002
В результате получаем следующие значения :
при М2=1.5 λ2=137 λ3=127 q(λ2)=085 q(λ3)=0915
при М2=30 λ2=196 λ3=189 q(λ2)=0236 q(λ3)=0316
Для рабочей части с постоянным поперечным сечением (F2= F3)
Следовательно коэффициент воcстановления давления при М2=15 2= 093 а при М2=30 2= 08
Для получения одинаковой скорости в начале и конце рабочей части (λ2=λ3) необходимо брать отношение площадей
Таким образом при М2=1.5 площадь в конце рабочей части равна F3=0.0202м2 чему соответствуют размеры сечения(02×0101)м при М2=3.0 площадь F3=00906 м2размерым сечения (02×0453)м
Диффузор служит для уменьшения скорости потока с целью наиболее эффективного превращения его кинетической энергии в энергии давления . В стенде используется сверхзвуковой диффузор с регулируемым горлом. Благодаря такой конструкции диффузора можно существенно снизить газодинамические потери в потоке профилируя сверхзвуковую часть канала диффузора так чтобы торможения осуществлять в системе косых скачков уплотнения.
Исходные данные для расчета диффузора
диапазон изменения числа М на входе в диффузор на режимах сверхзвукового обтекания
диапазон изменения геометрических размеров сечений канала рабочей части перед входным участком диффузора
6. Горло диффузора .
Площадь горла диффузора обеспечивающую запуск трубы определена из уравнения неразрывности между рабочей частью и горлом диффузора . Считается что трубный скачок в процессе запуска является прямым а горло поджато так что в нем образуется скорость[4]
ρр.4.λр.4.Fр.4.= ρ2*F2.зап.
Fг.зап=λр.4.Fр.4ρр.4ρ r* = λр.4.Fр.4ρр.4ρор.4ρ0rρ r*ρoр.4ρor
Fг.зап=λр.4.Fр.4(1-К-1К+1λр.42)1К-1×(К+12)1К-1 ×ρoр.4ρor
λр.4. (1- К-1 К+1λр.42)1К-1×(К+12)1К-1= λр.4.(К+12 - К-12λр.42)1К-1 =q(λр.4)
Fг.зап= Fр.4q(λр.4.)1п.ск
Или используя выражение
площадь горла диффузора при запуске трубы
где и.сп - коэффициент восстановления давления в прямом скачке .
Площадь горла сопла определена для предельных значений числа М3 из указанного диапазона
F4зап = 0016093=00172 м2 (0.2×0.086)м.
F4зап = 0016032=0049 м2 с размерами поперечного сечения горла (0.2×0.244)м
Требуемая площадь горла диффузора на основном режиме работы определена приближенно по экспериментальным зависимостям F4 F3=Fr как функции М3 полученным для диффузоров прямоугольного сечения[3].
При М3=1.5 Fr=0.9 откуда F4рабmin=0.016м2 чему соответствуют размеры поперечного сечения (0.2×0.08)м
При М3=3.0 Fr=0.5 следовательно F4рабmax=0.045м2 размеры сечения горла в рабочем режиме (0.2×0.225)м.
Таким образом площадь горла диффузора во всем диапазоне изменения входных параметров изменяется в пределах 0.016÷0.049м2
Максимальному значению F4 соответствует высота расположения верхней стенки горла равная 244мм. Длинна этого участка диффузора в соответствии с рекламациями [1] принята равной l4=600мм
7. Расширяющийся участок
Площадь входного сечения дозвуковой части диффузора F5 определяется по формуле [4]
где д- коэффициент восстановления давления в диффузоре. Величина д на рабочем режиме при М4 = 3.0 определяется по экспериментальным данным для плоских регулируемых диффузоров составляет
Задаваясь значением М5 = 1.0 [1] имеем F5= 0.35 м2
Для уменьшения дозвуковой части диффузора он разделен на два участка. На первом участке длинной 100мм. расширение канала с изменяемым углом раскрытия диффузора осуществляется только в вертикальной плоскости. На втором участке длинной 600мм. канал расширяется с постоянным углом раскрытия 150 в обоих плоскостях.
8. Определение минимального давления в форкамере стенда.
Величина минимального давления в форкамере p01min для заданного числа M определяется по потере топливного давления в канале стенда. Суммарный коэффициент восстановления давления равен произведению коэффициентов восстановления на каждом участке стенда:
Очевидно этот коэффициент можно определить как отношение давления торможения давления на входе к давлению в форкамере т.е. = p0p01min где
p0 = pа(1 - K-1K+1×λ52)- KK-1
здесь ра- атмосферное давление.
В соответствии с этим
p01min = pa123 (1 - K-1K+1×λ52)- KK-1
При М5 = 0.1 величина минимального давления в форкамере равна
p01min = 1098×08×035 (1 - 14-114+1×0112)- 1414-1 = 37 кгсм2 = 37×105 Нм2
9. Определение степени сжатия необходимого для запуска и работы стенда
Сложность газодинамического контура проточного канала стенда переменность границ контура и газодинамических параметров течения в широком диапазоне значений позволяет определить необходимую степень сжатия λ= рфра лишь приближенно используя данные для известных аэродинамических труб аналогичного типа. В соответствии с данными [1] величина степени сжатия для М=1.5÷3.0 имеет значения приведенные в следующей таблице
Величина степени сжатия
При давлении на выходе из диффузора равном атмосферному указанные в таблице значения λ приближенно равны требуемому давлению в форкамере стенда.
10. Определение расхода воздуха протекающего через рабочую часть стенда
Массовый секундный расход воздуха через рабочую часть определен приближенно для К=1.4 в предположении постоянства температуры торможения. При сверхкритическом течении
В таблице сведены значения массовых секундных расходов при различных значениях давления в форкамере р01 для Fкр = 0.016 м2 и Т0= 2600К
Массовые секундные расходы
В случае отсасывания воздуха из рабочей части через перфорированные участки внешнего контура площадь критического сечения должна быть увеличена в соответствии с расходом отсасываемого воздуха. Ориентировочно расход воздуха через проницаемые участки наружного контура канала рабочей части составляет mотс = 30 кгс.
Таким образом наибольший суммарный расход через рабочую часть в момент запуска стенда может составлять mmax = 27 кгс. Максимальный расход воздуха в рабочем режиме примерно равен 15 кгс.
11. Определение массы сжатого воздуха для проведения экспериментов
Масса воздуха необходимая для проведения экспериментов зависит от величины секундного расхода через рабочую часть от продолжительности одной продувки периодичности продувок.
Продолжительность одной продувки n складывается из времени выхода рабочей части в режим в продолжительности рабочего режима р необходимого для приращения подачи воздуха в рабочую часть 3 - закрытие регулируемых и запорных устройств.
Величина в определяется быстродействием запорных устройств. Ориентировочно в = 5с. Большие величины расхода воздуха в этот период работы стенда необходимо учитывать при определении запаса воздуха необходимого для проведения эксперимента. Величина 3 определяется условиями работы быстродействующих задвижек и регулятора давления и составляет приблизительно - 2÷3 сек. Суммарный расход воздуха в течении времени 3 невелик и может быть учтен совместно с расходом при выходе стенда на режим.
Продолжительность рабочего времени р зависит от вида проводимых исследований от типа измерений ( тензометрические пневмометрические визуализационные); от инертности используемой арматуры. При различных сочетаниях указанных факторов величина р может изменяться от нескольких секунд до 1.0÷1.5 минут и более. Для расчетов продолжительность рабочего времени одиночной продувки принята равной = 30 сек.
Периодичность экспериментов зависит от характера исследований возможностей измерительной базы и времени подготовки и установки изделий. Поисковый исследовательский характер большинства проводимых на стенде работ и трудность получения исчерпывающей информации об исследуемом объекте в течении одной продувки требует как правило осуществления нескольких (3÷6) последовательных продувок на одном режиме обтекания. Так как перерывы между экспериментами необходимые для предварительной обработки получения данных и подготовки к последующей продувки в этом случае невелики необходимый запас воздух определяется из выражения
G=(mвв +mрр + mотсn )×n
где mв mр mотс - секундные массовые расходы при выходе на режим на рабочем режиме через проницаемые участки внешнего контура канала рабочей части соответственно; n - число продувок
Наибольший запас воздуха соответствующий степени сжатия λ = 6 при запуске трубыв случае n=6 mотс= 3 кгс 3 =3с будет равен G=4000кг.
12. Система обеспечения сжатия воздухом
Основными элементами этой системы являются резервуары для накопления и хранения сжатого воздуха трубопроводы с запорной предохранительной и регулируемой арматурой.
Резервуары сжатого воздуха. Объем резервуаров определим из выражения
W=GRTpн[1-(pострн)1n ]-1
где G - масса воздуха требуемая для проведения экспериментов;
рн T - давление и температура в резервуарах в начале продувки;
pост- наименьшая величина давления в резервуарах в конце продувки;
R=287 14 Джкг×град - газовая постоянная;
n- показатель политропы в процессе расширения воздуха в резервуарах при продувке.
Наибольшая величина рн равна максимальному рабочему давлению в резервуарах. Резервуары на высокое давление наиболее предпочтительны в сравнении с низконапорными по занимаемым площадям удобству монтажа и обслуживания возможности обеспечивать гарантированный запас по степени сжатия λ при выходе стенда на режим. Централизованная заводская сеть высокого давления имеет давление Р=240×107Нм2 .
Минимальное значение pост зависит от величины гидравлических потерь Δр в трубопроводах и арматуре между резервуарами сжатого воздуха и форкамерой стенда. Согласно экспериментальным данным приведенным в [1] потери давления при больших расходах могут достичь величины Δр=рср. Но учитывая что при снижении рабочего давления в резервуарах ниже 100×105Нм2 происходит резкое падение давления в заводской центральной сети высокого давления. Наименьшая величина давления в резервуарах принята равной pост= 100×107Нм2
Таким образом требуемый объем резервуаров W при значения величин входящих в соответствующее выражение равных G=4000кг рн=240×107Нм2 pост= 100×107Нм2 и температуры в резервуарах равной температуре окружающей среды Tн=T = 2730К в предположении изометричности процесса расширения воздуха в резервуаре (n=1) составит
При использовании баллонов емкостью 0.4 м3 потребуется баллонная станция из 56 баллонов.
Расходный трубопровод. Условный диаметр dy расходного трубопровода обеспечивающего требуемый для работы стенда расход сжатого воздуха определен из выражения
где mma Vтр ρтр -скорость течения и плотность воздуха в трубопроводе перед регулятором давления.
В соответствии с результатами расчетов (2.2.7.) наибольший расход реализуется при режиме запуска при степени сжатия λ=6. В этом случае mmax=27 кгс
Наибольшее значение Vтр реализующееся на режиме запуска при давлении в резервуаре равном pост не должно достигать некоторой предельной величины выше которой возможны нежелательные явления в трубопроводах и арматуре ( резкое возрастание гидравлических потерь мощности звуковых колебаний реализация критических параметров давления). В соответствии с рекомендациями [1] наибольшее значение числа М в трубопроводе не должно превышать 0.4 ив расчетах принято равны М=0.3
В предположении отсутствия теплообмена с внешней средой и гидравлических потерь в расходном трубопроводе на участке от резервуаров до рассматриваемого сечения величины Vтр ρтр определены из выражения
Vтр = Мтрk RTб (Мтр) ;
ρтр= ростRTб (Мтр) ;
где (Мтр) и (Мтр) - соответствующие газодинамические функции.
Тогда выражение для определения значения условного диаметра расходного трубопровода примет вид
dy=4 mmaxVтр ρтрR12T12[k(Мтр)]12pост(Мтр)
и для Тб =Та=2730К условный диаметр расходного трубопровода будет равен dy= 47мм.
Изменения давления торможения в форкамере рф и поддержания его постоянного уровня осуществляется с помощью быстродействующей задвижки установленной на входе в форкамеру стенда. В связи с большим давлением в резервуарах задвижка должна иметь электрический привод и управляться автоматически.
Прилагаемые в настоящем отчете чертежи общего вида стенда и основных его узлов дают наглядное представление о габаритах стенда и основных геометрических размерах газодинамического контура проточного канала
В данной дипломной работе в разделе «Экономическая часть» рассчитаем затраты на организацию научно-исследовательских работ и их срок окупаемости.
1 Организация научно-исследовательских работ
После согласования с типовым перечнем определим стадии и этапы выполнения НИР последовательность и содержание работ (таблица 1).
Перечень стадий этапов работ при выполнении НИР по проектированию сверхзвуковой аэродинамической трубы.
Стадии проведения исследования
Виды (содержание) работ
Подготовительная стадия
Выполнение комплекса подготовительных работ
Составление задания на НИР
Сбор информационных материалов по теме исследования
Составление литературно-информационного обзора
Обоснование целесообразности выполнения исследований
Согласование и утверждение технического задания по теме исследования
Теоретическая разработка
Разработка теоретической части исследования
Изучение и анализ существующих методик проведения эксперимента
Составление и утверждения методики проведения эксперимента
Заключительная стадия
Обобщения выводы и предложения
Внесение неоходимых изменений в теоретическую часть работы по результатам испытаний
Обобщение результатов работы по теме
Написание отчета по НИР в целом с учетом замечаний
(продолжительность)
Продолжительность отдельных работ
Рассчитать суммарную трудоёмкость
2 Расчет трудоемкости проекта
Общие затраты труда на разработку и внедрение проекта (Qр) определяем следующим образом:
где QUOTE ti ti – затраты на выполнение i-го этапа проекта.
Полный перечень работ с разделением их по этапам выполнения проекта оформляем в виде таблицы. (табл. 6.1)
Перечень работ проекта.
(чел.-час.) (чел.-дни.)
Выбор программной среды
Создание 3d модели изделия
Создание технической документации
Назначение технологических операций ген. УП
Исходя из данных проведенных в таблице 6.1. строим сетевую модель (рис 6.2)
Рис 6.2. сетевая модель выполнения проекта
Для расчета ожидаемой трудоемкости первого этапа воспользуемся методом расчета на основе экспертных оценок.
t1=340+2805=56 чел.-час.
Для выполнения расчета ожидаемой трудоемкости второго этапа второй работы воспользуемся подходом с учетом трудоемкости разработки аналогичных продуктов:
где Qa - трудоемкость разработки аналогичного продукта Qa=40 чел.-час.
nсл – коэффициент сложности выполняемой работы nсл=07;
nкв – коэффициент квалификации работников nкв=10;
t2=400710=28 чел.-час.
Расчета ожидаемой трудоемкости второго этапа третей работы:
nсл – коэффициент сложности выполняемой работы nсл=06;
t23=400610=24 чел.-час.
Расчета ожидаемой трудоемкости третьего этапа:
где Qa - трудоемкость разработки аналогичного продукта Qa=24чел.-час.
nсл – коэффициент сложности выполняемой работы nсл=08;
t3=240810=192чел.-час.
Расчета ожидаемой трудоемкости третьего этапа пятой работы:
где Qa - трудоемкость разработки аналогичного продукта Qa=16 чел.-час.
nсл – коэффициент сложности выполняемой работы nсл=03;
t35=160310=48 чел.-час.
Расчета ожидаемой трудоемкости четвертого этапа:
nсл – коэффициент сложности выполняемой работы nсл=10;
t4=161010=16 чел.-час.
Расчета ожидаемой трудоемкости пятого этапа:
где Qa - трудоемкость разработки аналогичного продукта Qa=32 чел.-час.
nсл – коэффициент сложности выполняемой работы nсл=09;
t3=320910=288чел.-час.
Определяем общее значение трудозатрат на выполнения проекта:
QP=56+28+24+192+48+16+288=1768чел.-час.
3 Экономическая оценка научно-исследовательских работ
В экономической части проекта проведем расчет затрат на выполнение НИР.
Затраты на выполнение НИР подразделяются на текущие и капитальные вложения необходимые для проведения НИР.
По отношению к сфере производства текущие затраты по выполнению НИР называются производственными но при проведении расчета по определению экономического эффекта от внедрения результатов НИР в производство эти затраты выступают как единовременные.
Затраты на аренду части здания под оборудование равны нулю (Кзд=0) так как оборудование размещено в действующем корпусе.
Проведем расчеты стоимости оборудования необходимого для выполнения экспериментов. Стоимость оборудования представлена в таблице 2.
Стоимость оборудования
Наименование оборудования
Балансовая стоимость руб.
Манипулятор типа «мышь».
Комплектующие элементы
Затраты на транспорт монтаж и отладку оборудования составляют 36% от стоимости оборудования (табл.2) и составляют:
Коб=Стр+См+Сотл=163100*0036 = 58716 руб.
где Стр– затраты на транспорт руб.; См– затраты на монтаж руб.; Сотл – затраты на отладку руб.
Балансовая стоимость оборудования определяется по формуле:
где Кб – балансовая стоимость оборудования руб.; Коб – затраты на транспорт монтаж и отладку оборудования руб.; Соб – стоимость оборудования руб.
Кб = 163100+ 58716 = 1689716руб.
Капитальные затраты:
Ккап = 0 + 1689716= 1689716руб.
В состав затрат на выполнение НИР включается стоимость всех ресурсов для реализации комплекса работ по проектированию.
В данном дипломном проекте калькуляция затрат на выполнение НИР (Книр) определяется на основе метода сметных калькуляций. Это значит что Книр определяется по отдельным статьям расходов и их последующим суммированием.
Номенклатура статей затрат необходимых для проведения НИР:
- материалы покупные изделия;
- основная и дополнительная заработная плата научно-производственного персонала;
- отчисления на страховые взносы с суммы основной и дополнительной заработной платы научно-производственного персонала;
- прочие основные (прямые) затраты;
- накладные расходы.
К статье «Материалы покупные изделия и полуфабрикаты» относятся стоимость материалов (за вычетом реализуемых отходов) стоимости полученных изделий расходуемых в процессе НИР (таблица 3).
Стоимость материалов
Затраты на заработную плату определяем согласно существующим окладам для научных сотрудников и лаборантов (таблица 4).
Затраты на заработную плату
Районный коэффициент
Научный руководитель
Расчет дополнительной заработной платы включает в себя выплаты предусмотренные законодательством за невыходы на работу по болезни и другим уважительным причинам премии выполнение государственных обязанностей и т д.
Согласно нормативам базового предприятия дополнительная заработная плата составляет 279%:
где Здоп – дополнительная заработная плата руб.; Зосн – основная заработная плата руб.
Здоп = 39040*0279 = 1089216руб.
Общая заработная плата рассчитывается по формуле:
где Зо – общая заработная плата руб.
Зо = 1089216 + 39040= 4993216 руб.
Отчисления на страховые взносы составляют 30% от основной и дополнительной заработной платы производственного персонала.
где Ос – отчисления на страховые взносы руб.
Ос = Зосн 03 = 4993216 03 = 14979648руб.
В статью «Прочие (прямые) затраты» входит пункт «расходы на содержание и эксплуатацию оборудования» содержит затраты на ремонт оборудования его амортизацию и затраты на электроэнергию.
Амортизационные отчисления составляют 12% от балансовой стоимости оборудования:
где Зам – затраты на амортизационные отчисления руб.
Зам = Кб 012 = 163100 012 = 19572 руб.
Затраты на ремонт оборудования составляют 3% от балансовой стоимости оборудования:
где Зрем – затраты на ремонт оборудования руб.
Зрем = 163100 003 = 4893 руб.
Затраты на электроэнергию:
где Ny = 06 суммарная мощность установки кВт;
t = 8 время работы час.день;
Цэн = 25 цена за 1 кВт энергии руб.;
n = 22 - количество рабочих дней.
Зэ = 06 8 25 22 = 264 руб.
Размер затрат по статье «Накладные расходы» в дипломном проекте учитываются в размере 160-170% от суммы основной и дополнительной заработной платы.
Знакл= 4993216 *165 = 82388064руб.
Текущие затраты на полную стоимость НИР определим по следующим статьям представленным в таблице 5.
Затраты на выполнение НИР
Наименование статей калькуляции
Материалы покупные изделия и полуфабрикаты (за вычетом реализуемых отходов)
Основная и дополнительная заработная плата научно-производственного персонала
Отчисления на страховые взносы
Прочие основные затраты
Итак суммарные затраты на выполнение НИР равны 177493872 руб.
Далее рассчитаем срок окупаемости:
где П – прибыль 20-60% от сс;
Принимаем П = 30% от сс тогда
Токуп = 177493872 532481616= 33 года.
Вывод: целью данного дипломного проекта было снижение энергозатрат на проведение опытов и увеличение КПД работы стенда. Данные цели были успешно реализованы в нашем проекте.
Краткое описание сверхзвуковой трубы для аэродинамических испытаний.
Разрабатываемый стенд аэродинамических испытаний создан для проведения опытов на моделях натурных летательных аппаратов или их элементов.
В настоящее время очень актуальна экологическая чистота на всех этапах производства и испытаний. Это обусловлено тем что антропогенное влияние на окружающую среду превышает возможности экосистем по компенсации вредных воздействий. Соблюдение требований экологии как правило требует дополнительных затрат. В нашем случае применение сжатого воздуха не приводит загрязнению окружающей среды.
1 Загрязнение атмосферы
Производство данного стенда происходит на участках сборок и механических обработок. Такие участки являются наиболее безвредными для окружающей среды по сравнению с остальными производственными объектами промышленности и в частности машиностроения.
В последнее время вопрос о загрязнении окружающей среды стоит на первом месте поэтому испытательный участок аэродинамических стендов имеет такие технические средства очистки выбросов в атмосферу: вытяжка в помещении управления стендов система стравливания сжатого воздуха. Так как рабочим газом является сжатый воздух то никаких вредных примесей в атмосферу не выбрасывается.
2 Загрязнение гидросферы
В конструкции данного проекта не предусмотрен подвод воды к стенду. Поэтому загрязнения сточных вод не происходит.
3 Загрязнение излучением
Источников загрязнения излучением на участке аэродинамических испытаний всего один: ЭВМ(1000Тл).
4 Тепловое загрязнение
Тепловое загрязнение для приборов и установок имеющих температуру нагрева ниже 50 рассчитывается по формуле:
где - температура прибора на корпусе или охлаждающей жидкости в установившемся режиме;
- температура окружающей среды до начала работы.
Данное тепловое загрязнение является незначительным.
Так как стенд проведения аэродинамических испытаний полностью разборный без заменяемых агрегатов или узлов не использует получаемую энергию от твердого топлива можно считать что твердые отходы отсутствуют.
Таким образом в целом испытания на сверхзвуковых аэродинамических стендах являются экологически безопасными а производственные отходы отсутствуют.
В ходе работы и эксплуатации аэродинамического стенда угрозы для окружающей среды отсутствуют так как стенд работает без отходов.
Безопасность жизнедеятельности
Тема дипломной работы: «Газодинамический расчет и конструкция сверхзвуковой аэродинамической трубы с изменяемой геометрией сопла и регулируемого диффузора».
Для обеспечения безопасности труда существенным является проведение анализа негативных факторов ситуаций их возникновения и влияния на человека.
1 Описание производственного участка
В данной главе решаются вопросы безопасности жизнедеятельности (БЖД) на рабочем месте инженера-конструктора занятого разработкой чертежей.
Производственное оборудование – персональный электронно- вычислительная машина (ПЭВМ) оснащенная видеодисплейным терминалом (ВДТ) и периферийные устройства (клавиатура многофункциональное устройство). Для работы на ПЭВМ будем использовать следующее программное обеспечение – программа для работы с текстом Microsoft Office 2013 для компьютерного моделирования T-Flex CAD 12 для математического расчёта MathCad.
Оборудование размещено в помещении длиной 4м шириной 3м и высотой 27м с одной входной дверью и одним окном ориентированными на юг.
Планировка производственного участка в котором выполнялась данная работа представлена на рисунке 4.1.
– Монитор; 2 – Клавиатура; 3 –Мышь; 4 –Принтер; 5 –Компьютерный стул; 6 –Шкаф хранения документации; 7 –Комнатное растение; 8 – Чертежная доска; 9- Окно; 10- Шкаф хранения личных вещей; 11 –Входная дверь; 12 – ПЭВМ.
Список оборудования:
ПЭВМ - Системный блок GMC П 80; ЖК-монитор - Samsung SyncMaster P2350
Уровень шума на рабочем месте инженера-конструктора не должен превышать 50дБА.
Одним из неблагоприятных факторов производственной среды является высокий уровень шума создаваемый печатными устройствами оборудованием для кондиционирования воздуха вентиляторами систем охлаждения в самих ЭВМ.
Для решения вопросов о необходимости и целесообразности снижения шума необходимо знать уровни шума на рабочем месте инженера-конструктора.
Уровни звукового давления источников шума действующих на конструктора на его рабочем месте представлены в таблице 3.3
Уровни звукового давления различных источников.
Уровень шума возникающий от нескольких некогерентных источников работающих одновременно подсчитывается на основании принципа энергетического суммирования излучений отдельных источников. Подставив значения уровня звукового давления для каждого вида оборудования в формулу (3.2) получим:
где – уровень звукового давления – количество источников шума.
Полученные результаты расчета сравнивается с допустимым значением уровня шума для данного рабочего места. Если результаты расчета выше допустимого значения уровня шума то необходимы специальные меры по снижению шума. К ним относятся: облицовка стен и потолка зала звукопоглощающими материалами снижение шума в источнике правильная планировка оборудования и рациональная организация рабочего места оператора.
Полученное значение не превышает допустимый уровень шума для рабочего места равный 50 дБ.
Основным путем уменьшения шума является подбор и приобретение нового менее шумного оборудования.
3 Анализ опасных и вредных факторов
На рассматриваемом рабочем месте возможно действие нескольких опасных и вредных производственных факторов (табл 6.3.1)
ОПАСНЫЕ И ВРЕДНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ
Опасные и вредные производственные факторы
Количественная оценка
повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны (СанПиН 2.2.4.548-96)
повышенный уровень шума на рабочем месте
(СанПиН 2.2.2.542-96)
повышенная или пониженная влажность воздуха
(СанПиН 2.2.4.548-96)
повышенная или пониженная подвижность воздуха
повышенное значение напряжения в электрической цепи замыкание которой может произойти через тело человека
отсутствие или недостаток естественного света
недостаточная освещенность рабочей зоны
повышенная яркость света
повышенная пульсация светового потока
повышенная напряженность электромагнитных излучений (СанПиН 2.2.22.4.1340-03)
повышенная напряженность магнитного поля
(СанПиН 2.2.22.4.1340-03)
Примечание: х.п.г. – холодный период года; т.п.г. – теплый период года.
Параметры микроклимата (температура относительная влажность и скорость движения воздуха) нормируются СанПиН 2.2.4.548-96
В рабочей зоне температура составляет 22 °С; х.п.г; 21°С т.п.г: 24°С;
«Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».
Оптимальные величины параметров микроклимата соответствуют требованиям СанПиН 2.2.4.548-96. (табл. 1)
Временно допустимые уровни электромагнитных полей на вычислительные электронные цифровые машины персональные портативные; периферийные устройства вычислительных комплексов нормируются СанПиН 2.2.22.4.1340-03.
Оптимальные величины напряженности электромагнитных полей соответствуют требованиям СанПиН 2.2.22.4.1340-03.
4. Мероприятия по устранению или снижению воздействия опасных и вредных факторов
Повышенное значение напряжения в электрической цепи замыкание которой может произойти через тело человека нормируется по ГОСТ 12.1.038-82 (2001).
Среди факторов перечисленных в таблице 1 опасным является повышенное значение напряжения в электрической цепи замыкание которой может произойти через тело человека.
Электропитание ПЭВМ осуществляется переменным током частотой 50Гц и напряжением 220В что превышает предельно допустимые значения напряжений прикосновения указанных ГОСТ 12.1.038-82 (2001) «Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов».
Способы и средства защиты людей при взаимодействии их с электроустановками. Руководящий документ - ГОСТ 12.1.019-79 (2001) «Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты»
Случайное прикосновение к токоведущим частям исключено т.к. применена изоляция токоведущих частей и ПЭВМ заключен в защитную оболочку. Прикосновение к задней панели системного блока при включенном питании самостоятельное вскрытие и ремонт оборудования запрещается согласно инструкции по охране труда для пользователей и операторов ПЭВМ.
Данное помещение относится к помещениям без повышенной опасности. Для обеспечения защиты от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции применим устройство защитного отключения (УЗО).
УЗО полностью соответствует требованиям ГОСТ 50326 и ГОСТ 50807 как дифференциальный выключатель «функционально не зависящий от источника питания».
Производим выбор УЗО исходя из номиналов тока утечки и рабочего тока. Номинальный ток утечки (номинальный дифференциальный ток срабатывания УЗО) определяет цель применения УЗО 10мА позволяет защитить от поражения электротоком универсальные 30мА защищают и от поражения током и от пожара. 100мА и 300 мА защищают только от пожара. Номинальный рабочий ток определяет возможность применения данного УЗО для защиты электропроводки в зависимости от мощности потребляемой электроприборами подключаемыми к этой проводке. Исходя из того что электрическое питание офисной техники осуществляется по однофазной схеме с применением двухпроводной электропроводки вполне достаточно выбрать однофазный двухполюсный УЗО. Следовательно рассматриваем таблицу 2 выбора двухполюсных модульных УЗО.
Мощность системного блока и монитора составляет 0493 кВт а мощность принтера равна 014кВт. Суммарная мощность электроприборов составляет 0493+014=0633кВт. Суммарная мощность стационарных осветительных приборов 16 Люминисцентных ламп ЛБ-40 мощностью по 40 Вт 004*16=064кВт. Выбираем из таблицы 2 какое УЗО выдерживает большую чем 1273кВт мощность и видим что это 22кВт. Таким образом УЗО необходимое для защиты данной техники является УЗО10А30мА.
УЗО10А30мА полностью соответствует требованиям ГОСТ 50326 и ГОСТ 50807 как дифференциальный выключатель «функционально не зависящий от источника питания».
Защита от поражения эл.тока и возгорания
Универсальное защита от поражения током и возгорания
Только защита от возгорания
Защита имеющихся в данном помещении электропроводок производится по следующей схеме.
Схема УЗО в помещение
Выбранный УЗО10А30мА наиболее подходит для нашей сети так как он является единственным УЗО предназначенным для защиты маломощных объектов с суммарной мощность нагрузки до 22кВТ. Номинал 30мА показывает что выбранное УЗО срабатывает при превышении тока утечки 30мА. В итоге выбранный УЗО подходит и для обеспечения защиты человека от поражения электротоком свыше 30мА и для защиты приборов от возгорания.
Заключение: Для обеспечения электробезопасности помещение соответствует требованиям ГОСТ 50326 и ГОСТ 50807 использовано УЗО10А30мА.
Схема расположения установки
5.Пример расчёта уровня шума в жилой застройке
Уровень звука от источника шума Lист= 150дБ;
Толщина (ширина) здания W = 8м;
Разность длин путей звукового луча =50м;
Кратчайшее расстояние от источника шума rn = 5м.
снижение уровня звука из-за рассеивания в пространстве
Lрас = 10 lg (575) = 10lg 0176 = 176 дБ.
Снижение уровня звука из-за его затухания в воздухе
Lвоз = (055)100 = 0001 дБ.
Снижение уровня шума экраном
Снижение шума зданием
Уровень звука в расчётной точке
Lрт = 150 – 176– 0001 – 70 – 68 = 71439 дБ.
Вывод: рассчитанный уровень звука в помещении где расположен аэродинамический стенд равен 71439 дБ допустимый уровень звука должен быть не более 50дБ следовательно уровень звука не соответствует нормам. Для дополнительной звуковой защиты органов слуха испытателей нужно ввести в требования техники безопасности беруши и защитные наушники.
6. Пожарная безопасность
Разработка методики связано с использованием электрооборудования.
Основными причинами возникновения пожара в рабочих помещениях являются: короткое замыкание перегрузки повышение переходных сопротивлении в электрических контактах перенапряжение возникновение токов утечки халатность персонала.
Предотвращение пожара достигается за счет предотвращения образования горючей среды и возникновения в ней источников зажигания.
Для исключения этого используются преимущественно негорючие и трудногорючие вещества и материалы.
Предотвращение образования источников зажигания достигается применением технологических процессов и оборудования удовлетворяющего требованиям электростатической искробезопасности по ГОСТ 12.1.018–93.
Противопожарная защита помещений достигается установкой углекислотных огнетушителей марки ОУ-2 применением системы автоматического обнаружения возгорания и пожарной сигнализации.
Для обеспечения беспрепятственной эвакуации людей предусмотрены проходы между рабочими местами двери помещений открываются по направлению к выходу.
Для создания условий безопасного производственного процесса обязательно выполнение всех противопожарных правил. А именно:
- проведение инструктажа по технике безопасности в два этапа;
- оснащение помещений пожарной сигнализацией;
- окраска емкостей со взрывоопасными горючими и легковоспламеняющимися веществами а также электроустановок в специальные сигнализирующие цвета;
- обязательно на каждом участке должны быть в наличие огнетушащие вещества и аппараты для тушения пожара: огнетушитель порошковый ОП-4 (г); ящик с песком и совком; пожарный щит с ведрами багром топором ломом и лопатой.
- повышение огнестойкости зданий и сооружений;
- применение зонирования территории;
- при планировке обязательно учитывать пути эвакуации; а во время работы держать их в доступном состоянии не загораживать не использовать под склады и т.д.;
- регулярно выполнять график планового ремонта и испытания оборудования;
- следить за соблюдением технологического режима;
- своевременно утилизировать отходы и промасленную ветошь;
- обязательное выполнение всех норм техники безопасности каждым участником технологического процесса на своем рабочем месте.
Большое значение для нормальной производственной деятельности и безопасности зрения человека имеет производственное освещение. Оно состоит из искусственного и естественного.
Нормы освещения установлены в СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение». Определим нормированное значение искусственной освещенности для работы оператора ПЭВМ.
Наименьший или эквивалентный размер объекта различения –05-1 мм.
Контраст объекта различения с фоном – большой.
Согласно табл. 1 СНиП 23-05-95 получим:
Характеристика зрительной работы - средней точности.
Разряд зрительной работы – IV.
Подразряд зрительной работы – Г.
Освещенность Е - 200 лк.
Для освещения помещения с размерами A=8 м В=12м и высотой H=3м выберем потолочные светильники типа УСП35 с двумя люминесцентными лампами типа ЛД-36. Коэффициенты отражения светового потока от потолка стен и пола соответственно qПОТ=70% qСТЕН=50% qПОЛ= 20%. Затенения рабочих мест нет. Определим необходимое число светильников при общем равномерном освещении.
Уровень рабочей поверхности над полом составляет 08 м. Тогда h=H-08=17 м. У светильников УСП35 наивыгоднейшее отношение Lh=14. Таким образом расстояние между рядами L=24м. Располагаем светильники вдоль длинной стороны помещения. Расстояние между стенами и крайними рядами светильников принимаем равным LKP=(03 05)L. При ширине А=12м имеем число рядов светильников n=BL1.
Определим индекс помещения φ:
φ=S(h (a+b))=8*1214*(8+12)=342.
Определим коэффициент использования осветительной установки исходя из значений коэффициентов отражения (qПОТ qСТЕН qПОЛ) и индекса помещения (φ). Воспользуемся таблицей 3.4. =62%
Таблица коэффициентов использования осветительной установки.
Номинальный световой поток лампы ЛД-36 Фл=2300 лм. Определяем необходимое число светильников в ряду:
N=(ES100Kз)( nФл)=(200*96*100*13)(062*2*2300) 1000
E- требуемая освещенность горизонтальной плоскости лк;
S- площадь помещения м.кв.;
Кз- коэффициент запаса;
- коэффициент использования осветительной установки;
Фл- световой поток одной лампы лм;
n- число ламп в одном светильнике.
В ходе выполнения дипломного проекта были рассмотрены и изучены различные источники для расчета проектирования сверхзвуковой аэродинамической трубы с изменяемой геометрией сопла и диффузора. Актуальность данной работы состоит в том что сверхзвуковой аэродинамический стенд можно использовать для различных моделей аэрокосмической техники в различных условиях воздушного потока что в свою очередь позволяет получить более подробную информацию об изучаемом объекте. Натурные и летные испытания позволяют в опытах выдержать полное динамическое подобие.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Поуп А. Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей М: Мир 1969. -540 с.
Аэромеханическиеизмерения. Методы и приборы» автораГорлинС.М.СлезингерИ.И. 1964.-700 с.
Лукашевич Дж. Развитие больших аэродинамических труб кратковременного действия:"механика" 1955.-288 с.
Герман Р.сверхзвуковые входные диффузоры. 1960.-290 с.
Пэнкхерст Р. и Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубахИЛ1955. - 800 с.
Сцилард К.С.Исследование диффузоров аэродинамических труб больших скоростей Технические заметки ЦАГИ 1935. -455 с.
Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика ГТТИ 1953. - 320 с.
Таганов Г.И. Выравнивающее действие сетки в потоках жидкости и газов Труды ЦАГИ 1947. - 380 с.
Краснов Н.Ф. Аэродинамика Высш.школа1980.-416 с.
Мартынов А.К.М. Прикладная аэродинамикаМАШИНОСТРОЕНИЕ1972.- 448 с.
Юрьев Б.Н. Экспериментальная аэродинамика Оборонгиз 1939.-566 с.
Христианович С.А. Гальперин В.Г. Миллионщиков М.Д. Симонов Л.А.прикладная газовая динамикаЦАГИ1948. - 488 с.
Липман и Рошко. элементы газовой динамики ИИЛ1960. - 800 с.
Ферри А. аэродинамика сверхзвуковых течений ГИТТЛ 1952. -502с.
Хоуарта Л. современное состояние аэродинамики больших скоростей под общей редакциейИЛ 1956. - 155 с.
Петунин А.Н. методы и техника измерений параметров газового потока М. 1974.- 260с.
Повх И.Л. аэродинамический эксперимент в машиностроении М. 1965. - 147 с.
Кочин Н.Е. Кибель И.А. Розе Н.В. теоретическая гидромеханика М. 1950. - 426 с.
Девидсон В.Е. основы газовой динамики в задачах М. 1965. - 207 с.
Гинзбург И.П. прикладная гидрогазодинамика Л. 1959. - 338 с.
Черный Г.Г. течение газа с большой сверхзвуковой скоростьюМ. 1959.- 220с.
Попов С.Г. некоторые задачи и методы экспериментальной аэромеханики М. 1952. -496 с.

Стенд дляиспытаний.cdw

*Размеры для справок.
Монтаж стенда производить на месте установки.
При сборке обеспечить соосность ресивера поз. 11 сопел поз. 12
Покрытие наружных нерабочих поверхностей эмаль НЦ 132 ГОСТ
31-74 зелено-голубой.