노즐성능실험 및 결과

목차

노즐 성능(Nozzle performance) 실험
[1] 실험 목적 및 개요
[2] 기초 이론
1. 용어 정의
2. 제트의 속도(Velocity of Jet)
3. 노즐의 효율
[3] 실험 장치 및 제원
1. 실험 장치
2. 제원 (Specifications)
[4] 실험 방법

노즐 성능(Nozzle performance) 실험 결과
1. 초킹(choking) 현상의 관찰
2. 일정 배압 하에서 유체의 유입 압력이 질량 유량에 미치는 영향
3. 입구 압력 및 배압이 변할 때의 노즐을 떠나는 제트(jet)의 속도 및 노즐효율(Nozzle Efficiency)의 계산
● 제트의 속도(Velocity of Jet)
● 노즐의 효율
● 제트의 속도 및 노즐 효율의 계산
● 오차원인 분석 및 고찰

본문내용

의 압력 변화와 공기 질량 유량을 관찰한다.
2. 일정 배압 하에서 유체의 유입 압력이 질량 유량에 미치는 영향
1) 공기 유입 밸브를 닫고 chamber압력 밸브를 연다.
2) 노즐 효율 실험 장치도와 같이 노즐을 조립한다.
3) 공기 유입 밸브를 유입압력 700-900 kN/m2(gauge)로 압력 조절 밸브를 이용하여 chamber의 압력을 50kN/m2로 맞춘다.
4) 공기 질량유량율과 온도를 관찰한다.
5) Chamber의 압력을 유지하면서 유입압력을 100kN/m2 씩 줄인다.
6) 유입압력이 Pi=Pc 일 때까지 감소시킨다.
3. 입구 압력 및 배압이 변할 때의 노즐을 떠나는 제트(jet)의 속도 및 노즐효율(Nozzle Efficiency)의 계산
1) 공기 유입 조절 밸브를 닫고 chamber 압력 조절 밸브를 닫는다.
2) 노즐 효율 실험 장치도와 같이 노즐을 조립한다.
3) chamber 압력 조절 밸브를 완전히 연 상태에서 유입압력 700-900kN/m2 (gauge)의 일정한 값을 유지하면서 마이크로미터의 다이얼을 돌려 cantilever에 닫게 한다. 닿았는지는 램프의 불이 들어오는가의 여부로 확인 할 수 있다.
4) 압력, 온도, 공기유량, 다이얼 눈금을 읽는다.
5) chamber의 압력을 100kN/m2 씩 증가시키면서 3) 4)의 과정을 반복한다.
제트의 속도(Velocity of Jet)
Cantilever의 끝에 장착된 충격판(Impact Head)에 작용하는 제트에 의한 힘을 F라 하고 이때의 제트 속도를 라 하면, 운동량의 변화가 작용력이 되므로 공기의 질량유량을 라 할 때 다음식이 성립한다.
Cantilever가 받는 힘 F는 다음과 같이 표현된다.
노즐의 효율
노즐의 효율은 다음 식으로 정의한다.
=
kinetic energy of jet leaving nozzle
Isentropic enthalpy change across nozzle
=
C22
2(h1-h2s)
등엔트로피 엔탈피 변화량은
,rp= , R= 0.2870(KJ/KgK)
제트의 속도 및 노즐 효율의 계산
Inlet pressure
P1=400
Nozzle
1st nozzle
3rd nozzle
5th nozzle
Chamber pressure(P2)
100
200
300
100
200
300
100
200
300
Air mass flow rate(g/s)
3.5
3.15
2.8
3.7
3.7
3.2
3.6
3.5
3.5
Chamber temp.(K)
288.65
276.3
288.15
288.15
288.15
287.85
287.75
287.74
287.74
Cantilever deflection(mm)
21*0.01
16*0.01
8*0.01
22*0.01
16*0.01
8*0.01
21*0.01
14*0.01
9*0.01
F(N)
0.7014
0.5344
0.2672
0.7348
0.5344
0.2672
0.7014
0.4676
0.3006
C2(m/s)
200.4
169.7
95
198.6
144.4
83.5
194.8
133.6
85.9
h1-h2s(KJ/Kg)
98.83
49.86
22.84
94.66
52.00
22.82
94.53
51.93
22.81
Nozzle efficiency(n)
0.2117
0.2888
0.1976
0.2083
0.2005
0.1528
0.2007
0.1719
0.1617
제트의 속도는 3가지 모든 chamber pressure 값에 대해여 1st nozzle 이 가장 큰 값을 보였고 chamber 압력이 증가함에 따라서 제트의 속도는 감소했다. chamber pressure 가 200 일때 3가지 nozzle 이 제트의 속도에서 상대적으로 큰 차이를 보였으나 나머지 chamber pressure가 100, 400 일때는 3가지 nozzle 제트의 속도가 거의 같은 값을 보였다.
위의 data를 바탕으로 1st, 3rd, and 5th 노즐 각각에 대해 chamber pressure 에 대응하는 Nozzle efficiency를 그래프로 나타내었다.
위 그래프에서 알 수 있듯이 nozzle 효율은 이론치의 30% 에도 못 미쳤다. 그래프를 살펴보면 chamber pressure 가 100 인 경우 3가지 nozzle 모두 거의 같은 nozzle 효율을 나타내었다. 그러나 chamber pressure 가 200 인 경우 1st nozzle 이 다른 2개의 nozzle 보다 높은 약 29% 의 효율을 보였다. 그리고 chamber pressure 가 300 인 경우 역시 1st nozzle 이 3가지 nozzle 중 가장 높은 효율을 보였다. 이때 3rd, 5th nozzle 은 거의 같은 효율인 약 16% 의 효율을 보였다. 정리하면 3가지 모든chamber pressure 에 대하여 1st nozzle 이 가장 높은 효율을 보인 반면 chamber pressure 가 바뀔때 nozzle 효율의 변동폭도 컸다. 나머지 3rd, 5th nozzle은 chamber pressure 가 변해도 상대적으로 효율의 변동폭이 적게 나타났다.
오차원인 분석 및 고찰
마이크로미터의 다이얼을 돌려 cantilever 에 닫게 할때 어디까지나 어림잡아 불이 깜박거리는 지점을 기준으로 보정을 해 주었으므로 cantilever deflection 에 오차가 생길 수 밖에 없다. 그리고 실험시에 chamber pressure를 100, 200, 300 으로 바꿀때 마다 Inlet pressure 도 영향을 받아서 계속 바뀌어 안정화 된 값을 얻기가 어려웠다. 위의 그래프에서 보듯이 1st nozzle에서 chamber pressure 변화에 대해 nozzle 효율의 변동폭이 컸는데, 이것의 원인도 chamber pressure를 바꿀때 Inlet pressure 도 영향을 받아서 계속해서 바뀌어 안정화 된 값을 얻기가 어려웠던 점에서 설명할 수 있다고 본다. 물론 nozzle 효율이 커봐야 30%가 나온 근본적인 원인은 노즐을 흐르는 공기제트가 충격, 팽창, 마찰의 효과로 인하여 제트의 속도가 이상 노즐보다 낮아질 수 밖에 없기 때문이다.

키워드

노즐성능,   노즐,   기계실험,   보고서,   실험