Бесклапанный импульсный струйный двигатель

Рабочий механизм бесклапанного импульсного воздушно-реактивного двигателя. Основная идея заключается в том, что столб воздуха в длинной выхлопной трубе действует как поршень двигателя поршневого . С другой точки зрения, двигатель представляет собой акустический резонатор, возбуждаемый изнутри за счет резонансного сгорания в камере. Камера действует как пучность давления , сжимаемая возвращающейся волной. Впускная труба действует как кинематический пучность, которая всасывает и выпускает газ. Обратите внимание на большую длину выхлопной трубы — это важно, поскольку предотвращает попадание кислорода в неправильную сторону и неправильное зажигание системы. Это происходит потому, что при зажигании импульса в выхлопной трубе все еще остается некоторое количество выхлопных газов. Он всасывается до того, как всасывается дополнительный кислород. Конечно, к этому моменту воздухозаборная труба уже подала кислород, и импульс возобновляется.

Бесклапанный импульсный водомет (или импульсный водомет ) — простейшее из известных водометных движителей . Бесклапанные импульсные струи дешевы, легки, мощны и просты в эксплуатации. Они обладают всеми преимуществами (и большинством недостатков) обычных импульсных струйных двигателей с клапанами , но без лепестковых клапанов , требующих частой замены; бесклапанный импульсный струйный двигатель может работать в течение всего срока службы практически без технического обслуживания. Их использовали в моделях самолетов , экспериментальных картингах , ^{[ 1 ]} и беспилотные военные самолеты, такие как крылатые ракеты и дроны-мишени .

Основные характеристики

Импульсный реактивный двигатель — это воздушно-реактивный двигатель , в котором используется непрерывная последовательность дискретных событий сгорания, а не одно событие устойчивого сгорания. Это явно отличает его от других типов реактивных двигателей, таких как ракеты , турбореактивные и прямоточные воздушно-реактивные двигатели , которые являются устройствами постоянного сгорания. Все остальные реактивные двигатели приводятся в действие за счет поддержания высокого внутреннего давления; импульсные струи приводятся в движение за счет чередования высокого и низкого давления. Это чередование поддерживается не какими-либо механическими приспособлениями, а естественным акустическим резонансом жесткой трубчатой конструкции двигателя. Бесклапанный импульсный реактивный двигатель, с механической точки зрения, представляет собой простейшую форму импульсного реактивного двигателя и, по сути, является простейшим из известных воздушно-реактивных двигательных установок, которые могут работать «статически», т.е. без движения вперед.

События горения, приводящие в движение импульсную струю, часто неофициально называют взрывами ; однако правильный термин — дефлаграция . ^{[ 2 ]} Это не детонация , которая является событием сгорания в импульсно-детонационных двигателях (ИДД). Дефлаграция в зоне горения импульсной струи характеризуется внезапным повышением температуры и давления с последующим быстрым дозвуковым расширением объема газа. Именно это расширение выполняет основную работу по перемещению воздуха назад через устройство, а также создает условия в основной трубке для продолжения цикла.

Импульсный реактивный двигатель работает, поочередно ускоряя содержащуюся в нем массу воздуха назад, а затем вдыхая свежую массу воздуха для ее замены. Энергия для ускорения воздушной массы обеспечивается за счет горения топлива, тщательно смешанного с вновь полученной свежей воздушной массой. Этот цикл повторяется много раз в секунду. Во время короткой фазы ускорения массы каждого цикла физическое действие двигателя аналогично действию других реактивных двигателей — масса газа ускоряется назад, что приводит к приложению силы вперед к корпусу двигателя. Эти импульсы силы, быстро повторяющиеся во времени, составляют измеримую силу тяги двигателя.

Некоторые основные различия между клапанными и бесклапанными импульсными струями:

Бесклапанные импульсно-реактивные двигатели не имеют механического клапана, что исключает единственную внутреннюю «подвижную часть» обычного импульсно-реактивного двигателя. ^{[ нужна ссылка ]}
В бесклапанных двигателях впускная секция играет важную роль на протяжении всего импульсно-реактивного цикла.
Бесклапанные двигатели создают силу тяги в двух отдельных, но синхронизированных событиях ускорения массы за цикл, а не только в одном.

Базовая (клапанная) теория импульсного реактивного двигателя

В обычном «клапанном» импульсном воздушно-реактивном двигателе, таком как двигатель печально известной «гудящей бомбы» Фау-1 времен Второй мировой войны, есть два канала, соединенных с зоной сгорания, где происходит горение. Они обычно известны как «впускной канал» (очень короткий воздуховод) и «выхлопная труба» (очень длинный воздуховод). Функция обращенного вперед воздухозаборника состоит в том, чтобы подавать воздух (а во многих импульсных струях меньшего размера - смешивать топливо и воздух) для сгорания. Назначение выхлопной трубы, обращенной назад, состоит в том, чтобы обеспечить массу воздуха для ускорения за счет взрывной волны, а также направить ускоренную массу полностью назад. Зона сгорания (обычно расширенная «камерная» часть) и выхлопная труба составляют основную трубу двигателя. Гибкий односторонний клапан малой массы (или несколько одинаковых клапанов) отделяет впускное отверстие от зоны сгорания.

В начале каждого цикла в зону горения необходимо втягивать воздух. В конце каждого цикла выхлопную трубу необходимо перезагрузить воздухом из окружающей атмосферы. Оба этих основных действия выполняются за счет значительного падения давления, которое происходит естественным образом после расширения дефлаграции, явления, известного как эффект Каденаси (названного в честь ученого, который первым полностью его описал). Это временное низкое давление открывает металлический клапан и всасывает всасываемый воздух (или топливовоздушную смесь). Это также вызывает изменение направления потока в выхлопной трубе, что приводит к затягиванию свежего воздуха вперед для повторного заполнения трубы. Когда происходит следующая дефлаграция, быстрое повышение давления очень быстро закрывает клапан, гарантируя, что взрывная масса почти не выйдет в прямом направлении, поэтому все расширение дымовых газов будет использоваться для ускорения пополненной массы воздуха в длинной выхлопной трубе. назад.

Бесклапанный импульсный режим работы

Бесклапанный импульсный струйный двигатель на самом деле не является бесклапанным — он просто использует массу воздуха во впускной трубке в качестве клапана вместо механического клапана. Он не может сделать это без смещения всасываемого воздуха наружу, а сам этот объем воздуха имеет значительную массу, как и воздух в выхлопной трубе — поэтому он не сдувается мгновенно при дефлаграции, а ускоряется на значительной доле массы. время цикла. Во всех известных успешных конструкциях бесклапанных импульсных струйных двигателей масса всасываемого воздуха составляет небольшую часть массы воздуха в выхлопной трубе (из-за меньших размеров впускного воздуховода). Это означает, что масса всасываемого воздуха выйдет из контакта с корпусом двигателя быстрее, чем масса выхлопной трубы. Тщательно продуманный дисбаланс этих двух воздушных масс важен для правильного выбора времени для всех частей цикла.

Когда начинается дефлаграция, зона значительно повышенного давления распространяется наружу через обе воздушные массы в виде волны сжатия . Эта волна движется со скоростью звука как через впускную, так и через выхлопную воздушную массу. (Поскольку эти воздушные массы имеют значительно повышенную температуру в результате более ранних циклов, скорость звука в них намного выше, чем в обычном наружном воздухе.) Когда волна сжатия достигает открытого конца любой из трубок, возникает низкий уровень звука. давления волна разрежения начинается обратно в противоположном направлении, как бы «отражаясь» от открытого конца. Эта область низкого давления, возвращающаяся в зону горения, по сути, является внутренним механизмом эффекта Каденаси . Никакого «дыхания» свежего воздуха в зону горения не будет до прихода волны разрежения.

Волновое движение в воздушных массах не следует путать с отдельными движениями самих масс. В начале дефлаграции волна давления сразу перемещается по обеим воздушным массам, а расширение газа (за счет теплоты сгорания) только начинается в зоне горения. Масса всасываемого воздуха будет быстро ускоряться наружу за волной давления, поскольку ее масса относительно мала. Воздушная масса из выхлопной трубы будет следовать за исходящей волной давления гораздо медленнее. Кроме того, возможное изменение направления потока во впускном коллекторе произойдет гораздо раньше из-за меньшей массы воздуха. Время волновых движений определяется в основном длиной впускной и основной трубы двигателя; время движения масс определяется главным образом объемами и точными формами этих участков. На оба фактора влияют местные температуры газа .

В бесклапанном двигателе фактически будет два прихода волн разрежения — сначала из впуска, а затем из выхлопной трубы. В типичных бесклапанных конструкциях волна, возвращающаяся от впускного отверстия, будет относительно слабой. Его основной эффект состоит в том, чтобы начать реверс потока в самом воздухозаборнике, фактически «предварительно загружая» впускной канал свежим наружным воздухом. Фактическое дыхание двигателя в целом не начнется всерьез до тех пор, пока основная волна низкого давления из выхлопной трубы не достигнет зоны сгорания. Как только это происходит, начинается значительное изменение направления потока, вызванное падением давления в зоне сгорания.

На этом этапе также существует разница в действии очень разных масс во впускном и выхлопном патрубке. Масса всасываемого воздуха снова довольно мала, но теперь она почти полностью состоит из наружного воздуха; поэтому свежий воздух доступен почти сразу, чтобы начать повторное заполнение зоны горения спереди. Воздушная масса из выхлопной трубы также втягивается, в конечном итоге меняя направление. Выхлопная труба никогда не будет полностью очищена от горячих дымовых газов, но при реверсе она сможет легко втягивать свежий воздух со всех сторон вокруг отверстия выхлопной трубы, поэтому ее содержащаяся масса будет постепенно увеличиваться до следующего случая воспламенения. Поскольку воздух быстро поступает в зону сгорания, волна разрежения отражается назад от передней части корпуса двигателя, и по мере движения назад плотность воздуха в зоне сгорания естественным образом возрастает до тех пор, пока давление воздушно-топливной смеси не достигнет значения, при котором дефлаграция может снова начаться.

Практические вопросы проектирования

В практических конструкциях нет необходимости в системе непрерывного зажигания — зона сгорания никогда не очищается полностью от дымовых газов и свободных радикалов , поэтому в остатке в зоне сгорания происходит достаточное химическое воздействие, чтобы действовать как воспламенитель для следующего взрыва. смесь достигает разумной плотности и давления: цикл повторяется, контролируемый только синхронизацией событий давления и потока в двух каналах.

Хотя теоретически возможно иметь такой двигатель без отдельной «камеры сгорания», превышающей диаметр выхлопной трубы, все успешные бесклапанные двигатели, разработанные до сих пор, имеют своего рода расширенную камеру, примерно аналогичную той, которая встречается в типичных конструкциях клапанных двигателей. Камера обычно занимает довольно небольшую часть общей длины основной трубки.

Ускорение воздушной массы обратно через впускной канал не имеет смысла для тяги двигателя, если впуск направлен вперед, поскольку тяга впуска составляет довольно большую часть тяги выхлопной трубы. Для обеспечения того, чтобы силы тяги двух воздуховодов действовали в одном направлении, использовались двигатели различной геометрии. Один простой метод — развернуть двигатель, а затем сделать U-образный изгиб выхлопной трубы, чтобы оба воздуховода выходили назад, как в типах Ecrevisse и Lockwood (также известных как Lockwood-Hiller ). В конструкциях Escopette и Kentfield используются рекуператоры (вспомогательные трубы U-образной формы), установленные перед передними воздухозаборниками для направления впускного потока и потока назад. Так называемые «китайские» модели и модели Thermojet просто устанавливают впускное отверстие на камере в направлении заднего излива, оставляя переднюю поверхность камеры нетронутой. Однако основная внутренняя работа двигателя с такой геометрией не отличается от описанной выше. Локвуд уникален в одном отношении, а именно в своем воздухозаборнике очень большого диаметра — тяга этой большой трубы составляет не менее 40 процентов от тяги двигателя в целом. Однако объем выхлопной трубы этой конструкции достаточно велик, поэтому дисбаланс вмещаемых масс все же отчетливо виден.

Конструкция «струя из банки с вареньем»

Механизм работы струи банки для варенья. (б) Смесь воздуха и паров топлива может воспламениться от внешнего воспламенителя или от остатков свободных радикалов от последнего рабочего цикла. (а) Предыдущая струя выбрасывала больше воздуха, чем соответствует равновесному давлению в камере, поэтому часть свежего воздуха всасывается обратно. Падение давления в этом случае вызвано скорее охлаждением газа в камере, чем импульсом газа. В данной конструкции невозможно эффективно использовать импульс газа из-за отсутствия выхлопной (резонаторной) трубы и очень рассеивающей аэродинамики апертуры.

В большинстве импульсно-реактивных двигателей используются независимые впускной и выпускной патрубки. Физически более простая конструкция совмещает впускное и выпускное отверстия. Это возможно благодаря колебательному поведению импульсного двигателя. Одно отверстие может действовать как выхлопная труба во время фазы высокого давления рабочего цикла и как впускная труба во время фазы аспирации. Эта конструкция двигателя менее эффективна в этой примитивной форме из-за отсутствия резонансной трубы и, следовательно, отсутствия отраженных сжимающих и всасывающих акустических волн. Однако он довольно хорошо работает с простым инструментом, таким как банка для варенья с проколотой крышкой и топливом внутри, отсюда и название.

Успешные версии струи банки для варенья запускались в пластиковой бутылке. Бутылка гораздо менее эффективна, чем версии в банках для варенья, и не способна поддерживать приличную струю более нескольких секунд. Предполагается, что спирт, который использовался для работы простой форсунки, действовал как барьер, предотвращающий попадание тепла в пластик. Чтобы конструкция струи банки для варенья работала, топливо должно испариться для воспламенения, что чаще всего происходит за счет встряхивания струи, в результате чего топливо покрывает контейнер, что придает теории некоторую обоснованность. ^{[ нужна ссылка ]}

Плюсы и минусы

Успешные бесклапанные импульсные реактивные двигатели были построены от нескольких сантиметров в длину до огромных размеров, хотя самые большие и самые маленькие не использовались для движения. Самые маленькие из них успешны только тогда, когда используется чрезвычайно быстро сгорающее топливо ( ацетилен или водород например, ). Двигатели средних и больших размеров могут сжигать практически любой горючий материал, который можно равномерно доставить в зону сгорания, хотя, конечно, летучие легковоспламеняющиеся жидкости ( бензин , керосин , различные спирты ) и стандартные топливные газы ( сжиженный нефтяной газ , пропан , бутан , МАПП). газ ) проще всего использовать. Из-за дефлаграционного характера импульсно-реактивного сгорания эти двигатели являются чрезвычайно эффективными камерами сгорания, практически не производящими опасных загрязняющих веществ, кроме CO _2.^{[ нужна ссылка ]}, даже при использовании углеводородного топлива. Благодаря современным жаростойким металлам основной конструкции вес двигателя можно поддерживать на чрезвычайно низком уровне. Без наличия механического клапана двигатели практически не требуют постоянного технического обслуживания для поддержания работоспособности.

До настоящего времени физический размер успешных бесклапанных конструкций всегда был несколько больше, чем клапанных двигателей при той же величине тяги, хотя теоретически это не является обязательным требованием. Как и в случае с импульсными реактивными двигателями с клапанами, нагрев (двигатели часто раскаляются добела) и очень высокий уровень рабочего шума (возможен 140 децибел). ^{[ 2 ]} являются одними из самых больших недостатков этих двигателей. Для запуска двигателя необходима какая-либо система зажигания. В самых маленьких размерах для запуска также обычно требуется принудительная подача воздуха на впуске. Еще есть много возможностей для совершенствования в разработке действительно эффективных и полностью практичных конструкций для использования в двигательных установках.

Одним из возможных решений существующей проблемы неэффективности импульсных струй могло бы стать использование двух импульсных струй в одной, при этом каждая струя сжимала бы смесь топлива и воздуха в другой, а оба конца выбрасывались бы в общую камеру, через которую воздух течет только в одном направлении. Потенциально это может обеспечить гораздо более высокую степень сжатия, лучшую топливную экономичность и большую тягу. ^{[ 3 ]}

См. также

Ссылки

^ Джет-карт – самый МЕНТАЛЬНЫЙ карт на свете . Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. – на YouTube.
^ Jump up to: ^а ^б Мориц, Роберт (15 марта 2011 г.). «Как построить импульсный реактивный самолет» . Популярная механика . Проверено 23 июля 2016 г.
^ Огорелец, Бруно. «Бессклапанный импульсный реактивный двигатель с турбокомпрессором (концепция непрофессионала)» (PDF) . Проверено 29 мая 2013 г.

[1] Джет-карт – самый МЕНТАЛЬНЫЙ карт на свете . Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. – на YouTube.

[popmech-2] Jump up to: ^а ^б Мориц, Роберт (15 марта 2011 г.). «Как построить импульсный реактивный самолет» . Популярная механика . Проверено 23 июля 2016 г.

[3] Огорелец, Бруно. «Бессклапанный импульсный реактивный двигатель с турбокомпрессором (концепция непрофессионала)» (PDF) . Проверено 29 мая 2013 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]