Pulsejet - Pulsejet - Wikipedia

Схема импульсной струи
Часть серии по
Двигательная установка самолета
Валовые двигатели:
вождение пропеллеры, роторы, канальные вентиляторы или же пропфаны
Двигатели реакции

А импульсный двигатель (или же импульсная струя) является разновидностью реактивный двигатель в котором горение происходит в импульсы. Импульсный реактивный двигатель можно создать с помощью нескольких[1] или нет движущиеся части,[2][3][4] и может работать в статическом режиме (т.е. ему не нужно нагнетать воздух во входное отверстие, как правило, при поступательном движении).

Импульсные реактивные двигатели представляют собой легкую форму реактивного движения, но обычно имеют плохие характеристики. коэффициент сжатия, и, следовательно, дают низкий удельный импульс.

Одно примечательное направление исследований импульсных реактивных двигателей включает: импульсный детонационный двигатель, который включает в себя повторяющиеся детонации в двигателе и который потенциально может дать высокую степень сжатия и достаточно хороший КПД.

Типы

Существует два основных типа импульсных реактивных двигателей, оба из которых используют резонансное сгорание и используют расширяющиеся продукты сгорания для формирования пульсирующей выхлопной струи, которая периодически создает тягу.

Клапанные импульсные форсунки

В импульсных реактивных двигателях с клапаном используется механический клапан для управления потоком расширяющихся выхлопных газов, заставляя горячий газ выходить из задней части двигателя только через выхлопную трубу, и позволяя свежему воздуху и большему количеству топлива проходить через прием поскольку инерция выходящего выхлопа создает частичный вакуум в течение доли секунды после каждой детонации. Это втягивает дополнительный воздух и топливо между импульсами.

Импульсный струйный насос с клапаном включает впуск с односторонним клапаном. Клапаны предотвращают попадание взрывоопасного газа воспламененной топливной смеси в камера сгорания от выхода и нарушения потока всасываемого воздуха, хотя со всеми практичными импульсными форсунками с клапанами существует некоторая «обратная отдача» при статической работе или на низкой скорости, поскольку клапаны не могут закрыться достаточно быстро, чтобы предотвратить выход некоторого количества газа через впускное отверстие. Перегретые выхлопные газы выходят через акустически резонансный выхлопная труба.

Впускной клапан обычно представляет собой язычковый клапан. Две наиболее распространенные конфигурации - это распределительный клапан и прямоугольная распределительная сетка. Клапан маргаритки состоит из тонкого листа материала, который действует как трость, вырезанный в форме стилизованной ромашки с «лепестками», которые расширяются к концам. Каждый «лепесток» на конце закрывает круглое впускное отверстие. Гирляндный клапан прикреплен к коллектору болтами через его центр. Хотя ее проще построить в небольшом масштабе, она менее эффективна, чем вентильная сетка.

Бесклапанные импульсные струи

Основная статья: Бесклапанный импульсный двигатель

Бесклапанные импульсные двигатели не имеют движущихся частей и используют только свою геометрию для управления потоком выхлопных газов из двигателя. Бесклапанные импульсные форсунки вытесняют выхлопные газы из обоих поступления и выхлоп, но большая часть создаваемой силы уходит через более широкое сечение выхлопа. Большее количество массы, выходящей из более широкого выхлопа, имеет большую инерцию, чем обратный поток из впускного отверстия, что позволяет ему создавать частичный вакуум в течение доли секунды после каждой детонации, обращая поток впускного отверстия в правильном направлении, и следовательно, глотает больше воздуха и топлива. Это происходит десятки раз в секунду.

Бесклапанный импульсный двигатель работает по тому же принципу, что и импульсный двигатель с клапаном, но «клапаном» является геометрия двигателя. Топливо, как газ или распыленный жидкая спрей, либо смешивается с воздухом во впускном отверстии, либо непосредственно впрыскивается в камера сгорания. Для запуска двигателя обычно требуется нагнетание воздуха и источник зажигания, такой как свеча зажигания, для топливовоздушной смеси. В современных конструкциях двигателей практически любая конструкция может быть выполнена с возможностью самозапуска, если в двигатель подается топливо и искра зажигания, и двигатель запускается без сжатого воздуха. После запуска двигателю требуется только подача топлива для поддержания цикла самоподдерживающегося сгорания.

История

Русский изобретатель и артиллерист в отставке Николай Афанасьевич Телешов запатентовал паровой импульсный реактивный двигатель в 1867 году, в то время как шведский изобретатель Мартин Виберг также заявляет, что изобрел первый импульсный двигатель в Швеции, но детали неясны.

Первый рабочий импульсный двигатель был запатентован в 1906 году русским инженером В.В. Караводин, завершивший работающую модель в 1907 г., французский изобретатель Жорж Марконне запатентовал свой бесклапанный импульсный двигатель в 1908 г., а Рамон Казанова - в Риполл, Испания запатентовал импульсный двигатель в Барселона в 1917 г., построив один в начале 1913 г. Роберт Годдард изобрел импульсный двигатель в 1931 году и продемонстрировал его на реактивном велосипеде.[5]Инженер Пол Шмидт впервые разработал более эффективную конструкцию, основанную на модификации впускных клапанов (или заслонок), что в 1933 году принесло ему государственную поддержку Министерства авиации Германии.[6]

Рамон Казанова и импульсный реактивный двигатель, который он сконструировал и запатентовал в 1917 году.

Argus As 109-014

Основная статья: Argus As 014
Аргус Ас 014 Импульсный реактивный двигатель летающей бомбы Фау-1 в Королевском музее ВВС в Лондоне

В 1934 г. Георг Маделунг и живущий в Мюнхене Пауль Шмидт сделал предложение немецкой Министерство авиации «летающая бомба», работающая от импульсного двигателя Шмидта. Маделунг является соавтором ленточный парашют, устройство, используемое для стабилизации V-1 в его окончательном погружении.[нужна цитата ] Опытный образец бомбы Шмидта не соответствовал техническим требованиям Министерства авиации Германии, особенно из-за низкой точности, дальности и высокой стоимости. Первоначальный дизайн Шмидта предусматривал размещение импульсного двигателя в фюзеляже, как у современного реактивного истребителя, в отличие от возможного V-1, у которого двигатель располагался над боеголовкой и фюзеляжем.

В Компания Аргус начал работу на основе работы Шмидта. Другие немецкие производители, работавшие над подобными импульсными реактивными двигателями и летающими бомбами, были Компания Аскания, Роберт Люссер из Физелер, Доктор Фриц Гослау Аргуса и Сименс рота, которую все объединили для работы над Фау-1.[6]

Теперь, когда Шмидт работает на Argus, импульсная струйная установка была усовершенствована и была официально известна своим RLM Обозначение как Argus As 109-014. Первое отключение питания произошло в Пенемюнде 28 октября 1942 г. и первый полет на двигателе 10 декабря 1942 г.

Импульсная струйная печать была оценена как отличное сочетание стоимости и функциональности: простая конструкция, которая хорошо работает при минимальных затратах.[6] Он мог работать на любом сорте керосина, а система заслонки зажигания не рассчитывалась на срок службы дольше одного часа обычного рабочего времени полета V-1. Хотя он создавал недостаточную тягу для взлета, резонансная струя V-1 могла работать, стоя на стартовой рампе. Простая резонансная конструкция, основанная на отношении (8,7: 1) диаметра к длине выхлопной трубы, обеспечивала длительный цикл сгорания и обеспечивала стабильную резонансную частоту на уровне 43 циклов в секунду. Двигатель произвел 2200 Н (490 фунтовж) статической тяги и примерно 3300 Н (740 фунтовж) в полете.[6]

Зажигание в As 014 обеспечивалось одной автомобильной свечой зажигания, установленной примерно в 75 см (30 дюймов) за передней решеткой клапанов. Искра срабатывала только во время запуска двигателя; Argus As 014, как и все струйные двигатели, не требовал катушки зажигания или же магнето для воспламенения - источником возгорания является хвост предыдущего огненного шара во время пробега. Кожух двигателя недостаточно нагревается, чтобы вызвать дизельное зажигание топлива, так как внутри ПВРД есть незначительное сжатие.

Клапанная система Argus As 014 была основана на системе заслонок, которая работала на частоте двигателя от 43 до 45 циклов в секунду.

Три воздушные сопла в передней части Argus As 014 были подключены к внешнему источнику высокого давления для запуска двигателя. Топливо, использованное для зажигания, было ацетилен, при этом техническим специалистам необходимо поместить перегородку из дерева или картона в выхлопную трубу, чтобы остановить диффузию ацетилена до полного возгорания. Как только двигатель загорелся и минимум Рабочая Температура была достигнута, внешние шланги и разъемы были удалены.

У крылатой ракеты V-1 не было шасси, вместо этого Argus As 014 был запущен по наклонной рампе с приводом от поршень -приводная паровая катапульта. Сила пара, запускающая поршень, была создана сильным экзотермический химическая реакция возникает, когда пероксид водорода и перманганат калия (названный Т-Стофф и Z-Stoff ) совмещены.

Основное военное использование импульсного реактивного двигателя при серийном производстве блока Argus As 014 (первого в серийном производстве) заключалось в использовании с Летающая бомба Фау-1. Характерный гудящий шум двигателя принес ему прозвища «жужжащая бомба» или «болванчик». V-1 был Немецкий крылатая ракета используется в Вторая Мировая Война, самый известный в бомбардировка Лондона в 1944 году. Импульсные реактивные двигатели, будучи дешевыми и простыми в изготовлении, были очевидным выбором для конструкторов V-1, учитывая нехватку материалов и чрезмерную нагрузку на промышленность на том этапе войны. Конструкторы современных крылатых ракет не выбирают в качестве движителей импульсные реактивные двигатели, предпочитая турбореактивные двигатели или же ракета двигатели. Единственное другое использование Pulsejet было для экспериментального проекта Einpersonenfluggerät для немецкой Heer.

Райт Филд технический персонал реконструированный Фау-1 из останков одного, который не взорвался в Британии. Результатом стало создание JB-2 Loon, с планером построенным Республика Авиация, и воспроизводящей импульсной реактивной силовой установки Argus As 014, известной PJ31 Американское обозначение, сделанное Ford Motor Company. Общий Хэп Арнольд Военно-воздушных сил США были обеспокоены тем, что это оружие может быть изготовлено из стали и дерева с затратами 2000 человеко-часов и приблизительной стоимостью 600 долларов США (в 1943 году).[6]

Операция

Анимация струйного двигателя

Импульсные реактивные двигатели отличаются простотой, низкой стоимостью конструкции и высоким уровнем шума. В то время как тяговооруженность отлично, удельный расход топлива тяги очень плохо. Pulsejet использует Цикл Ленуара, который, не имея внешнего компрессионного драйвера, такого как Цикл Отто поршень, или Цикл Брайтона турбина сжатия, приводит в движение сжатие с акустический резонанс в тубе. Это ограничивает максимальный коэффициент давления перед сгоранием примерно до 1,2: 1.

Высокий уровень шума обычно делает их непрактичными для других целей, кроме военных и других аналогичных ограниченных областей применения.[7] Однако импульсные струи используются в больших масштабах в качестве промышленных систем сушки, и наблюдается возрождение исследований этих двигателей для таких приложений, как высокоэффективное отопление, преобразование биомассы и альтернативные энергетические системы, поскольку импульсные струи могут работать практически на всем, что горит. , включая топливо в виде твердых частиц, такое как опилки или угольный порошок.

Импульсные реактивные двигатели использовались для питания экспериментальных вертолетов, двигатели прикреплялись к концам лопастей несущего винта. При подаче энергии на винты вертолетов импульсные двигатели имеют преимущество перед турбинными или поршневыми двигателями, поскольку они не производят крутящий момент на фюзеляж поскольку они не прикладывают силу к валу, а толкают наконечники. Тогда вертолет может быть построен без рулевого винта и связанных с ним трансмиссии и приводного вала, что упрощает создание летательного аппарата (циклический и коллектив еще необходимо управление несущим винтом). Эта концепция рассматривалась еще в 1947 году, когда American Helicopter Company начала работу над прототипом вертолета XA-5 Top Sergeant с импульсными реактивными двигателями на концах винта.[8] XA-5 впервые поднялся в воздух в январе 1949 года, за ним последовал XA-6 Buck Private с той же импульсной конструкцией. Также в 1949 г. Hiller Helicopters построил и протестировал Hiller Powerblade, первый в мире струйный ротор с горячим циклом. Хиллер перешел на установку ПВРД, но American Helicopter продолжила разработку XA-8 по контракту с армией США. Он первый полетел в 1952 году и был известен как XH-26 Реактивный Джип. В нем использовались импульсные струи XPJ49, установленные на концах ротора. XH-26 выполнил все свои основные проектные задачи, но армия отменила проект из-за неприемлемого уровня шума импульсных двигателей и того факта, что сопротивление импульсных двигателей на концах ротора приводило к Автоматический поворот посадки очень проблематичные. Утверждается, что винтокрылая двигательная установка снижает стоимость производства винтокрылых самолетов до 1/10 стоимости производства обычных винтокрылых самолетов.[7]

Импульсные форсунки также использовались в обоих контрольная линия и радиоуправляемая авиамодель. Рекорд скорости для модели самолета с импульсным двигателем на линии управления составляет более 200 миль в час (323 км / ч).

Скорость свободно летающего радиоуправляемого импульсного двигателя ограничена конструкцией впуска двигателя. При скорости около 450 км / ч (280 миль / ч) клапанные системы большинства двигателей перестают полностью закрываться из-за давления набегающего воздуха, что приводит к снижению производительности.

Изменяемая геометрия впуска позволяет двигателю развивать полную мощность на большинстве скоростей за счет оптимизации любой скорости, с которой воздух входит в струйный двигатель. Бесклапанные конструкции не так сильно подвержены давлению набегающего воздуха, как другие конструкции, поскольку они никогда не предназначались для остановки потока, выходящего из впускного отверстия, и могут значительно увеличивать мощность на скорости.

Еще одна особенность импульсных реактивных двигателей заключается в том, что их тяга может быть увеличена с помощью канала специальной формы, расположенного за двигателем. Воздуховод действует как кольцевое крыло, который выравнивает пульсирующую тягу за счет использования аэродинамических сил в выхлопе импульсного двигателя. Канал, обычно называемый аугментером, может значительно увеличить тягу импульсного двигателя без дополнительного расхода топлива. Возможно увеличение тяги на 100%, что приведет к гораздо более высокой топливной эффективности. Однако, чем больше канал аугментера, тем большее сопротивление он создает, и он эффективен только в определенных диапазонах скоростей.

Функция

Схема Pulsejet. Первая часть цикла: воздух проходит через впускное отверстие (1) и смешивается с топливом (2). Вторая часть: клапан (3) закрывается, и воспламененная топливно-воздушная смесь (4) приводит в движение корабль.

Цикл сгорания состоит из пяти или шести фаз в зависимости от двигателя: индукция, сжатие, (опция) впрыск топлива, зажигание, сгорание и выхлоп.

Начиная с воспламенения в камере сгорания, высокое давление повышается за счет сгорания топливно-воздушной смеси. Сжатый газ от сгорания не может выходить вперед через односторонний впускной клапан и поэтому выходит только назад через выхлопную трубу.

Инерционная реакция этого газового потока заставляет двигатель создавать тягу, которая используется для приведения в движение планера или лопасти несущего винта. Инерция движущегося выхлопного газа вызывает низкое давление в камере сгорания. Это давление меньше, чем давление на входе (перед односторонним клапаном), и поэтому начинается фаза индукции цикла.

В простейшем из импульсных реактивных двигателей впуск осуществляется через Вентури, в результате чего топливо забирается из источника топлива. В более сложных двигателях топливо может впрыскиваться непосредственно в камеру сгорания. Когда идет фаза индукции, топливо в распыленной форме впрыскивается в камеру сгорания для заполнения вакуума, образовавшегося при выходе предыдущего огненного шара; распыленное топливо пытается заполнить всю трубку, включая выхлопную трубу. Это заставляет распыленное топливо в задней части камеры сгорания «вспыхивать», поскольку оно вступает в контакт с горячими газами предшествующего газового столба - в результате этого вспышка «захлопывает» пластинчатые клапаны или, в случае бесклапанных конструкций, останавливает подачу топлива до тех пор, пока не образуется разрежение, и цикл повторяется.

Клапанный дизайн

Есть два основных типа струйных двигателей. Первый известен как клапанный или традиционный струйный, и он имеет набор односторонних клапанов, через которые проходит входящий воздух. Когда воздух-топливо воспламеняется, эти клапаны закрываются, а это означает, что горячие газы могут выходить только через выхлопную трубу двигателя, создавая таким образом прямую тягу.

Частота цикла в первую очередь зависит от длины двигателя. Для небольшого модельного двигателя частота может составлять около 250 импульсов в секунду, тогда как для более крупного двигателя, такого как тот, что используется на немецком Летающая бомба Фау-1, частота была ближе к 45 импульсам в секунду. Низкочастотный звук привел к тому, что ракеты получили прозвище «гудящие бомбы».

Бесклапанная конструкция

Основная статья: Бесклапанный импульсный двигатель

Второй тип импульсной струи известен как бесклапанная импульсная струя.[9] Технически этот двигатель называют импульсным реактивным двигателем акустического типа или импульсным реактивным двигателем с аэродинамическими клапанами.

Бесклапанные пульсирующие форсунки бывают разных форм и размеров, причем разные конструкции подходят для разных функций. Типичный бесклапанный двигатель будет иметь одну или несколько впускных труб, секцию камеры сгорания и одну или несколько секций выхлопной трубы.

Всасывающая труба забирает воздух и смешивает его с топливом для сгорания, а также регулирует выпуск выхлопных газов, как клапан, ограничивая поток, но не останавливая его полностью. Во время горения топливно-воздушной смеси большая часть расширяющегося газа вытесняется из выхлопной трубы двигателя. Поскольку впускная труба (трубы) также выбрасывает газ во время цикла выпуска двигателя, большинство бесклапанных двигателей имеют впускные отверстия, направленные назад, так что создаваемая тяга увеличивает общую тягу, а не уменьшает ее.

Сгорание создает два фронта волны давления: один проходит по более длинной выпускной трубе, а другой - по короткой впускной трубе. Путем правильной «настройки» системы (правильного определения размеров двигателя) можно добиться резонансного процесса сгорания.

В то время как некоторые бесклапанные двигатели известны тем, что они чрезвычайно расходуют топливо, другие конструкции используют значительно меньше топлива, чем клапанные импульсные двигатели, а правильно спроектированная система с передовыми компонентами и технологиями может конкурировать или превосходить топливную эффективность небольших турбореактивных двигателей.

В 1909 году Жорж Марконне разработал первую пульсирующую камеру сгорания без клапанов. Он был прародителем всех бесклапанных импульсных двигателей. Бесклапанный пульсирующий двигатель экспериментировала с французской исследовательской группой. SNECMA (Société Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d'Aviation) в конце 1940-х гг.

Первым массовым применением бесклапанного импульсного двигателя стал голландский дрон. Авиоланда АТ-21[7] Правильно спроектированный бесклапанный двигатель будет отличаться в полете, поскольку у него нет клапанов, а давление набегающего воздуха при движении на высокой скорости не приводит к прекращению работы двигателя, как у двигателя с клапанами. Они могут достигать более высоких максимальных скоростей, а некоторые усовершенствованные конструкции способны работать на Мах .7 или, возможно, выше.

Достоинством струйного устройства акустического типа является простота. Поскольку нет движущиеся части изнашиваются, их легче обслуживать и проще строить.

Будущее использование

Импульсные струи сегодня используются в дрон-цель самолет, летающий линия управления модель самолета (а также радиоуправляемые самолеты), генераторы тумана, промышленное сушильное и домашнее отопительное оборудование. Поскольку импульсные струи - это эффективный и простой способ преобразования топлива в тепло, экспериментаторы используют их для новых промышленных применений, таких как топливо из биомассы переоборудование и системы котлов и обогревателей.

Некоторые экспериментаторы продолжают работать над улучшенными конструкциями. Двигатели трудно интегрировать в коммерческие пилотируемые самолеты из-за шума и вибрации, хотя они превосходят маломасштабные беспилотные автомобили.

В импульсный детонационный двигатель (PDE) знаменует собой новый подход к реактивным двигателям прерывистого действия и обещает более высокую топливную эффективность по сравнению с турбовентилятор реактивные двигатели, по крайней мере, на очень высоких оборотах. Пратт и Уитни и General Electric теперь есть активные исследовательские программы PDE. В большинстве исследовательских программ PDE используются импульсные двигатели для тестирования идей на ранней стадии проектирования.

Боинг имеет запатентованную технологию импульсного реактивного двигателя, называемую Усилитель тяги импульсного выталкивателя (PETA), которая предлагает использовать импульсные двигатели для вертикального подъема в военных и коммерческих СВВП самолет.[10]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ «Импульсный детонационный двигатель». Gof Further.utsi.edu. Архивировано из оригинал 4 сентября 2014 г.. Получено 3 марта 2014.
  2. ^ https://news.google.com/patents/about?id=vOZsAAAAEBAJ. Получено 23 февраля 2016. Отсутствует или пусто | название = (помощь)[мертвая ссылка ]
  3. ^ "Патент US6216446 - Бесклапанный импульсный реактивный двигатель с впускным каналом, обращенным вперед - Google Patents". Получено 3 марта 2014.
  4. ^ «Бесклапанный Pulsjet». Home.no. Получено 3 марта 2014.
  5. ^ Патент США 1,980,266
  6. ^ а б c d е Джордж Миндлинг, Роберт Болтон: Тактические ракеты ВВС США: 1949–1969 гг.: Пионеры, Lulu.com, 200: ISBN  0-557-00029-7. pp6-31
  7. ^ а б c Ян Роскам, Чуан-Тау Эдвард Лан; Аэродинамика и характеристики самолета, DARcorporation: 1997, г. ISBN  1-884885-44-6, 711 стр.
  8. ^ «Отрывок из полета 12 мая 1949 года» (PDF). flightglobal.com. Получено 31 августа 2014.
  9. ^ Geng, T .; Schoen, M. A .; Кузнецов, А. В .; Робертс, В. Л. (2007). «Комбинированное численное и экспериментальное исследование 15-сантиметрового бесклапанного импульсного двигателя». Поток, турбулентность и горение. 78 (1): 17–33. Дои:10.1007 / s10494-006-9032-8.
  10. ^ Диас, Иисус (28 июля 2011 г.). "Сокол тысячелетия Boeing плывет с использованием нацистских технологий". Wired.com.

Рекомендации

  • Обзор авиационной техники, Институт авиационных наук (США): 1948, т. 7.
  • Джордж Миндлинг, Роберт Болтон: Тактические ракеты ВВС США: 1949–1969 гг.: Пионеры, Lulu.com, 200: ISBN  0-557-00029-7. стр. 6–31

внешняя ссылка