Бесклапанный импульсный двигатель - Valveless pulsejet

Рабочий механизм бесклапанного пульсирующего двигателя. Основная идея заключается в том, что столб воздуха в длинной выхлопной трубе функционирует как поршень из Поршневой двигатель. С другой точки зрения, двигатель - это акустический резонатор внутреннее возбуждение за счет резонансных воспламенений в камере. Камера действует как давление пучность который сжимается возвращающейся волной. Всасывающая труба действует как кинематическая пучность, которая всасывает и выпускает газ. Обратите внимание на более длинную выхлопную трубу - это важно, так как предотвращает попадание кислорода в неправильном направлении и неправильное воспламенение системы. Это происходит потому, что, когда импульс зажигается, в выхлопной трубе все еще есть выхлопные газы. Он всасывается до того, как всасывается дополнительный кислород. Конечно, воздухозаборная труба уже подала кислород к этому моменту, и импульс возобновляется.

А бесклапанный пульсирующий (или же импульсная струя) - самый простой из известных реактивный двигатель устройство. Бесклапанные импульсные струи недорогие, легкие, мощные и простые в эксплуатации. У них есть все преимущества (и большинство недостатков) обычных клапанных импульсные двигатели, но без язычковые клапаны которые нуждаются в частой замене - безклапанный струйный двигатель может работать в течение всего срока службы практически без обслуживания. Они использовались для власти модель самолета, экспериментальный картинг^[1], и беспилотные военные самолеты, такие как крылатые ракеты и целевые дроны.

Основные характеристики

А импульсный двигатель дышащий двигатель реакции который использует непрерывную последовательность дискретных горение события, а не одно событие устойчивого горения. Это четко отличает его от других типов двигателей реакции, таких как ракеты, турбореактивные двигатели, и ПВРД, которые являются устройствами постоянного горения. Все остальные реактивные двигатели приводятся в действие за счет поддержания высокого внутреннего давления; импульсные струи приводятся в действие чередованием высокого и низкого давления. Это чередование поддерживается не какими-либо механическими приспособлениями, а скорее естественными акустический резонанс жесткой трубчатой конструкции двигателя. Бесклапанный струйный двигатель с механической точки зрения представляет собой простейшую форму струйного двигателя и, по сути, является самым простым известным двигательным устройством с воздушным движением, которое может работать «статически», то есть без движения вперед.

События горения, приводящие в движение импульсный двигатель, часто неофициально называют взрывы; однако правильный термин дефлаграции.^[2] Они не взрывы, которое является событием горения в Двигатели с импульсной детонацией (PDE). 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 трубе для продолжения цикла.

Импульсный реактивный двигатель работает, попеременно ускоряя удерживаемую массу воздуха назад, а затем вдыхая новую массу воздуха, чтобы заменить ее. Энергия для ускорения воздушной массы обеспечивается за счет дефлаграции топлива, тщательно смешанного с вновь полученной массой свежего воздуха. Этот цикл повторяется много раз в секунду. Во время краткой фазы массового ускорения 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.

Основные различия между импульсными струями с клапаном и без клапана:

Бесклапанные импульсные двигатели не имеют механического клапана, что исключает единственную внутреннюю «движущуюся часть» обычного импульсного двигателя.^{[нужна цитата ]}
В бесклапанных двигателях впускная секция играет важную роль на протяжении всего цикла струйной печати.
Бесклапанные двигатели производят толкать сил в двух различных, но синхронизированных событиях массового ускорения за цикл, а не в одном.

Базовая (клапанная) теория импульсной струи

В обычном "клапанном" импульсном двигателе, как в двигателе печально известного Фау-1 "Жужжащая бомба" времен Второй мировой войны есть два воздуховода, соединенных с зоной горения, где происходит горение. Они обычно известны как «впускной» (очень короткий канал) и «выхлопная труба» (очень длинный канал). Функция обращенного вперед воздухозаборника состоит в том, чтобы подавать воздух (а во многих меньших импульсных двигателях - смешивание топлива и воздуха) для сгорания. Обращенная назад выхлопная труба предназначена для обеспечения воздушной массы для ускорения от взрывной волны, а также для направления ускоренной массы полностью назад. Зона сгорания (обычно расширенная секция «камеры») и выхлопная труба составляют основную трубу двигателя. Гибкий односторонний клапан малой массы (или несколько идентичных клапанов) отделяет впускной канал от зоны сгорания.

В начале каждого цикла воздух необходимо втягивать в зону горения. В конце каждого цикла выхлопная труба должна перезагружаться воздухом из окружающей атмосферы. Оба этих основных действия достигаются за счет значительного падения давления, которое происходит естественным образом после расширения дефлаграции, явления, известного как Эффект каденации (назван в честь ученого, первым полностью описавшего его). Это временное низкое давление открывает металлический клапан и втягивает всасываемый воздух (или топливно-воздушную смесь). Это также вызывает реверсирование потока в выхлопной трубе, в результате чего свежий воздух направляется вперед для повторного заполнения трубы. Когда происходит следующее горение, быстрое повышение давления очень быстро закрывает клапан, гарантируя, что почти никакая масса взрыва не выходит в прямом направлении, поэтому расширение дымовых газов будет использоваться для ускорения пополненной массы воздуха в длинной выхлопной трубе. назад.

Бесклапанный импульсно-струйный режим

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

Когда начинается дефлаграция, зона значительно повышенного давления распространяется наружу через обе воздушные массы в виде волна сжатия. Эта волна движется со скоростью звука через воздушные массы впускной и выпускной трубы. (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, низкий давление разрежение волна начинается обратно в обратном направлении, как бы «отражаясь» открытым концом. Эта область низкого давления, возвращающаяся в зону горения, фактически является внутренним механизмом Эффект каденации. До прихода волны разрежения не будет «вдыхания» свежего воздуха в зону горения.

Волновое движение через воздушные массы не следует путать с отдельными движениями самих масс. В начале дефлаграции волна давления сразу проходит через обе воздушные массы, 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 выхлопной трубы будет следовать за исходящей волной давления намного медленнее. Кроме того, возможное реверсирование потока во впускном отверстии произойдет гораздо раньше из-за меньшей массы воздуха. Время волновых движений определяется в основном длиной впускной и основной трубы двигателя; Время массовых движений определяется в основном объемами и точной формой этих участков. Оба подвержены влиянию местного газа. температуры.

В бесклапанном двигателе действительно будет два прихода волн разрежения - сначала от впуска, а затем от выхлопной трубы. В типичных бесклапанных конструкциях волна, возвращающаяся от впуска, будет относительно слабой. Его основной эффект заключается в том, чтобы начать реверсирование потока в самом воздухозаборнике, фактически «предварительно загружая» воздухозаборник свежим наружным воздухом. Фактическое дыхание двигателя в целом не начнется всерьез, пока основная волна низкого давления из выхлопной трубы не достигнет зоны сгорания. Как только это происходит, начинается значительное реверсирование потока, вызванное падением давления в зоне сгорания.

На этом этапе также наблюдается различие в действии очень разных масс во впускной и выхлопной трубах. Масса всасываемого воздуха снова довольно мала, но теперь она почти полностью состоит из наружного воздуха; Таким образом, свежий воздух доступен почти сразу, чтобы начать заполнять зону горения спереди. Воздушная масса выхлопной трубы также вытягивается, в конечном итоге тоже меняя направление. Выхлопная труба никогда не будет полностью очищена от горячих продуктов сгорания, но при реверсировании она сможет легко втягивать свежий воздух со всех сторон вокруг отверстия выхлопной трубы, поэтому его масса будет постепенно увеличиваться до следующего события дефлаграции. Поскольку воздух быстро течет в зону сгорания, волна разрежения отражается назад передней частью корпуса двигателя, и по мере ее движения назад плотность воздуха в зоне сгорания естественным образом повышается до тех пор, пока давление воздушно-топливной смеси не достигнет значения, при котором снова может начаться дефлаграция.

Практические вопросы дизайна

В практических конструкциях нет необходимости в непрерывном система зажигания - зона горения никогда не очищается полностью от продуктов сгорания и свободные радикалы, поэтому в остатке в зоне горения имеется достаточно химического воздействия, чтобы действовать как воспламенитель для следующего взрыва, когда смесь достигает разумной плотности и давления: цикл повторяется, контролируемый только синхронизацией событий давления и потока в два воздуховода.

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

Ускорение воздушной массы обратно через впускной канал не имеет смысла для тяги двигателя, если впускной канал направлен вперед, поскольку тяга впуска составляет довольно большую часть тяги выхлопной трубы. Для того чтобы силы тяги двух каналов действовали в одном направлении, использовались двигатели различной геометрии. Один из простых способов - повернуть двигатель, а затем вставить U-образный изгиб в выхлопную трубу так, чтобы оба канала выходили назад, как в Ecrevisse и Lockwood (также известных как Локвуд-Хиллер ) типы. В дизайне Эскопетта и Кентфилда используются рекуператоры (U-образные вспомогательные трубы), установленные перед передними воздухозаборниками, чтобы повернуть воздухозаборник и направить поток назад. Так называемые «китайские» модели и модели Thermojet просто устанавливают всасывающий патрубок в камере в направлении заднего излива, оставляя переднюю поверхность камеры неповрежденной. Однако основная внутренняя работа двигателя с такой геометрией не отличается от описанной выше. Lockwood уникален в одном отношении, а именно, благодаря очень большому диаметру воздухозаборника - тяга от этой большой трубы составляет не менее 40 процентов от тяги двигателя в целом. Однако объем выхлопной трубы этой конструкции довольно велик, поэтому дисбаланс удерживаемых масс все еще отчетливо виден.

Дизайн "Jam jar jet"

Механизм работы форсунки для варенья. (b) Смесь воздуха и паров топлива может воспламениться от внешнего воспламенителя или от остатков свободные радикалы с последнего рабочего цикла. (a) Предыдущая струя вытеснила 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 движением газа. В этой конструкции нельзя использовать импульс газа из-за отсутствия выхлопной (резонаторной) трубы и очень диссипативной аэродинамики отверстия.

В большинстве импульсных реактивных двигателей используются независимые впускные и выпускные трубы. Более простая в физическом плане конструкция сочетает в себе впускное и выпускное отверстия. Это возможно из-за колебательного поведения импульсного двигателя. Одно отверстие может действовать как выхлопная труба во время фазы высокого давления рабочего цикла и как впускная труба во время фазы аспирации. Такая конструкция двигателя менее эффективна в этой примитивной форме из-за отсутствия резонансной трубы и, следовательно, отсутствия отраженного сжатия. и всасывающие акустические волны. Однако он довольно хорошо работает с простым инструментом, таким как банка для варенья с пробитой крышкой и горючим внутри, отсюда и название.

Успешные версии форсунки для варенья были выпущены в пластиковой бутылке. Бутылка намного менее эффективна, чем версии с банкой для варенья, и не может выдерживать приличную струю более нескольких секунд. Предполагается, что спирт, который использовался для работы простой форсунки, действовал как барьер, препятствующий проникновению тепла в пластик. Для того, чтобы конструкция реактивной струи из глушителя работала, пропеллент должен испаряться для воспламенения, что чаще всего происходит за счет встряхивания струи, в результате чего пропеллент покрывает контейнер, что придает теории некоторую достоверность.^{[нужна цитата ]}

За и против

Были созданы успешные бесклапанные импульсные двигатели длиной от нескольких сантиметров до огромных размеров, хотя самые большие и самые маленькие не использовались для приведения в движение. Самые маленькие из них успешны только при использовании чрезвычайно быстро сгорающего топлива (ацетилен или водород, Например). Двигатели средних и больших размеров могут быть созданы для сжигания практически любого легковоспламеняющегося материала, который может быть равномерно доставлен в зону горения, хотя, конечно, летучие горючие жидкости (бензин, керосин, разные спирты ) и стандартные топливные газы (LPG, пропан, бутан, МАПП газ ) проще всего использовать. Из-за дефлаграция Эти двигатели являются чрезвычайно эффективными камерами сгорания и практически не производят вредных загрязняющих веществ, кроме CO
2^{[нужна цитата ]}, даже при использовании углеводород топливо. Благодаря современным высокотемпературным металлам для основной конструкции масса двигателя может быть чрезвычайно низкой. Без механического клапана двигатели практически не нуждаются в постоянном техническом обслуживании, чтобы оставаться в рабочем состоянии.

До настоящего времени физические размеры успешных бесклапанных конструкций всегда были несколько больше, чем у клапанных двигателей при том же значении тяги, хотя это теоретически не является обязательным требованием. Как и в импульсных форсунках с клапанами, высокая температура (двигатели часто нагреваются до белого каления) и очень высокий уровень рабочего шума (возможно 140 децибел)^[2] являются одними из самых больших недостатков этих двигателей. Для запуска двигателя требуется какая-то система зажигания. В самых маленьких типоразмерах для запуска также обычно требуется принудительный воздух на всасывании. Есть еще много возможностей для улучшения в разработке действительно эффективных, полностью практичных конструкций для использования в двигательных установках.

Одним из возможных решений существующей проблемы неэффективности импульсной струи было бы наличие двух струйных струй в одной, причем каждая струя сжимала смесь топлива и воздуха в другой, и оба конца выпускались в общую камеру, через которую воздух течет только в одном направлении. Это потенциально могло бы обеспечить гораздо более высокие степени сжатия, лучшую топливную эффективность и большую тягу.^[3]

Смотрите также

внешняя ссылка

http://www.pulse-jets.com/ - Международный сайт, посвященный импульсным реактивным двигателям, включая дизайн и эксперименты. Включает чрезвычайно активный форум, состоящий из знающих энтузиастов.
http://www.PulseJetEngines.com/ - Сайт для любительских реактивных двигателей, в частности, клапанных и бесклапанных импульсных двигателей. Они предлагают множество бесплатных тарифных планов для импульсной печати и содержат много полезной информации.
Бесклапанный вы можете найти в Pulso

[1] Jet-kart-САМЫЙ МЕНТАЛЬНЫЙ картинг ВСЕГДА - через YouTube.

[popmech-2] а ^б Мориц, Роберт (2011-03-15). «Как построить импульсную струю». Популярная механика. Получено 2016-07-23.

[3] Огорелец, Бруно. «Бесклапанный импульсный реактивный двигатель с воздушным сжатием (концепция непрофессионала)» (PDF). Получено 2013-05-29.

[1]

[2]

[3]