Бесклапанный импульсный двигатель

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Октябрь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Рабочий механизм бесклапанного пульсирующего двигателя. Основная идея заключается в том , что в столбе воздуха в длинных выхлопных труб функций , таких как поршень в виде поршневого двигателя . С другой точки зрения, двигатель представляет собой акустический резонатор, внутренне возбуждаемый резонансным горением в камере. Камера действует как пучность давления.который сжимается возвращающейся волной. Всасывающая труба действует как кинематическая пучность, которая всасывает и отводит газ. Обратите внимание на более длинную выхлопную трубу - это важно, поскольку она 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 подает кислород к этому моменту, и импульс возобновляется.

Бесклапанный пульсирующее воздушно-реактивный двигатель (или импульсная струя ) является самым простым известным реактивным движением устройства. Бесклапанные импульсные струи недорогие, легкие, мощные и простые в эксплуатации. Они обладают всеми преимуществами (и большинством недостатков) обычных импульсных струйных устройств с клапанами , но без язычковых клапанов, которые требуют частой замены - безклапанные струйные двигатели могут работать в течение всего срока службы практически без технического обслуживания. Они были использованы для питания модели самолетов , экспериментальных карт , ^[1] и беспилотных военных самолетов , таких как крылатые ракеты и беспилотные мишеней .

Основные характеристики [ править ]

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель двигатель с воздушным дыханием реактивного двигателя , который использует постоянную последовательность дискретного сгорания событий , а не одного устойчивого события сгорания. Это четко 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 форсунки приводятся в действие чередованием высокого и низкого давления. Это чередование поддерживается не какими-либо механическими приспособлениями, а скорее естественным акустическим резонансом.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 возгорания, приводящие в движение импульсный двигатель, часто неофициально называют взрывами ; однако правильный термин - дефлаграция . ^[2] Они не являются детонациями , что является событием возгорания в двигателях 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, поочередно ускоряя удерживаемую массу воздуха назад, а затем вдыхая свежую 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 устраняет единственную внутреннюю «движущуюся часть» обычного импульсного двигателя. ^{[ необходима цитата ]}
• В бесклапанных двигателях впускная секция играет важную роль на протяжении всего цикла струйно-импульсного двигателя.
• Бесклапанные двигатели создают силы тяги в двух различных, но синхронизированных событиях массового ускорения за цикл, а не в одном.

Базовая (клапанная) теория импульсной струи [ править ]

В обычном импульсном реактивном двигателе с клапанами, таком как двигатель печально известной «шумовой бомбы» Фау-1 времен Второй мировой войны, есть два воздуховода, соединенных с зоной горения, в которой 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 взрывного взрыва, 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 в зону горения необходимо втягивать воздух. 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 Каденаси.(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 поступает вперед, чтобы снова заполнить трубу. Когда происходит следующее горение, быстрое повышение давления приводит к очень быстрому закрытию клапана, гарантируя, что почти никакая масса взрыва не выходит в прямом направлении, поэтому расширение дымовых газов будет использоваться для ускорения пополнения массы воздуха в длинной выхлопной трубе. назад.

Бесклапанный импульсно-струйный режим [ править ]

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, не перемещая всасываемый воздух 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 двигателях с импульсным двигателем масса всасываемого воздуха составляет небольшую часть массы воздуха выхлопной трубы (из-за меньших размеров впускного канала). Это означает, что масса всасываемого воздуха будет очищена 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 горение, 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 воздушные массы. (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 трубы, низкий волна разрежения давления стартует обратно в обратном направлении, как бы «отражаясь» открытым концом. Эта область низкого давления, возвращающаяся в зону горения, фактически является внутренним механизмом эффекта Каденаси.. 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 горения 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, потому что ее масса относительно мала. Воздушная масса выхлопной трубы будет следовать за выходящей волной давления намного медленнее. Кроме того, возможное изменение направления потока во впускном канале 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 объемом и точной формой этих участков. Оба подвержены влиянию местного газа.температуры .

В бесклапанном двигателе фактически будет два прихода волн разрежения - сначала от впуска, а затем от выхлопной трубы. В типичных бесклапанных конструкциях волна, исходящая от впуска, будет относительно слабой. Его основной эффект заключается в том, чтобы начать реверсирование потока в самом воздухозаборнике, по сути, «предварительно загружая» воздуховод свежего наружного воздуха. 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; поэтому 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 содержащаяся в нем масса будет постепенно увеличиваться до следующего события дефлаграции. Поскольку воздух быстро поступает в зону сгорания, волна разрежения отражается назад передней частью корпуса двигателя,и по мере его движения назад плотность воздуха в зоне сгорания естественным образом повышается, пока давление топливно-воздушной смеси не достигнет значения, при котором снова может начаться дефлаграция.

Практические вопросы дизайна [ править ]

В практических конструкциях нет необходимости в системе непрерывного зажигания - зона горения никогда не очищается полностью от дымовых газов и свободных радикалов , поэтому в остатке в зоне горения достаточно химического воздействия, чтобы один раз действовать как воспламенитель для следующего взрыва. смесь имеет приемлемую плотность и давление: цикл повторяется, контролируемый только синхронизацией давления и потока в двух каналах.

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 назад через впускной канал не имеет смысла для тяги двигателя, если впускное отверстие направлено вперед, поскольку тяга впуска составляет довольно большую часть тяги выхлопной трубы. Были использованы двигатели различной геометрии, чтобы силы тяги двух каналов действовали в одном направлении. Один из простых способов - повернуть двигатель, а затем вставить U-образный изгиб в выхлопную трубу, чтобы оба канала выходили назад, как в моделях Ecrevisse и Lockwood (также известных как Lockwood-Hiller ). В конструкциях Escopette и Kentfield 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 на камеру в направлении заднего выпускного отверстия, 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" [ править ]

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 всасывания. 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 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 работоспособности конструкции форсунки из глушителя, пропеллент должен испаряться для воспламенения, что чаще всего происходит за счет встряхивания форсунки, в результате чего пропеллент покрывает контейнер, что придает теории некоторую обоснованность. ^{[ необходима цитата ]}

Плюсы и минусы [ править ]

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 эффективны только при использовании чрезвычайно быстро сгорающего топлива (например, ацетилена или водорода ). Двигатели средних и больших размеров могут быть созданы для сжигания практически любого легковоспламеняющегося материала, который может быть равномерно доставлен в зону горения, за исключением, конечно, летучих легковоспламеняющихся жидкостей ( бензин , керосин , различные спирты ) и стандартных топливных газов ( сжиженный нефтяной газ , пропан , бутан , MAPP. газ ) просты в использовании. Из-задефлаграционная природа импульсно-реактивного сгорания, эти двигатели являются чрезвычайно эффективными камерами сгорания, практически не производя вредных загрязняющих веществ, кроме CO.
2^{[ цитата необходима ]} , даже при использовании углеводородного топлива. Благодаря использованию современных жаропрочных металлов 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 случае с пульсирующими струями с клапанами, тепловыделение (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 принудительный воздух на всасывании также обычно требуется для запуска. Есть еще много возможностей для усовершенствования 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, при этом 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 позволить намного более высокие степени сжатия, лучшую топливную эффективность и большую тягу. ^[3]

См. Также [ править ]

• Струя давления Gluhareff
• Список самолетов с двигателем Pulsejet
• Поп-поп-лодка

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Бесклапанный вы можете найти в Pulso