Ventillös pulsstråle

Arbetsmekanism för en ventillös pulsjetmotor. Grundtanken är att luftpelaren i det långa avgasröret fungerar som kolven på en kolvmotor . Ur en annan synvinkel är motorn en akustisk resonator internt exciterad av resonerande förbränning i kammaren. Kammaren fungerar som en tryckantinod som komprimeras av den återkommande vågen. Inloppsröret fungerar som en kinematisk antinod som suger och avger gas. Notera den längre längden på avgasröret - detta är viktigt eftersom det förhindrar syre från att komma in på fel sätt och tända systemet på fel sätt. Det gör den för att när pulsen tänds finns det fortfarande lite avgaser i avgasröret. Det sugs in innan ytterligare syre sugs in. Naturligtvis har luftintagsröret redan tillfört syre vid den tidpunkten och pulsen tänds igen.

En ventillös pulsjet (eller pulsjet ) är den enklaste kända jetframdrivningsanordningen . Ventillösa pulsjets är låga i kostnad, lätta, kraftfulla och lätta att använda. De har alla fördelar (och de flesta av nackdelarna) med konventionella ventilförsedda pulsjets , men utan tungventilerna som behöver bytas ut ofta - en ventillös pulsejet kan fungera under hela sin livslängd med praktiskt taget noll underhåll. De har använts för att driva modellflygplan , experimentella gokarter och obemannade militära flygplan som kryssningsmissiler och måldrönare .

Grundläggande egenskaper

En pulsejetmotor är en luftandningsreaktionsmotor som använder en pågående sekvens av diskreta förbränningshändelser snarare än en ihållande förbränningshändelse . Detta skiljer den tydligt från andra typer av reaktionsmotorer som raketer , turbojets och ramjets , som alla är konstanta förbränningsanordningar. Alla andra reaktionsmotorer drivs genom att upprätthålla högt inre tryck; pulsjets drivs av en växling mellan högt och lågt tryck. Denna växling upprätthålls inte av någon mekanisk konstruktion, utan snarare av den naturliga akustiska resonansen hos den stela rörformiga motorstrukturen. Den ventillösa pulsjeten är, mekaniskt sett, den enklaste formen av pulsjet, och är i själva verket den enklaste kända luftandande framdrivningsanordningen som kan arbeta "statiskt", dvs utan framåtrörelse.

De förbränningshändelser som driver en pulsejet kallas ofta informellt för explosioner ; den korrekta termen är dock deflagrationer . De är inte detonationer , vilket är förbränningshändelsen i Pulse Detonation Engines ( PDE). Deflagrationen inom förbränningszonen hos en pulsejet kännetecknas av en plötslig ökning av temperatur och tryck följt av en snabb subsonisk expansion av gasvolymen. Det är denna expansion som utför huvudarbetet med att flytta luft bakåt genom enheten samt att skapa förhållanden i huvudröret för att cykeln ska fortsätta.

En pulsjetmotor fungerar genom att växelvis accelerera en innesluten luftmassa bakåt och sedan andas in en frisk luftmassa för att ersätta den. Energin för att accelerera luftmassan tillhandahålls av deflagrering av bränsle som blandas grundligt in i den nyligen förvärvade friskluftmassan. Denna cykel upprepas många gånger per sekund. Under den korta massaccelerationsfasen av varje cykel är motorns fysiska verkan som för andra reaktionsmotorer - gasmassan accelereras bakåt, vilket resulterar i att kraften appliceras framåt in i motorkroppen. Dessa kraftpulser, som snabbt upprepas över tiden, utgör motorns mätbara dragkraft.

Några grundläggande skillnader mellan ventilförsedda och ventillösa pulsjets är:

Ventillösa pulsjetmotorer har ingen mekanisk ventil, vilket eliminerar den enda inre "rörliga delen" av den konventionella pulsjeten. ^{[ citat behövs ]}
I ventillösa motorer har insugningssektionen en viktig roll att spela under hela pulsejetcykeln.
Ventillösa motorer producerar dragkrafter i två distinkta men synkroniserade massaccelerationshändelser per cykel, snarare än bara en.

Grundläggande (ventilerad) pulsejet teori

I en konventionell "ventilförsedd" pulsejet, som motorn i den ökända V-1 "buzz bomb" från andra världskriget, finns två kanaler anslutna till förbränningszonen där deflagrationerna inträffar. Dessa är allmänt kända som "intag" (en mycket kort kanal) och "slutröret" (en mycket lång kanal). Funktionen hos det framåtvända intaget är att ge luft (och i många mindre pulsjets, bränsle/luft-blandningsverkan) för förbränning. Syftet med det bakåtvända avgasröret är att ge luftmassa för acceleration av den explosiva explosionen samt att rikta den accelererade massan helt bakåt. Förbränningszonen (vanligtvis en breddad "kammarsektion") och avgasröret utgör motorns huvudrör. En flexibel envägsventil med låg vikt (eller flera identiska ventiler) separerar intaget från förbränningszonen.

I början av varje cykel måste luft dras in i förbränningszonen. I slutet av varje cykel måste avgasröret laddas om med luft från den omgivande atmosfären. Båda dessa grundläggande åtgärder åstadkoms genom ett betydande tryckfall som inträffar naturligt efter deflagrationsexpansionen, ett fenomen som kallas Kadenacy- effekten (uppkallad efter vetenskapsmannen som först fullständigt beskrev det). Detta tillfälliga låga tryck öppnar metallventilen och drar in insugningsluften (eller luft/bränsleblandningen). Det orsakar också en reversering av flödet i avgasröret som drar frisk luft framåt för att återfylla röret. När nästa deflagration inträffar, slår den snabba tryckstegringen igen ventilen mycket snabbt, vilket säkerställer att nästan ingen explosionsmassa kommer ut i framåtriktningen, så expansionen av förbränningsgaserna kommer alla att användas för att accelerera den påfyllda luftmassan i det långa avgasröret Bakåt.

Ventillös pulsjetdrift

Den ventillösa pulsejet är inte riktigt ventillös - den använder bara luftmassan i insugningsröret som sin ventil, istället för en mekanisk ventil. Den kan inte göra detta utan att flytta insugningsluften utåt, och denna luftvolym i sig har en betydande massa, precis som luften i avgasröret gör - därför blåses den inte bort direkt av deflagrationen utan accelereras över en betydande del av avgasröret. cykeltid. I alla kända framgångsrika ventillösa pulsjetkonstruktioner är insugningsluftmassan en liten del av avgasrörets luftmassa (på grund av de mindre dimensionerna av insugningskanalen). Detta innebär att insugningsluftmassan rensas ur kontakt med motorkroppen snabbare än avgasrörets massa. Den noggrant utformade obalansen mellan dessa två luftmassor är viktig för korrekt timing av alla delar av cykeln.

När deflagrationen börjar färdas en zon med avsevärt förhöjt tryck utåt genom båda luftmassorna som en kompressionsvåg . Denna våg rör sig med ljudets hastighet genom både insugnings- och avgasluftmassan. (Eftersom dessa luftmassor är avsevärt förhöjda i temperatur som ett resultat av tidigare cykler, är ljudhastigheten i dem mycket högre än den skulle vara i normal utomhusluft.) När en kompressionsvåg når den öppna änden av endera röret, en låg tryckavlastningsvåg börjar tillbaka i motsatt riktning, som om den "reflekteras" av den öppna änden . Denna lågtrycksregion som återvänder till förbränningszonen är i själva verket den inre mekanismen för Kadenacy-effekten . Det kommer inte att finnas någon "andning" av frisk luft i förbränningszonen förrän sällsynthetsvågen kommer.

Vågrörelsen genom luftmassorna ska inte förväxlas med massornas separata rörelser. I början av deflagrationen rör sig tryckvågen omedelbart genom båda luftmassorna, medan gasexpansionen (på grund av förbränningsvärme) precis börjar i förbränningszonen. Insugningsluftmassan kommer snabbt att accelereras utåt bakom tryckvågen, eftersom dess massa är relativt liten. Avgasrörets luftmassa kommer att följa den utgående tryckvågen mycket långsammare. Dessutom kommer den eventuella flödesomkastningen att ske mycket tidigare i intaget, på grund av dess mindre luftmassa. Tidpunkten för vågrörelserna bestäms i grunden av längden på motorns intag och huvudrör; tidpunkten för massrörelser bestäms mestadels av volymerna och exakta former av dessa sektioner. Båda påverkas av lokala gastemperaturer .

I den ventillösa motorn kommer det faktiskt att finnas två ankomster av sällsynta vågor - först från intaget och sedan från avgasröret. I typiska ventillösa konstruktioner kommer vågen som kommer tillbaka från intaget att vara relativt svag. Dess huvudsakliga effekt är att påbörja flödesomkastning i själva intaget, i själva verket "förbelasta" insugningskanalen med frisk utomhusluft. Själva andningen av motorn som helhet kommer inte att börja på allvar förrän den stora lågtrycksvågen från avgasröret når förbränningszonen. När det väl händer börjar en betydande flödesomkastning, driven av fallet i trycket i förbränningszonen.

Även under denna fas är det skillnad i verkan mellan de mycket olika massorna i insug och avgasrör. Insugningsluftens massa är återigen ganska låg, men den består nu nästan helt av utomhusluft; därför är frisk luft tillgänglig nästan omedelbart för att börja återfylla förbränningszonen framifrån. Avgasrörets luftmassa dras också, så småningom även omvänd riktning. Avgasröret kommer aldrig att renas helt från heta förbränningsgaser, men vid reversering kommer det lätt att kunna dra in frisk luft från alla sidor runt avgasöppningen, så dess inneslutna massa kommer att öka gradvis fram till nästa deflagrationshändelse. När luft strömmar snabbt in i förbränningszonen reflekteras sällsynthetsvågen bakåt av framsidan av motorkroppen, och när den rör sig bakåt stiger luftdensiteten i förbränningszonen naturligt tills trycket i luft/bränsleblandningen når ett värde där deflagrationen kan börja igen.

Praktiska designfrågor

I praktiska konstruktioner finns det inget behov av ett kontinuerligt tändsystem - förbränningszonen är aldrig helt renad från förbränningsgaser och fria radikaler , så det finns tillräckligt med kemisk verkan i resterna i förbränningszonen för att fungera som en tändare för nästa sprängning en gång blandningen är upp till en rimlig densitet och tryck: cykeln upprepas, endast kontrollerad av synkroniseringen av tryck- och flödeshändelser i de två kanalerna.

Även om det är teoretiskt möjligt att ha en sådan motor utan en distinkt "förbränningskammare" som är större än avgasrörets diameter, har alla framgångsrika ventillösa motorer som designats hittills en breddad kammare av något slag, ungefär liknande den som finns i typiska ventilförsedda motorkonstruktioner. Kammaren tar vanligtvis upp en ganska liten del av den totala huvudrörets längd.

Accelerationen av luftmassan tillbaka genom insugningskanalen är inte vettig för motorns dragkraft om insugningen är riktad framåt, eftersom insugningskraften är en ganska stor del av avgasrörets dragkraft. Olika motorgeometrier har använts för att få axialkrafterna från de två kanalerna att verka i samma riktning. En enkel metod är att vända motorn och sedan lägga en U-böj i avgasröret, så att båda kanalerna sprutar bakåt, som i Ecrevisse och Lockwood (även känd som Lockwood-Hiller ) . Escopette- och Kentfield-designerna använder rekuperatorer (U-formade hjälprör) monterade framför de främre avfyrningsintagen för att vrida insugningssprängningen och flödet bakåt. De så kallade "kinesiska" och Thermojet-stilarna monterar helt enkelt insuget på kammaren i en riktning bakåt, vilket lämnar kammarens framsida obruten. Den grundläggande interna driften av motorn med dessa geometrier skiljer sig dock inte från den som beskrivits ovan. Lockwood är unik i ett avseende, nämligen dess insug med mycket stor diameter - dragkraften från detta stora rör är inte mindre än 40 procent av motorns dragkraft som helhet. Avgasvolymen i denna design är dock ganska stor, så obalansen i de inneslutna massorna syns fortfarande tydligt.

"Syltburk jet" design

Arbetsmekanism för syltburkstråle. (b) Blandning av luft och bränsleångor kan antändas med hjälp av extern tändare eller av kvarvarande fria radikaler från senaste arbetscykeln. (a) Den tidigare strålen drev ut mer luft än vad som överensstämde med jämviktstrycket i kammaren, så att en del av den friska luften sugs tillbaka. Tryckfallet i detta fall orsakas mer av kylning av gasen i kammaren än av gasmomentum. Gasmomentum kan inte användas väl i denna design på grund av bristen på avgasrör (resonator) och mycket avledande aerodynamik i öppningen.

De flesta pulsejetmotorer använder oberoende insugs- och avgasrör. En fysiskt enklare design kombinerar insugs- och avgasöppningen. Detta är möjligt på grund av det oscillerande beteendet hos en pulsmotor. En öppning kan fungera som avgasrör under högtrycksfasen av arbetscykeln och som intag under aspirationsfasen. Denna motorkonstruktion är mindre effektiv i denna primitiva form på grund av dess avsaknad av ett resonansrör och därmed bristen på reflekterade komprimerande och sugande akustiska vågor. Det fungerar dock ganska bra med ett enkelt instrument som syltburk med genomborrat lock och bränsle inuti, därav namnet.

Framgångsrika versioner av syltburkstrålen har körts i en plastflaska. Flaskan är mycket mindre effektiv än versionerna av syltburk och klarar inte av en anständig stråle i mer än några sekunder. Det är teoretiskt att alkoholen som användes för att driva den enkla jetstrålen fungerade som en barriär för att stoppa värmen att ta sig hela vägen igenom till plasten. För att syltburkstrålkonstruktionen ska fungera måste drivmedlet förångas för att antändas, vilket oftast görs genom att strålen skakas vilket får drivmedlet att belägga behållaren, vilket ger teorin en viss giltighet. ^{[ citat behövs ]}

För-och nackdelar

Framgångsrika ventillösa pulsjets har byggts från några centimeter långa till enorma storlekar, även om de största och minsta inte har använts för framdrivning. De minsta är bara framgångsrika när extremt snabbbrännande bränslen används ( till exempel acetylen eller väte ). Medelstora och större motorer kan tillverkas för att bränna nästan alla brandfarliga material som kan levereras jämnt till förbränningszonen, men naturligtvis flyktiga brandfarliga vätskor ( bensin , fotogen , olika alkoholer ) och vanliga bränslegaser ( LPG , propan , butan , MAPP ). gas ) är enklast att använda. På grund av den deflagrerande karaktären hos pulsejetförbränning är dessa ^{. citat behövs motorer} extremt effektiva förbrännare, som praktiskt taget inte producerar några farliga föroreningar, förutom CO ₂ [ ] , även när man använder kolvätebränslen Med moderna högtemperaturmetaller för huvudstrukturen kan motorvikten hållas extremt låg. Utan närvaro av en mekanisk ventil kräver motorerna praktiskt taget inget löpande underhåll för att förbli i drift.

Fram till idag har den fysiska storleken på framgångsrika ventillösa konstruktioner alltid varit något större än ventilförsedda motorer för samma dragkraftsvärde, även om detta teoretiskt sett inte är ett krav. Liksom ventilförsedda pulsjets, är värme (motorer går ofta vitvarma) och mycket höga driftsljudnivåer (140 decibel är möjligt) bland de största nackdelarna med dessa motorer. Ett tändsystem av något slag krävs för motorstart. I de minsta storlekarna behövs vanligtvis forcerad luft vid intaget för start. Det finns fortfarande mycket utrymme för förbättringar i utvecklingen av riktigt effektiva, fullt praktiska konstruktioner för framdrivning.

En möjlig lösning på det pågående problemet med pulsjets ineffektivitet skulle vara att ha två pulsjets i en, där varje sprängning komprimerar blandningen av bränsle och luft i den andra, och båda ändarna strömmar ut i en gemensam kammare genom vilken luft strömmar endast åt ett håll. Detta kan potentiellt möjliggöra mycket högre kompressionsförhållanden, bättre bränsleeffektivitet och större dragkraft.

Se även

Gluhareff Pressure Jet
Pulsdetonationsmotor
Lista över Pulsejet-drivna flygplan
Pop pop båt

externa länkar

Ventillös hittar du under Pulso