Ви знали, що якщо в зігнуту дугою трубу покласти сухого спирту, подути повітрям з компресора і подати газ з балона, то вона сказиться, буде кричати голосніше злітаючого винищувача і червоніти від злості? Це образне, але дуже близьке до істини опис роботи безклапанних пульсуючого повітряно-реактивного двигуна - справжнього реактивного двигуна, побудувати який під силу кожному.
Принципова схема безклапанних ПуВРД не містить жодної рухомої деталі. Клапаном йому служить фронт хімічних перетворень, що утворюється при згоранні палива.
Механічний клапан допомагає двигуну працювати більш ефективно.
Безклапанний ПуВРД - дивовижна конструкція. У ній немає рухомих частин, компресора, турбіни, клапанів. Найпростіший ПуВРД може обійтися навіть без системи запалювання. Цей двигун здатний працювати практично на чому завгодно: замініть балон з пропаном каністрою з бензином - і він продовжить пульсувати і створювати тягу.
На жаль, ПуВРД виявилися неспроможними в авіації, але останнім часом їх всерйоз розглядають як джерело тепла при виробництві біопалива. І в цьому випадку двигун працює на графітового пилу, тобто на твердому паливі. Нарешті, елементарний принцип роботи пульсуючого двигуна робить його відносно байдужим до точності виготовлення. Тому виготовлення ПуВРД стало улюбленим заняттям для людей, небайдужих до технічних хобі, в тому числі авіамоделістів і початківців зварників.
Незважаючи на всю простоту, ПуВРД - це все-таки реактивний двигун. Зібрати його в домашній майстерні досить непросто, і в цьому процесі чимало нюансів і підводних каменів. Тому ми вирішили зробити наш майстер-клас багатосерійним: в цій статті ми поговоримо про принципи роботи ПуВРД і розповімо, як виготовити корпус двигуна. Матеріал в наступному номері буде присвячений системі запалювання і процедурі запуску. Нарешті, в одному з наступних номерів ми обов'язково встановимо наш мотор на саморушне шасі, щоб продемонструвати, що він дійсно здатний створювати серйозну тягу.
Від російської ідеї до німецької ракети
Звичайно ж, мова йде про клапанних пульсуючих двигунах, принцип дії яких зрозумілий з малюнка. Клапан на вході в камеру згоряння безперешкодно пропускає в неї повітря. У камеру подається паливо, утворюється горюча суміш. Коли свічка запалювання підпалює суміш, надлишковий тиск в камері згоряння закриває клапан. Розширюються гази направляються в сопло, створюючи реактивну тягу. Рух продуктів згоряння створює в камері технічний вакуум, завдяки якому клапан відкривається, і в камеру всмоктується повітря.
На відміну від турбореактивного двигуна, в ПуВРД суміш горить не безперервно, а в імпульсному режимі. Саме цим пояснюється характерний низькочастотний шум пульсуючих моторів, який робить їх непридатними в цивільній авіації. З точки зору економічності ПуВРД також програють ТРД: незважаючи на вражаюче відношення тяги до маси (адже у ПуВРД мінімум деталей), ступінь стиснення в них досягає від сили 1,2: 1, тому паливо згорає неефективно.
Зате ПуВРД безцінні як хобі: адже вони можуть обходитися взагалі без клапанів. Принципово конструкція такого двигуна являє собою камеру згоряння з приєднаними до неї вхідний і вихідний трубами. Вхідна труба набагато коротше вихідний. Клапаном в такому двигуні служить не що інше, як фронт хімічних перетворень.
Горюча суміш в ПуВРД згорає з дозвуковій швидкістю. Таке горіння називається дефлаграція (на відміну від надзвукового - детонації). При запаленні суміші горючі гази вириваються з обох труб. Саме тому і вхідні, і вихідна труби спрямовані в одну сторону і спільно беруть участь в створенні реактивної тяги. Але за рахунок різниці довжин в той момент, коли тиск у вхідному трубі падає, по вихідний ще рухаються вихлопні гази. Вони створюють розрідження в камері згоряння, і через вхідну трубу в неї затягується повітря. Частина газів з вихідної труби також направляється в камеру згоряння під дією розрідження. Вони стискають нову порцію горючої суміші і підпалюють її.
Безклапанний пульсуючий двигун невибагливий і стабільний. Для підтримки роботи йому не потрібно система запалювання. За рахунок розрідження він всмоктує атмосферне повітря, не вимагаючи додаткового наддуву. Якщо будувати мотор на рідкому паливі (ми для простоти віддали перевагу газ пропан), то вхідні труба справно виконує функції карбюратора, розпорошуючи в камеру згоряння суміш бензину і повітря. Єдиний момент, коли необхідна система запалювання і примусовий наддув, - це запуск.
Китайський дизайн, російська збірка
Існує кілька поширених конструкцій пульсуючих реактивних двигунів. Крім класичної #xAB; U-подібної труби # xBB ;, вельми складною у виготовленні, часто зустрічається #xAB; китайський двигун # xBB; з конічною камерою згоряння, до якої під кутом приварюється невелика вхідна труба, і #xAB, російський двигун # xBB ;, по конструкції нагадує автомобільний глушник.
Перш ніж експериментувати з власними конструкціями ПуВРД, настійно рекомендується побудувати двигун за готовими кресленнями: адже перетину і обсяги камери згоряння, вхідний і вихідний труб цілком визначають частоту резонансних пульсацій. Якщо не дотримуватися пропорції, двигун може не запуститися. Різноманітні креслення ПуВРД доступні в інтернеті. Ми вибрали модель під назвою #xAB; Гігантський китайський двигун # xBB ;, розміри якої наводимо в урізанні.
Аматорські ПуВРД робляться з листового металу. Застосовувати в будівництві готові труби допустимо, але не рекомендується з кількох причин. По-перше, практично неможливо підібрати труби точно необхідного діаметра. Тим більше складно знайти необхідні конічні секції.
По-друге, труби, як правило, мають товсті стінки і відповідної ваги. Для двигуна, який повинен володіти хорошим співвідношенням тяги до маси, це неприйнятно. Нарешті, під час роботи двигун розжарюється до червоного. Якщо застосовувати в конструкції труби і фітинги з різних металів з різним коефіцієнтом розширення, мотор проживе недовго.
Отже, ми вибрали шлях, який обирає більшість любителів ПуВРД, - виготовити корпус з листового металу. І тут же встали перед дилемою: звернутися до професіоналів зі спеціальним обладнанням (верстати для водно-абразивного різання з ЧПУ, вальці для прокату труб, спеціальна зварювання) або, озброївшись найпростішими інструментами і найпоширенішим зварювальним апаратом, пройти нелегкий шлях початківця двигунобудівниками від початку до кінця. Ми віддали перевагу другому варіанту.
Перше, що необхідно зробити, - накреслити розгортки майбутніх деталей. Для цього необхідно згадати шкільну геометрію і зовсім небагато вузівського креслення. Зробити розгортки циліндричних труб простіше простого - це прямокутники, одна сторона яких дорівнює довжині труби, а друга - діаметру, помноженому на #xAB; пі # xBB ;. Розрахувати розгортку усіченого конуса або усіченого циліндра - трохи складніше завдання, для вирішення якої нам довелося зазирнути в підручник креслення.
Вибір металу - вельми делікатне питання. З точки зору термостійкості для наших цілей краще всього підходить нержавіюча сталь, але для першого разу краще використовувати чорну низкоуглеродистую сталь: її простіше формувати і варити. Мінімальна товщина листа, здатного витримати температуру згоряння палива, - 0,6 мм. Чим тонше сталь, тим легше її формувати і важче варити. Ми вибрали лист товщиною 1 мм і, схоже, не прогадали.
Щоб працювати було приємно і безпечно, ми попередньо очищаємо листовий метал від пилу і іржі за допомогою шліфувальної машинки. Краї листів і деталей, як правило, дуже гострі і рясніють заусенцами, тому працювати з металом треба тільки в рукавичках.
Перш ніж вирушати в майстерню, ми накреслили на папері і вирізали шаблони розгорток деталей у натуральну величину. Залишилося лише обвести їх перманентним маркером, щоб отримати розмітку для вирізання.
Навіть якщо ваш зварювальний апарат може працювати в режимі плазменного різання, не використовуйте його для вирізання розгорток: краю оброблених таким чином деталей погано зварюються. Ручні ножиці по металу - теж не кращий вибір, так як вони загинають краю заготовок. Ідеальний інструмент - електричні ножиці, які ріжуть міліметровий лист як по маслу.
При роботі з електричними ножицями головний ворог - вібрації. Тому заготівлю потрібно надійно фіксувати за допомогою струбцини. При необхідності можна дуже акуратно погасити вібрації рукою.
Труби фіксованого діаметра легко формуються навколо труби. В основному це робиться руками за рахунок ефекту важеля, а краю заготовки закругляются за допомогою киянки. Краї краще формувати так, щоб при стикуванні вони утворювали площину - так легше покласти зварений шов.
Для згинання листа в трубу є спеціальний інструмент - вальці, або листогиб. Він відноситься до професійного виробничого обладнання і тому навряд чи знайдеться у вас в гаражі. Зігнути гідну трубу допоможуть лещата.
Сварка тонкого листового металу - найтонша робота, особливо якщо ви використовуєте ручне дугове зварювання, як ми. Можливо, для даної задачі краще підійде зварювання неплавким вольфрамовим електродом в аргоновому середовищі, але обладнання для неї рідкісне і вимагає специфічних навичок.
Процес зварювання міліметрового металу повнорозмірним зварювальним апаратом вимагає певного досвіду. Трохи перетримавши електрод на одному місці, легко пропалити в заготівлі діру. При зварюванні в шов можуть потрапити бульбашки повітря, які потім дадуть текти. Тому має сенс шліфувати шов болгаркою до мінімальної товщини, щоб бульбашки не залишалися всередині шва, а ставали видимими.
Згинання конічних секцій - це виключно ручна праця. Запорука успіху - обжимати вузький кінець конуса навколо труби малого діаметра, даючи на нього більше навантаження, ніж на широку частину.
Настав час змонтувати на ньому систему запалювання. Уважний читач може заперечити, що, за нашими ж власними словами, система запалювання для роботи ПуВРД не потрібно.
Формально це дійсно так: як тільки двигун виходить на робочий режим, запалювання вимикається, так як тепла незгорілих газів цілком достатньо для займання нової порції суміші. Однак для запуску ПуВРД необхідна іскра, причому надійна і постійна.
Нагадаємо, що під час робочого такту суміш в камері згоряння інтенсивно розширюється в результаті дефлаграції - дозвукового горіння.
Горючі гази вириваються і з вихідний, і з вхідної труби, однак через невеликої довжини вхідної труби тиск у ній падає швидше. Рухомі по вихідній трубі гази створюють розрідження в двигуні, засмоктуючи нову суміш в камеру згоряння. Розрідження зростає настільки швидко, що частина газів повертається по вихлопній трубі назад в камеру, підпалюючи нову порцію палива.
Як бачите, весь цикл починається з інтенсивного розширення пального складу. Щоб покласти початок низці стрибків тиску, найперша порція суміші повинна мати ідеальне співвідношення газу і повітря. В іншому випадку газ загориться, але не розшириться, і вся конструкція перетвориться з двигуна в жалюгідну подобу вогнемета.
Щоб добитися ідеального складу суміші на старті, досвідчені моделісти давно придумали спеціальну послідовність запуску. Спочатку в двигун подається газ, який повністю заповнює камеру згоряння. Потім включається іскрове запалювання. Іскра викарбовується безперервно, але вона не в силах підпалити переобогащенная суміш.
І лише потім у вхідну трубу подається стиснене повітря з компресора. Як тільки в камері стає досить повітря, щоб газ загорівся, відбувається запуск. Багата суміш на межі займання - то що треба для першого ривка. Потім компресор можна прибрати, а систему запалювання вимкнути.
Варіантів системи запалювання для аматорських ПуВРД придумано чимало. Найпростіший - встановити в камері згоряння гартівне свічку від дизельного двигуна і перед запуском розігрівати її до робочої температури таблеткою сухого спирту. Така процедура має позитивний побічний ефект у вигляді прогріву камери згоряння. У більш просунутих варіантах гартівна свічка живиться від автомобільного акумулятора.
Недолік калильним свічки полягає в неможливості точно контролювати час запалювання. Подаючи газ в камеру згоряння з уже працюючої свічкою, ми ризикуємо замість дефлаграції отримати звичайний факел. Тому найбільш надійним і зручним вважається іскрове запалювання, яке можна включити після заповнення двигуна газом.
Простий і надійний джерело іскри - магнето від бензопили, мотоблока або мопеда. Наш вибір припав на магнето від моторолера #xAB; Муравей # xBB ;. З одного боку, це готовий вузол з власним корпусом і приводним валом, тоді як в більш сучасних двигунах статор магнето інтегрується в картер і не відділяється від нього.
З іншого боку, у вантажного #xAB; Мурахи # xBB; повнорозмірний 200-кубовий мотор, якому, як і нашому ПуВРД, потрібна надійна потужна іскра. Магнето приводиться в рух торцевих ключем, затиснутим в патрон дриля.
Правильний спосіб кріплення свічки до двигуна - приварити до нього гайку, в яку вкручується свічка. У цьому питанні ми зазнали фіаско: свічки запалювання мають різьблення з зменшеним кроком, і відповідну гайку днем з вогнем не знайдеш. Тому, хай вибачать нас технологічні пуристи, свічку довелося просто приварити. На якості контакту з масою це, на щастя, не позначилося.
Поганий контакт свічки з наконечником -Поширення біда радянської мототехніки, а разом з нею і нашого двигуна.
Паливний інжектор робиться з газового пальника. Трубка діаметром 3 мм повинна входити в трубу на глибину 4 см. Пересуваючи трубку ближче або далі від камери згоряння, можна в невеликих межах регулювати якість паливної суміші.
Неправильно Газ спалахнув, але стрімкого розширення горючої суміші не сталося. Пропан вільно проходить через двигун, а з вихідної труби виривається яскраве полум'я. Видовищно, але не ефективно.
Правильно Інтенсивне розширення правильно змішаного повітряно-пропанового коктейлю призвело до циклічних стрибків тиску в камері згоряння, тобто до запуску двигуна. Розпечений до червоного корпус - ознака успіху.
На фотографіях нашого двигуна ви можете помітити дві свічки. Справа в тому, що класична схема має на увазі установку свічки на торець камери згоряння. Але, вступивши таким чином, ми не змогли домогтися запалювання суміші. По всій видимості, газ застоювався в камері, а подається з компресора повітря проходило повз - прямо в вихідну трубу.
Пульсуючий повітряно-реактивний двигун - універсальне джерело тяги для будь-якого транспорту. Він може штовхати вперед і гоночний карт, і велосипед, і легку човен. Щоб заощадити дорогоцінні кілограми для корисного навантаження, ми вибрали найлегший спортивний снаряд - лонгборд.
Будемо чесні: в реальному житті поїздка на лонгборді з ПуВРД далеко не так видовищним, як на фотографіях. Розрахункова тяга нашого двигуна не дотягує і до 10 кг, тому рухається наш ракетний транспорт статечно і велично, як вантажна баржа.
Зате звучить на всі 140 дБ і розжарюється до червоного. Якщо вам вдасться запустити ПуВРД, про це негайно дізнаються все в радіусі кількох кілометрів.
Так що майте на увазі: поїздка на ракетної дошці без шолома ще можна пробачити, але запуск двигуна без захисних навушників ви не простите собі ніколи.