Скачать книгу zip 3Mb

Можно кратко ознакомиться с содержанием книги:

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АВИАМОДЕЛЬНОГО ПуВРД

ПуВРД имеет следующие основные элементы: входной участок а — в (рис. 1) (в дальнейшем входную часть будем называть головкой /), заканчивающийся клапанной решеткой, состоящей из диска 6 и клапанов 7; камеру сгорания 2, участок в — г; реактивное сопло 3, участок г — д\ выхлопную трубу 4, участок д — е.
Входной канал головки / имеет конфузорный а — б и диффузорный б — в участки. В начале диффузорного участка устанавливается топливная трубка 8 с регулировочной иглой 5.

Воздух, проходя через конфузорную часть, увеличивает свою скорость, вследствие чего давление на этом участке, согласно закону Бернулли, падает. Под действием пониженного давления из трубки 8 начинает подсасываться топливо, которое затем подхватывается струей воздуха, разбивается ею на более мелкие частички и испаряется. Образовавшаяся карбюрированная смесь, проходя диффузорную часть головки, несколько поджимается за счет уменьшения скорости движения и в окончательно перемешанном виде через входные отверстия клапанной решетки поступает в камеру сгорания.
Первоначально топливно-воздушная смесь, заполнившая объем камеры сгорания, воспламеняется с помощью электрической свечи, в крайнем случае с помощью открытого очага пламени, подводимого к обрезу выхлопной трубы, т. е. к сечению с — е. Когда двигатель выйдет на рабочий режим, вновь поступающая в камеру сгорания топливно-воздушиая смесь воспламеняется не от постороннего источника, а от горячих газов. Таким образом, электрическая свеча или другой источник пламени необходимы лишь в период запуска двигателя.

Образовавшиеся в процессе сгорания топливно-воз-душной смеси газы резко повышают давление в камере сгорания, и пластинчатые клапаны клапанной решетки закрываются, а газы устремляются в открытую часть камеры сгорания в сторону выхлопной трубы. В некоторый момент давление и температура газов достигают своего максимального значения. В этот период скорость истечения газов из реактивного сопла и тяга, развиваемая двигателем, также максимальны.
Под действием повышенного давления в камере сгорания горячие газы движутся в виде газового «поршня», который, проходя через реактивное сопло, приобретает максимальную кинетическую энергию. По мере выхода основной массы газов из камеры сгорания давление в ней
начинает падать. Газовый «поршень», двигаясь по инерции, создает за собой разрежение. Это разрежение начинается от клапанной решетки и по мере движения основной массы газов в сторону выхода распространяется на всю длину рабочей трубы двигателя, т. с. до сечения е — е. В результате этого под действием более высокого давлении в диффузор-нон части головки пластинчатые клапаны открываются и камера сгорания наполняется очередной порцией топ-ливно-воздушной смеси.
С другой стороны, разрежение, распространившееся до обреза выхлопной трубы, приводит к тому, что скорость части газов, двигающихся по выхлопной трубе в сторону выхода, падает до нуля, а затем получает обратное значение,— газы в смеси с подсосанным воздухом начинают двигаться в сторону камеры сгорания. К этому времени камера сгорания наполнилась очередной порцией топлнвпо-воздушной смеси и движущиеся в обратном направлении газы (волна давления) несколько поджимают ее и воспламеняют.

Таким образом, в рабочей трубе двигателя в процессе его работы происходит колебание газового столба: в период повышенного давления в камере сгорания газы движутся в сторону выхода, в период пониженного давления — в сторону камеры сгорания. И чем интенсивнее колебания газового столба в рабочей трубе, тем глубже величина разрежения в камере сгорания, тем больше в нее поступит топливно-воздушной смеси, что, в свою очередь, приведет к повышению давления, а следовательно, и к увеличению тяги, развиваемой двигателем за цикл.
После того как воспламенилась очередная порция топ-лпвно-воздушной смеси, цикл повторяется. На рис. 2 схематично показана последовательность работы двигателя за один цикл:
— заполнение камеры сгорания свежей смесью при открытых клапанах в период запуска а;
— момент воспламенения смеси б (образовавшиеся при сгорании газы расширяются, давление в камере сгорания возрастает, клапаны закрываются и газы устремляются через реактивное сопло в выхлопную трубу);
— продукты сгорания в своей основной массе в виде газового «поршня» движутся к выходу и создают за собой разрежение, клапаны открываются и происходит наполнение камеры сгорания свежей смесью в;
— в камеру сгорания продолжает поступать свежая смесь г (основная масса газов — газовый «поршень» — покинула выхлопную трубу, и разрежение распространилось до обреза выхлопной трубы, через который начинается всасывание части остаточных газов и чистого воздуха из атмосферы);
— заканчивается наполнение камеры сгорания свежей смесью д (клапаны закрываются и со стороны выхлопной трубы по направлению к клапанной решетке движется столб остаточных газов и воздуха, поджимающий смесь);

— в камере сгорания происходит воспламенение и сгорание смеси е (газы устремляются через реактивное сопло в выхлопную трубу и цикл повторяется).
Вследствие того что давление в камере сгорания меняется от какого-то максимального значения, больше атмосферного, до минимального, меньше атмосферного, скорость истечения газа из двигателя тоже непостоянна в течение цикла. В момент наибольшего давления в камере сгорания скорость истечения из реактивного сопла также наибольшая. Затем, по мере выхода основной массы газов из двигателя, скорость истечения падает до нуля и далее направлена уже в сторону клапанной решетки. В зависимости от изменения скорости истечения и массы газов за цикл меняется и тяга двигателя.

На рис. 3 показан характер изменения давления р и скорости истечения газа Се за цикл в ПуВРД с длинной выхлопной трубой. Из рисунка видно, что скорость истечения газа, с некоторым сдвигом по времени, изменяется в соответствии с изменением давления и достигает своего максимума примерно при максимальном значении давления. В период, когда давление в рабочей трубе ниже атмосферного, скорость истечения и тяга — отрицательны (участок ш), так как газы движутся по выхлопной трубе в сторону камеры сгорания.

В результате того что газы, двигаясь по выхлопной трубе, образуют разрежение в камере сгорания, ПуВРД может работать на месте при отсутствии скоростного напора.

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ АВИАМОДЕЛЬНОГО ПуВРД

Тяга, развиваемая двигателем

Тяга, развиваемая реактивным двигателем (в том числе и пульсирующим), определяется вторым и третьим законами механики.
Тяга за один цикл ПуВРД изменяется от максимальной— положительной величины до минимальной — отрицательной. Такое изменение тяги за цикл обусловлено принципом действия двигателя, т. е. тем, что параметры газа—давление, скорость истечения и температура — в течение цикла непостоянны. Поэтому, переходя к определению силы тяги, введем понятие о средней скорости истечения газа из двигателя. Обозначим эту скорость Свср (см. рис. 3).
Определим тягу двигателя как реактивную силу, соответствующую предполагаемой средней скорости истечения. Согласно второму закону механики изменение количества движения любого газового потока, в том числе и в двигателе, равно импульсу силы, т. е. в данном случае силы тяги:
Р* = тг - С,ср — таУ, (1)
где тг— масса продуктов сгорания топлива;
тй — масса воздуха, поступающего в двигатель; С,ср — средняя скорость истечения продуктов сгорания;
V — скорость полета модели; Р — сила тяги; I — время действия силы, Формулу (1) можно записать и в другом виде, разделив правую и левую ее части на I:
т.. гпп
, (2)
где тг. сек и МБ. сек — представляют собой массы продуктов сгорания и воздуха, протекающих через двигатель в секунду, и, следовательно, могут быть выражены через соответствующие секундные весовые расходы Сг. сек
II Ов. сек, Т. С.
_ ^г. сек _ "р. сек
. сек — ~~а " в- сек — ~~~а
Подставляя в формулу (2) секундные массовые расходы, выраженные через секундные весовые расходы, получим:
г-сск в- сск
*-*
г> -. п. сек
Вынося за скобку - , получим выражение
. сек г. сек
. сек
Известно, что для полного сгорания 1 кг углеводородного топлива (например, бензина) необходимо примерно 15 кг воздуха. Если теперь предположить, что мы сожгли 1 кг бензина и на его сгорание потребовалось 15 кг воздуха, то вес продуктов сгорания 6Г будет равен: СГ = 0Т + (гв = 1 кг топлива 4- 15 кг воздуха = 16 кг про- дуктов сгорания, а отношение ~ в весовых единицах
В
будет иметь вид:
вг (?т + (?в ] + 15
—^ .» р
Это же значение будет иметь и отношение^-1
в- сек
п г сек
Принимая отношение т^ — равным единице, получим более простую и достаточно точную формулу для определения силы тяги:
Я = ^ (С,ер - V). (5)
При работе двигателя на месте, когда V = О, получим
Р = ^ С"ср- (6)
Формулы (5 и 6) можно написать в более развернутом виде:
, (Т)
где Св. ц—вес воздуха, протекающего через двигатель
за один цикл;
п — число циклов в секунду.
Анализируя формулы (7 и 8), можно сделать вывод, что тяга ПуВРД зависит:
— от количества воздуха, проходящего через двигатель за цикл;
— от средней скорости истечения газа из двигателя;
— от числа циклов в секунду.
Чем больше число циклов двигателя в секунду и чем больше через него проходит топливно-воздушной смеси, тем больше развиваемая двигателем тяга.
Основные относительные (удельные) параметры
ПуВРД
Летно-эксплуатационные качества пульсирующих воздушно-реактивных двигателей для авиамоделей удобнее всего сравнивать, пользуясь относительными параметрами.
Основными относительными параметрами двигателя являются: удельная тяга, удельный расход топлива, удельный вес и удельная лобовая тяга.
Удельная тяга Руд — это отношение развиваемой двигателем тяги Р [кг] к весовому секундному расходу воздуха через двигатель.

Подставляя в данную формулу значение силы тяги Р из формулы (5), получим
1
При работе двигателя на месте, т. е. при V = 0, выражение для удельной тяги примет очень простой вид:
п *ср
* уд - - .
УД ^
Таким образом, зная среднюю скорость истечения газа из двигателя, можем легко определить удельную тягу двигателя.
Удельный расход топлива С?уд равен отношению часового расхода топлива к тяге, развиваемой двигателем
бт Г *г Ч Г г 1 аУД — ~р~ " |_«/ас-^ [час -г] *
где 6 уд — удельный расход топлива;
^ « г кг г ] 6Т — часовой расход топлива — » — | .
Зная секундный расход топлива Ст. сек. можно определить часовой расход по формуле
6т = 3600 . Сг. сек.
Удельный расход топлива — важная эксплуатационная характеристика двигателя, показывающая его экономичность. Чем меньше 6УЛ, тем больше дальность и продолжительность полета модели при прочих равных условиях.
Удельный вес двигателя -,"дп равен отношению сухого веса двигателя к максимальной тяге, развиваемой двигателем на месте:
„
Тдв
_^ Г«1ГО
— р » [«г] [г ] »
где 7дп — удельный вес двигателя;
6ДП — сухой вес двигателя.
При заданной величине тяги удельный вес двигателя определяет вес двигательной установки, который, как известно, сильно влияет на летные параметры летающей модели и в первую очередь на ее скорость, высоту и грузоподъемность. Чем меньше удельный вес двигателя при заданной тяге, тем совершеннее его конструкция, тем большего веса модель этот двигатель может поднять в воздух.
Удельная лобовая тяга Я.™-, — это отношение тяги, развиваемой двигателем, к площади его наибольшего поперечного сечения
где Рлоб — удельная лобовая тяга;
/""лоо — площадь наибольшего поперечного сечения двигателя.
Удельная лобовая тяга играет важную роль при оценке аэродинамических качеств двигателя, особенно для скоростных летающих моделей. Чем больше РЛоб, тем меньшая доля тяги, развиваемой двигателем в полете, расходуется па преодоление его собственного сопротивления.
ПуВРД, имеющий малую лобовую площадь, удобен для установки на летающие модели.
Относительные (удельные) параметры двигателя меняются с изменением скорости и высоты полета, так как при этом не сохраняют свою величину тяга, развиваемая двигателем, и суммарный расход топлива. Поэтому относительные параметры обычно относятся к работе неподвижного двигателя на режиме максимальной тяги на земле.
Изменение тяги ПуВРД в зависимости от скорости
полета
Тяга ПуВРД в зависимости от скорости полета может изменяться различным образом и зависит от способа регулирования подачи топлива в камеру сгорания. От того, по какому закону осуществляется подача топлива, зависит и изменение скоростной характеристики двигателя.
На известных конструкциях летающих моделей самолетов с ПуВРД, как правило, не применяют специальных автоматических устройств для подачи топлива в камеру сгорания в зависимости от скорости и высоты полета, а регулируют двигатели на земле на максимальную тягу или пл наиболее устойчивый и наложный режим работы.
На больших летательных аппаратах с ПуБРД всегда устанавливают автомат подачи топлива, который в зависимости от скорости н высоты полета поддерживает постоянным качество топливпо-воздушпой смеси, поступающей в камеру сгорания, и тем самым поддерживает устойчивый и наиболее эффективный режим работы двигателя. Ниже рассмотрим скоростные характеристики двигателя в тех случаях, когда установлен автомат подачи топлива и когда он не установлен.
Для полного сгорания топлива требуется строго определенное количество воздуха. Для углеводородных топлив, например бензина и керосина, отношение веса воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, к весу этого топлива равно примерно 15. Это отношение обычно обозначают буквой /,. Поэтому, зная вес топлива, можно определить сразу же количество теоретически необходимого воздуха:
6В = /^г. (13)
Секундные расходы находятся точно в такой же зависимости:
^ и. сек == <^^г. сек- (103.)
Но в двигатель не всегда поступает воздуха столько, сколько нужно для полного сгорания топлива: его может быть больше или меньше. Отношение количества воздуха, поступающего о камеру сгорания двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха а.
(14) * = ^- (Н а)

В том случае, когда воздуха в камеру сгорания поступает больше, чем теоретически нужно для сгорания 1 кг топлива, а будет больше единицы и смесь называется бедной. Если же воздуха в камеру сгорания поступит меньше, чем необходимо теоретически, то а будет меньше единицы и смесь называется богатой.
На рис. 4 показан характер изменения тяги ПуВРД в зависимости от количества топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания. При этом имеется в виду, что двигатель работает на земле или скорость обдува его постоянна.
Из графика видно, что тяга с увеличением количества топлива, поступающего в камеру сгорания, вначале растет до определенного предела, а затем, достигнув максимума, быстро падает.
Такой характер кривой обусловлен тем, что на очень бедной смеси (левая ветвь), когда о камеру сгорания
поступает мало топлива, интенсивность работы двигателя слабая и тяга двигателя при этом небольшая. С увеличением поступления топлива в камеру сгорания двигатель начинает работать более устойчиво и интенсивно, и тяга начинает расти. При каком-то определенном количестве впрыскиваемого топлива в камеру сгорания, т. е. при каком-то определенном качестве смеси тяга достигает своего наибольшего значения.
При дальнейшем обогащении смеси процесс сгорания нарушается и тяга двигателя вновь падает. Работа двигателя на правой части характеристики (вправо от точки РН) сопровождается ненормальным сгоранием смеси, в результате чего возможно самопроизвольное прекращение работы. Таким образом, ПуВРД имеет определенный диапазон устойчивой работы по качеству смеси и этот диапазон а ~ 0,75—1,05. Поэтому практически ПуВРД — двигатель однорежимный, и его режим выбирают немного левее максимума тяги (точка Рр) с таким расчетом, чтобы гарантировать надежную и устойчивую работу и при увеличении, и при уменьшении расхода топлива.
Если кривая / (см. рис. 4) была снята на скорости, равной нулю на земле, то при каком-то постоянном обдуве или при какой-то постоянной скорости полета также у земли кривая изменения тяги, в зависимости от количества топлива, поступающего в камеру сгорания, сдвинется вправо и вверх, так как с увеличением расхода воздуха увеличивается и расход топлива, а следовательно, возрастет и максимум тяги — кривая //.
На рис. 5 показано изменение тяги ПуВРД с автоматом подачи топлива в зависимости от скорости полета. Такой характер изменения тяги обусловлен тем, что с увеличением скорости полета возрастает весовой расход воздуха через двигатель за счет скоростного напора, при этом автомат подачи топлива начинает увеличивать количество топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания или в диффузориую часть головки, и тем самым поддерживает постоянным качество топливно-воз-душной смеси и нормаль-
Рис. 5. Изменение тяги ПуВРД с автоматом полачи топлива в зависимости от скорости полета
нын процесс сгорания.
В результате с увеличением скорости полета тяга ПуВРД
с автоматом подачи топлива начинает расти и достигает
своего максимума на какой-то определенной скорости
полета.
При дальнейшем увеличении скорости полета тяга двигателя начинает падать вследствие изменения фазы открытия и закрытия входных клапанов из-за воздействия скоростного напора и сильного отсоса газов из выхлопной трубы, в результате которого ослабляется их обратный ток в сторону камеры сгорания. Циклы становятся слабыми по интенсивности, а при скорости полета 700—750 км/час двигатель может перейти на непрерывное горение смеси без выраженной цикличности. По этой же причине происходит уменьшение максимума тяги и на кривой /// (см. рис. 4). Следовательно, с увеличением скорости полета необходимо регулировать подачу топлива в камеру сгорания с таким расчетом» чтобы поддерживать постоянным качество смеси. При этом условии тяга ПуВРД в определенном диапазоне скоростей полета меняется незначительно.

Сравнивая тягооые характеристики авиамодельного ПуВРД и поршневого моторчика с винтом фиксированного шага (см. рис. 5), можно сказать, что тяга ПуВРД в значительном диапазоне скоростей практически остается постоянной; тяга же поршневого моторчика с винтом фиксированного шага с увеличением скорости полета начинает сразу падать. Точки пересечения кривых располагаемых тяг ПуВРД и поршневого моторчика с кривой потребной тяги для соответствующих моделей с равными аэродинамическими качествами определяют максимальные скорости полета, которые эти модели могут развить в горизонтальном полете. Модель с ПуВРД может развивать значительно большую скорость, чем модель с поршневым моторчиком. Это и определяет преимущество ПуВРД.
В действительности на моделях с ПуВРД, полетный вес которых строго ограничен спортивными нормами, как правило, не устанавливают автомат подачи топлива, так как в настоящее время еще нет простых по конструкции автоматов, надежных в эксплуатации и, главное, небольших по габаритам и весу. Поэтому используются простейшие топливные системы, в которых топливо в диф-фузорную часть головки поступает за счет разрежения, создаваемого в ней при прохождении воздуха, или подается под давлением, отбираемым из камеры сгорания и направляемым в топливный бачок, или с помощью качающего устройства. Ни одна из используемых топливных систем не поддерживает постоянным качество топлнвно-воздушной смеси при изменении скорости и высоты полета. В главе 7 при рассмотрении топливных систем указывается па влияние каждой из них на характер изменения тяги ПуВРД в зависимости от скорости полета; там же даны и соответствующие рекомендации.

Определение основных параметров ПуВРД

Сравнивать пульсирующие воздушно-реактивные двигатели для авиамоделей двигатели между собой и выявлять преимущества одного перед другим удобнее всего по удельным параметрам, для определения которых необходимо знать основные данные двигателя: тягу Р, расход топлива Сг и расход воздуха С0. Как правило, основные параметры ПуВРД определяются экспериментальным путем, с использованием несложного оборудования.
Разберем теперь методы и приспособления, с помощью которых можно определить эти параметры.
Определение тяги. На рис. 6 дана принципиальная схема испытательного стенда для определения тяги малогабаритного ПуВРД.
На ящике, изготовленном из 8-м м фанеры, крепятся две металлические стойки, заканчивающиеся в верхней части полукольцами. На этих полукольцах шарнирно подвешены дна хомутика крепления двигателя: один из них расположен в месте перехода камеры сгорания в реактивное сопло, а другой — на выхлопной трубе. Нижние части

стоек жестко приклепаны к стальным осям; острые концы осей входят в соответствующие конические углублении в зажимных винтах. Зажимные винты ввернуты в неподвижные стальные кронштейны, установленные в верхней части ящика. Таким образом, при повороте стоек на своих осях двигатель сохраняет горизонтальное положение. К передней стойке прикреплен один конец спиральной пружины, другой конец которой соединен с петлей на ящике. Задняя стойка имеет стрелку, перемещающуюся по шкале.
Тарировку шкалы можно производить с помощью динамометра, зацепив его за веревочную петлю, привя занную к топливной трубке в диффузоре. Динамометр должен быть расположен вдоль оси двигателя.
Во время запуска двигателя передняя стоика удерживается специальным стопором и только в том случае, когда нужно замерить тягу, стопор снимается.
1
!
Ч
~Р/77 .../77
Рис. 7. Принципиальная электрическая схема запуска
ПуВРД:
В — кнопочный выключатель; Тр — понижающий трансформатор;
К\ и Л"а —клеммы; С — сердечник; II", —первичная обмотка; №г —вторичная обмотка; С\ — конденсатор; П — прерыватель; Пр —
пружина; Р — разрядник (электрическая свеча); т — масса
Внутри ящика размещены воздушный баллон объемом примерно 4 л, пусковая кагушка и трансформатор, используемые для запуска двигателя. Электрический ток подводится от сети к трансформатору, понижающему напряжение до 24 0, а от трансформатора — к пусковой катушке. Проводник высокого напряжения от пусковой катушки через верхнее днище ящика подсоединяется к электрической запальной свече двигателя. Принципиальная электрическая схема зажигания дана на рис. 7. При использовании аккумуляторных батарей напряжением 12-т- 24 в трансформатор отключается и батареи подсоединяются к клеммам ^1 и К%.
Более простая схема станка для замера тяги ПуВРД приведена на рис. 8. Станок состоит из основания (доски с двумя железными или дюралюмиииевым-и уголками), тележки с крепежными хомутиками для двигателя, динамометра и топливного бачка. Стоика с топливным бачком сдвинута от оси двигателя с таким расчетом, чтобы не мешать перемещению двигателя во время его работы. Колеса тележки имеют направляющие пазы глубиной 3 — 3,5 мм и шириной на 1 мм больше ширины ребра уголка.

После запуска двигателя и установления режима его работы стопорная петля снимается с крючка тележки и замеряется тяга по динамометру.
Рис. 8. Схема станка для определения тяги ПуВРД:
1 — двигатель; 2 — топливный бачок; 3 — стойка; 4 — тележка; 5 —динамометр; б —стопорная петля; 7—доска; 6"— уголки
Определение расхода топлива. На рис. 9 дана схема топливного бачка, с помощью которого можно легко определить расход топлива. На этом бачке закреплена стеклянная трубка, имеющая две отметки, между которы-
-2
Рис. 9 Схема бачка для определения расхода топлива:
/ — топливный бачок; 2 —заливная горловина; 3 — стеклянная трубка с контрольными отметками а и б; 4 — резиновые трубки; 5 ** топливная трубка
ми объем бачка точно вымерен. Необходимо, чтобы перед определением расхода топлива, потребляемого двигателем, уровень топлива в бачке был немного выше верхней отметки. Перед запуском двигателя топливный бачок должен быть закреплен на штативе в строго вертикальном положении. Как только уровень топлива в бачке подойдет к верхней отметке, нужно включить секундомер, а затем, когда уровень топлива подойдет к нижней отметке, выключить его. Зная объем бачка между отметками V, удельный вес топлива 7т и время работы двигателя ^, можно легко определить секундный весовой расход топлива:
*т. сек
(15)
Рис. 10. Схема установки для определения расхода воздуха через
двигатель:
/ — авиамодельный ПуВРД; 2 — выходной патрубок; 3 — ресивер; 4— входной патрубок; 5 — трубка для замера полного давления; 6 — трубка для замера статического давления; 7 — микроманометр; 8 — резиновые
трубки
Чтобы более точно определить расход топлива, рекомендуется делать расходный бачок диаметром не более 50 мм, а расстояние между отметками не менее 30— 40 мм.
Определение расхода воздуха. На рис. 10 приведена схема установки для определения расхода воздуха. Она состоит из ресивера (емкости) объемом не менее 0,4 л3, входного патрубка, выходного патрубка и спиртового микроманометра. Ресивер в данной установке необходим для того, чтобы гасить колебания воздушного потока, вызываемые периодичностью всасывания смеси в камеру сгорания, и создавать в цилиндрическом входном патрубке равномерный поток воздуха. Во входном патрубке, диаметр которого 20—25 мм и длина не менее 15 и не более 20 диаметров, примерно посредине установлены дне трубки диаметром 1,5—2,0 мм: одна своей открытой частью направлена строго против потока и предназначена для замера полного давления, другая припаяна заподлицо с внутренней стенкой входного патрубка для замера статического давления. Выходные концы трубок соединены с трубками микроманометра. который при прохождении воздуха по заборному патрубку покажет скоростной напор.
Вследствие малых перепадов давления во входном патрубке спиртовой микроманометр устанавливается не вертикально, а под углом 30 или 45°.
Желательно, чтобы выходной патрубок, подводящий воздух к испытуемому двигателю, имел резиновый наконечник для герметичного соединения головки двигателя с кромкой выходного патрубка.
Чтобы замерить расход воздуха, двигатель запускается, выводится на устойчивый режим работы и постепенно входной частью головки подводится к выходному патрубку ресивера и плотно к нему прижимается. После того, как по микроманометру замерен перепад давления Н[м], двигатель отводится от выходного патрубка ресивера и останавливается. Затем, пользуясь формулой:
".-"/"[=].
где Уп — скорость воздуха в заборном патрубке ^]1 <р = 0,97 ч- 0, 98 — коэффициент микроманометра;
ДР — замеренный динамический напор ||;
С Л! -I
\кг-сек?}
рв — плотность воздуха [ ^4 ];
определим скорость течения воздуха Уа во входном патрубке. Динамический напор АР найдем из следующего выражения:
7с/15ша, (17)
|/сгт
где Чс — удельный вес спирта -, ;
I и» ^
Н — перепад давления по микроманометру [м]\
а — угол наклона микроманометра. Зная скорость течения воздуха Уа [м/сек] во входном патрубке и площадь его сечения Ра [м2], определим секундный весовой расход воздуха .Г, = 0,465 ^ , , (19)
где Р — показание барометра, [мм рг. ст.]; Т — абсолютная температура, °К.
Т = 273° + I °С, где I °С — температура наружного воздуха.

Таким образом, мы определили все основные параметры двигателя — тягу, секундный расход топлива, секундный расход воздуха — п знаем его сухой вес и лобовую площадь; теперь можем легко найти основные удельные параметры: Руя, Суд, ^уд. Люб-
Кроме того, зная основные параметры двигателя, можно определить среднюю скорость истечения газов из выхлопной трубы и качество смеси, поступающей а камеру сгорания.
Так, например, при работе двигателя на земле формула для определения тяги имеет вид:
р__ в. сек р. ..
~~~Г~ СР"
Определяя из этой формулы С,ср, получим:
Р Сес — ^------^, [м/сек].
^в. сек
Качество смеси а найдем из формулы 14:

Все величины в выражении для а известны.
Определение давления в камере сгорания и частоты циклов. В процессе экспериментирования для выявления лучших образцов двигателей часто определяют максимальное давление и максимальное разрежение в камере сгорания, а также частоту циклов.

Частота циклов определяется или с помощью резонансного частотомера, или с помощью шлейфового осциллографа с пьезокварцевым датчиком, который устанавливается на стенке камеры сгорания или подставляется к обрезу выхлопной трубы.
Осциллограммы, снятые при замере частоты двух различных двигателей, приведены на рис. 11. Пьезоквар-цевый датчик в данном случае подводился к обрезу выхлопной трубы. Равномерные, одной высоты кривые / представляют собой отсчет времени. Расстояние между соседними пиками соответствует 1/ззо сек. На средних кривых 2 показаны колебания газового потока. Осциллограф зафиксировал не только основные циклы — вспышки в камере сгорания (это кривые с наибольшей амплитудой), но и другие менее активные колебания, имеющие место в процессе сгорания смеси и выбрасывания ее из двигателя.

Максимальное давление и максимальное разрежение в камере сгорания с приближенной точностью можно определять с помощью ртутных пьезометров и двух несложных датчиков (рис. 12), причем датчики имеют одинаковую конструкцию. Разница заключается лишь в их установке на камеру сгорания; один датчик установлен так, чтобы выпускать газ из камеры сгорания, другой, чтобы впускать в нее. Первый датчик подключается к пьезометру, замеряющему максимальное давление, второй — к пьезометру, замеряющему разрежение.
Рис. 12. Схема устройства для определения
максимального и минимального давлений в
камере сгорания двигателя:
/. 2 — датчики да плени я в камере сгорания; 3. 4 — ртутные пьезометры 5 — корпус датчика давления; б1—клапан (стальная пластинка толщиной 0,05—0.00 мм)
По давлению и разрежению в камере сгорания и частоте циклов можно судить об интенсивности циклов, о нагрузках, которые испытывают стенки камеры сгорания и всей трубы, а также пластинчатые клапаны решетки. В настоящее время у лучших образцов ПуВРД максимальное давление в камере сгорания доходит до 1,45— 1,65 кг/см2, минимальное давление (разрежение) до 0,8 -т-0,70 кг]"см2, а частота до 250 и более циклов в секунду.
Зная основные параметры двигателя и умея их определять, авиамоделисты-экспериментаторы смогут сравнивать двигатели, а главное, работать над более лучшими образцами ПуВРД.

КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАМОДЕЛЬНЫХ ПуВРД

Исходя из целевого назначения модели подбирается (или конструируется) и соответствующий двигатель.
Так, для моделей свободного полета, у которых полетный вес может достигать 5 кг, двигатели делают со значительным запасом прочности и с относительно низкой частотой циклов, что способствует увеличению срока работы клапанов, а также устанавливают за клапанами пламегасительные сетки, которые хотя и снижают несколько максимально возможную тягу, но предохраняют клапаны от воздействия высоких температур и тем самым еще увеличивают их срок работы.
К двигателям, устанавливаемым на скоростные кордовые модели, полетный вес которых не должен превышать 1 кг, предъявляются другие требования. От них добиваются максимально возможной тяги, минимального веса и гарантированного срока непрерывной работы в течение 3—5 мин., т. е. в течение времени, необходимого для подготовки к полету и прохождения зачетной километровой базы.
Вес двигателя для кордовых моделей не должен превышать 400 г, так как установка двигателей большего веса затрудняет изготовление модели с нужной прочностью и аэродинамическим качеством, а также с необходимым запасом топлива. Двигатели кордовых моделей, как правило, имеют удобообтекаемые внешние обводы, хорошее аэродинамическое качество внутренней проточной части и большое проходное сечение клапанных решеток.
Таким образом, конструкция ПуВРД, развиваемая ими тяга и необходимая продолжительность работы определяются, в основном, типом моделей, на которые они устанавливаются. Общие же требования, предъявляемые к ПуВРД, следующие: простота и малый вес конструкции, надежность в работе и удобство эксплуатации, максимально возможная тяга при заданных габаритах, наибольшая продолжительность непрерывной работы.

Теперь рассмотрим конструкции отдельных элементов пульсирующих воздушно-реактивные двигателей.
Входные устройства (головки)
Входное устройство ПуВРД предназначено для обеспечения правильного подвода воздуха к клапанной решетке, преобразования скоростного напора в статическое давление (скоростное сжатие) и подготовки топливно-воздуш-ной смеси, поступающей в камеру сгорания двигателя. В зависимости от способа подачи топлива во входной канал головки — или за счет разрежения, или под давлением — проточная часть ее будет иметь различный
Рис. 13. Форма проточной части головок с подачей
топлива: а — за счет разрежения; б — под давлением
профиль. В первом случае у внутреннего канала есть конфузорный и диффузорный участки, и вместе с подводящей топливной трубкой и регулировочной иглой он представляет собой простейший карбюратор (рис. 13, а). Во втором случае головка имеет только диффузорный участок и топливную трубку с регулирующим винтом (рис. 13,6).
Подача топлива в диффузорный участок головки осуществляется конструктивно просто и вполне обеспечивает качественную подготовку топливно-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания. Это достигается благодаря тому, что поток во входном канале, не установившийся, а колеблющийся в соответствии с работой клапанов. При закрытых клапанах скорость воздушного потока равна 0, а при полностью открытых клапанах — максимальпая. Колебания скорости способствуют перемешиванию топлива и воздуха. Далее, поступившая в камеру сгорания топлпвно-воздушная смесь воспламеняется от остаточных газов, давление в рабочей трубе возрастает, и клапаны под действием собственных сил упругости и под воздействием повышенного давления в камере сгорания закрываются.
Здесь возможны два случая. Первый, когда в момент закрытия клапанов газы не пробиваются во входной канал и на топливно-воздушную смесь воздействуют только клапаны, которые останавливают ее движение и даже как бы отбрасывают в сторону входа в головку. Второй, когда в момент закрытия клапанов на топливно-воздушную смесь воздействуют не только клапаны, но и пробивающаяся через клапаны вследствие их недостаточной жесткости или чрезмерного отклонения уже поступившая в камеру сгорания, но еще не воспламенившаяся смесь. В этом случае смесь будет отбрасываться к входу в головку на значительно большую величину.
Отбрасывание смеси от диска клапанной решетки в сторону входного отверстия можно легко наблюдать у головок с коротким внутренним каналом (длина канала равна примерно диаметру головки). Перед входным отверстием в головке во время работы двигателя постоянно будет находиться топливно-воздушная «подушка» примерно такая, как показано на рис. 13,6. Явление это можно терпеть, если «подушка» имеет небольшие размеры, а двигатель на земле работает устойчиво, так как в воздухе с увеличением скорости полета возрастает скоростной напор и «подушка» исчезает.

Если же во входную часть головки будет пробиваться из камеры сгорания не топливно-воздушная смесь, а горячие газы, то возможно воспламенение смеси в диффузорном участке и остановка двигателя. Поэтому необходимо прекратить попытки запуска и устранить дефект в клапанной решетке, как будет рассказано в следующем разделе. Для устойчивой и эффективной работы двигателя длина входного канала головки должна быть равна 1,0—1,5 наружным диаметрам клапанов, а отношение длин кон-фузорного и диффузорного участков должно быть примерно 1: 3.
Профиль внутреннего канала и внешний обвод головки должны быть плавными, чтобы не было отрыва струи от стопок при работе двигателя как на месте, так и в полете. На рис. 13, а показана головка, профиль которой вполне удовлетворяет движению потока. Она имеет удо-бообтскаемую форму, и отрыва потока от стенок не будет. Рассмотрим ряд характерных конструкции головок ПуВРД .
На рис. 14 дана головка, имеющая достаточно хорошее аэродинамическое качество. Образующие конфузор*
ного и диффузорного участков, а также передней кромки обтекателя, как видно из рисунка, сопрягаются плавно.
О технологии изготовления отдельных элементов этой головки рассказано в главе 5. К достоинствам конструкции головки относится ее малый вес, возможность быстрой замены клапанной решетки и размещение форсунки в центре входного канала, что способствует симметричному течению воздушного потока.
Качество смеси регулируется подбором диаметра отверстия жиклера. Можно применить жиклер с отверстием, большим номинального, и уменьшать при регулировке его проходное сечение, вставляя отдельные жилки диаметром 0,15—0,25 мм от электропровода. Наружные концы жилок загибают на внешнюю сторону жиклера (рис. 15), после чего на него надевают хлорвиниловую или резиновую трубку. Возможна регулировка подачи топлива с применением небольшого самодельного винтового крана.
Головка одного из отечественных двигателей РАМ-2, выпускавшегося серийно, показана на рис. 16. Корпус этой головки имеет внутренний канал, место крепления форсунки, клапанную решетку, резьбу для крепления к камере сгорания и посадочное место для обтекателя.

Форсунка снабжена игольчатым пиитом для регулировки качества смеси.
К недостаткам относится снижающая тягу двигателя плохая аэродинамика проточной части — резкий переход потока из осевого направления к входным каналам клапанной решетки и наличие самих каналов (участок б — г), увеличивающих сопротивление и ухудшающих качественное однородное перемешивание топлива с воздухом.
У конструкции головки, изображенной на рис. 17, особенное крепление с камерой сгорания двигателя. В отличие от резьбовых креплений здесь используется корытообразный хомутик, выполненный на специальной оправке путем обжатия. На передней кромке камеры сгорания сделан специальный профилированный буртик. Клапанная решетка, вставленная внутрь камеры сгорания, упирается в выступ этого буртика. Затем вставляется корпус входного устройства, имеющего также профилированный буртик, и три узла—корпус головки, клапанная решетка н камера сгорания с помощью хомутика 7 плотно стягиваются между собой винтом 8. Крепление Б целом легкое и надежное в эксплуатации.
Пространство между оболочкой входного канала и обтекателем часто используется как емкость для топливного бачка. В этих случаях, как правило, увеличивают длину входного канала для того, чтобы можно было разместить необходимый запас топлива. На рис. 18 и 19 показаны такие головки. Первая из них хорошо сопрягается с камерой сгорания; топливо в ней надежно изолировано от горячих деталей; она крепится к корпусу диффузора винтами 4. Вторая головка, показанная на рис. 19, отличается оригинальностью крепления к камере сгорания. Как видно из рисунка, головка 4 — профилированный бачок, спаянный из жести или фольги, имеет специальное кольцевое углубление для фиксирования своего положения на буртике клапанной решетки. Сама клапанная решетка 5 ввернута в камеру сгорания.

Головка-бачок соединяется с клапанной решеткой и камерой сгорания с помощью пружин 3, стягивающих ушки 2. Соединение не жесткое, но этого в данном случае и не требуется, так как головка не является силовым органом; также не нужна особая герметичность
Рис. 16. Головка двигателя РАМ-2:
/ — внутренний канал; 2 — обтекатель; 3 —форсунка; 4 — переходник; 5 — игольчатый винт; б — входной канал клапанной решетки; 7 — штуцер для
подсоединения топливной трубки
между голоокой и клапанной решеткой. Поэтому данное крепление в сочетании с конструкцией клапанной решетки и камеры сгорания вполне оправдано. Автор конструкции этой головки — В. Даниленко (Ленинград).
Головка, показанная на рис. 20, предназначена для двигателей с тягой до 3 кг и более. Ее конструктивная особенность — способ крепления к камере сгорания, наличие охлаждающих ребер и система подачи топлива. В отличие от предыдущих способов данная головка крепится к камере сгорания стяжными винтами. На камере сгорания укреплены шесть ушков 7 с внутренней резьбой МЗ, в которые вворачиваются стяжные винты 5,захватывая при этом специальными накладками 4 силовое кольцо диффузора и прижимая его к камере сгорания. Крепление, хотя и трудоемкое в изготовлении, при больших габаритах двигателя (в данном случае диаметр камеры сгорания равен 100 мм) применять целесообразно.
8
1
Рис. 19. Головка, прикрепленная к камере сгорания с помощью
пружин:
/ — камера сгорания; 2 — ушки; 5—пружина; 4— головка; 5 — клапанная решетка; б — буртик клапанной решетки; 7 — заливная горловина; й-дренажная трубка
Во время работы двигатель имеет высокий тепловой режим и для предохранения обтекателя, изготовляемого из бальзы или пенопласта, и топливной системы от воздействия высоких температур на внешней части диффузора предусмотрены четыре охлаждающие ребра.
Подвод топлива осуществляется двумя жиклерами — главным 11 с нерегулирующимся отверстием и вспомогательным 12 с иглой 13 для тонкой регулировки.

Конструкции клапанных решеток

Единственные подвижные детали двигателя — клапаны, перепускающие топливнс-воздушную смесь в одном направлении,-—в камеру сгорания. От подбора толщины и формы клапанов, от качества изготовления и их регулировки зависит тяга двигателя, а также устойчивость и продолжительность его непрерывной работы. Мы уже говорили, что от двигателей, устанавливаемых на кордовые модели, требуется максимальная тяга при малом весе, а от двигателей, устанавливаемых на модели свободного полета, — наибольшая продолжительность непрерывной работы. Поэтому и клапанные решетки, устанавливаемые на эти двигатели, также конструктивно различаются.
Рассмотрим коротко работу клапанной решетки. Для этого возьмем так называемую дисковую клапанную решетку (рис. 21), получившую наибольшее распространение, особенно на двигателях для кордовых моделей. От любой клапанной решетки, в том числе и от дисковой, добиваются максимально возможной площади проходного сечения и хорошей аэродинамической формы. Из рисунка видно, что большая часть площади диска используется для входных окон, разделенных перемычками, на кромки которых ложатся клапаны. Практика показала, что минимально допустимым перекрытием входных отверстий является показанное на рис. 22; уменьшение площади прилегания клапанов ведет к разрушению кромок диска — к вдавливанию и скруглению их клапанами. Диски, как правило, изготовляются из дюралюминия марок Д-16Т или В-95 толщиной 2,5— 3,5 мм, или из стали толщиной 1,0—1,5 мм. Входные кромки закругляются и полируются. Особое внимание уделяется точности н чистоте обработки плоскости прилегания клапанов. Необходимая плотность прилегания клапанов к плоскости диска достигается только после кратковременной приработки на двигателе, когда каждый клапан «вырабатывает» для себя собственное седло.
В момент вспышки смеси н повышения давления в камере сгорания клапаны закрыты. Они плотно прилегают к диску и не пропускают газы в диффузор головки. Когда основная масса газов устремляется в выхлопную трубу и за клапанной решеткой (со стороны камеры сгорания) будет образовываться разрежение, клапаны начнут открываться, оказывая при этом сопротивление поступлению свежей топливно-воздушной смеси и создавая тем самым некоторую глубину разрежения в камере сгорания, которое в последующий момент распространится до обреза выхлопной трубы. Сопротивление, создаваемое клапанами, зависит
главным образом от нх жесткости, которая должна быть такой, чтобы достигалось наибольшее поступление топливно-воздушной смеси и своевременное закрытие входных отверстий в момент вспышки. Подбор жесткости клапанов, которая удовлетворяла бы указанным требованиям,— один из основных и трудоемких процессов конструирования и доводки двигателя.
Предположим, что мы выбрали клапаны из очень тонкой стали и отклонение их ничем не ограничили. Тогда в момент поступления смеси в камеру сгорания они отклонятся на какую-то максимально возможную величину (рис. 23, а), причем можно с полной уверенностью сказать, что отклонение каждого клапана будет иметь различную величину, так как очень трудно сделать их строго одинаковой ширины, да и по толщине они также могут отличаться. Это приведет к неодновременному их закрытию.

Но главное в следующем. По окончании процесса наполнения в камере сгорания наступает мгновение, когда давление в ней становится немного меньше или равным давлению в диффузоре. Именно в это мгновение клапаны должны, главным образом под действием собственных сил упругости,
Капера сгорания
Рис. 23. Отклонение клапанов без ограничительной
шайбы
успеть закрыть входные отверстия, чтобы после воспламенения топливно-воздушной смеси газы не смогли пробиться в диффузор головки. Клапаны с малой жесткостью, отклонившиеся на большую величину, не смогут вовремя закрыть входные отверстия и газы будут пробиваться в диффузор головки (рис. 23,6), что приведет к падению тяги или к вспышке смеси в диффузоре и остановке двигателя. Кроме того, тонкие клапаны, отклоняясь па большую величину, испытывают большие динамические и термические нагрузки и быстро выходят из строя.
Если взять клапаны повышенной жесткости, то явление будет обратное — клапаны будут позже открываться и раньше закрываться, что приведет к уменьшению количества поступающей в камеру сгорания смеси и резкому снижению тяги. Поэтому для того, чтобы добиться возможно быстрого открытия клапанов при наполнении камеры сгорания смесью и своевременного закрытия их при вспышке, прибегают к искусственному изменению линии изгиба клапанов с помощью установки ограничительных шайб или рессор.

Как показала практика, для различной мощности двигателей толщина клапанов берется 0,06—0,25 мм. Стали для клапанов применяются и углеродистые У7, У8, У9, У10 и легированные холоднокатаные ЭИ395, ЭИ415, ЭИ437Б, ЭИ598, ЭЙ 100, ЭИ442,Ограничители отклонения клапанов обычно выполняются или на полную длину клапанов или на меньшую, специально подобранную.
На рис. 24 показана клапанная решетка с ограничительной шайбой /, выполненной на всю длину клапанов. Главное ее назначение: задать клапанам наивыгоднейший профиль изгиба, при котором они пропускают максимально возможное количество топливно-воздушной смеси в камеру сгорания и вовремя закрывают входные отверстия. На практике, из
технологических соображе- Рис" 24- Клапанная решетка. „- г с ограничительной шайбой на
нии, профиль шайбы выпол- нвсю длину клапанов:
НЯЮТ ПО радиусу С ТаКИМ /-ограничительная шайба; 2-, раСЧеТОМ, ЧТОбЫ КОНЦЫ КЛЗ- клапан; 3 — корпус решетки
панов отходили от плоскости прилегания на б—10 мм. Начало радиуса профиля необходимо брать от начала входных окон. Недостатки этой шайбы: она не позволяет использовать полностью упругие свойства клапанов, создает значительное сопротивление и имеет сравнительно большой вес.
Наибольшее распространение получили ограничители отклонения клапанов, выполненные не на полную длину клапанов, а на экспериментально подобранную. Под действием сил давления со стороны диффузора и разрежения со стороны камеры клапан отклоняется на какую-то величину: без ограничителя отклонения — на максимально возможную (рис. 25, а); с ограничителем отклонения, имеющим диаметр А, на другую (рис. 25,6). Вначале клапан отклонится по профилю шайбы до диаметра с?ь а дальше — на какую-то величину бь не ограниченную шайбой. В момент закрытия концевая часть клапана вначале, как бы отталкиваясь от кромки шайбш с упругостью, которую клапан имеет на диаметре Л\% получает определенную скорость движения к седлу, гораздо большую, чем при отсутствии шайбы.

Если теперь увеличить диаметр шайбы до диаметра д.^ а высоту шайбы /11 оставить неизменной, тогда упругость клапана на диаметре с12 будет больше, чем на диаметре й\\ так как площадь его поперечного сечения увеличилась, а площадь конца клапана, на которую действует давление со стороны диффузора, уменьшилась, концевая часть отклонится уже на меньшую величину 62 (рис. 25, в). «Отталкивающая» способность клапана уменьшится, уменьшится и скорость закрытия. Следовательно, требуемый эффект от ограничительной шайбы уменьшается.
Рис. 25. Влияние ограничительной шайбы на отклонение клапанов:
/—диск клапаниоП решетки; 2 — клапан: 3 — ограничительная шайба; 4 —
зажимная шайба
Поэтому можно сделать вывод, что для каждой выбранной толщины клапанов при заданных габаритах двигателя существует оптимальная величина диаметра ограничительной шайбы с!0 (или длины ограничителя) и высоты /11, при которых клапаны имеют максимально допустимое отклонение и своевременно закрываются в момент вспышки. У современных ПуВРД размеры ограничителей отклонения клапанов имеют следующие величины: диаметр окружности ограничительной шайбы (или длина ограничителя) равен 0,6—0,75 наружного диаметра клапанов (или длины его рабочей части): радиус изгиба равен 50—75 мм, а высота кромки шайбы Л| от плоскости прилегания клапанов равна 2—4 мм. Диаметр плоскости прижима должен быть равен диаметру по корневому сечению клапанов. Практически нужно иметь запас ограничительных шайб о отклонением от номинальных размеров в ту и другую сторону, и при замене клапанов, испытывая двигатель, подбирать наиболее подходящую, при которой двигатель работает устойчиво, а тяга наибольшая.
Клапаны рессорного типа (рис. 26) используются с той же целью—для максимально возможного открытия клапанов в процессе наполнения камеры сгорания топлпвно-воздушнои смесью и своевременного их закрытия в момент сгорания смеси. Рессорные клапаны способствуют увеличению глубины разрежения и поступлению большего количества смеси. Для рессорных клапанов толщину листовой стали берут на 0,05— 0,10 мм меньше, чем для клапанов с ограничительной шайбой, а количество листов рессоры, их толщину и диаметр подбирают экспериментально. Форма листов рессоры обычно соответствует форме основного лепестка, прикрывающего входное отверстие, но концы их должны быть срезаны перпендикулярно радиусу, проведенному через середину лепестка. Число рессорных лепестков выбирают в пределах 3—5 штук, а наружные их диаметры (для 5 штук) делают равными 0,8— 0,85 г/к, 0,75—0,80 с1к. Рис. 26. Клапанная решетка с рес-0,70—0,75 <*„, 0,65—0,70 ^и, сорными клапанами
0,60—0,65 с?к, где При использовании клапанов рессорного типа можно обойтись без ограничительной шайбы, так как числом и диаметром рессорных пластин можно получить наивыгоднейшую линию изгиба клапанов. Но иногда ограничительную шайбу все же устанавливают и на рессорные клапаны, главным образом для выравнивания их конечного отклонения.
Клапаны во время работы испытывают большие динамические и термические нагрузки. Действительно, нормально подобранные клапаны, открываясь на какую-то максимально возможную величину (на 6—10 мм от седла), полностью перекрывают входные отверстия тотда, когда смесь уже воспламенилась и давление в камере сгорания начало возрастать.

Поэтому клапаны движутся к седлу не только под действием собственных сил упругости, но и под действием давления газов, и ударяются о седло с большой скоростью и со значительной силой. Количество ударов равно числу циклов двигателя.
Температурное воздействие на клапаны происходит за счет непосредственного соприкосновения с горячими газами и лучистого нагрева и, хотя клапаны омываются сравнительно холодной топливно-воздушной смесью,
средняя температура их остается достаточно высокой. Действие динамических и термических нагрузок приводит к усталостному разрушению клапанов, особенно их концов. Если клапаны выполнены вдоль волокон ленты (вдоль направления ее прокатки), то к концу срока работы волокна отделяются друг от друга; наоборот, при поперечном направлении выкрашиваются концевые кромки. В том и другом случае это приводит к выходу клапанов из строя и остановке двигателя. Поэтому качество обработки клапанов должно быть очень высоким.
Наиболее качественные клапаны изготовляются с помощью электроискровой обработки. Однако чаще всего клапаны нарезают специальными наждачными круглыми камнями толщиной 0,8—1,0 мм. Для этого из клапанной стали вырезают вначале заготовки, закладывают их в специальную оправку, обрабатывают по наружному диаметру, а затем, в оправке же, наждачным камнем прорезают межклапанные пазы. Наконец, при серийном выпуске двигателей клапаны вырубаются штампом. Но каким бы способом они ни были сделаны, шлифовка кромок обязательна. Заусенцы на клапанах не допускаются. Не должны клапаны иметь также погнутостей и короблений.
Иногда для некоторого облегчения условий работы клапанов плоскость прилегания на диске обрабатывают по сфере (рис. 27). Закрывая входные отверстия, клапаны получают небольшой обратный изгиб, благодаря которому несколько смягчается их удар о седла. Неплотное прилегание клапанов к диску в спокойном состоянии облегчает и ускоряет запуск, так как топливно-воз-душная смесь может свободно проходить между клапаном и диском.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели.

Рис. 28. Клапанные решетки с пламегасительными демпфирующими
сетками
Наиболее эффективный способ предохранения клапанов от воздействия динамических и термических нагрузок —установка пламегасительных демпфирующих сеток. Последние в несколько раз увеличивают срок работы клапанов, но значительно снижают тягу двигателя, так как создают большое сопротивление в проточной части рабочей трубы. Поэтому их устанавливают, как правило, на двигатели, от которых требуется большой срок работы и сравнительно небольшая тяга.
Сетки ставят в камере сгорания (рис. 28) за клапанной, решеткой. Их изготовляют из листовой жаростойкой стали толщиной 0,3—0,8 мм, с отверстиями диаметром 0,8—1,5 мм (чем толще материал сетки, тем больше берется диаметр отверстий).
В момент вспышки смеси в камере сгорания и нарастания давления горячие газы стараются через отверстия сетки проникнуть в полость Л. Сетка разбивает основное пламя на отдельные тонкие струйки и гасит их.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) – это одна из трех основных разновидностей воздушно-реактивных двигателей (ВРД), особенностью которой является пульсирующий режим работы. Пульсация создает характерный и очень громкий звук, по которому легко узнать эти моторы. В отличие от других типов силовых агрегатов ПуВРД имеет максимально упрощенную конструкцию и небольшой вес.

Строение и принцип действия ПуВРД

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель – это полый канал, открытый с двух сторон. С одной стороны – на входе – установлен воздухозаборник, за ним – тяговый узел с клапанами, дальше расположена одна или несколько камер сгорания и сопло, через которое выходит реактивный поток. Поскольку работа двигателя циклична, можно выделить основные ее такты:

• такт впуска, во время которого входной клапан открывается, и в камеру сгорания под действием разряжения в ней попадает воздух. В это же время через форсунки впрыскивается топливо, в результате чего образуется топливный заряд;
• полученный топливный заряд воспламеняется от искры свечи зажигания, в процессе горения образуются газы с высоким давлением, под действием которого закрывается впускной клапан;
• при закрытом клапане продукты сгорания выходят через сопло, обеспечивая реактивную тягу. Вместе с тем в камере сгорания при выходе отработанных газов образуется разряжение, входной клапан автоматически открывается и впускает во внутрь новую порцию воздуха.

Входной клапан двигателя может иметь разные конструкции и внешний вид. Как вариант, он может быть выполнен в виде жалюзи – прямоугольных пластин, закрепленных на раме, которые под действием перепада давления открываются и закрываются. Другая конструкция имеет форму цветка с металлическими «лепестками», расположенными по кругу. Первый вариант более эффективный, зато второй более компактный и может использоваться на небольших по размеру конструкциях, например, при авиамоделизме.

Подача топлива осуществляется форсунками, которые имеют обратный клапан. Когда давление в камере сгорания снижается, подается порция топлива, когда же давление увеличивается за счет горения и расширения газов, подача топлива прекращается. В некоторых случаях, например на маломощных моторах от авиамоделей, форсунок может и не быть, а система подачи топлива при этом напоминает карбюраторный двигатель.

Свеча зажигания расположена в камере сгорания. Она создает серию разрядов, и когда концентрация топлива в смеси достигает нужного значения, топливный заряд воспламеняется. Поскольку двигатель имеет небольшие размеры, его стенки, выполненные из стали, в процессе работы быстро нагреваются и могут поджигать топливную смесь не хуже свечи.

Нетрудно понять, что для запуска ПуВРД нужен первоначальный «толчок», при котором первая порция воздуха попадет в камеру сгорания, то есть такие двигатели нуждаются в предварительном разгоне.

История создания

Первые официально зарегистрированные разработки ПуВРД относятся ко второй половине XIX века. В 60-е годы сразу двое изобретателей независимо друг от друга сумели получить патенты на новый тип двигателя. Имена этих изобретателей – Телешов Н.А. и Шарль де Луврье. В то время их разработки не нашли широкого применения, но уже в начале ХХ века, когда для самолетов подыскивали замену поршневым двигателям, на ПуВРД обратили внимание немецкие конструкторы. Во время Второй мировой войны немцы активно использовали самолет-снаряд ФАУ-1, оснащенный ПуВРД, что объяснялось простотой конструкции этого силового агрегата и его дешевизной, хотя по своим рабочим характеристикам он уступал даже поршневым двигателям. Это был первый и единственный раз в истории, когда этот тип двигателя использовался в массовом производстве самолетов.

После окончания войны ПуВРД остались «в военном деле», где нашли применение в качестве силового агрегата для ракет типа «воздух-поверхность». Но и здесь со временем они утратили свои позиции из-за ограничения по скорости, необходимости первоначального разгона и низкой эффективности. Примерами использования ПуВРД являются ракеты Fi-103, 10Х, 14Х, 16Х, JB-2. В последние годы наблюдается возобновление интереса к этим двигателям, появляются новые разработки, направленные на его усовершенствование, так что, возможно, в скором будущем ПуВРД вновь станет востребованным в военной авиации. На данный момент пульсирующий воздушно-реактивный двигатель возвращают к жизни в области моделирования, благодаря использованию в исполнении современных конструкционных материалов.

Особенности ПуВРД

Главной особенностью ПуВРД, которая отличает его от его «ближайших родственников» турбореактивного (ТРД) и прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), является наличие впускного клапана перед камерой сгорания. Именно этот клапан не пропускает обратно продукты сгорания, определяя их направление движения через сопло. В других типах моторов нет необходимости в клапанах – там воздух поступает в камеру сгорания уже под давлением за счет предварительно сжатия. Этот, на первый взгляд, незначительный нюанс играет огромную роль в работе ПуВРД с точки зрения термодинамики.

Второе отличие от ТРД – это цикличность работы. Известно, что в ТРД процесс сжигания топлива проходит практически беспрерывно, что и обеспечивает ровную и равномерную реактивную тягу. ПуВРД работает циклично, создавая колебания внутри конструкции. Для достижения максимальной амплитуды необходимо синхронизировать колебания всех элементов, чего можно добиться путем подбора нужной длины сопла.

В отличие от прямоточного воздушно реактивного двигателя пульсирующий воздушно реактивный двигатель может работать даже на низких скоростях и находясь в неподвижном положении, то есть когда нет встречного потока воздуха. Правда, его работа в таком режиме не способна обеспечить величину реактивной тяги, необходимой для пуска, поэтому самолеты и ракеты, оснащенные ПуВРД, нуждаются в первоначальном ускорении.

Маленькое видео запуски и работы ПуВРД.

Типы ПуВРД

Кроме обычного ПуВРД в виде прямолинейного канала с входным клапаном, что описывались выше, есть и его разновидности: бесклапанный и детонационный.

Бесклапанный ПуВРД, как понятно по его названию, не имеет входного клапана. Причиной его появления и использования стал тот факт, что клапан является довольно уязвимой деталью, которая очень быстро выходит из строя. В этом же варианте «слабое звено» устранено, поэтому и срок службы мотора продлен. Конструкция бесклапанного ПуВРД имеет форму буквы U с концами, направленными назад по ходу реактивной тяги. Один канал длиннее, он «отвечает» за тягу; второй короче, по нему поступает воздух в камеру сгорания, а при горении и расширении рабочих газов часть их выходит через этот канал. Такая конструкция позволяет осуществлять лучшую вентиляцию камеры сгорания, не допускает утечки топливного заряда через входной клапан и создает дополнительную, пусть и незначительную, тягу.

без клаппаный вариант исполнения ПуВРД
без клапанный U-образный ПуРВД

Детонационный ПуВРД предполагает сжигание топливного заряда в режиме детонации. Детонация предусматривает резкое повышение давления продуктов горения в камере сгорания при постоянном объеме, а сам объем увеличивается уже при движении газов по соплу. В этом случае повышается термический КПД двигателя в сравнении не только с обычным ПуВРД, но и с любым другим двигателем. На данный момент этот тип моторов не используется, а находится на стадии разработок и исследований.

детонационный ПуРВД

Достоинства и недостатки ПуВРД, сфера применения

Основными преимуществами пульсирующих воздушно-реактивных двигателей можно считать их простую конструкцию, что тянет за собой их невысокую стоимость. Именно эти качества и стали причиной их использования в качестве силовых агрегатов на военных ракетах, беспилотных самолетах, летающих мишенях, где важны не долговечность и сверхскорость, а возможность установки простого, легкого и дешевого мотора, способного развить нужную скорость и доставить объект к цели. Эти же качества принесли ПуВРД популярность среди любителей авиамоделизма. Легкие и компактные двигатели, которые при желании можно сделать самостоятельно или же купить по приемлемой цене, прекрасно подходят для моделей самолетов.

Недостатков у ПуВРД немало: повышенный уровень шума при работе, неэкономный расход топлива, неполное его сгорание, ограниченность по скорости, уязвимость некоторых конструктивных элементов, таки как входной клапан. Но, несмотря на такой внушительный перечень минусов, ПуВРД по-прежнему незаменимы в своей потребительской нише. Они – идеальный вариант для «одноразовых» целей, когда нет смысла устанавливать более эффективные, мощные и экономичные силовые агрегаты.

Причиной написания статьи стало огромное внимание к маленькому двигателю, который появился совсем недавно в ассортименте Паркфлаера. Но мало, кто задумывался, что у этого двигателя более чем 150-и летняя история:

Многие полагают, что пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) пявился в Германии в период Второй мировой войны, и применялся на самолетах-снарядах V-1 (Фау-1), но это не совсем так. Конечно, немецкая крылатая ракета стала единственным серийным летательным аппаратом с ПуВРД, но сам двигатель был изобретен на 80 (!) лет раньше и совсем не в Германии.
Патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель были получены (независимо друг от друга) в 60-х годах XIX века Шарлем де Луврье (Франция) и Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия).

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (англ. Pulse jet), как следует из его названия, работает в режиме пульсации, его тяга развивается не непрерывно, как у ПВРД (прямоточный воздушно реактивный двигатель) или ТРД (турбореактивный двигатель), а в виде серии импульсов.

Воздух, проходя через конфузорную часть, увеличивает свою скорость, вследствие чего давление на этом участке падает. Под действием пониженного давления из трубки 8 начинает подсасываться топливо, которое затем подхватывается струей воздуха, рассеивается ею на более мелкие частички. Образовавшаяся смесь, проходя диффузорную часть головки, несколько поджимается за счет уменьшения скорости движения и в окончательно перемешанном виде через входные отверстия клапанной решетки поступает в камеру сгорания.
Первоначально топливно-воздушная смесь, заполнившая объем камеры сгорания, воспламеняется с помощью свечи, в крайнем случае, с помощью открытого пламени, подводимого к обрезу выхлопной трубы. Когда двигатель выйдет на рабочий режим, вновь поступающая в камеру сгорания топливно-воздушиая смесь воспламеняется не от постороннего источника, а от горячих газов. Таким образом, свеча необходима лишь на этапе запуска двигателя, в качестве катализатора.
Образовавшиеся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси газы резко повышают, и пластинчатые клапаны решетки закрываются, а газы устремляются в открытую часть камеры сгорания в сторону выхлопной трубы. Таким образом, в трубе двигателя, в процессе его работы происходит колебание газового столба: в период повышенного давления в камере сгорания газы движутся в сторону выхода, в период пониженного давления — в сторону камеры сгорания. И чем интенсивнее колебания газового столба в рабочей трубе, тем большую тягу развивает двигатель за один цикл.

ПуВРД имеет следующие основные элементы : входной участок а — в , заканчивающийся клапанной решеткой, состоящей из диска 6 и клапанов 7 ; камеру сгорания 2 , участок в — г ; реактивное сопло 3 , участок г — д , выхлопную трубу 4 , участок д — е .
Входной канал головки имеет конфузорный а — б и диффузорный б — в участки. В начале диффузорного участка устанавливается топливная трубка 8 с регулировочной иглой 5 .

И снова вернемся к истории. Немецкие конструкторы, ещё накануне Второй мировой войны проводившие широкий поиск альтернатив поршневым двигателям, не обошли вниманием и это изобретение, долгое время остававшееся невостребованным. Наиболее известным летательным аппаратом как я уже говорил, явился немецкий самолёт-снаряд Фау-1.

Главный конструктор Фау-1 Роберт Люссер выбрал для него ПуВРД главным образом, из-за простоты конструкции и, как следствие, малых трудозатрат на изготовление, что было оправдано при массовом производстве одноразовых снарядов, серийно выпущенных за неполный год (с июня 1944 по март 1945) в количестве свыше 10 000 единиц.

Кроме беспилотных крылатых ракет, в Германии, так же разрабатывалась пилотируемая версия самолета-снаряда- Фау-4 (V-4). По задумке инженеров, пилот должен был навести на цель свой одноразовый пепелац, покинуть кабину и спастись, используя парашют.

Правда, о том, способен ли человек покинуть кабину пилота на скорости 800км/час, да еще имея у себя за головой воздухозаборник двигателя- скромно умалчивалось.

Изучением и созданием ПуВРД занимались не только в фашисткой Германии. В 1944 году для ознакомления, в СССР Англия поставила покореженые куски Фау-1. Мы, в свою очередь "слепили из того, что было", создав при этом, практически новый двигатель ПуВРД Д-3, ииии.....
.....и водрузили его на Пе-2:

Но не с целью создания первого отечественного реактивного бомбардировщика, а для испытаний самого двигателя, который потом применялся для производства советских крылатых ракет 10-Х:

Но на этом не ограничивается применение пульсирующих двигателей в советской авиации. В 1946 году была реализована идея оборудовать истрибитель ПуВРД-шками:

Да. Всё просто. На истрибитель Ла-9, под крыло установили два пульсирующих движка. Конечно на практике все оказалось несколько сложнее: на самолете изменили систему питания топливом, сняли бронеспинку, и две пушки НС-23, усилив конструкцию планера. Прирост скорости составил 70 км/ч. Летчик-испытатель И.М.Дзюба отмечал сильные вибрации и шум при включении ПуВРД. Подвеска ПуВРД ухудшала маневренные и взлетно-посадочные характеристики самолета. Запуск двигателей был ненадежным, резко снижалась продолжительность полета, усложнялась эксплуатация. Проведенные работы принесли пользу лишь при отработке прямоточных двигателей, предназначавшихся для установки на крылатые ракеты.
Конечно, в боях эти самолеты участия не принимали, но они достаточно активно использовались на воздушных парадах, где неизменно своим грохотом производили сильное впечатление на публику. По свидетельству очевидцев в разных парадах участвовало от трех до девяти машин с ПуВРД.
Кульминацией испытаний ПуВРД стал пролет девяти Ла-9РД летом 1947 г. на воздушном параде в Тушино. Пилотировали самолеты летчики-испытатели ГК НИИ ВВС В.И.Алексеенко. А.Г.Кубышкин. Л.М.Кувшинов, А.П.Манучаров. В.Г.Масич. Г.А.Седов, П.М.Стефановский, А.Г.Терентьев и В.П.Трофимов.

Надо сказать о том, что американцы, тоже, не отставали в этом направлении. Они прекрасно понимали, что реактивная авиация, даже находясь на стадии младеньчества, уже превосходит свои поршневые аналоги. Но поршевых самолетов- очень много. Куда их девать?!.... И в 1946 году под крылья одного из самых совершенных истребителей своего времени, Мустанг P-51D, подвесили два двигателя Ford PJ-31-1.

Однако, результат оказался, прямо скажем,- не очень. С включенными ПуВРД скорость самолета заметно увеличивалась, но топливо они поглащали- о-го-го, так что долго летать с хорошей скоростью не получалось, и в выключенном состоянии реактивные моторы превращали истребитель небеный тихоход. Промучившись целый год американцы, все-таки, пришли к выводу, что получить задешево истребитель, способный хотя бы как-то конкурировать с новомодными реактивными не получится.

В итоге про ПуВРД забыли.....
Но не на долго! Этот тип двигателей хорошо проявил себя в качестве авиамодельного! А почему бы нет?! Дешевый в производстве и обслуживании, имеет простое устройство и минимум настроек, не требует дорогостоящего горючего, да и вообще- его и покупать не обязательно- можно и самостоятельно построить, имея минимум ресурсов.

Это самый маленький ПуВРД в мире. Создан в 1952 г.
Ну согласитесь, кто не мечтал о реактвном самолете с хомячком пилотом и ракетами?!))))
Теперь ваша мечта стала реальостью! Да и не обязательно покупать двигаль- его можно построить:

P.S. данная статья основана на материалах, опубликованных в сети Интернет...
The end.

Воздушно-реактивные двигатели

Схема устройства ПВРД на жидком топливе: 1. Встречный поток воздуха; 2. Центральное тело. 3. Входное устройство. 4. Топливная форсунка. 5. Камера сгорания. 6. Сопло. 7. Реактивная струя.

Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) -- тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется смесь забираемого из атмосферы воздуха и продуктов окисления топлива кислородом, содержащимся в воздухе. За счёт реакции окисления рабочее тело нагревается и, расширяясь, истекает из двигателя с большой скоростью, создавая реактивную тягу. Воздушно- реактивные двигатели разделяются на прямоточные, пульсирующие, дозвуковые, сверхзвуковые, гиперзвуковые. Турбореактивные двигатели (ТРД) тоже относятся к воздушно- реактивным двигателям. Во всех этих двигательных установках используется, в принципе, одна и та же система. Воздух нагнетается в камеру сгорания, где происходит смешивание с топливом и последующее воспламенение, приводящее к расширению. Затем горячая воздушная масса выходит из сопла, создавая тягу. Основное различие это способ нагнетания воздуха в камеру сгорания. Например у ПВРД воздух нагнетался под давлением находящего потока, следовательно, двигатель не мог запуститься на земле, ибо такого потока не было. В турбореактивных двигателях воздух нагнетается встречным потоком и компрессорами, которые приводятся в движение лопатками турбины.

Затем воздушный поток смешивается с топливом и сгорает в камере сгорания, следом горячий воздух попадает на заднюю часть турбины и выходит через сопло.

Клапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

Простейший ПуВРД был впервые применён во время Второй мировой войны на снаряде FZG-76, известный под названием «Фау-1». Он состоял из цилиндра, с одного конца закрытого клапанной решёткой. Горючая смесь поджигалась внутри цилиндра по средствам запальной свечи. Выделявшиеся при этом газы сильно расширялись и вместе с нагретым воздухом вырывались через сопло. Даже в том случае, когда давление внутри цилиндра падало до уровня атмосферного, газы в выхлопной трубе обладали достаточным количеством кинетической энергии, чтобы продолжать движение и создавать определённое разряжение в камере сгорания. Благодаря этому, через створки клапанов в двигатель попадала новая порция воздуха и цикл возобновлялся. Частота циклов в основном зависит главным образом от резонанса камеры сгорания, выхлопной трубы и клапанов.

Обычно частота двигателя достигала 300 циклов в секунду, сливаясь в характерный для немецких ракет воющий звук. После нескольких циклов искра не требуется, так как нагретые детали и горячие газы способны поджечь топливо-воздушную смесь. В ПуВРД тяга возрастает как функция скорости, потому что именно скорость влияет на степень компрессии воздуха в цилиндре, отчего зависит давление в камере сгорания, а следовательно и термический КПД двигателя. Такой двигатель не требует дорогостоящих компрессоров и турбин, а так же он лёгок в производстве. В отличии от ПВРД, ПуВРД развивают значительную тягу даже при малых скоростях полёта. Однако, КПД такого двигателя весьма мал и потребление топлива велико. Поэтому ПуВРД находят себе применение на летающих мишенях, где требуется дешёвый двигатель однократного применения.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель обладает большим удельным импульсом по сравнению с ракетными двигателями, но уступает по этому показателю турбореактивным двигателям. Существенным ограничением является также то, что этот двигатель требует разгона до рабочей скорости 100 м/с и его использование ограничено скоростью порядка 250 м/с (на Фау-1 такая скорость получалась при запуске ракеты с паровой катапульты). По свидетельству рабочих, которые присутствовали на заводе при первых испытания ПуВРД в СССР, первые такты напоминали выстрелы, а когда двигатель заработал в нормальном режиме, то звук был очень резким и громким, от него содрагалось всё вокруг. Очень часто рвались клапаны, корпус не выдерживал больших температур, прогорали свечи и возникали трудности с системой зажигания.

Схема работы ПуВРД.

Кажущееся сходство ПуВРД и ПВРД (возможно, возникающее из-за сходства аббревиатур названий) -- ошибочно. В действительности ПуВРД имеет глубокие, принципиальные отличия от ПВРД или ТРД.

1) Наличие у ПуВРД воздушного клапана, очевидным назначением которого является предотвращение обратного движения рабочего тела вперёд по ходу движения аппарата (что свело бы на нет реактивную тягу).

2) Пульсирующий, прерывистый характер работы ПуВРД, также вносит существенные различия в механизм его функционирования, в сравнении с ВРД непрерывного действия.