Всесоюзное добровольное
общество содействия авиации
Вячеслав Александрович Бородин
Авиамодельный пульсирующий
воздушно-реактивный
двигатель
*** 1951 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Введение 3 Глава I. Понятия о реактивном двигателе... б Глава II. Элементарная теория пульсирующего ВРД... 16 Глава III. Конструкция авиамодельного пульсирующего двигателя Б-10... 31 Глава IV. Эксплоатация авиамодельного пульсирующего ВРД 37 Глава V. Особенности компоновки летающих моделей с пульсирующим ВРД... 43 Глава VI. Изготовление...и сборка двигателя Б-10... 59 Глава VII. Авиамодельный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Б-12... 68 Приложение 1...Вклейка между стр. 70 — 71 Приложение 2 Вклейка между стр. 80 — 81 Перечень использованной литературы... 94 Книга предназначена для авиамоделистов и всех лиц, интересующихся авиамодельными пульсирующими воздушно-реактивными двигателями. В книге освещаются конструкция, зксплоатация и элементарная теория пульсирующего ВРД. Книга иллюстрирована схемами реактивных летающих моделей самолетов. ВВЕДЕНИЕ В Советском Союзе авиамоделизм имеет очень широкое распространение и является важным этапом в подготовке квалифицированных специалистов для сталинской авиации. Многие авиамоделисты впоследствии становятся выдающимися летчиками, авиационными командирами, строителями самолетов и моторов, преподавателями авиационных учебных заведений и научно-исследовательскими работниками авиационных институтов. В результате повседневной заботы большевистской партии, Советского правительства и лично товарища И. В. Сталина о воспитании авиационных кадров советские авиамоделисты по своим спортивным достижениям вышли на первое место в мире. Нашей стране принадлежат все четыре абсолютных мировых рекорда — скорости, дальности, продолжительности и высоты полета летающих моделей самолетов г. Воспитываясь на передовых традициях отечественной авиационной науки и техники, советский авиамоделизм в своем техническом совершенствовании не отставал от развития авиации в нашей стране. За последние годы в советском авиамоделизме, наряду с резиномоторными летающими моделями и моделями с поршневыми моторчиками, появились летающие модели с реактивными двигателями, создающими тягу за счет реакции вытекающей струи газов. Этот новый тип силовой установки, конструктивно простой и позволяющий значительно улучшить летные данные авиамоделей, привлекает внимание широких кругов авиамоделистов. На первом этапе внедрения реактивной техники в авиамоделизм советские авиамоделисты строили модели с жид- 1 Мировые рекорды: скорости — 107,080 км/час (Владимир Давыдов, Башкирская АССР); дальности — 210,620 км (Сергей Малик, Москва); продолжительности — 3 часа 48 мин. 45 сек. (Георгий Лю-бушкин, Москва); высоты — 4152 м (Георгий Любушкин, Москва). костными реактивными двигателями (ЖРД), и, только после того как были созданы надежно работающие конструкции авиамодельных пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД), авиамоделисты стали разрабатывать модели с двигателями подобного типа. Вследствие малого веса, простоты конструкции и экс-плоатации пульсирующие воздушно-реактивные двигатели почти полностью вытеснили жидкостные реактивные двигатели и прочно заняли свое место наряду с авиамодельными поршневыми моторчиками. В 1946 году были созданы первые типы авиамодельных реактивных двигателей и в 1947 году установлены первые всесоюзные рекорды дальности и продолжительности полета реактивных моделей К Это были жидкостные реактивные двигатели (ЖРД). работающие преимущественно на перекиси водорода высокой концентрации и катализаторе — перманганате натрия или калия. Появление именно этого типа двигателей было обусловлено тем, что они достаточно просты по конструкции и теоретический расчет их также несложен. Схема одного из жидкостных реактивных двигателей с газобаллонной подачей топлива, предназначенного для летающих моделей самолетов, приведена на рис. 1. Двигатель работает по следующему принципу. При открытии крана 1 воздух из баллончика 17 проходит через редукционный клапан 3 и под давлением 13 ат поступает в топливный бачок 6. Под этим давлением перекись водорода из бачка по топливной трубке 9 подходит к форсунке 14. Поступившая в камеру сгорания перекись водорода в. присутствии катализатора распадается на свои составные части: воду и кислород, и при этом выделяется большое количество тепла. Тепло превращает воду в пар, и смесь паров воды и кислорода при температуре примерно 500° С, под давлением 10 ат выбрасывается в атмосферу и создает тягу. Ввиду сложности эксплоатации и значительного веса конструкции жидкостные реактивные двигатели не получили широкого распространения в авиамоделизме. В 1948 году были завершены работы по созданию надежно работающих конструкций авиамодельных пульсирующих воздушно-реактивных двигателей. Этот тип двигателя имеет значительные преимущества перед другими типами реактивных двигателей в весовом, конструктивном и эксплоатационном отношении, а также позволяет получить необходимую тягу. В 1909 году русским инженером Антоновичем впервые была предложена схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, а в 1911 году инженером А. Гороховым был разработан проект силовой установки с этим двигателем. Работами советских ученых и конструкторов внесено много нового в изучение процесса работы пульсирующих воздушно-реактивных двигателей. Советские авиамоделисты, в совершенстве овладевшие конструированием моторных и безмоторных летающих моделей, в кратчайшее время должны научиться строить реактивные авиамодели, обладающие более высокими скоростями полета. Прежде чем приступить к описанию конструкции и работы пульсирующего ВРД, рассмотрим принцип действия простейшего реактивного двигателя. ГЛАВА I ПОНЯТИЯ о РЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Для передвижения самолета в воздушной среде используется сила реакции воздушных масс, получающих ускоренное движение от воздушного винта. Отбрасываемые массы воздействуют на винт, сообщающий им ускоренное движение, что и обусловливает возникновение тяги, создаваемой винтом. Таким образом, воздух получает ускорение не в самом двигателе, а в результате воздействия на него винта, т. е. тяга в данном случае создается не по принципу прямой реакции, а через промежуточное устройство в виде воздушного винта. В реактивных двигателях в отличие от системы «двигатель — винт» газы получают ускоренное движение за счет тепла, подводимого к газам в самих двигателях. Таким образом, реактивные двигатели работают по принципу прямой реакции. С физической точки зрения реактивный принцип основан на законе изменения количества движения тела. Согласно этому закону изменение количества движения тела равно импульсу силы, т. е. произведению силы, вызвавшей изменение скорости движения тела, на время ее действия (...) Сила Р, действующая на тело, направлена в сторону его движения. Согласно третьему закону механики, сила Р вызывает появление другой силы, равной силе Р по величине, но направленной в противоположную сторону. Для пояснения сказанного представим себе сосуд, замкнутый со всех сторон и наполненный каким-либо газом. Допустим, что давление газа в сосуде больше давления окружающей среды. В соответствии с законами механики заменяем силы, равномерно действующие на соответствующие стенки сосуда, одной равнодействующей силой. После такой замены будем иметь схему сил, показанную на рис. 2. Давление газа на противоположные стенки замкнутого сосуда взаимно уравновешивается (сила Pi = Р2 и Рз = Р4), и сосуд остается в покое. Силы, вызванные давлением атмосферного воздуха, оказывают одинаковое давление на стенки сосуда снаружи и их система также будет уравновешена. Если теперь в одной из стенок сосуда (рис. 3) сделать отверстие С, то газ будет вытекать из отверстия в окружающую среду и давление его на внутренние стенки сосуда уже не будет уравновешено полностью, так как давление на стенку с отверстием С будет меньше, чем на противоположную стенку. Давление газа на стенки 3 и 4 и в этом случае попрежнему будет взаимно уравновешено Таким образом, равновесие сил, действующих по оси АА, нарушится. При этом энергия давления преобразуется в кинетическую энергию, т. е. в энергию движения частиц газа, вытекающих из отверстия С. При вытекании газа из камеры возникает сила Р\ направленная в сторону движения струи. Величина силы Р зависит от массы вытекающих газов и от скорости их истечения. По третьему закону механики при возникновении какой-либо силы обязательно должна возникнуть равная ей по величине, но противоположно направленная сила. Эта сила обозначена буквой Р. Под действием этой силы сосуд будет перемещаться в направлении, противоположном истечению газа. Сосуд придет в движение не в результате отталкивания его от окружающего воздуха струей отходящих газов, а в результате взаимодействия сосуда со струей газов: сосуд, выбрасывая струю, сам отталкивается от нее. Следовательно, движение сосуда произойдет и при отсутствии внешнего воздуха, т. е. в безвоздушном пространстве. Сила, возникающая в результате истечения продуктов сгорания через отверстие в сосуде и направленная в сторону, противоположную истечению газа, называется реактивной силой. Движение, вызванное реактивной силой Р, называется реактивным движением, а устройство, при помощи которого образуется реактивная сила, — реактивным двигателем. Действие реактивной силы мы можем отчетливо ощутить, если, стоя на коньках на льду, бросим с силой груз вперед. При этом мы несколько откатываемся назад. Такой же эффект проявляется при бросании груза в горизонтальном направлении с лодки — лодка при этом отталкивается в противоположном направлении. Толчок в плечо при выстреле из ружья есть не что иное, как действие реактивной силы. При выстреле пуля и пороховые газы вылетают из ствола, а отдача ружья представляет собой реактивную силу. Откат ствола орудия при выстреле — тоже результат действия реактивной силы. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПУЛЬСИРУЮЩИХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В пульсирующих воздушно-реактивных двигателях процесс сгорания топлива происходит в замкнутом или полузамкнутом объеме. Рассмотрим схему и принцип действия пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, у которого сгорание происходит в замкнутом объеме. Поджатие воздуха в этом двигателе может осуществляться либо только за счет скоростного напора, либо за счет скоростного напора и дополнительного поджатия воздуха в компрессоре. На рис. 4 приведена принципиальная схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя с поджатием воздуха только за счет скоростного напора. Рис. 4. Принципиальная схема пульсирующего ВРД с поджатием воздуха только за счет скоростного напора: 1 — диффузор; 2 — входные клапаны; 3 — камера сгорания; 4 — клапан реактивного сопла; 5 — расширяющееся реактивное сопло; 6 — топливная форсунка; 7 — запальная свеча Работа этого двигателя происходит следующим образом. Воздух, поджатый в диффузоре, поступает через входные клапаны 2 в камеру сгорания двигателя; клапан 4 сопла в это время закрыт (или закрывается к моменту заполнения камеры свежим воздухом). Как только камера сгорания наполнится свежим воздухом, передние клапаны также закрываются, и камера сгорания становится изолированной от окружающей среды. В это время в камеру через систему форсунок впрыскивается топливо, а затем образовавшаяся топливовоздушная смесь воспламеняется. В результате сгорания топлива в замкнутом объеме температура и давление газов в конце сгорания значительно возрастают. По окончании сгорания клапан реактивного сопла открывается, и продукты сгорания вытекают в атмосферу, в результате чего создается тяга. По мере истечения продуктов сгорания давление газов в камере сгорания падает, соответственно падает скорость истечения и реактивная тяга. Как только давление в диффузоре превысит давление в камере сгорания, входные клапаны открываются, и цикл повторяется. В результате такого чередования циклов изменение тяги носит пульсирующий характер. Ввиду того что поджатие воздуха в диффузоре происходит только за счет скоростного напора, двигатель на земле (на месте) работать не может. Изготовить пульсирующие ВРД, работающие по такой схеме, очень трудно, так как высокие температуры продуктов сгорания (около 2000°С) требуют обеспечения большой жаростойкости деталей двигателя, кроме того, необходимо ввести специальное управление клапаном на выходе. Рис. 5. Принципиальная схема турбокомпрессоркого пульсирующего ВРД: 1 — диффузср; 2 — ротср компрессора; 3 — камера сгорания; 4 — входные клапаны; б — сопловой аппарат турбины; 6 — газовая турбина; 7 — конфузор; S — конус кон-фузора; 9 — топливная форсунка; 10 — запальная свеча На рис. 5 показана принципиальная схема пульсирующего ВРД с поджатием воздуха как за счет скоростного напора, так и в компрессоре, приводимом во вращение газовой турбиной. Двигатель не имеет клапана на выходе, и сгорание топлива осуществляется в полузамкнутом объеме. Работа этого двигателя происходит следующим образом. Ротор компрессора перед запуском раскручивается до каких-то минимально необходимых оборотов с помощью электромотора или другого приводного устройства. Давление воздуха, поджатого в компрессоре, достигает величины, достаточной для того, чтобы открыть клапаны, в результате чего воздух поступает в камеру сгорания. Затем происходит впрыскивание топлива и воспламенение топливовоздушной смеси. Давление газов в момент сгорания резко нарастает, и клапаны закрываются. Газы устремляются в открытую часть камеры сгорания и, пройдя через турбину и реактивное сопло, вытекают наружу. Проходя через турбину, газ, вращая ее, затрачивает на это часть своей энергии. Вращение турбины передается осевому компрессору, сидящему на одном валу с турбиной. Как только давление в камере сгорания окажется ниже давления воздуха, поджатого компрессором, клапаны вновь открываются, и воздух поступает в камеру сгорания. Затем цикл повторяется. Такой двигатель может работать и на земле (на месте). ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АВИАМОДЕЛЬНОГО ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ В описываемом ниже авиамодельном пульсирующем ВРД сгорание смеси происходит в полузамкнутом объеме, т. е. камера сгорания с одной стороны остается открытой. Рис. 6. Общий вид авиамодельного пульсирующего ВРД: 1 — головка; 2 — камера сгорания; 3 — реактивное сопло; 4 — выхлопная труба; 5 — регулировочная игла; б — диск клапанной решетки; 7 — клапаны; 8 — подводящая топливная трубка; 9 — заливная горловина; 10 — бензиновый бачок Воздух (рис. 6), проходя через конфузорную часть головки 1, увеличивает свою скорость, вследствие чего давление воздуха на этом участке, согласно закону Бернулли, падает. Наименьшее давление будет в самой узкой части, куда подведена топливная трубка. Под действием понижен- ного давления, окружающего трубку, из нее начнет подсасываться топливо, которое затем подхватывается струей воздуха, разбивается ею на более мелкие частички и испаряется. Пары топлива с воздухом поступают в диффузор-ную часть головки, где происходит некоторое поджатие смеси. Затем, проходя через клапанные отверстия решетки, смесь омывает клапаны и интенсивно завихривается. В таком завихренном состоянии окончательно перемешанная смесь поступает в камеру сгорания, где воспламеняется с помощью электрической свечи или очага пламени, подводимого к обрезу выхлопной трубы. В результате сгорания топлива давление в камере сгорания возрастает, причем абсолютная величина давления зависит от качественного состава смеси и степени предварительного поджатая воздуха в диффузорной часта. Чем больше давление воздуха перед клапанной решеткой, тем больше свежей смеси будет поступать в камеру сгорания. Под действием повышенного давления в камере сгорания клапаны закрываются, и процесс сгорания протекает в полузамкнутом объеме. Одновременно со сгоранием происходит процесс истечения продуктов сгорания через открытое реактивное сопло, где они получают максимальную скорость. В некоторый момент давление и температура достигают своего наивысшего значения. В этот момент скорость истечения продуктов сгорания из реактивного сопла и соответственно тяга, развиваемая двигателем, также максимальны. В дальнейшем, по мере истечения продуктов сгорания, давление в камере сгорания падает. Как только давление окажется несколько меньше давления воздуха в диффузоре, клапаны вновь открываются, начинается заполнение камеры сгорания свежей смесью, и цикл повторяется снова. Разрежение в камере сгорания, возникающее в процессе истечения газов, является следствием использования инерции столба выходящих газов в длинной трубе. Это своего рода «газовый поршень». Кроме того, столб газов играет и другую очень важную роль, — он повышает давление в камере сгорания в момент вспышки. Происходит это в результате того, что столб газов под действием созданного им разрежения изменяет направление движения, т. е. начинает двигаться в сторону клапанной решетки. Двигаясь в этом направлении, столб газов производит поджатие вновь поступившего заряда смеси. Таким образом, авиамодельный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель может работать и на земле (на месте). На рис. 7 схематично показана последовательность работы двигателя за один цикл. Рис. 7. Принципиальная схема работы двигателя: Л — заполнение камеры сгорания свежей смесью (клапаны открыты): Б — смесь воспламенилась, давление в камере сгорания возрастает (клана! ы закрываются); Н — основная масса газов устремляется в реактивнее сопло и выхлопую трубу, ссздавая за собой некоторое понижение давления; Г — клапаны открыты, свежая смесь поступает в камеру сгорания, газовый столб начинает двигаться в сторову клапанной решетки Схема А. Момент заполнения камеры сгорания свежей смесью при открытых клапанах. Схема Л. Момент воспламенения смеси. Образовавшиеся при сгорании смеси газы расширяются, давление в камере сгорания возрастает, клапаны закрываются, и продукты сгорания устремляются через реактивное сопло в выхлопную трубу. Схема Л. Продукты сгорания, увеличивающие свой объем, движутся к выходу и создают разрежение перед клапанами, под действием которого клапаны открываются. Схема Г. Момент заполнения камеры сгорания свежей смесью. Газовый столб начинает двигаться в сторону клапанной решетки. В результате чередования циклов изменение тяги носит пульсирующий характер, причем за один цикл тяга изменяется от нуля до максимума, а затем опять до нуля. На рис. 8 показано изменение тяги двигателя в течение одного цикла. Из графика видно, что тяга от нулевого значения достигает какого-то максимального значения, а затем опять снижается до нуля. Тяга двигателя зависит от количества и качества смеси, поступающей в камеру сгорания. Рис. 8. Изменение тяги пульсирующего ВРД за один цикл Чем больше (по весу) обогащенной смеси поступит в камеру сгорания, тем больше будет масса газа и количество подведенного тепла и тем больше величина максимального давления, а следовательно, и скорость истечения. В результате и тяга двигателя будет также больше. Таким образом, чтобы получить наибольшую тягу двигателя при заданных его габаритах, необходимо обеспечить возможно большее поступление топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Некоторые конструктивные факторы, влияющие на величину тяги, будут рассмотрены ниже. Как же происходит воспламенение смеси в двигателе, обеспечивающее непрерывное автоматическое повторение циклов? При установившейся работе двигателя воспламенение свежей порции смеси происходит не от постороннего источника, а от горящих газов. При сгорании, вследствие интенсивного нарастания давления, основная часть газов устремляется к выходу, оставляя за собой в некоторой части камеры сгорания «след» догорающей смеси. Свежепосту-пившая порция смеси и воспламеняется от этого следа пламени. В том случае, когда двигатель перегрет, воспламенение смеси может происходить и от стенок камеры сгорания Авиамодельный пульсирующий ВРД или, точнее, ВРД периодического сгорания является двигателем волнового типа, т. е. таким, на рабочий процесс которого существенное влияние оказывают колебания газового столба. Чем больше амплитуды колебаний и чем они чаще, тем тяга двигателя больше. С помощью волновой теории может быть дано строгое объяснение процессов, происходящих в двигателе, но мы на этом останавливаться не будем, так как это выходит за рамки настоящей работы. ГЛАВА II ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ВРД ТЕПЛОВОЙ цикл Выше мы рассмотрели физическую сущность работы пульсирующего ВРД и установили, что двигатель может работать на месте, т. е. при отсутствии скоростного напора. Создание тяги ПуВРД при скорости полета, равной нулю, обусловлено наличием длинной выхлопной трубы, в которой часть кинетической энергии газа, получаемой на выходе из камеры сгорания, используется самим двигателем для засасывания очередной порции горючей смеси. Рассмотрим идеальный тепловой цикл пульсирующего ВРД в координатах р, V, т. е. установим, как происходит изменение объема и давления в течение одного цикла. Под идеальным циклом пульсирующего ВРД будем понимать такой цикл, в котором процессы сжатия воздуха в диффузоре и расширения продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания протекают адиабатически, т. е. без отдачи и получения тепла извне, а процесс сгорания топлива происходит при постоянном объеме, т. е. мгновенно. Считаем также, что давление газа на выходе из реактивного сопла равно атмосферному. На рис. 9 изображена теоретическая диаграмма цикла ПуВРД. На участке а — к диаграммы цикла воздух адиабатически поджимается в диффузоре от атмосферного давления, что соответствует точке а, до какого-то давления — выше атмосферного, соответствующего точке к; на участке к — z подводится тепло при постоянном объеме. Здесь имеется в виду, что топливо сгорает в двигателе мгновенно, следовательно, и нарастание давления также происходит мгновенно, до максимального значения, соответствующего точке z. На участке z — е продукты сгорания адиабатически расширяются в реактивном сопле до наружного давления, соответствующего точке е; на участке е — а происходит отдача тепла продуктами сгорания в окружающую среду. Линия е — а проведена условно, чтобы сделать цикл замкнутым, так как процесс охлаждения продуктов сгорания — отвод тепла — в действительности протекает вне реактивного двигателя. Приращение кинетической энергии воздуха при прохождении его через двигатель осуществляется только за счет тепла, эквивалентного площади акгеа. При работе двигателя на месте, т. е. при скорости полета, равной нулю, линии а — к (рис. 9), изображающей поджатие воздуха в диффузоре за счет скоростного напора, не будет, и цикл в координатах р, V будет иметь вид, показанный на рис. 10. Полезная работа Lt в этом случае будет эквивалентна площади azea. ТЯГА, РАЗВИВАЕМАЯ ДВИГАТЕЛЕМ Выше было отмечено, что тяга, развиваемая реактивным двигателем любого типа и устройства, в том числе и пульсирующим ВРД, определяется на основании второго и третьего законов механики. По второму закону механики количество движения, приобретаемое за время t потоком газа, протекающим через двигатель, равно импульсу силы, действующей на поток и обусловливающей его ускорение. Эта сила, согласно третьему закону механики, равна по величине и обратна по направлению искомой реактивной Рис. 10. Диаграмма цикла пульсирующего ВРД без учета скоростного напора (при работе на месте) тяге Р, т. е. силе реакции от газового потока, воспринимаемой конструкцией двигателя и передаваемой летающей модели. Переходя к определению силы тяги в пульсирующем ВРД, введем понятие о средней скорости истечения. Известно, что мгновенное значение тяги пульсирующего ВРД за один цикл изменяется от максимальной величины до минимальной отрицательной. В свою очередь скорость истечения зависит от величины давления в камере сгорания, которое в течение цикла меняется от какого-то максимального значения — больше атмосферного, до минимального — меньше атмосферного (при этом имеется разрежение). Следовательно, скорость истечения газов в течение цикла есть величина также непостоянная. Для упрощения определения тяги предположим, что скорость истечения газа есть величина постоянная, равная некоторому среднему значению истинной скорости за цикл. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
