darbe jeti - Pulsejet

Bir darbeli jet diyagramı

Bir darbe jet motoru (veya darbe jeti ), yanmanın darbelerde meydana geldiği bir jet motoru türüdür . Bir darbeli jet motor, az sayıda veya hiç hareketli parça olmadan yapılabilir ve statik olarak çalışabilir (yani, tipik olarak ileri hareketle havanın girişine zorlanması gerekmez).

Pulsejet motorları, jet tahrikinin hafif bir şeklidir, ancak genellikle düşük bir sıkıştırma oranına sahiptir ve bu nedenle düşük bir özgül dürtü verir .

Her ikisi de rezonant yanma kullanan ve aralıklı olarak itme üreten titreşimli bir egzoz jeti oluşturmak için genişleyen yanma ürünlerini kullanan iki ana tip darbeli jet motoru vardır. Birincisi valfli veya geleneksel darbeli jet olarak bilinir ve gelen havanın içinden geçtiği bir dizi tek yönlü valfe sahiptir. Hava-yakıt ateşlendiğinde, bu valfler çarparak kapanır, bu da sıcak gazların yalnızca motorun egzoz borusundan dışarı çıkabileceği ve böylece ileri itme yaratacağı anlamına gelir. İkinci tip darbeli jet, valfsiz darbeli jet olarak bilinir. Teknik olarak bu motor için kullanılan terim, akustik tipli darbeli jet veya aerodinamik olarak valfli darbeli jettir.

Darbeli jet motorlarının dikkate değer bir araştırma dizisi, motorda tekrarlanan patlamaları içeren ve potansiyel olarak yüksek sıkıştırma ve makul derecede iyi verimlilik sağlayabilen darbeli patlatma motorunu içerir.

Tarih

Ramon Casanova ve 1917'de inşa ettiği ve patentini aldığı darbeli jet motoru

Rus mucit ve emekli topçu subayı Nikolaj Afanasievich Teleshov , 1867'de bir buharlı puls jet motorunun patentini alırken, İsveçli mucit Martin Wiberg'in de İsveç'te ilk puls jeti icat ettiğini iddia ediyor, ancak ayrıntılar belirsiz.

İlk çalışma pulse jet motoru Fransız mucit Georges MARCONNET 1908 yılında supapsız pulse jet motoru motoru patentli 1907 yılında bir çalışma modeli tamamlayan Rus mühendis VV Karavodin, ve Ramon Casanova tarafından 1906 yılında patenti alındı, içinde Ripoll , İspanya bir pulse jet motoru patentli Barselona 1917 yılında , 1913'te bir tane inşa etti . Robert Goddard , 1931'de bir puls jet motoru icat etti ve jet tahrikli bir bisiklet üzerinde gösterdi. Mühendis Paul Schmidt , emme valflerinin (veya kanatların) modifikasyonuna dayalı daha verimli bir tasarıma öncülük etti ve 1933'te Alman Hava Bakanlığı'ndan hükümet desteğini kazandı.

1909'da Georges Marconnet, valfsiz ilk titreşimli yakıcıyı geliştirdi. Tüm valfsiz darbeli jetlerin dedesiydi. Valfsiz darbeli jet, 1940'ların sonlarında Fransız tahrik araştırma grubu SNECMA (Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation) tarafından denendi.

Valfsiz pulsejet'in ilk yaygın kullanımı Hollanda drone Aviolanda AT-21 idi.

Argus As 109-014

Argus As 014 darbeli jet motoru Londra Kraliyet Hava Kuvvetleri Müzesi'nde bir V-1 uçan bombanın motoru

1934'te Georg Hans Madelung ve Münih merkezli Paul Schmidt, Alman Hava Bakanlığı'na Schmidt'in darbe jetiyle çalışan bir "uçan bomba" önerdi . Madelung , V-1'i terminal dalışında dengelemek için kullanılan bir cihaz olan şerit paraşütü birlikte icat etti . Schmidt'in prototip bombası, özellikle zayıf doğruluk, menzil ve yüksek maliyet nedeniyle Alman Hava Bakanlığı spesifikasyonlarını karşılayamadı. Orijinal Schmidt tasarımı, motoru savaş başlığının ve gövdenin üzerine yerleştiren nihai V-1'in aksine, darbe jetini modern bir jet avcı uçağı gibi bir gövdeye yerleştirdi.

Argus Firma Schmidt'in çalışmalarını temel çalışmaya başladı. Benzer pulsejets ve uçan bombalar üzerinde çalışan diğer Alman üreticileriydi Askania Şirketi , Robert Lusser ait Fieseler , Fritz Gosslau Argus'un ve Siemens tüm V-1'de çalışmalarına birleştirildi şirketi.

Schmidt şimdi Argus için çalışırken, pulsejet mükemmelleştirildi ve resmi olarak RLM tanımıyla Argus As 109-014 olarak biliniyordu. İlk elektriksiz düşüş 28 Ekim 1942'de Peenemünde'de ve ilk motorlu uçuş 10 Aralık 1942'de gerçekleşti.

Pulsjet, mükemmel bir maliyet ve işlev dengesi olarak değerlendirildi: minimum maliyetle iyi performans gösteren basit bir tasarım. Herhangi bir petrol sınıfında çalışacaktı ve ateşleme kepenk sisteminin V-1'in bir saatlik normal operasyonel uçuş ömrünün ötesinde sürmesi amaçlanmamıştı. Kalkış için yetersiz itme kuvveti oluşturmasına rağmen, V-1'in rezonans jeti, fırlatma rampasında hareketsizken çalışabilir. Egzoz borusunun çapının uzunluğuna (8.7:1) oranına dayanan basit rezonans tasarımı, yanma döngüsünü sürdürme işlevi gördü ve saniyede 43 döngüde kararlı rezonans frekansına ulaştı . Motor , uçuşta 2.200 N (490 lb _f ) statik itme ve yaklaşık 3.300 N (740 lb _f ) üretti .

As 014'te ateşleme, öne monte edilen valf dizisinin yaklaşık 75 cm (30 inç) arkasına monte edilmiş tek bir otomotiv bujisi ile sağlandı. Kıvılcım sadece motorun çalıştırma sırası için çalıştırıldı; Argus As 014, tüm darbeli jetler gibi, ateşleme için ateşleme bobinleri veya manyetolar gerektirmiyordu - ateşleme kaynağı, çalışma sırasında önceki ateş topunun kuyruğuydu. Puls jetli bir motorda önemsiz bir sıkıştırma olduğundan, motor kasası yakıtın dizel tipi tutuşmasına neden olacak yeterli ısıyı sağlamadı .

Argus As 014 valf dizisi, motorun 43 ila 45 devir/saniye frekansında çalışan bir deklanşör sistemine dayanıyordu.

Argus As 014'ün önündeki üç hava nozulu, motoru çalıştırmak için harici bir yüksek basınç kaynağına bağlandı. Ateşleme için kullanılan yakıt asetilendi ve teknisyenler, tam ateşlemeden önce asetilenin yayılmasını durdurmak için egzoz borusuna bir tahta veya karton bölme yerleştirmek zorunda kaldılar. Motor ateşlendiğinde ve minimum çalışma sıcaklığına ulaşıldığında, harici hortumlar ve konektörler çıkarıldı.

Bir seyir füzesi olan V-1, iniş takımlarından yoksundu, bunun yerine Argus As 014, piston tahrikli bir buhar mancınık tarafından desteklenen eğimli bir rampada fırlatıldı. Pistonu ateşlemek için gereken buhar gücü , hidrojen peroksit ve potasyum permanganat ( T-Stoff ve Z-Stoff olarak adlandırılır ) birleştirildiğinde oluşturulan şiddetli ekzotermik kimyasal reaksiyon tarafından üretildi .

Pulsejet motorunun başlıca askeri kullanımı, Argus As 014 ünitesinin (hacimsel üretimdeki ilk pulsjet motoru) hacimli üretimi ile V-1 uçan bomba ile kullanım içindi . Motorun karakteristik vızıltı sesi, ona "vızıltı bombası" veya "doodlebug" takma adlarını kazandırdı. V-1, 2. Dünya Savaşı'nda , en ünlüsü 1944'te Londra'nın bombalanmasında kullanılan bir Alman seyir füzesiydi. Almanlar düşünüldüğünde, ucuz ve inşa edilmesi kolay olan Pulsejet motorları, V-1'in tasarımcıları için bariz bir seçimdi. savaşın bu aşamasında malzeme kıtlığı ve aşırı gerilmiş sanayi. Modern seyir füzelerinin tasarımcıları, turbojetleri veya roket motorlarını tercih ederek, tahrik için puls jet motorlarını seçmezler . Pulsjet'in Nazi Almanya'sında donanım aşamasına ulaşan diğer kullanımları Messerschmitt Me 328 ve Alman Heer için deneysel bir Einpersonenfluggerät projesiydi .

Wright Field teknik personeli , V-1'i İngiltere'de patlamamış olanın kalıntılarından tersine mühendislik yaptı . Sonuç, gövde yapısı Republic Aviation tarafından inşa edilen JB-2 Loon ve Ford Motor Company tarafından PJ31 American adıyla bilinen Argus As 014 reprodüksiyon puls jet motorunun yaratılması oldu .

Birleşik Devletler Ordusu Hava Kuvvetleri'nden General Hap Arnold , bu silahın çelik ve ahşaptan 2000 adam saat ve yaklaşık maliyeti 600 ABD Doları (1943'te) olarak yapılabileceğinden endişe duyuyordu.

Tasarım

Pulsejet motorunun animasyonu

Pulsejet motorları basitlik, düşük yapım maliyeti ve yüksek gürültü seviyeleri ile karakterize edilir. İken itme-ağırlık oranı mükemmel, itme özgül yakıt sarfiyatı çok kötü. Darbe jeti , Otto çevriminin pistonu veya Brayton çevriminin sıkıştırma türbini gibi harici bir sıkıştırma sürücüsünden yoksun olan, bir tüp içinde akustik rezonans ile sıkıştırmayı çalıştıran Lenoir çevrimini kullanır . Bu, maksimum yanma öncesi basınç oranını yaklaşık 1,2 ila 1 ile sınırlar.

Yüksek gürültü seviyeleri, genellikle askeri ve diğer benzer şekilde kısıtlanmış uygulamalar dışında bunları pratik hale getirir. Bununla birlikte, darbeli jetler, endüstriyel kurutma sistemleri olarak büyük ölçekte kullanılmaktadır ve darbeli jetler, yanan hemen hemen her şeyde çalışabildiğinden, yüksek çıkışlı ısıtma, biyokütle dönüştürme ve alternatif enerji sistemleri gibi uygulamalar için bu motorların incelenmesinde yeniden canlanma olmuştur. talaş veya kömür tozu gibi partikül yakıtlar dahil.

Pulsejetler, deneysel helikopterlere güç sağlamak için kullanıldı, motorlar rotor kanatlarının uçlarına bağlandı. Helikopter rotorlarına güç sağlamada, darbeli jetler , şafta kuvvet uygulamadıkları, ancak uçları ittikleri için gövde üzerinde tork üretmeme gibi türbin veya pistonlu motorlara göre avantaja sahiptir . Daha sonra, bir kuyruk rotoru ve bununla ilişkili transmisyon ve tahrik şaftı olmadan bir helikopter inşa edilebilir, bu da uçağı basitleştirir ( ana rotorun döngüsel ve toplu kontrolü hala gereklidir). Bu konsept, Amerikan Helikopter Şirketi'nin rotor uçlarında puls jet motorları ile çalışan XA-5 Üst Çavuş helikopter prototipi üzerinde çalışmaya başladığı 1947 gibi erken bir tarihte düşünülüyordu. XA-5 ilk olarak Ocak 1949'da uçtu ve onu aynı pulsejet tasarımına sahip XA-6 Buck Private izledi. Ayrıca 1949'da Hiller Helicopters , dünyanın ilk sıcak çevrim basınçlı jet rotoru olan Hiller Powerblade'i üretti ve test etti. Hiller, uç monteli ramjetlere geçti ancak American Helicopter, ABD Ordusu sözleşmesi kapsamında XA-8'i geliştirmeye devam etti. İlk olarak 1952'de uçtu ve XH-26 Jet Jeep olarak biliniyordu . Rotor uçlarına monte edilmiş XPJ49 darbeli jetleri kullandı. XH-26 tüm ana tasarım hedeflerini karşıladı, ancak darbe jetlerinin kabul edilemez gürültü seviyesi ve darbe jetlerinin rotor uçlarındaki sürüklenmesinin otorotasyon inişlerini çok sorunlu hale getirmesi nedeniyle Ordu projeyi iptal etti . Rotor ucu tahrikinin, döner kanatlı teknelerin üretim maliyetini, geleneksel motorlu döner kanatlı uçakların üretim maliyetinin 1/10'una düşürdüğü iddia edilmiştir.

Pulsejets da hem kullanılmıştır kontrol-line ve radyo kontrollü model uçak . Kontrol hattı darbeli jetle çalışan model uçaklar için hız rekoru saatte 200 milden (323 km/s) fazladır.

Serbest uçan radyo kontrollü bir darbeli jetin hızı, motorun giriş tasarımı ile sınırlıdır. Yaklaşık 450 km/sa (280 mil/sa) hızda, çoğu valfli motorun valf sistemi, hava basıncı nedeniyle tamamen kapanmayı durdurur ve bu da performans kaybına neden olur.

Değişken emme geometrisi, havanın darbeli jete hangi hızda girdiğini optimize ederek motorun çoğu hızda tam güç üretmesini sağlar. Valfsiz tasarımlar, diğer tasarımlar kadar ram hava basıncından olumsuz etkilenmez, çünkü hiçbir zaman girişten çıkan akışı durdurmayı amaçlamazlar ve hızda güçte önemli ölçüde artabilir.

Pulsjet motorların bir diğer özelliği de, motorun arkasına yerleştirilen özel şekilli bir kanal ile itişlerinin artırılabilmesidir. Kanal , darbeli jet egzozdaki aerodinamik kuvvetleri kullanarak titreşimli itmeyi dengeleyen dairesel bir kanat görevi görür . Tipik olarak bir artırıcı olarak adlandırılan kanal, ek yakıt tüketimi olmadan bir darbeli jetin itişini önemli ölçüde artırabilir. İtkide %100 artış elde etmek mümkündür, bu da çok daha yüksek yakıt verimliliği sağlar. Bununla birlikte, büyütme kanalı ne kadar büyükse, o kadar fazla sürtünme üretir ve yalnızca belirli hız aralıklarında etkilidir.

Operasyon

Valfli tasarımlar

Pulsejet şeması. Döngünün ilk kısmı: hava girişten (1) akar ve yakıtla (2) karıştırılır. İkinci kısım: valf (3) kapatılır ve ateşlenen yakıt-hava karışımı (4) aracı hareket ettirir.

Valfli darbeli motorlar, genişleyen egzoz akışını kontrol etmek için mekanik bir valf kullanır, sıcak gazın motorun arkasından yalnızca egzoz borusu yoluyla dışarı çıkmasını sağlar ve motorun ataleti olarak taze havanın ve daha fazla yakıtın girişten girmesine izin verir . kaçan egzoz, her patlamadan sonra bir saniyenin bir kısmı için kısmi bir vakum oluşturur. Bu, darbeler arasında ek hava ve yakıt çeker.

Valfli darbeli jet, tek yönlü valf düzenlemesine sahip bir giriş içerir. Valfler, yanma odasındaki tutuşan yakıt karışımının patlayıcı gazının dışarı çıkmasını ve giriş hava akışını bozmasını engeller, ancak tüm pratik valfli darbeli jetlerde, valfler yeterince hızlı kapanamadığı için statik veya düşük hızda çalışırken bir miktar 'geri tepme' vardır. Bir miktar gazın girişten çıkmasını önlemek için. Aşırı ısıtılmış egzoz gazları, akustik olarak rezonanslı bir egzoz borusundan çıkar.

Giriş valfi tipik olarak bir dil valfidir . En yaygın iki konfigürasyon, papatya valfi ve dikdörtgen valf ızgarasıdır. Papatya valfi, uçlarına doğru genişleyen "yaprakları" ile stilize bir papatya şeklinde kesilmiş, kamış görevi görecek ince bir malzeme tabakasından oluşur. Her "petal", ucunda dairesel bir giriş deliği kaplar. Papatya valfi, merkezi aracılığıyla manifolda cıvatalanmıştır. Küçük ölçekte inşa edilmesi daha kolay olsa da, bir valf ızgarasından daha az etkilidir.

Çevrim frekansı öncelikle motorun uzunluğuna bağlıdır. Küçük bir model tipi motor için frekans saniyede yaklaşık 250 darbe olabilirken, Alman V-1 uçan bombasında kullanılan gibi daha büyük bir motor için frekans saniyede 45 darbeye yakındı. Üretilen düşük frekanslı ses, füzelerin "vızıltı bombaları" olarak adlandırılmasına neden oldu.

Vanasız tasarımlar

Valfsiz darbeli jet motorlarında hareketli parça yoktur ve motordan çıkan egzoz akışını kontrol etmek için yalnızca geometrilerini kullanırlar. Valfsiz darbeli jetler egzozu hem girişlerden hem de egzozdan dışarı atar , ancak üretilen kuvvetin büyük kısmı egzozun daha geniş kesitinden dışarı çıkar. Daha geniş egzozdan çıkan daha büyük kütle miktarı, girişten dışarı doğru geri akıştan daha fazla atalete sahiptir, bu da her patlamadan sonra bir saniyenin bir kısmı için kısmi bir vakum üretmesine izin vererek, giriş akışını uygun yönüne tersine çevirir ve bu nedenle daha fazla hava ve yakıt tüketir. Bu saniyede onlarca kez olur.

Valfsiz darbeli jet, valfli darbeli jet ile aynı prensipte çalışır, ancak 'valf' motorun geometrisidir. Gaz veya atomize sıvı sprey olarak yakıt, girişteki hava ile karıştırılır veya doğrudan yanma odasına enjekte edilir . Motorun çalıştırılması genellikle yakıt-hava karışımı için cebri hava ve buji gibi bir ateşleme kaynağı gerektirir. Modern üretilmiş motor tasarımları ile, motora yakıt ve bir ateşleme kıvılcımı sağlayarak, motoru basınçlı hava olmadan çalıştırarak hemen hemen her tasarım kendiliğinden çalıştırılabilir. Bir kez çalıştığında, motor kendi kendini idame ettiren bir yanma döngüsünü sürdürmek için yalnızca yakıt girişine ihtiyaç duyar.

Yanma çevrimi, motora bağlı olarak beş veya altı aşamadan oluşur: İndüksiyon, Sıkıştırma, (opsiyonel) Yakıt Enjeksiyonu, Ateşleme, Yanma ve Egzoz.

Yanma odası içinde ateşleme ile başlayarak, yakıt-hava karışımının yanması ile yüksek bir basınç yükselir. Yanma sonucu oluşan basınçlı gaz, tek yönlü giriş valfinden ileriye doğru çıkamaz ve bu nedenle egzoz borusundan sadece arkaya doğru çıkar.

Bu gaz akışının atalet tepkisi motorun itme sağlamasına neden olur, bu kuvvet bir uçak gövdesini veya bir rotor kanadını itmek için kullanılır. Yürüyen egzoz gazının ataleti, yanma odasında düşük bir basınca neden olur. Bu basınç, giriş basıncından (tek yönlü valfin yukarısında) daha düşüktür ve bu nedenle çevrimin indüksiyon aşaması başlar.

En basit darbeli jet motorlarında bu alım, bir yakıt kaynağından yakıtın çekilmesine neden olan bir venturi aracılığıyla yapılır . Daha karmaşık motorlarda yakıt doğrudan yanma odasına enjekte edilebilir. İndüksiyon aşaması devam ederken, bir önceki ateş topunun yola çıkmasıyla oluşan boşluğu doldurmak için atomize haldeki yakıt yanma odasına püskürtülür; atomize yakıt, egzoz borusu da dahil olmak üzere tüm boruyu doldurmaya çalışır. Bu, yanma odasının arkasındaki atomize yakıtın, önceki gaz sütununun sıcak gazlarıyla temas ettiğinde "yanıp sönmesine" neden olur - bu, sonuçta ortaya çıkan flaş, kamış valfleri "çarparak" kapatır veya valfsiz tasarımlar durumunda, bir vakum oluşana kadar yakıt akışını durdurur ve döngü tekrar eder.

Valfsiz darbeli jetler, farklı işlevlere uygun farklı tasarımlarla birlikte çeşitli şekil ve boyutlarda gelir. Tipik bir valfsiz motor, bir veya daha fazla emme borusuna, bir yanma odası bölümüne ve bir veya daha fazla egzoz borusu bölümüne sahip olacaktır.

Emme borusu havayı alır ve onu yakmak için yakıtla karıştırır ve ayrıca bir valf gibi egzoz gazının atılmasını kontrol ederek akışı sınırlandırır, ancak tamamen durdurmaz. Yakıt-hava karışımı yanarken, genleşen gazın çoğu motorun egzoz borusundan dışarı çıkar. Emme boru(lar)ı da motorun egzoz çevrimi sırasında gazı dışarı attığından, çoğu supapsız motorların girişleri geriye bakar, böylece yaratılan itme kuvveti azaltmak yerine genel itme kuvvetine katkıda bulunur.

Yanma, biri uzun egzoz borusundan aşağı, diğeri kısa emme borusundan aşağı doğru hareket eden iki basınç dalgası cephesi oluşturur. Sistemi uygun şekilde 'ayarlayarak' (motor boyutlarını uygun şekilde tasarlayarak), rezonanslı bir yanma süreci elde edilebilir.

Bazı supapsız motorların aşırı derecede yakıta aç olduğu bilinmekle birlikte, diğer tasarımlar supaplı bir darbeli jetten önemli ölçüde daha az yakıt kullanır ve gelişmiş bileşenlere ve tekniklere sahip uygun şekilde tasarlanmış bir sistem, küçük turbojet motorların yakıt verimliliğine rakip olabilir veya onu aşabilir.

Düzgün tasarlanmış bir supapsız motor, supapları olmadığı için uçuşta mükemmel olacaktır ve yüksek hızda hareket eden çarpma havası basıncı motorun supaplı bir motor gibi durmasına neden olmaz. Bazı gelişmiş tasarımların Mach .7 veya muhtemelen daha yüksek hızda çalışabilmesiyle daha yüksek hızlara ulaşabilirler .

Akustik tip darbeli jetin avantajı basitliğidir. Aşınacak hareketli parçalar olmadığından, bakımı daha kolay ve yapımı daha kolaydır.

Gelecekteki kullanımlar

Pulsejetler günümüzde hedef drone uçaklarında, uçan kontrol hattı model uçaklarda (radyo kontrollü uçakların yanı sıra), sis jeneratörlerinde ve endüstriyel kurutma ve ev ısıtma ekipmanlarında kullanılmaktadır. Darbe jetleri yakıtı ısıya dönüştürmenin verimli ve basit bir yolu olduğundan, deneyciler bunları biyokütle yakıt dönüşümü ve kazan ve ısıtıcı sistemleri gibi yeni endüstriyel uygulamalar için kullanıyor .

Bazı deneyciler geliştirilmiş tasarımlar üzerinde çalışmaya devam ediyor. Motorların, daha küçük ölçekli insansız araçlarda üstün olmalarına rağmen, gürültü ve titreşim nedeniyle ticari insanlı uçak tasarımlarına entegre edilmesi zordur.

Darbe patlamalı motor (PDE) işaretleri ile karşılaştırıldığında sürekli olmayan jet motorları ve söz daha yüksek yakıt verimliliği doğru yeni bir yaklaşım turbofanının en az çok yüksek hızlarda jet motorları. Pratt & Whitney ve General Electric artık aktif PDE araştırma programlarına sahiptir. Çoğu PDE araştırma programı, fikirleri tasarım aşamasında erken test etmek için pulsejet motorlarını kullanır.

Boeing , askeri ve ticari VTOL uçaklarında dikey kaldırma için puls jet motorlarının kullanılmasını öneren Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA) adlı tescilli bir puls jet motor teknolojisine sahiptir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Havacılık Mühendisliği İncelemesi , Havacılık Bilimleri Enstitüsü (ABD): 1948, cilt. 7.
George Mindling, Robert Bolton: ABD Hava Kuvvetleri Taktik Füzeleri: 1949–1969: Öncüler , Lulu.com, 200: ISBN 0-557-00029-7 . s.6–31

Languages

In other projects