• Известно, что в беспилотной авиации идёт борьба за каждый лишний килограмм веса, а маховик ДВС является самой тяжелой вращающейся частью. 

• Известно, что маховик, как самая тяжелая вращающаяся часть любого двигателя  и как аккумулятор кинетической энергии, за счет своего веса нейтрализует отклонения неравномерной угловой скорости коленчатого вала  и обеспечивает постоянный вывод поршней из мертвых точек. 

• Известно, что во время такта сжатия и во время сгорания топливовоздушной смеси газы частично прорываются сквозь поршневые кольца и проникают в полость картера. Когда они скапливаются, незначительно увеличивается давление в картерном пространстве с побочным эффектом ухудшения качества моторного масла.

С учётом Выше изложенного, и с некоторыми ограничениями, которые заявлены ниже, предлагается полностью отказаться от массивного маховика, или значительно уменьшить его вес в двигателях внутреннего сгорания за счёт значительного повышения давления воздуха в картере двигателя внутреннего сгорания.  Функцию аккумулятора кинетической энергии будет выполнять давление воздуха в картере двигателя (пневмоаккумулятор) совместно с работой поршневых групп  в двухстороннем действии. 

Поршневая группа двигателя внутреннего сгорания прямой ход совершает под действием давления газов горения топливо-воздушной смеси и дополнительно расходует часть энергии на повышение давления в пневмоаккумуляторе. Обратный ход поршневая группа совершает за счёт энергии сжатого воздуха в картерном пространстве (пневмоаккумуляторе).

Условие работы пневмоаккумулятора в качестве маховика –  давление  воздуха в картере P аккум. должно быть больше максимального давления воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия  P сжатия (компрессия), см рис. № 1.1.   

Рис. №  1.1.  Условие работы пневмоаккумулятора.

В идеальных условиях  топливовоздушная смесь должна сжиматься энергией сжатого воздуха в картере (пневмоаккумуляторе). Этим обеспечивается также предотвращение поступления газов  в пневмоаккумулятор  во время такта сжатия.

Известно, что для двигателей с принудительным зажиганием степень сжатия не должна превышать 10:1 для целей  предотвращения детонационное сгорания топливовоздушной смеси.  Таким образом, давление в пневмоаккумуляторе должен находится на конструктивно достижимых уровнях  в 1 МПа и меньше. Уменьшение давления в пневмоаккумуляторе приводит к необходимости использования  облегчённого маховика.  

Отсутствие избыточного давления воздуха в пневмоаккумулятое (картере) соответствует весу классического маховика  для данного типа двигателя и работе двигателя в обычных условиях. Увеличение давления воздуха в пневмоаккумуляторе (картере) соответственно уменьшает вес маховика. 

Часть энергии горения топливо-воздушной смеси расходуется на изотермическое сжатие / расширение газа в пневмоаккумуляторе (картере) за счёт движения поршневой группы. Происходит непрерывный дополнительный процесс  накопления энергии от поршневой группы за счёт энергии горения топливо-воздушной смеси и возврата энергии поршневой группе за счёт энергии сжатого воздуха пневмоаккумулятора.  Теоретический КПД изотермического “идеального” пневмоаккумулятора энергии равен 100 %. Теоретически, двигатель внутреннего сгорания  без маховика не должен потерять в мощности. К Сожалению на практике достичь этого не возможно, т.к. минимальные потери тепла в любом случае неизбежны. Но можно свести их к минимуму и получить выигрыш в весе двигателя, что актуально в условиях беспилотной авиации.

ВЫВОД:

Избыточное давление воздуха в картере (пневмоаккумуляторе) и работа поршневых групп в двухстороннем действии, в зависимости от значения давления позволяют полностью или частично (с существенным уменьшением веса) отказаться от классического массивного маховика. Это зависит от конструктивного исполнения двигателя внутреннего сгорания с учётом множества ограничений, например:

• в одноцилиндровых  двигателях пневмоаккумуляторная поршневая группа двухстороннего действия полностью заменить маховик не способна,  а только существенно снизить его вес. Это связано с тем, что в одноцилиндровом ДВС пневмоаккумулятор не способен выводить поршень из верхней и нижней мертвой точки. 
• в двигателях внутреннего сгорания  с кривошипно-камерной продувкой сама концепция применения пневмоаккумуляторных поршневых групп двухстороннего действия  – не возможна.

Этот тип источника детонационной энергии характеризуется наличием высокочастотной волны детонационного горения, формируемой за счёт формы камеры детонационного горения, а именно – за счёт полусферического резонатора . 

Принцип работы детонационно-резонансного двигателя основывается на следующих этапах:

1. Подготовка топлива (газа) к детонации (высокотемпературное разложение топлива на активные составляющие для облегчения инициаций детонационных волн.
2. Смешивание подготовленного топлива с вторичным высокоскоростным потоком воздуха  разбавления.
3. Радиальное сопловое расширение топливовоздушной смеси  в фокус (центр) полусферического резонатора. 
4. Сжатие топливовоздушной смеси в фокусе полусферического резонатора и инициация  волны детонационного горения.

В упрощённом виде детонационно-резонансный двигатель представляет собой   камеру детонационного горения в виде металлической сферы с различной степенью кривизны, согласно рис.

№ 4.1. 

По диаметру сферы размещено кольцевое сопло, и направлено в геометрический фокус сферы. 

Сфера может включать  дополнительный резонатор в виде полу замкнутой полости определённого размера.

Рис. № 4.1. Упрощённый вид детонационно-резонансной горелки.

От конструктивного исполнения  камеры сгорания зависит частота следования волн детонационного горения, и как следствие – энергетическая эффективность самой детонационно-резонансной горелки.

Остановимся на конструктивном исполнении камеры детонационного горения. Такая камера имеет следующие основные геометрические характеристики, согласно рис. № 4.2:

Рис. № 4.2. Геометрия полусферического резонатора

Где:

r – радиус резонатора. b – кривизна резонатора. а – угол ввода топливовоздушной смеси. d – ширина кольцевого сопла l – диаметр  сопла с – угол расходимости сопла

 Согласно опубликованным практическим данным по тематике: Hao ZENG, Li-ming HE, Wei CHEN. Center for Combustion energy, Tsinghua University;  Institute of  Engineering, Air Force Engineering University заявляется следующее:

— с увеличением радиуса (r) сферического резонатора — частота следования детонационных волн уменьшает .

— с увеличением кривизны резонатора (b) — частота следования детонационных волн увеличивается.

— с увеличением угол (a) ввода топливовоздушной смеси в резонатор — частота следования детонационных волн увеличивается.

— с увеличением ширина ввода топливовоздушной смеси (d) частота следования детонационных волн уменьшает .

— угол (a) ввода топливовоздушной смеси в резонатор 30° — амплитуда динамического давления на дне резонатора — максимальна.

-с увеличением диаметр сопла (l) — частота следования детонационных волн увеличивается.

— с увеличением угла расходимости сопла (с) — частота следования детонационных волн увеличивается. Учитывая амплитуду динамического давления дна резонатора, расхождение угла не должно быть не слишком большим и  не слишком маленьким; когда расходящийся угол сопла 30° —  амплитуда динамического давления дна резонатора максимальна.

Описания процесса распространения детонационного горения в таком полусферическом резонаторе в открытых источника противоречивы. Это связано с тем, что данное направление считается перспективным для развития. 

При этом к выше изложенному дополнительно можно привести аналогию с интересным явлением, которое проявляется в том, что если взять обычный баллон со сжатым воздухом и пустить через кольцевое сопло в полусферический рефлектором (резонатор), то на выходе энергетические характеристики потока вырастут даже при отсутствии горения, без использования топлива. Это явление до сих пор до конца не объяснено.

     Основой работы горелки является подготовка топлива к детонационному горению.

В идеале, первичное топливо необходимо полностью разложить на простые, высоко энергетические летучие составляющие, которые достаточно легко подвержены детонационному горению. Такими являются в первую очередь Н2, С2Н2, СО с температурами более 1000 градусов. 

Практически реализовать полное разложение топлива теоретически возможно, но практически чрезвычайно трудно.

Все   работы      в        данном      направлении      основываются на  предварительном высокотемпературного нагрева первичного топлива без доступа кислорода. Происходит разложением топлива на высокоактивные составляющие.

Исходя из Выше изложенного, подготовка топлива к детонации может быть обеспечена следующим образом:

а) Одно этапный окислительный пиролиз

Протекает при горении газа  в условиях недостатка кислорода. Температура процесса при этом составляет 1400 — 1600°C, время пребывания компонентов в реакционной зоне – несколько миллисекунд. Схема реализации способа представлена на рис. № 4.3. 

Например, таким способом получается ацетилен из углеводородов в промышленных условиях. Общее уравнение реакции представлено ниже:

11СН₄ + 7О₂ = 2С₂Н₂ + 6СО + 14Н₂ + СО₂ + 6Н₂О

Выход ацетилена составляет 30-32 %. Дополнительно образуется ещё синтез газ — оксид углерода (СО) и водород (Н₂). Обязательной стадией процесса является так называемая “закалка” продуктов, которая представляет собой их резкое охлаждение до температуры ниже 300 градусов. Закалка необходима для предотвращения разложения получаемого ацетилена на углерод и водород. Это обеспечивается уже при резком расширении таких продуктов из сопла в фокус полусферического резонатора.

Вариант реализации одно этапного окислительного пиролиза представлен ниже.

Рис. № 4.3. Схема одно этапного окислительного пиролиза (не полное сгорание топлива).

Согласно классическим данным по пиролизу газов в горелках,  например для мартеновских печей, газ сжигают (вернее подвергают пиролизу) с 40% теоретически необходимым воздухом, где развивается температура 1200—1300° С. При этих условиях происходит интенсивный распад газа на выше поименованные составляющие.

На выходе получаются высокотемпературные легко детонирующие  летучие компоненты, такие как Н2, С2Н2, СО.

b) Двух           этапный   окислительный         пиролиз   не      полного предварительного сгорания.

Первый этап – не полное сжигание первичного газа с недостатком кислорода в реакторе. Второй этап —  ввод вторичного газа в продукты не полного сгорания в зону догорания первого этапа.

Схема реализации способа представлена на рис. № 4.4. 

Вариант реализации с смещённым вводом газов для двух этапов окислительного пиролиза представлен ниже.

Рис. № 4.4.Двух этапный окислительный пиролиз (не полное сгорание топлива с вводом в продукты не полного сгорания новой порции топлива.

Вариант реализации с коаксиальным вводом газов для двух этапов окислительного пиролиза представлен на рис. № 4.5.

Рис. № 4.5.Двух этапный окислительный пиролиз (не полное сгорание топлива с коаксиальным вводом в продукты не полного сгорания новой порции топлива.

Согласно классическим данным по пиролизу газов в горелках,  например для мартеновских печей, первичный газ в количестве от 30 до 40% общего расхода газа сжигают (вернее подвергают пиролизу) с 40% теоретически необходимого воздуха.  Затем в зону догорания пламени вводят различными способами вторичный газ 60 – 70 % от общего расхода, где развивается температура 1200—1300° С. При этих условиях происходит интенсивный распад газа на выше поименованные составляющие.

На выходе получаются высокотемпературные легко детонирующие  летучие компоненты, такие как Н2, С2Н2, СО.

с) Двухэтапный окислительный пиролиз полного предварительного сгорания. 

Первый этап – полное сжигание первичного газа с избытком кислорода в реакторе. Второй этап —  ввод вторичного газа в продукты сгорания в зону догорания первого этапа.

Вариант реализации с смещённым вводом газов для двух этапов окислительного пиролиза представлен на рис. № 4.6.

Рис. № 4.6. Двухэтапный окислительный пиролиз с вводом в продукты полного сгорания новой порции топлива. 

Вариант реализации с коаксиальным вводом газов для двух этапов окислительного пиролиза представлен на рис. № 4.7.

Рис. № 4.7. Двухэтапный окислительный пиролиз с вводом в продукты полного сгорания новой порции топлива. 

Согласно классическим данным по пиролизу газов в горелках,  например для мартеновских печей, первичный газа в количестве от 100-110% общего расхода газа сжигают полностью.  Затем в зону догорания пламени вводят различными способами вторичный, где развивается температура 1600-1800° С. При этих условиях происходит интенсивный распад газа на выше поименованные составляющие.

На выходе получаются высокотемпературные легко детонирующие  летучие компоненты, такие как Н2, С2Н2, СО.

d) Сухой пиролиз топлива.

Представляет собой изолированный нагрев газа в замкнутом теплообменнике без доступа кислорода. Согласно классическим данным по пиролизу газов в горелках — в этом случае теплообменники приходится исполнять сравнительно громоздкими, а опасность отложения в трубах сажи дает основание сомневаться в эксплуатационной надежности их работы. Поэтому такой метод едва ли найдет широкое применение в ближайшее время.

Вариант выбора способа  в данном случае  зависит от энергетической эффективности детонационно-резонансной горелки для конкретных технологических целей.

Следующий этап —  подготовленное топливо  поступает для смешивания с вторичным воздухом непосредственно  перед кольцевым выходным соплом в короткую кольцевую зону смешивания. Смешивание происходит путём инжекции подготовленного топлива вторичным воздухом с большой скоростью.

После инжекции подготовленная к детонационному горению топливовоздушная смесь поступает  в кольцевое сопло. На выходе формируется высокоскоростной поток за счёт кольцевого сопла, которое изготовлено по профилю поперечного сечения сопла Лаваля.

Такой профиль позволяет сформировать радиальный центростремительный  поток топливовоздушной смеси со сверхзвуковой скоростью. Большая скорости потока топливовоздушной смеси не допускает его самовоспламенения.

Завершающий этап подготовки топливовоздушной смеси к детонации, это сверхзвуковое радиальное схлопывание в геометрическом фокусе сферы с значительным повышением давления.

Заключительный этап – инициация детонационной волны. В данном случае детонация может инициироваться как самопроизвольно, так и принудительно, например —  электроискровым поджогом. Самопроизвольно детонация  происходит посредством струйного взаимодействия и ударной фокусировки (сжатии). Зависит от скоростных, энергетических характеристик топливовоздушной смеси.  Самопроизвольная детонация ударной фокусировкой в фокусе сжатия сферы для данного типа горелок – нестабильна.

Для данного типа горелок предпочтительнее принудительный электроискровой поджог.

После  инициации формируется фронт бегущей волны детонационного горения с характеристиками, заявленными выше. Затем цикл повторяется. Частота  следования циклов зависит в основном от энергетических характеристик подготовленной топливовоздушной смеси и конструктивных характеристик исполнения горелки.

Управление работой двигателя (управление детонационным горением) для целей достижения заданных характеристик по частоте следования, температуре, скорости распространения и давлению детонационных волн осуществляется регулировкой расхода первичного и вторичного газа и воздуха под.

ОКР

Рис. № 4.8 Полусферический резонатор

ДОСТОИНСТВА:

• Высокая энергетика единичного детонационного горения.
• Квазинепрерывная работа, которая приближается к непрерывной работе за счет высокой частоты следования волн детонационного горения.
• Высокая частота работы  – 1 кГц.
• Высокий КПД.

НЕДОСТАТКИ:

• Требует предварительной подготовки  топлива (пиролиза) к детонации.

Редуктор турбореактивного двигателя является частью системы запуска двигателя от встроенного электродвигателя мощностью 900 вт.  Предназначен для раскрутки ротора турбины до оборотов, на которых возможна самостоятельная работа двигателя. Ротор турбины оснащён обгонной муфтой для автоматического отключения редуктора стартера при начале самостоятельной работы двигателя.

Рабочие обороты ротора турбины 44000 об/мин. Расчётные  обороты ротора турбины для запуска – 15000 об/мин.  Редукция –

17,18.  Скорость вращения стартера рабочая – 873 об/мин.

Редуктор турбореактивного двигателя изготовлен четырёхступенчатым с прямозубыми колёсами. 

Рис. № 12.10.1. Расчёт ступеней редуктора.

Технология изготовления редуктора  опубликована на рис. № 12.10.2 и 12.10.3

Рис. № 12.10.2.  Части редуктора.

Рис. № 12.10.3. Части редуктора.

Рис. № 12.10.4. Редуктор

Камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя  — это своего рода его сердце.

Основное назначение камеры сгорания – преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию, в результате чего температура воздуха в камере сгорания возрастает от температуры воздуха за компрессором до температуры газов перед турбиной. Камера сгорания построена  по классической схеме кольцевых камер сгорания реактивных двигателей.

Рис. 2.11.1. Части камеры сгорания

Рис. № 12.11.2. Камера сгорания в сборе.

Кожух турбореактивного двигателя изготовлен цилиндрическим с фланцевым креплением из стального листа толщиной 1,5 мм с паронитовыми прокладками.

Рис. № 12.8. Корпус турбореактивного двигателя.

В конструктивном плане представляет собой решётку из спрофилированных лопаток перед рабочим колесом турбины. Внешний мод представлен следующим образом

2.9.1. Выходной радиальный направляющий аппарат

Система старта представляет собой самодельный редуктор с обгонной муфтой на главном валу двигателя  и установленным на постоянной основе асинхронным электродвигателем   1000 ват от электродрели.

В конструктивном плане система представлена следующим образом:

Рис. № 12.7.1. Электрический стартер газотурбинного двигателя с повышающим редуктором и обгонной муфтой.

Подача топлива в камеру сгорания осуществляется топливным коллектором через 11 форсунок. Топливо подводится к каждой форсунке через спиральную скрутку медной трубки диаметром 5 мм для компенсации температурных расширений с установленной  распылительной иголкой на конце.

Рис. № 12.6.1. Топливный коллектор с 11-ю распылительными форсунками

Турбореактивный двигатель имеет  достаточно высокий расход топлива, поэтому топливо  используется  для охлаждения масла как охлаждающее вещество.

Рис. № 12.5.1. Топливомасляный радиатор

В конструктивном плане топливомасляный радиатор изготовлен из листа меди толщиной 1 мм.  Согнут гармошкой  с последующей прокаткой в кольцо.

Расчётные данные радиатора приведены на рис. № 12.5.2

2.5.2. Расчётные данные радиатора

Технология изготовления топливомасляного радиатора   следующая:

Рис. № 12.5.3. Лист меди размечен и разрезан в размер.

Рис. № 12.5.4 Края листа залужены для последующей пайки. 

2.5.5. Стапель для гибки медного листа.

Рис. № 12.5.6. Гиб в гармошку.

Между гармошками проложена стальная лента толщиной  согласно расчётным требованиям по проходным сечениям готового теплообменника, см. рис. № 11.5.7.

Рис. № 12.5.7. Прокладки из стальной ленты.

2.5.8 Стяжка гармошки до образования пакета.

Рис. № 12.5.9. Готовый пакет прокатан в кольцо на вальцегибочном станке.

Рис. № 12.5.10. Удаление прокладочной стальной ленты. 

Рис. № 12.5.11. Заключительный этап – пайка радиатора.

Сварен из листовой стали 1,5 мм толщиной по форме полусегмента.

Внутри масляного бака  установлен многосекционный масляный насос.

Объём масла в баке с учётом объёма установленного масляного насоса составляет 1 литр.

Технология изготовления масляного бака  опубликована здесь:

Рис. № 12.3.1. Заготовки маслобака.

2.3.2. Сборка маслобака.