Газотурбинный двигатель своими руками для автомобиля

Рубрика: Машины Опубликовано 02.11.

2020   ·   Комментарии: 0   ·  
На чтение: 11 мин   ·  
Просмотры:

Из курса физики мы знаем, что пламя костра горит сильнее, быстрее и при более высокой температуре, если в него надувать воздух.

Стоит помахать над шашлыками веером, как угли разгорятся ярче. Если переусердствовать, то мясо даже подгорит. Так же и в моторе. Чем сильнее вкачивать воздух, тем горячее и быстрее будет горение топлива.

При большом количестве кислорода бензин сгорает быстро и почти полностью, благодаря чему остаточные газы содержат меньше вредных веществ. Топливо преобразуется в энергию, и КПД растет. И чем больше воздуха, тем меньше бензина потребуется для осуществления мотором запланированной работы. Поэтому становится возможным сделать мотор компактнее при сохранении мощности.

К примеру, 1,4-литровые турбированные двигатели сейчас развивают ту же мощность, что и 2,0-литровые атмосферные агрегаты, а по крутящему моменту существенно их превосходят. Потребление топлива у них тоже сокращается.

К примеру, у кроссовера KIA Sportage 2,0-литровый атмосферный мотор в городском ритме потребляет 10,9 л бензина на 100 км пути, а у Volkswagen Tiguan турбированный 1,4-литровый агрегат при идентичной мощности съедает только 8,8 л.

Каков ресурс у современного турбированного мотора? Подробнее

Что такое турбонаддув?

И так, вы уже поняли, что турбонаддува (или как его еще называют «турбина»), это хороший способ увеличить производительность двигателя, но давайте разберем более подробно, как он работает.

Первое что хочется сказать, турбина — это очень полезная для окружающей среды штука. Полезность заключается в том, что работа этого агрегата основывается на потреблении энергии из уже отработавших газов.

Выхлопные газы попадают на крыльчатку турбины. Вследствие этого крыльчатка раскручивается, а вместе с ней приводятся в движение и лопасти компрессора, которые расположены на том же валу. Преимущества данной системы таковы:

• Увеличение мощности на 30-40% за счет маленького потребления топлива;
• Польза для окружающей среды;
• Возможность установки на любую марку машины;
• Возможность установки своими руками.

Раскручиваясь, компрессор нагнетает воздух в цилиндрах двигателя, т.е. бензин сильнее начинает обогащаться воздухом, и обогащенная топливовоздушная смесь, под давлением созданным искусственным наддувом, а не разряжением в больших объемах приходит в цилиндры, где и сгорает.

Конечно, из-за создания большой мощности вследствие сгорания больших объемов топлива и нагнетания кислорода, вся система под конец такта сжатия довольно сильно греется, так что возможен даже взрыв, но изобретатели данного механизма придумали как свести на нет вероятность такого исхода. Решение довольно простое, турбонаддув снабжен интеркуллером, который, по сути, является радиатором для охлаждения воздуха и соответственно всей системы.

Турбированный или атмосферный двигатель, какой лучше

Особенности и отличия

Чем особенен атмосферный двигатель?

По сути, это классический мотор, который устанавливается на большинстве современных автомобилей (уже на первой машине стоял такой вид мотора).

Его название объясняется тем, что для создания топливной смеси необходим воздух. При движении поршня в нижнюю точку происходит его затягивание через карбюратор (ресивер инжектора) и смешивание с топливом (соляркой, бензином).

Чем особенен турбированный мотор?

Это модернизированный вид ДВС, в конструкции которого есть специальная турбина. Ее задача – закачать дополнительный объем воздуха к цилиндрам для увеличения мощности двигателя (в среднем прирост составляет 10-15%).

Таким образом, основное отличие атмосферного двигателя от турбированного для покупателя – это мощность и конструкция.

К примеру, при объеме 1.5 литра мощность первого будет 75 лошадиных сил. При этом турбированный мотор (при таком же объеме) будет иметь уже 100 лошадиных сил.

Для полноты картины упомянем и третий вид двигателя – форсированный.

И снова-таки это привычный ДВС, но отличающийся более сложной конструкцией.

Для его разработки часто применяются более дорогие материалы и современные конструкции, призванные повысить мощность до максимального уровня. При этом форсированные моторы могут быть с турбиной или без нее.

Низкая надежность

Наддувные двигатели состоят из большего числа агрегатов, а надежность многокомпонентной системы всегда ниже, чем у более простой. Нагрузки на детали больше из-за большей литровой мощности. Да и конструкционные материалы в автомобильной промышленности используются преимущественно недорогие. Это же вам не аэрокосмическая отрасль…

К примеру, у турбокомпрессора есть система регулирования давления наддува, которая порой может заедать и отказывать. У редакционного Volkswagen Golf уже дважды при пробеге 80 000 и 100 000 км полностью теряла подвижность тяга привода клапана перепуска газов мимо турбины.

Недостаточный ресурс

Все мы вздыхаем по моторам-миллионникам конца прошлого века. Сейчас ресурс мотора в 400 000 км считается огромным достижением, а в прошлом он был нормой. Турбодвигатели современных автомобилей до таких пробегов не доживают.

Турбокомпрессоры на бензиновых моторах редко ходят больше 150 000 км, а начавшая «хандрить» турбина вскоре может погубить и поршневую часть.

Ведь турбокомпрессор может «выхлебать» весь запас моторного масла — в поддоне и поршневой части ничего не останется.

А еще многие производители с целью сэкономить «апгрейдят» атмосферные моторы до турбонаддувных, не особо заморачиваясь усилением некоторых деталей. Соответственно, высокие нагрузки на поршневую часть при небольшом усилении конструкции приводят к снижению ресурса.

Необходимость более частого и высококвалифицированного обслуживания

Многие производители для своих моделей с турбомоторами снизили периодичность ТО с 15 000 до 10 000 км. Так поступили, к примеру, Geely и Haval.

Наддувный мотор сложнее в обслуживании и особенно в диагностике. У него гораздо больше количество дополнительных соединений в системе турбонаддува.

Потерять герметичность могут: подвод и отвод воздуха, подвод и отвод отработанных газов, системы подачи масла под давлением и его слива, а также подачи охлаждающей жидкости.

Все это требует дополнительного внимания и опыта у сервисмена во время ТО.

Дорогой ремонт

Ремонт наддувного мотора всегда обходится дороже. Даже если турбокомпрессор в ремонтной фирме и не трогали, то прайс на восстановление двигателя все равно выше. Просто потому, что разбирать-собирать все перечисленные выше системы дольше и сложнее. А если предстоит замена турбокомпрессора, то готовьтесь выложить от 60 000 руб. Восстановление узла может потребовать половину этой суммы.

Обязательно применять хорошее топливо и смазки

Все современные моторы довольно требовательны к качеству топлива и моторного масла. Но если атмосферник на некачественных жидкостях «умрет» не сразу, то жизнь форсированного наддувного мотора будет измеряться минутами. Кроме того, расход даже самого дорогого масла у наддувного мотора будет выше, чем у большинства атмосферников.

Отдельного разговора требует расход топлива. Любой маркетолог, желающий продать вам машину с турбомотором, будет уверять, что она экономичнее, чем автомобиль с атмосферным двигателем. В теории так и есть. Но ведь турбомашина — это «великий провокатор».

Некоторые автомобилисты сознательно выбирают турбодвигатель, чтобы ездить напористо и агрессивно. В этом случае расход будет не меньше, а даже больше, примерно на 30%, чем у спокойного водителя.

Для неторопливого водителя мощность турбомашины может показаться избыточной, а повышенные затраты на содержание, (частые ТО, дорогие бензин и масло) — неоправданными.

Необходимость дополнительного охлаждения

Недаром многие сигнализации имеют опцию «турботаймер». Это устройство позволяет не глушить разогретый турбомотор сразу после остановки машины, а дает двигателю поработать на холостом ходу для охлаждения — прежде всего турбины.

Похожий алгоритм у некоторых мощных автомобилей штатно заложен в блок управления двигателем. Без этого в остановившейся, но раскаленной докрасна турбине масло закоксуется, нарушив герметичность уплотнений.

В итоге значительно вырастет расход масла на угар.

Проблемы с ликвидностью

Обо всех вышеперечисленных неприятностях осведомлены, в той или иной степени, многие автолюбители. Именно поэтому большинство предпочтет на вторичном рынке машину с атмосферным двигателем. А заезженные «турбозажигалки» приобретать будут, в основном, молодые поклонники всех серий «Форсажа».

Впрочем, есть у турбомоторов и неоспоримые плюсы.

Преимущества

Теперь рассмотрим основные положительные черты каждого из видов двигателей.

Атмосферный мотор

Атмосферный мотор имеет следующие плюсы:

За все годы применения атмосферный тип двигателей показал себя в отношении трудоспособности и выносливости только с лучшей стороны.

При этом не имеет значения, какое топливо является основным – бензин или солярка. Есть моторы, которые спокойно проезжают по 400-500 тысяч километров без серьезного вмешательства.

Истории известны и такие экземпляры атмосферных «сердец», когда кузов полностью выгнивал, а мотор еще долго дохаживал на другом автомобиле.

• Простота в эксплуатации и надежность.

Все мы знаем, что чем проще аппарат, тем он надежнее. Здесь «золотая середина» идеально соблюдена.

Особый плюс, которым обладает атмосферный двигатель — способность справляться даже с бензином очень низкого качества.

Здесь более подробно можно узнать про автомобильное топливо и его стандарты.

Конечно, не исключены определенные сбои, но на общую функциональность и ресурс это сказывается незначительно.

Если же и потребуется ремонт, то затраты на него будут минимальными.

Обусловлена простотой конструкции, о которой мы уже упоминали. Атмосферный мотор при необходимости можно перебрать до последнего винтика и собрать все обратно.

Следовательно, в сравнении с турбированным двигателем ремонт обходится намного дешевле.

Турбированный мотор

Турбированный мотор имеет следующие преимущества:

• более высокую мощность и крутящий момент, если сравнивать с обычным ДВС при аналогичном объеме двигателя. В итоге автолюбитель может наслаждаться много лучшей динамикой в движении;
• данный вид мотора менее вреден для окружающей среды, ведь за счет дополнительного наддува воздуха поступающая топливная смесь сгорает практически без остатка;
• меньшую шумность (атмосферный мотор этим не может похвастаться).

Особенности турбирования

Самое главное, что нужно понимать – при том, что турбированные моторы имеют схожесть с атмосферными ДВС, построены они на базе совершенно других принципов. Связано это с конкретными особенностями горения смеси топлива и воздуха в условии избыточных давлений и нагрузок. Чем больше воздуха, тем больше нужно топлива. Соответственно, динамика автомобиля будет более приемлемой.

На практике с одной стороны планируемый прирост мощности составляет 20-30 процентов, при этом объемы работ и вливание денежных средств — значительные. Поэтому выходит, что правильнее всего поднять результат до среднего уровня, чтобы затраты себя окупили и соответствовали желаемым требованиям.

Что необходимо для установки турбины

Помимо самой турбины, в системе присутствуют еще некоторые компоненты, которые не обходимы для её работы. Такими компонентами являются:

Выпускной коллектор турбины

Так как турбина работает на отработавших газах, её нужно врезать в магистраль выхода выхлопных газов из двигателя. Поможет на в этом так называемый специальный выпускной коллектор. Вот так вот она выглядет в сборе с турбиной.

Пайп для вывода отработавших газов

Еще одним необходимым элементом системы с установленным турбокомпрессором является специальный пайп для вывода отработавших газов наружу.

Кстати говоря в него нужно встраивать датчик лямбда зонда. Вот так это выглядит.

Магистраль подачи воздуха

Следующий необходимый элемент это сооружение магистрали подачи воздуха. Тут используются алюминиевые трубки и силиконовые патрубки для их соединения.

Прежде чем попасть воздух в мотор, для его более эффективного использования его нужно охладить. Для этого применяется интеркуллер. Вот так вот он выглядит.

На картинки он уже вместе с необходимыми патрубками. Следует отметить, что так как в турбину поступают отработанные газы, то она очень сильно нагревается, и просто необходимо подвести к ней канал с охлаждающей жидкостью.

Так – же обороты крыльчатки турбины очень высокие, и для обеспечения её долгой и надежной работы, необходимо подвести к ней масло канал из двигателя.

Блоуофф

Все наверное слышали так называемый пшик у автомобилях с турбиной, или блоуофф. Нужен он для сброса лишнего давление воздуха.

Электроника

Если вы решили установить турбину на свой автомобиль, то необходимо позаботится о форсунках. Форсунки нужно приобреси с более высокой производительностью, так мощность двигателя возрастет и стандартных форсунок просто напросто не хватит. У народных тюнеров пользуются спросом форсунки от субару, ну или более дешевый вариант — поставить волговские.

Так же стоит уделить внимание и на ЭБУ. Так как стандартная программа больше не подойдет, ее нужно будет менять и откатывать онлайн. Для этого нужно будет воспользоваться услугами настройщиков у которых есть специальное оборудование для этого.

Стоит ли игра свеч

Многие уверены, что установка турбины – это дело двух часов. Но в результате увеличится продуктивность, а вместе с ней и нагрузки на двигатель – без замены основных элементов не обойтись.

Отзывы говорят, что придется менять форсунки. С турбиной устанавливают более производительные. Также меняют топливный насос, устанавливают новую выхлопную систему – с трубами большего диаметра. Дальше меняют лямбда-зонд.

Дополнительно нужно найти подходящее место под монтаж интеркулера. Меняют и поршневую систему, улучшают систему охлаждения.

Кроме всего этого, необходимо обеспечить приток масла к турбине, уменьшить степень сжатия ДВС, поменять распределительные валы, установить усиленные опоры двигателя.

Но это еще не все. Когда двигатель собран, появляется следующий неприятный момент – оказывается, что на штатном ЭБУ агрегат даже не заведется. Работают такие моторы с дорогими перенастраиваемыми блоками управления. Нужно менять прошивку – говорят отзывы.

Вывод

Итак, как видите установить турбонаддув на двигатель внутреннего сгорания, будь то дизельный или бензиновый мотор, не представляет никакого труда. Всего-то и нужно, что прочитать данную статью и хоть немного представлять внутреннее устройство «сердца машины». Если же вы в чем-то неуверены, всегда можно получить консультации в данном вопросе у специалистов на СТО.

Когда турбонаддув будет установлен на вашу машину, вы почувствуете значительное увеличения набирания оборотов, усиление динамики автомобиля и большую набираемую скорость. Все эти гигантские плюсы достигаются всего лишь при незначительном увеличении потребления топлива, так что думается, поставив данный девайс на своего «железного коня», владелец только выиграет.

Источники

• https://aif.ru/auto/about/vdohnut_energiyu_pochemu_turbirovannyy_dvigatel_ekonomichnee_atmosfernogo
• https://autodont.ru/inlet-system/turbonadduv/ustanovka
• https://AutoTopik.ru/sovet/694-turbirovannyy-ili-atmosfernyy-dvigatel.html
• https://www.zr.ru/content/articles/919836-7-glavnykh-nedostatkov-i-2-plyus/
• https://FB.ru/article/337213/ustanovka-turbinyi-opisanie-osobennosti-shema-i-otzyivyi
• https://djago.ru/sistema-vpriska/pervye-shagi-v-ustanovke-turbiny-na-atmosfernyj-dvigatel/

• [свернуть]

Почему газотурбинные автомобили не пошли в массовое производство?

ДВС резко контрастирует с давно укоренившимся господством газотурбинных двигателей (ГТД) в авиации и судостроении и совершенно не вписывается в образы будущего, созданные футуристами XX века.

Газотурбинный автомобиль Журнал «За рулем», № 2, 1956 г., gaz21.ru

Даже супермодные гибридные автомобили используют те же поршневые моторы, а турбины в автотракторной технике нашли надёжное применение лишь для нагнетания воздуха в поршневой ДВС.

Неужели автомобилестроителям не приходило в голову заменить эту «поршневую тарахтелку» на «благородно поющую» турбину? Оказывается, приходило, и не раз. Причём началось это довольно давно.

Краткий экскурс в историю

В 1950−1970-х годах в разных странах велись работы по созданию газотурбинных седельных тягачей, магистральных автобусов и даже легковых автомобилей.

Газотурбинный седельный тягач Kenworth рядом с серийным дизельным вариантом Kenworth-524 (США, 1950 г.) Журнал «Life», drive2.ru Экспериментальный газотурбинный автобус НАМИ-053 Турбо (СССР, 1959 г.) author.today Rover JET1 (Британия 1950 г.) car-day.ru

Многие из них для привлечения внимания были также нашпигованы другими (в т. ч. экзотическими) техническими новшествами и имели эпатажный футуристический дизайн.

Экспериментальный автобус Viberti Golden Dolphin (Италия, 1956 г.) autotruck-press.ru Прототип автопоезда Ford Gas Turbine Truck (США, 1964 г.) autotruck-press.ru Макет двухсекционного магистрального грузовика Chevrolet Bison (США, 1964 г.) ax4.ru Грузовое шасси Leyland Gas Turbine (Британия, 1968 г.) autotruck-press.ru Экспериментальный скоростной автобус GM RTX с газовой турбиной GT-309 (США, 1968 г.) autotruck-press.ru Газотурбинный автомобиль Chrysler Turbine Car (США, 1963 г.). Компания Chrysler выпустила несколько десятков таких машин autotruck-press.ru

В 1970-х в разных странах (в т. ч. в СССР) были разработаны и испытаны газотурбинные сельскохозяйственные тракторы.

В 1960−1970-е годы в СССР несколько заводов разрабатывали газотурбинные автомобили, в т. ч. в инициативном порядке.

Наиболее успешной была разработка газотурбинного двигателя ГАЗ‑99ДМ для седельного тягача, которая велась Горьковским автозаводе совместно с НАМИ с конца 1960-х по начало 1980-х годов. Этот мощный ГТД также планировалось применять на военных грузовиках Кременчугского автозавода.

Опытный образец газотурбинного автомобиля КрАЗ-Э260Е (СССР, 2 половина 1970-х гг.) autotruck-press.ru

Почему же ни одна из этих смелых разработок не была поставлена на конвейер? Рассмотрим этот вопрос с технической точки зрения.

Проблемы и перспективы

Газотурбинные двигатели имеют следующие преимущества перед поршневыми:

1. Потенциально более высокая надёжность и простота обслуживания (связано с простотой конструкции, отсутствием возвратно-поступательного движения и меньшим числом подвижных частей).
2. Более широкий диапазон частоты вращения выходного вала.
3. Меньший вес и габариты.

Однако последнее преимущество при ближайшем рассмотрении является очень условным, вскрывая основной недостаток ГТД перед поршневым ДВС.

Газотурбинные автомобили 1950-х годов производили сильное впечатление полупустым подкапотным пространством. Но этот «трюк» удавался за счёт большого потребления топлива. Дело в том, что КПД (экономичность) ГТД довольно низкий, поскольку около 2/3 мощности турбины тратится на привод компрессора, подающего воздух в камеру сгорания.

При этом температура выхлопных газов турбины очень высока. Избыточную (недоиспользованную) тепловую энергию можно использовать для повышения экономичности двигателя: например, нагревать топливо или воздух (после сжатия компрессором ГТД) перед подачей в камеру сгорания. Для этого в 1960-х годах в составе автомобильных ГТД появились теплообменники.

Схема ГТД компании Chrysler с двумя роторными теплообменниками (температуры указаны для режима холостого хода) ru.wikipedia.

org

С применением теплообменника расход топлива и температура выхлопа снизились, но всё же недостаточно.

Например, утверждается, что компания Chrysler держала в секрете реальный расход топлива своей газотурбинной легковушки, а её выхлоп поджигал траву и заборы в 2 м за собой.

Применение более мощного теплообменника делает транспортное средство с ГТД более тяжёлым, громоздким и дорогим, чем с поршневым ДВС.

В советском ГТД ГАЗ‑99 был использован роторный теплообменник особой конструкции, что значительно повышало топливную эффективность двигателя в сравнении с аналогами. Но и здесь она была, по-видимому, недостаточной.

К указанной проблеме ГТД также добавляются его следующие принципиальные недостатки:

• медленная реакция при воздействии на педаль газа (благодаря инерции ротора);
• разрушительное воздействие пыли на рабочие лопатки (более актуально для внедорожной и карьерной техники).

Для автомобиля с прямым механическим приводом от ГТД на колёса оптимальным является режим движения с постоянной скоростью.

Позитивная сторона

Проблемы инертности и недостаточной экономичности ГТД могут быть решены путём использования его в составе гибридного привода. Гибридный автомобиль — это электромобиль с собственной электростанцией на борту, которая может быть выполнена на основе не только поршневого, но и газотурбинного двигателя.

Электростанция заряжает накопители электроэнергии, которые питают тяговый электродвигатель. Нажимая на «газ», водитель управляет электродвигателем, что обеспечивает быструю реакцию автомобиля, на которую инерция ГТД не влияет.

• Дополнительный «бонус» этой схемы — возможность «рекуперации энергии торможения»: при торможении колёса крутят электрогенератор, в связи с чем удаётся вернуть часть энергии, затраченной ранее на разгон машины.
• В 1990−2000-х годах в США и Западной Европе были разработаны малые стационарные электростанции мощностью 30−200 кВт с принципиально новыми ГТД, оснащёнными компактными эффективными пластинчатыми теплообменниками оригинальной конструкции.

Принципиальная схема ГТД компании Capstone (температуры указаны для режиме максимальной мощности) manbw.ru

1. Несколько компаний в разных странах разработали гибридные городские автобусы с использованием этих установок.

Гибридный городской автобус «Тролза-5250» («Экобус») с американской газотурбинной установкой Capstone C65 (Россия, 2000-е гг.) gruzovikpress.ru

Тем не менее эти газотурбинные установки дороги и имеют конструктивные недостатки. Для создания надёжных недорогих турбо-гибридных автомобилей необходима разработка целой линейки специальных ГТД и обеспечение их достаточно массового сбыта. Однако масштабность данной задачи делает её весьма проблематичной для частных компаний.

Таким образом, можно подытожить, что технологический уровень XX века не позволял создать достаточно компактный и экономичный газотурбинный двигатель для автомобиля.

В настоящее же время автомобильный газотурбинный двигатель с прямым механическим приводом на колёса потерял актуальность и имеет смысл только в составе гибридного привода.

Современные технологии и имеющиеся наработки вполне позволяют создать дешёвый и эффективный газотурбинный «гибрид» для самого широкого применения, но эта технология требует политической воли и больших инвестиций.

VIDEOMiN.ORG

6:26

6:26

25446

11:19 Великий Газотурбинный Краз. Уронил нас.

11:19

599719

30:22 Газотурбинный двигатель АИ-8

30:22

496835

4:10

4:10

285854

5:36 газотурбиный двигатель и его работа

5:36

965031

5:51

5:51

927127

1:11:29 Газотурбинные двигатели. Кирилл Виноградов

1:11:29

826037

0:41 Gas-turbine engine of T-80 / Газотурбинный двигатель T-80

0:41

704926

3:53 Газотурбинный двигатель Animation

3:53

88976

5:20 ГАЗОВАЯ ТУРБИНА || ⏱ Что это? Зачем это?

5:20

913721

11:41 ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ | ПРИНЦИП РАБОТЫ | РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ

11:41

190471

11:59 Турбо реактивный двигатель На дровах!

11:59

20284

3:32 Газотурбовоз ГТ 1 Gas turbine electric locomotive GT 1

3:32

498358

30:22 Газотурбинный двигатель АИ-8

30:22

320016

5:20 ГАЗОВАЯ ТУРБИНА || ⏱ Что это? Зачем это?

5:20

291500

5:43 Y2K Superbike — Газотурбинный гипербайк

5:43

863922

5:25 Газотурбинный двигатель с низкими оборотами.

5:25

144381

4:08 Газотурбинный двигатель 3D Animation MS5002E.mp4

4:08

447168

3:33 Газотурбинный двигатель своими руками

3:33

487905

0:23 Газотурбинный двигатель Garrett GTCP-85

0:23

102745

0:50 Газотурбинный двигатель ГТДЭ-117(-1) в разрезе

0:50

220248

22:01 BMW с реактивным ТУРБОВАЛЬНЫМ двигателем

22:01

631615

2:04 Запуск газотурбинного двигателя (ГТД) 9И56

2:04

838735

24:47 Турбовентиляторный двигатель. Просто о сложном

24:47

815797

0:55 Газотурбинный двигатель Garrett GTCP-85

0:55

238462

1:56 Газотурбинные двигатели будут испытывать по-новому

1:56

928918

0:59 Лада 2108 с газотурбинным двигателем. Запуск

0:59

972989

1:01 Мотоцикл с газотурбинным двигателем

1:01

620002

Как смастерить реактивный двигатель: наглядное пособие

Бесклапанный ПуВРД — удивительная конструкция. В ней нет движущихся частей, компрессора, турбины, клапанов. Простейший ПуВРД может обойтись даже без системы зажигания. Этот двигатель способен работать практически на чем угодно: замените баллон с пропаном канистрой с бензином — и он продолжит пульсировать и создавать тягу. К сожалению, ПуВРД оказались несостоятельными в авиации, но в последнее время их всерьез рассматривают как источник тепла при производстве биотоплива. И в этом случае двигатель работает на графитовой пыли, то есть на твердом топливе.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Наконец, элементарный принцип работы пульсирующего двигателя делает его относительно безразличным к точности изготовления. Поэтому изготовление ПуВРД стало излюбленным занятием для людей, неравнодушных к техническим хобби, в том числе авиамоделистов и начинающих сварщиков.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Несмотря на всю простоту, ПуВРД — это все-таки реактивный двигатель. Собрать его в домашней мастерской весьма непросто, и в этом процессе немало нюансов и подводных камней.

Поэтому мы решили сделать наш мастер-класс многосерийным: в этой статье мы поговорим о принципах работы ПуВРД и расскажем, как изготовить корпус двигателя. Материал в следующем номере будет посвящен системе зажигания и процедуре запуска.

Наконец, в одном из последующих номеров мы обязательно установим наш мотор на самодвижущееся шасси, чтобы продемонстрировать, что он действительно способен создавать серьезную тягу.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

От русской идеи до немецкой ракеты

Собирать пульсирующий реактивный двигатель особенно приятно, зная, что впервые принцип действия ПуВРД запатентовал российский изобретатель Николай Телешов еще в 1864 году.

Авторство первого действующего двигателя также приписывается россиянину — Владимиру Караводину.

Высшей точкой развития ПуВРД по праву считается знаменитая крылатая ракета «Фау-1», состоявшая на вооружении армии Германии во время Второй мировой войны.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Чтобы работать было приятно и безопасно, мы предварительно очищаем листовой металл от пыли и ржавчины с помощью шлифовальной машинки. Края листов и деталей, как правило, очень острые и изобилуют заусенцами, поэтому работать с металлом надо только в перчатках.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Конечно же, речь идет о клапанных пульсирующих двигателях, принцип действия которых понятен из рисунка. Клапан на входе в камеру сгорания беспрепятственно пропускает в нее воздух. В камеру подается топливо, образуется горючая смесь.

Когда свеча зажигания поджигает смесь, избыточное давление в камере сгорания закрывает клапан. Расширяющиеся газы направляются в сопло, создавая реактивную тягу.

Движение продуктов сгорания создает в камере технический вакуум, благодаря которому клапан открывается, и в камеру всасывается воздух.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В отличие от турбореактивного двигателя, в ПуВРД смесь горит не непрерывно, а в импульсном режиме.

Именно этим объясняется характерный низкочастотный шум пульсирующих моторов, который делает их неприменимыми в гражданской авиации.

С точки зрения экономичности ПуВРД также проигрывают ТРД: несмотря на впечатляющее отношение тяги к массе (ведь у ПуВРД минимум деталей), степень сжатия в них достигает от силы 1,2:1, поэтому топливо сгорает неэффективно.

Прежде чем отправляться в мастерскую, мы начертили на бумаге и вырезали шаблоны разверток деталей в натуральную величину. Осталось лишь обвести их перманентным маркером, чтобы получить разметку для вырезания.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Зато ПуВРД бесценны как хобби: ведь они могут обходиться вообще без клапанов. Принципиально конструкция такого двигателя представляет собой камеру сгорания с подсоединенными к ней входной и выходной трубами. Входная труба гораздо короче выходной. Клапаном в таком двигателе служит не что иное, как фронт химических превращений.

Горючая смесь в ПуВРД сгорает с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией (в отличие от сверхзвукового — детонации). При воспламенении смеси горючие газы вырываются из обеих труб. Именно поэтому и входная, и выходная трубы направлены в одну сторону и сообща участвуют в создании реактивной тяги.

Но за счет разницы длин в тот момент, когда давление во входной трубе падает, по выходной еще движутся выхлопные газы. Они создают разрежение в камере сгорания, и через входную трубу в нее затягивается воздух. Часть газов из выходной трубы также направляется в камеру сгорания под действием разрежения.

Они сжимают новую порцию горючей смеси и поджигают ее.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

При работе с электрическими ножницами главный враг – вибрации. Поэтому заготовку нужно надежно фиксировать с помощью струбцины. При необходимости можно очень аккуратно погасить вибрации рукой.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Бесклапанный пульсирующий двигатель неприхотлив и стабилен. Для поддержания работы ему не требуется система зажигания. За счет разрежения он всасывает атмосферный воздух, не требуя дополнительного наддува.

Если строить мотор на жидком топливе (мы для простоты предпочли газ пропан), то входная труба исправно выполняет функции карбюратора, распыляя в камеру сгорания смесь бензина и воздуха.

Единственный момент, когда необходима система зажигания и принудительный наддув, — это запуск.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Китайский дизайн, российская сборка

Существует несколько распространенных конструкций пульсирующих реактивных двигателей. Кроме классической «U-образной трубы», весьма сложной в изготовлении, часто встречается «китайский двигатель» с конической камерой сгорания, к которой под углом приваривается небольшая входная труба, и «русский двигатель», по конструкции напоминающий автомобильный глушитель.

Трубы фиксированного диаметра легко формуются вокруг трубы. В основном это делается руками за счет эффекта рычага, а края заготовки закругляются с помощью киянки. Края лучше формовать так, чтобы при состыковке они образовывали плоскость – так легче положить сварной шов.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Прежде чем экспериментировать с собственными конструкциями ПуВРД, настоятельно рекомендуется построить двигатель по готовым чертежам: ведь сечения и объемы камеры сгорания, входной и выходной труб всецело определяют частоту резонансных пульсаций. Если не соблюдать пропорции, двигатель может не запуститься. Разнообразные чертежи ПуВРД доступны в интернете. Мы выбрали модель под названием «Гигантский китайский двигатель», размеры которой приводим во врезке.

Любительские ПуВРД делаются из листового металла. Применять в строительстве готовые трубы допустимо, но не рекомендуется по нескольким причинам. Во-первых, практически невозможно подобрать трубы точно требуемого диаметра. Тем более сложно найти необходимые конические секции.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Сгибание конических секций – это исключительно ручной труд. Залог успеха – обжимать узкий конец конуса вокруг трубы малого диаметра, давая на него больше нагрузки, чем на широкую часть.

Во-вторых, трубы, как правило, имеют толстые стенки и соответствующий вес. Для двигателя, который должен обладать хорошим соотношением тяги к массе, это неприемлемо. Наконец, во время работы двигатель раскаляется докрасна. Если применять в конструкции трубы и фитинги из разных металлов с разным коэффициентом расширения, мотор проживет недолго.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Итак, мы выбрали путь, который выбирает большинство любителей ПуВРД, — изготовить корпус из листового металла.

И тут же встали перед дилеммой: обратиться к профессионалам со специальным оборудованием (станки для водно-абразивной резки с ЧПУ, вальцы для проката труб, специальная сварка) или, вооружившись простейшими инструментами и самым распространенным сварочным аппаратом, пройти нелегкий путь начинающего двигателестроителя от начала до конца. Мы предпочли второй вариант.

Снова в школу

Первое, что необходимо сделать, — начертить развертки будущих деталей. Для этого необходимо вспомнить школьную геометрию и совсем немного вузовского черчения.

Сделать развертки цилиндрических труб проще простого — это прямоугольники, одна сторона которых равна длине трубы, а вторая — диаметру, умноженному на «пи».

Рассчитать развертку усеченного конуса или усеченного цилиндра — чуть более сложная задача, для решения которой нам пришлось заглянуть в учебник черчения.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Сварка тонкого листового металла – тончайшая работа, особенно если вы используете ручную дуговую сварку, как мы. Возможно, для данной задачи лучше подойдет сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в аргонной среде, но оборудование для нее редкое и требует специфических навыков.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Выбор металла — весьма деликатный вопрос.

С точки зрения термостойкости для наших целей лучше всего подходит нержавейка, но для первого раза лучше использовать черную низкоуглеродистую сталь: ее проще формовать и варить.

Минимальная толщина листа, способного выдержать температуру сгорания топлива, — 0,6 мм. Чем тоньше сталь, тем легче ее формовать и труднее варить. Мы выбрали лист толщиной 1 мм и, похоже, не прогадали.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Даже если ваш сварочный аппарат может работать в режиме плазменной резки, не используйте его для вырезания разверток: края обработанных таким образом деталей плохо свариваются. Ручные ножницы по металлу — тоже не лучший выбор, так как они загибают края заготовок. Идеальный инструмент — электрические ножницы, которые режут миллиметровый лист как по маслу.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Для сгибания листа в трубу есть специальный инструмент — вальцы, или листогиб. Он относится к профессиональному производственному оборудованию и поэтому вряд ли найдется у вас в гараже. Согнуть достойную трубу помогут тиски.

Процесс сварки миллиметрового металла полноразмерным сварочным аппаратом требует определенного опыта. Чуть передержав электрод на одном месте, легко прожечь в заготовке дыру. При сварке в шов могут попасть пузырьки воздуха, которые затем дадут течь. Поэтому имеет смысл шлифовать шов болгаркой до минимальной толщины, чтобы пузырьки не оставались внутри шва, а становились видимыми.

В следующих сериях

К сожалению, в рамках одной статьи невозможно описать все нюансы работы. Принято считать, что эти работы требуют профессиональной квалификации, однако при должном усердии все они доступны любителю. Нам, журналистам, самим было интересно освоить новые для себя рабочие специальности, и для этого мы читали учебники, советовались с профессионалами и совершали ошибки.

Корпус, который мы сварили, нам понравился. На него приятно смотреть, его приятно держать в руках. Так что искренне советуем и вам взяться за такое дело.