Silnik pulsacyjny - rys historyczny i zasada działania

Kontynuuję serię artykułów o napędach lotniczych, w których staram się przybliżyć różne napędy statków latających. We wcześniejszych artykułach opisałem silnik turbowentylatorowy oraz silniki strumieniowe. Tym razem chciałbym przedstawić wam silni pulsacyjny. Zapraszam do lektury.

Silnik pulsacyjny - historia

Pierwszy silnik pulsacyjny został zbudowany w Rosji na początku XX wieku. Konstrukcję opatentował w 1906 roku Rosyjski inżynier Karavodin, który rok później ukończył pierwszą działającą konstrukcję. W krótkim czasie powstało kilka innych rozwiązań, które nieznacznie się od siebie różniły. Można wskazać dwa trendy rozwojowe - silniki zaworowe i bezzaworowe. Konstrukcją bardzo mocno zainteresował się rząd III Rzeszy, który jeszcze przed II wojną światową, na początku lat '30 ubiegłego wieku, począł wspierać rozwój tego napędu.
Finalnie, swoje zastosowanie silniki pulsacyjne znalazły w słynnych niemieckich rakietach V-1 (latających bombach). Rakiety te wykorzystywały rozwiązanie zaworowe. Prostota konstrukcji pozwalała wyprodukować bardzo szybko kilka tysięcy rakiet tego typu - szacuje się, że odpalonych zostało około 5500 sztuk, a głównym ich celem był Londyn. Samo wykonanie silników do wspomnianej broni wskazuje na bardzo duży pośpiech - spawy na konstrukcji wykonane były z bardzo małą starannością. Jedynie zawory, których konstrukcja zostanie opisana poniżej, cechowały się wysoką jakością oraz precyzją jak na tamte czasy.

Silnik pulsacyjny - co to za zwierzę?

Silnik pulsacyjny jest odmianą silników przepływowych, przypominających silniki strumieniowe - brak tutaj klasycznej sprężarki lub turbiny - nie są one potrzebne. Silniki pulsacyjne, jak nazwa wskazuje nie pracują w sposób ciągły (jak turboodrzutowe, strumieniowe, itp.), ich praca ma charakter powtarzalnych deflagracji o określonej częstotliwości, przypisanej do danego silnika - dla V-1 było to 42-45 Hz.

Zaworowe silniki pulsacyjne:

Spalanie paliwa w zaworowych silnikach pulsacyjnych odbywa się w sposób powtarzalny. W czasie jednego cyklu pracy silnika do komory spalania zasysana jest mieszanka paliwowa za pomocą podciśnienia wewnątrz komory spalania. Po wypełnieniu komory spalania mieszanką paliwową dochodzi do jej zapłonu na skutek jej zetknięcia się z rozgrzaną, wewnętrzną ścianą komory spalania. Gwałtowny zapłon mieszanki powoduje wzrost ciśnienia tym samym zamykając zawory, w związku z czym fala ciśnienia może przemieszczać się wyłącznie wzdłuż rury wylotowej. Zgęszczeniowej fali ciśnienia po dotarciu do końca rury wylotowej towarzyszy wypływ gorących gazów (ciśnienie w komorze spalania spada do poziomu ciśnienia atmosferycznego) oraz odbicie się fali. Przemieszczająca się w stronę komory spalania fala rozrzedzenia powoduje spadek ciśnienia w komorze, co z kolei przyczynia się do otwarcia zaworów oraz zassania kolejnej dawki mieszanki paliwowej, tym samym rozpoczyna się kolejny cykl pracy silnika.

Wady:

• niska wytrzymałość zaworów dochodząca do 50 godzin pracy,
• brak możliwości dostosowania się silnika do zmiany ciśnienia atmosferycznego wraz ze wzrostem wysokości lotu (spadek sprawności silnika) - zastosowanie tego silnika jest ograniczone przez pułap lotu,
• wysoka sprawność pracy jedynie dla częstotliwości pracy odpowiadającej częstotliwości własnej zaworów.

Silniki z gazowymi zaworami bezwładnościowymi (fizycznie bez zaworów)

Silniki tego typu opracowane zostały po raz pierwszy w 1950 r. przez Bertina. Silnik jego pomysłu posiadał długą rurę wlotową, gorące gazy powstałe w wyniku spalania mieszanki wypływają przez przewód wlotowy jak i dyszę wylotową. W wyniku bezwładności obu wypływów powstaje podciśnienie w komorze spalania, jednakże bezwładność strumienia wychodzącego przez dyszę wylotową jest większa, co powoduje zakończenie wypływu spalin przez przewód wlotowy, oraz zaczerpnięcie do komory spalania nowej dawki mieszanki paliwowej.

Cykl pracy bezzaworowego silnika pulsacyjnego:

1. W komorze spalania zachodzi nagłe spalanie przy ciśnieniu atmosferycznym, a gorące produkty spalania zaczynają się rozprężać w kierunku dyszy wylotowej oraz wlotu. Ze względu na różnicę przekrojów oraz długości, większość gazów jest kierowana w stronę dyszy wylotowej. Z silnika nie wydostaje się jednak cały ładunek – część spalin nie zdąży dotrzeć do końca rury wylotowej zanim nastąpi kolejny cykl spalania.
2. Gwałtowne rozprężanie się gazów w obu kierunkach wywołuje znaczne podciśnienie w komorze spalania. Podciśnienie to hamuje wypływ gazów i zasysa świeże powietrze poprzez wlot, a także cofa część gorących spalin znajdujących się w rurze wylotowej do komory spalania (efekt Kadenacy'ego, występujący również w silnikach dwusuwowych).
3. Wtrysk paliwa powoduje powstanie mieszanki palnej, która ulega zapłonowi od gorących spalin oraz rozgrzanych ścianek komory spalania (początkowo ścianki są zimne, a ich wpływ pomijalny pod tym względem). Cały proces wraca do punktu wyjścia i powtarza się.

Najpopularniejszym rodzajem bezzaworowego silnika pulsacyjnego jest następująca konstrukcja:

Podsumowanie

Silniki pulsacyjne cechują się przede wszystkim pozornie łatwą budową oraz dużą niezawodnością wynikającą z braku ruchomych części (wyjątkami są zawory oraz układ rozruchowy i zasilający paliwem). Ponadto teoretycznie są bardzo elastyczne w kwestii spalanego paliwa. Do ich negatywnych cech należą: duża emisja hałasu, niska sprawność ogólna (dla zaworowych około 25%), okresowe przebiegi parametrów pracy (stała częstotliwość, zmienne prędkości i ciśnienia na wylocie) zależące od rozmiarów konstrukcji, duże pulsacje ciągu oraz małe jego wartości średnie możliwe do uzyskania.