Un chorro de pulsos sin válvulas (o chorro de pulsos ) es el dispositivo de propulsión a chorro conocido más simple . Los inyectores de impulsos sin válvulas son de bajo costo, livianos, potentes y fáciles de operar. Tienen todas las ventajas (y la mayoría de las desventajas) de los impulsores de impulsos con válvula convencionales , pero sin las válvulas de lengüeta que necesitan un reemplazo frecuente: un impulsor de impulsos sin válvulas puede funcionar durante toda su vida útil con prácticamente cero mantenimiento. Se han utilizado al poder modelos de aviones , experimentales karts , [1] y aviones militares no tripulados tales como misiles de crucero y aviones blanco .
Caracteristicas basicas
Un motor de chorro de pulso es un motor de reacción de respiración de aire que emplea una secuencia continua de eventos de combustión discretos en lugar de un evento de combustión sostenida. Esto lo distingue claramente de otros tipos de motores de reacción, como cohetes , turborreactores y ramjets , que son todos dispositivos de combustión constante. Todos los demás motores de reacción funcionan manteniendo una presión interna alta; Los chorros de pulso son impulsados por una alternancia entre alta y baja presión. Esta alternancia no se mantiene mediante ningún dispositivo mecánico, sino más bien por la resonancia acústica natural de la estructura tubular rígida del motor. El chorro de pulsos sin válvulas es, mecánicamente hablando, la forma más simple de chorro de pulsos y es, de hecho, el dispositivo de propulsión por respiración de aire más simple conocido que puede funcionar "estáticamente", es decir, sin movimiento hacia adelante.
Los eventos de combustión que impulsan un chorro de pulsos a menudo se denominan informalmente explosiones ; sin embargo, el término correcto es deflagraciones . [2] No son detonaciones , que es el evento de combustión en los motores de detonación de pulsos (PDE). La deflagración dentro de la zona de combustión de un chorro de pulsos se caracteriza por un aumento repentino de la temperatura y la presión seguido de una rápida expansión subsónica en el volumen de gas. Es esta expansión la que realiza el trabajo principal de mover el aire hacia atrás a través del dispositivo, así como establecer las condiciones en el tubo principal para que el ciclo continúe.
Un motor de chorro de pulsos funciona acelerando alternativamente una masa de aire contenida hacia atrás y luego respirando una masa de aire fresco para reemplazarla. La energía para acelerar la masa de aire es proporcionada por la deflagración del combustible mezclado completamente con la masa de aire fresco recién adquirida. Este ciclo se repite muchas veces por segundo. Durante la breve fase de aceleración de la masa de cada ciclo, la acción física del motor es como la de otros motores de reacción: la masa de gas se acelera hacia atrás, lo que resulta en una aplicación de fuerza hacia adelante en el cuerpo del motor. Estos pulsos de fuerza, que se repiten rápidamente a lo largo del tiempo, comprenden la fuerza de empuje medible del motor.
Algunas diferencias básicas entre los inyectores de pulso con válvula y sin válvula son:
- Los motores de chorro de pulso sin válvula no tienen válvula mecánica, lo que elimina la única "parte móvil" interna del chorro de pulso convencional. [ cita requerida ]
- En los motores sin válvulas, la sección de admisión tiene un papel importante que desempeñar durante todo el ciclo de impulsos.
- Los motores sin válvulas producen fuerzas de empuje en dos eventos de aceleración de masa distintos pero sincronizados por ciclo, en lugar de solo uno.
Teoría básica (con válvula) del chorro de pulsos
En un pulsojet convencional "con válvula", como el motor de la infame "bomba de zumbido" V-1 de la Segunda Guerra Mundial, hay dos conductos conectados a la zona de combustión donde ocurren las deflagraciones. Estos se conocen generalmente como la "entrada" (un conducto muy corto) y el "tubo de escape" (un conducto muy largo). La función de la entrada orientada hacia adelante es proporcionar aire (y en muchos chorros de impulsos más pequeños, la acción de mezcla de aire y combustible) para la combustión. El propósito del tubo de escape orientado hacia atrás es proporcionar masa de aire para la aceleración por la explosión explosiva, así como dirigir la masa acelerada totalmente hacia atrás. La zona de combustión (generalmente una sección de "cámara" ensanchada) y el tubo de escape forman el tubo principal del motor. Una válvula unidireccional flexible de masa baja (o varias válvulas idénticas) separa la entrada de la zona de combustión.
Al comienzo de cada ciclo, se debe introducir aire en la zona de combustión. Al final de cada ciclo, el tubo de escape debe recargarse con aire de la atmósfera circundante. Ambas acciones básicas se logran mediante una caída significativa de la presión que se produce naturalmente después de la expansión de la deflagración, un fenómeno conocido como efecto Kadenacy (que lleva el nombre del científico que lo describió por primera vez en su totalidad). Esta baja presión temporal abre la válvula de metal y aspira el aire de admisión (o la mezcla de aire / combustible). También provoca una inversión del flujo en el tubo de escape que extrae aire fresco hacia adelante para volver a llenar el tubo. Cuando ocurre la siguiente deflagración, el rápido aumento de presión cierra la válvula de golpe muy rápidamente, asegurando que casi ninguna masa de explosión salga en la dirección de avance, por lo que la expansión de los gases de combustión se utilizará para acelerar la masa de aire reabastecida en el tubo de escape largo. hacia atrás.
Operación de chorro de pulsos sin válvulas
El chorro de pulsos sin válvulas no es realmente sin válvulas, solo usa la masa de aire en el tubo de admisión como su válvula, en lugar de una válvula mecánica. No puede hacer esto sin mover el aire de admisión hacia afuera, y este volumen de aire en sí tiene una masa significativa, al igual que el aire en el tubo de escape; por lo tanto, la deflagración no lo expulsa instantáneamente, sino que se acelera en una fracción significativa del aire. Tiempo del ciclo. En todos los diseños de chorro de impulsos sin válvulas exitosos conocidos, la masa de aire de admisión es una pequeña fracción de la masa de aire del tubo de escape (debido a las dimensiones más pequeñas del conducto de admisión). Esto significa que la masa de aire de admisión se eliminará del contacto con el cuerpo del motor más rápido que la masa del tubo de escape. El desequilibrio cuidadosamente diseñado de estas dos masas de aire es importante para la sincronización adecuada de todas las partes del ciclo.
Cuando comienza la deflagración, una zona de presión significativamente elevada viaja hacia afuera a través de ambas masas de aire como una onda de compresión . Esta onda se mueve a la velocidad del sonido a través de las masas de aire de admisión y de escape. (Debido a que estas masas de aire tienen una temperatura significativamente elevada como resultado de ciclos anteriores, la velocidad del sonido en ellas es mucho mayor de lo que sería en el aire exterior normal). Cuando una onda de compresión alcanza el extremo abierto de cualquiera de los tubos, una baja La onda de enrarecimiento de presión comienza de nuevo en la dirección opuesta, como si "reflejara" el extremo abierto. Esta región de baja presión que regresa a la zona de combustión es, de hecho, el mecanismo interno del efecto Kadenacy . No habrá "respiración" de aire fresco en la zona de combustión hasta la llegada de la onda de rarefacción.
El movimiento ondulatorio a través de las masas de aire no debe confundirse con los movimientos separados de las propias masas. Al comienzo de la deflagración, la onda de presión se mueve inmediatamente a través de ambas masas de aire, mientras que la expansión del gas (debido al calor de combustión) apenas comienza en la zona de combustión. La masa de aire de admisión se acelerará rápidamente hacia afuera detrás de la onda de presión, porque su masa es relativamente pequeña. La masa de aire del tubo de escape seguirá la onda de presión saliente mucho más lentamente. Además, la eventual inversión del flujo se producirá mucho antes en la admisión, debido a su menor masa de aire. La sincronización de los movimientos de las olas está determinada básicamente por las longitudes de la admisión y el tubo principal del motor; la sincronización de los movimientos de masas está determinada principalmente por los volúmenes y las formas exactas de estas secciones. Ambos se ven afectados por las temperaturas locales del gas .
En el motor sin válvulas, en realidad habrá dos llegadas de ondas de rarefacción: primero, desde la admisión y luego desde el tubo de escape. En diseños típicos sin válvulas, la onda que regresa de la entrada será relativamente débil. Su efecto principal es iniciar la inversión del flujo en la propia entrada, de hecho, "precargar" el conducto de entrada con aire exterior fresco. La respiración real del motor en su conjunto no comenzará en serio hasta que la onda principal de baja presión del tubo de escape alcance la zona de combustión. Una vez que eso sucede, comienza una inversión significativa del flujo, impulsada por la caída en la presión de la zona de combustión.
También durante esta fase, hay una diferencia de acción entre las masas muy diferentes en la admisión y el tubo de escape. La masa de aire de admisión es de nuevo bastante baja, pero ahora consiste casi totalmente en aire exterior; por lo tanto, hay aire fresco disponible casi de inmediato para comenzar a rellenar la zona de combustión desde el frente. La masa de aire del tubo de escape también se tira, eventualmente invirtiendo también la dirección. El tubo de escape nunca se purgará por completo de los gases de combustión calientes, pero en la marcha atrás podrá aspirar fácilmente aire fresco desde todos los lados alrededor de la abertura del tubo de escape, por lo que su masa contenida aumentará gradualmente hasta el próximo evento de deflagración. A medida que el aire fluye rápidamente hacia la zona de combustión, la onda de enrarecimiento se refleja hacia atrás por la parte delantera del cuerpo del motor y, a medida que se mueve hacia atrás, la densidad del aire en la zona de combustión aumenta naturalmente hasta que la presión de la mezcla de aire / combustible alcanza un valor donde la deflagración puede comenzar de nuevo.
Problemas prácticos de diseño
En diseños prácticos no hay necesidad de un sistema de encendido continuo : la zona de combustión nunca se purga totalmente de gases de combustión y radicales libres , por lo que hay suficiente acción química en el residuo en la zona de combustión para actuar como un encendedor para la siguiente explosión una vez. la mezcla alcanza una densidad y presión razonables: el ciclo se repite, controlado solo por la sincronización de los eventos de presión y flujo en los dos conductos.
Si bien es teóricamente posible tener un motor de este tipo sin una "cámara de combustión" distinta más grande que el diámetro del tubo de escape, todos los motores sin válvulas exitosos diseñados hasta ahora tienen una cámara ensanchada de algún tipo, aproximadamente similar a la que se encuentra en los diseños típicos de motores con válvulas. La cámara suele ocupar una fracción bastante pequeña de la longitud total del tubo principal.
La aceleración de la masa de aire a través del conducto de admisión no tiene sentido para el empuje del motor si la admisión está dirigida hacia adelante, ya que el empuje de admisión es una fracción bastante grande del empuje del tubo de escape. Se han utilizado varias geometrías de motor para hacer que las fuerzas de empuje de los dos conductos actúen en la misma dirección. Un método simple es hacer girar el motor y luego colocar una curva en U en el tubo de escape, de modo que ambos conductos salgan hacia atrás, como en los tipos Ecrevisse y Lockwood (también conocidos como Lockwood-Hiller ). Los diseños de Escopette y Kentfield utilizan recuperadores (tubos auxiliares en forma de U) montados en frente de las tomas de disparo frontal para girar la ráfaga de admisión y el flujo hacia atrás. Los estilos llamados "chinos" y Thermojet simplemente montan la entrada en la cámara en una dirección de salida hacia atrás, dejando intacta la cara frontal de la cámara. Sin embargo, el funcionamiento interno básico del motor con estas geometrías no es diferente del descrito anteriormente. El Lockwood es único en un aspecto, a saber, su admisión de diámetro muy grande: el empuje de este tubo grande no es menos del 40 por ciento del empuje del motor en su conjunto. Sin embargo, el volumen del tubo de escape de este diseño es bastante grande, por lo que todavía se ve claramente el desequilibrio de las masas contenidas.
Diseño de "chorro de tarro de mermelada"
La mayoría de los motores de impulsos utilizan tubos de admisión y escape independientes. Un diseño físicamente más simple combina la apertura de admisión y escape. Esto es posible debido al comportamiento oscilante de un motor de impulsos. Una abertura puede actuar como tubo de escape durante la fase de alta presión del ciclo de trabajo y como entrada durante la fase de aspiración. Este diseño de motor es menos eficiente en esta forma primitiva debido a la falta de una tubería resonante y, por lo tanto, a la falta de ondas acústicas reflejadas de compresión y succión. Sin embargo, funciona bastante bien con un instrumento simple como un tarro de mermelada con una tapa perforada y combustible en el interior, de ahí el nombre.
Las versiones exitosas del chorro de tarro de mermelada se han procesado en una botella de plástico. La botella es mucho menos eficiente que las versiones de tarro de mermelada y no puede sostener un chorro decente durante más de unos segundos. Se teoriza que el alcohol que se usó para operar el chorro simple actuaba como una barrera para evitar que el calor llegara hasta el plástico. Para que el diseño del chorro de la jarra de mermelada funcione, el propulsor debe vaporizarse para que se encienda, lo que a menudo se hace mediante una sacudida del chorro que hace que el propulsor cubra el recipiente, lo que da cierta validez a la teoría. [ cita requerida ]
Pros y contras
Se han construido chorros de impulsos sin válvulas exitosos desde unos pocos centímetros de longitud hasta tamaños enormes, aunque los más grandes y los más pequeños no se han utilizado para la propulsión. Los más pequeños solo tienen éxito cuando se emplean combustibles de combustión extremadamente rápida ( acetileno o hidrógeno , por ejemplo). Se pueden fabricar motores de tamaño mediano y grande para quemar casi cualquier material inflamable que pueda ser entregado uniformemente a la zona de combustión, aunque, por supuesto, líquidos inflamables volátiles ( gasolina , queroseno , varios alcoholes ) y gases combustibles estándar ( GLP , propano , butano , MAPP). gas ) son más fáciles de usar. Debido a la naturaleza de deflagración de la combustión por chorro de pulso, estos motores son combustores extremadamente eficientes, que prácticamente no producen contaminantes peligrosos, aparte del CO.
2[ cita requerida ] , incluso cuando se utilizan combustibles de hidrocarburos . Con metales modernos de alta temperatura para la estructura principal, el peso del motor se puede mantener extremadamente bajo. Sin la presencia de una válvula mecánica, los motores prácticamente no requieren mantenimiento continuo para permanecer operativos.
Hasta el presente, el tamaño físico de los diseños sin válvulas exitosos siempre ha sido algo mayor que el de los motores con válvula para el mismo valor de empuje, aunque en teoría esto no es un requisito. Al igual que los chorros de impulsos con válvula, el calor (los motores con frecuencia funcionan al rojo vivo) y los niveles de ruido de funcionamiento muy altos (140 decibeles es posible) [2] se encuentran entre las mayores desventajas de estos motores. Se requiere un sistema de encendido de algún tipo para el arranque del motor. En los tamaños más pequeños, normalmente también se necesita aire forzado en la entrada para el arranque. Todavía hay mucho margen de mejora en el desarrollo de diseños realmente eficientes y totalmente prácticos para usos de propulsión.
Una posible solución al problema actual de la ineficiencia del chorro de pulsos sería tener dos chorros de pulso en uno, con cada chorro comprimiendo la mezcla de combustible y aire en el otro, y ambos extremos descargándose en una cámara común a través de la cual el aire fluye solo en una dirección. Potencialmente, esto podría permitir relaciones de compresión mucho más altas, mejores eficiencias de combustible y un mayor empuje. [3]
Ver también
- Chorro de presión de Gluhareff
- Lista de aviones propulsados por Pulsejet
- Barco pop pop
Referencias
- ^ Jet-kart: el kart más MENTAL de la historia , a través de YouTube.
- ^ a b Moritz, Robert (15 de marzo de 2011). "Cómo construir un Pulse Jet" . Mecánica popular . Consultado el 23 de julio de 2016 .
- ^ Ogorelec, Bruno. "Motor de chorro de impulsos sin válvulas de compresión explosiva (concepto de un simple hombre)" (PDF) . Consultado el 29 de mayo de 2013 .
enlaces externos
- Sin válvulas que puedes encontrar debajo de Pulso