Турбина на бензиновый двигатель своими руками в домашних условиях

Кто займётся реализацией проекта

Тематикой ЭРД и БПРД в СССР и России на протяжении десятилетий традиционно занимается НИЦ «Курчатовский институт». В настоящее время научно-лабораторная установка СМОЛА действует в новосибирском Институте ядерной физики сибирского отделения Российской Академии наук (ИЯФ СО РАН). Это плазменная ловушка, которая позволит проверить концепцию улучшенного удержания термоядерной плазмы в линейных магнитных системах.

Ученым удалось достичь в ней температуры плазмы в 100 тысяч градусов и добиться её достаточно большой плотности. Установка успешно отработала с параметрами, пригодными для создания ракетного двигателя по типу БПРД. В то же время практическая сторона вопросов разработки и применения нового российского безэлектродного плазменного ракетного двигателя относится к ведению госкорпорации «Роскосмос». Эта работа будет проводиться под эгидой одной из ведущих структур «Роскосмоса» — холдинга «НПО Энергомаш», а в его составе — воронежским АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (КБХА).

Это мощное научно-производственное объединение осуществляет полный цикл создания жидкостных ракетных двигателей (в том числе для ракет-носителей «Союз-2» и «Ангара»), кислородно-водородных двигателей разгонных блоков, а также кислородно-метановых двигателей для перспективных ракет-носителей. Электроракетными двигателями КБХА занимается с 2010 года. В рамках этого направления уже был изготовлен демонстрационный образец магнитоплазмодинамического двигателя (МПД) мощностью до 10 кВт.

It’s alive!

Покопавшись в интернете, я примерно понял в чем была проблема первого движка. Из-за трамбовки топливо распределялось неравномерно, в нем образовывались полости, и оно было неоднородно из-за чего процесс горения был очень вялым и вместо ракеты получилась хорошая дымовая шашка. Решение проблемы было простое — забить в трубу сваренное карамельное топливо. В качестве корпуса взял металлическую штангу для ванной и решил поэкспериментировать с пропорциями топлива и с добавкой оксида железа 3 (то есть обычной ржавчины), потому что он должен был увеличить скорость горения.

Примеры чистого карамельного топлива и с добавлением ржавчины. Источник

Движки я сделал поменьше, так как не видел смысла в изготовлении полноразмерного варианта, так же, как и не видел смысла в заглушках и сопле, на скорость горения топлива повлиять они не должны были, потому что все испытуемые были в равных условиях окружающей среды.

Прежде чем варить топливо, поговорим о технике безопасности, ведь карамелька легко воспламеняется и горит очень резво. Варить топливо нужно только на электрической плите, на газовой плите или любом другом источнике открытого огня готовить топливо нельзя. Кстати, в недавнем взрыве склада пиротехники в Бейруте по официальным данным воспламенилась именно селитра, так что будьте крайне осторожны при варке.

Топливо варил на электрической плите в блиннице до цвета и консистенции сгущенки. Блинница тем хороша, что в ней все ингредиенты равномерно нагреваются и не пригорают.

В итоге у меня получилось несколько подопытных:

• Движки с перемолотым в ступке и сваренным карамельным топливом
• Движки с измельченным в кофемолке и сваренным карамельным топливом
• Движки с измельченным в кофемолке и сваренным карамельным топливом с добавлением 1% оксида железа 3

Теперь необходимо было провести испытания движков. В спойлерах написано процентное соотношение ингредиентов в формате Селитра/Сахар/Ржавчина(если есть), а внутри прикреплены гифки самих прожигов.

Выводы:

• В этот раз все движки загорелись и горели они очень хорошо, что конечно же порадовало
• Ржавчина увеличивает скорость горения. Для сравнения двигатель 55/45 горел примерно 35 сек, а 54/45/1 уже 26 сек;
• Измельчение в кофемолке существенно не прибавило скорости горения
• Даже с заменой сахара в двигателях оставалось много не сгоревшего вещества (черное и белое вещество в “бочонках” на последней фотографии), состав которого был не известен

В общем, топливо загорелось, осталось решить, делать ли на нем ракету, или искать другое решение.

Строение и принцип действия ПуВРД

Устройство ПуВРД

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель – это полый канал, открытый с двух сторон. С одной стороны – на входе – установлен воздухозаборник, за ним – тяговый узел с клапанами, дальше расположена одна или несколько камер сгорания и сопло, через которое выходит реактивный поток. Поскольку работа двигателя циклична, можно выделить основные ее такты:

• такт впуска, во время которого входной клапан открывается, и в камеру сгорания под действием разряжения в ней попадает воздух. В это же время через форсунки впрыскивается топливо, в результате чего образуется топливный заряд;
• полученный топливный заряд воспламеняется от искры свечи зажигания, в процессе горения образуются газы с высоким давлением, под действием которого закрывается впускной клапан;
• при закрытом клапане продукты сгорания выходят через сопло, обеспечивая реактивную тягу. Вместе с тем в камере сгорания при выходе отработанных газов образуется разряжение, входной клапан автоматически открывается и впускает во внутрь новую порцию воздуха.

Входной клапан двигателя может иметь разные конструкции и внешний вид. Как вариант, он может быть выполнен в виде жалюзи – прямоугольных пластин, закрепленных на раме, которые под действием перепада давления открываются и закрываются. Другая конструкция имеет форму цветка с металлическими «лепестками», расположенными по кругу. Первый вариант более эффективный, зато второй более компактный и может использоваться на небольших по размеру конструкциях, например, при авиамоделизме.

Подача топлива осуществляется форсунками, которые имеют обратный клапан. Когда давление в камере сгорания снижается, подается порция топлива, когда же давление увеличивается за счет горения и расширения газов, подача топлива прекращается. В некоторых случаях, например на маломощных моторах от авиамоделей, форсунок может и не быть, а система подачи топлива при этом напоминает карбюраторный двигатель.

Свеча зажигания расположена в камере сгорания. Она создает серию разрядов, и когда концентрация топлива в смеси достигает нужного значения, топливный заряд воспламеняется. Поскольку двигатель имеет небольшие размеры, его стенки, выполненные из стали, в процессе работы быстро нагреваются и могут поджигать топливную смесь не хуже свечи.

Нетрудно понять, что для запуска ПуВРД нужен первоначальный «толчок», при котором первая порция воздуха попадет в камеру сгорания, то есть такие двигатели нуждаются в предварительном разгоне.

Как сделать ракетный двигатель из гильзы

Для самодельной модели ракеты немаловажным моментом является двигатель…

Среди многообразия вариантов его изготовления самым распространенным является использование отработанных гильз от охотничьих патронов.

Попробовал такой вариант моторчика и я. Результат превзошел самые оптимистичные ожидания!

Итак, строим мотор из гильзы

в калибрах я слабо разбираюсь, на металлической части этой гильзы написано «12», а на пластике корпуса «12/70». Внешний диаметр около 20 мм, длина 70 мм.

Изнутри отверткой выбиваем остатки капсюля, получается как бы сопло диаметром чуть меньше 6 мм.

Делаем подставку для установки гильзы для заливки в нее топлива. Это кусок фанерки толщиной 8 мм. В ней сверлим дыру 4 мм и ввинчиваем в нее винт М5 длиной 50 мм. Получаем примерно следующее:

Оборачиваем резьбу винта газетой (3-4 слоя) и скотчем. Эти процедуры нужны для облегчения изъятия получившегося стержня из гильзы.

Надеваем на конструкцию гильзу:

Теперь она ровно стоит, а стержень внутри расположен строго вертикально и по центру будущего двигателя. Готовим карамель (процесс много где описан, если коротко, то смешиваем измельченную калиевую селитру с сорбитом (пропорция по массе 65/35) и плавим ее на сковородке до состояния жидкой кашицы). Заливаем ее в гильзу, периодически постукивая по ее корпусу «тяжеленьким предметом» — это нужно для устранения пустот в топливной массе.

В верхней части оставляем миллиметров 7-10 незаполненными. Это пространство надо чем-нибудь заткнуть…

Верхнюю заглушку делаем из эпоксидной смолы. На следующий день снимаем гильзу с «нашего станка», вынимаем газету со скотчем двумя спицами. В верхней части шилом делаем дырки в корпусе гильзы: это даст возможность эпоксидной смоле затечь в них и более надежно «заткнуть» гильзу. Оборачиваем скотчем верхний край гильзы, подготовив, тем самым, «ванночку» для смолы. Заливаем эпоксидный клей, получаем следующее:

Еще через день все застывает — двигатель готов!

Теоретические расчеты показывают следующие параметры мотора

Тяга — целый килограмм! Честно говоря, не верилось!

Масса пустой гильзы 6,8 г; масса готового двигателя 28,8 г. Топлива — всего 22 грамма! Теория на уровне 5 класса средней школы показывает, что ракету массой 150 грамм этот движок может зашвырнуть аж на 300 м!

В реальности результат был скромнее. Но, главное! ракета вообще смогла оторваться от земли. Например, РП-8 (140 грамм) залетела на 130 м.

ИТОГ: очень легко, из подручного (по полям России таких гильз можно мешок насобирать в охотсезон) материала можно изготовить вполне приличный двигатель!

Замечу, что после полета от такого двигателя останется только «сопло»

и эпоксидная верхняя заглушка

пластиковый корпус гильзы исчезает

Позднее металлические остатки пригодились при изготовлении двигателя из корпусов отработанных БРДП20-ххх

Подробное описание изготовления такого мотора в седьмом полете РП-8.

Источник

Устройство

Первый контур вмещает в себя компрессоры высокого и низкого давления, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления и сопло. Второй контур состоит из направляющего аппарата и сопла. Такая конструкция является базовой, но возможны и некоторые отклонения, например, потоки внутреннего и внешнего контура могут смешиваться и выходить через общее сопло, или же двигатель может оснащаться форсажной камерой.

Теперь коротко о каждом составляющем элементе ТРДД. Компрессор высокого давления (КВД) – это вал, на котором закреплены подвижные и неподвижные лопатки, формирующие ступень. Подвижные лопатки при вращении захватывают поток воздуха, сжимают его и направляют внутрь корпуса. Воздух попадает на неподвижные лопатки, тормозится и дополнительно сжимается, что повышает его давление и придает ему осевой вектор движения. Таких ступеней в компрессоре несколько, а от их количества напрямую зависит степень сжатия двигателя. Такая же конструкция и у компрессора низкого давления (КНД), который расположен перед КВД. Отличие между ними заключается только в размерах: у КНД лопатки имеют больший диаметр, перекрывающий собой сечение и первого и второго контура, и меньшее количество ступеней ( от 1 до 5).

В камере сгорания сжатый и нагретый воздух перемешивается с топливом, которое впрыскивается форсунками, а полученный топливный заряд воспламеняется и сгорает, образуя газы с большим количеством энергии. Камера сгорания может быть одна, кольцевая, или же выполняться из нескольких труб.

Турбина по своей конструкции напоминает осевой компрессор: те же неподвижные и подвижные лопатки на валу, только их последовательность изменена. Сначала расширенные газы попадают на неподвижные лопатки, выравнивающие их движение, а потом на подвижные, которые вращают вал турбины. В ТРДД турбин две: одна приводит в движение компрессор высокого давления, а вторая – компрессор низкого давления. Работают они независимо и между собой механически не связаны. Вал привода КНД обычно расположен внутри вала привода КВД.

Сопло – это сужающаяся труба, через которую выходят наружу отработанные газы в виде реактивного потока. Обычно каждый контур имеет свое сопло, но бывает и так, что реактивные потоки на выходе попадают в общую камеру смешения.

Внешний, или второй, контур – это полая кольцевая конструкция с направляющим аппаратом, через которую проходит воздух, предварительно сжатый компрессором низкого давления, минуя камеру сгорания и турбины. Этот поток воздуха, попадая на неподвижные лопасти направляющего аппарата, выравнивается и движется к соплу, создавая дополнительную тягу за счет одного только сжатия КНД без сжигания топлива.

Форсажная камера – это труба, размещенная между турбиной низкого давления и соплом. Внутри у нее установлены завихрители и топливные форсунки с воспламенителями. Форсажная камера дает возможность создания дополнительной тяги за счет сжигания топлива не в камере сгорания, а на выходе турбины. Отработанные газы после прохождения ТНД и ТВД имеют высокую температуру и давления, а также значительное количество несгоревшего кислорода, поступившего из второго контура. Через форсунки, установленные в камере, подается топливо, которое смешивается с газами, и воспламеняется. В результате тяга на выходе возрастает порой в два раза, правда, и расход топлива при этом тоже растет. ТРДД, оснащенные форсажной камерой, легко узнать по пламени, которое вырывается из их сопла во время полета или при запуске.

форсажная камера в разрезе, на рисунке видны завихрители.

Самым важным параметром ТРДД является степень двухконтурности (к) – отношение количества воздуха, прошедшего через второй контур, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более экономичным будет двигатель. В зависимости от степени двухконтурности можно выделить основные виды двухконтурных турбореактивных двигателей. Если его значение к<2, это обычный ТРДД, если же к>2, то такие двигатели называются турбовентиляторными (ТВРД). Есть также турбовинтовентиляторные моторы, у которых значение достигает и 50-ти, и даже больше.

В зависимости от типа отведения отработанных газов различают ТРДД без смешения потоков и с ним. В первом случае каждый контур имеет свое сопло, во втором газы на выходе попадают в общую камеру смешения и только потом выходят наружу, образуя реактивную тягу. Двигатели со смешением потоков, которые устанавливаются на сверхзвуковые самолеты, могут снабжаться форсажной камерой, которая позволяет увеличивать мощность тяги даже на сверхзвуковых скоростях, когда тяга второго контура практически не играет роли.

Установка и подключение

Установка реактивного двигателя и его подключение к системе — процесс сложный. В единую цепь необходимо подключить топливный насос, перепускные и регулировочные клапана, бак и температурные датчики. В силу воздействия высоких температур, обычно используются соединения и топливные трубки с огнеупорным покрытием. Закрепляется все самодельными фитингами, паяльником и уплотнениями. Так как трубка может быть по размеру с головку иголки, соединение должно быть плотным и изолированным. Неправильное подключение может привести к разрушению или взрыву двигателя. Принцип соединения цепи на стендовых и летающих моделях отличается и должен выполняться согласно рабочим чертежам.

Шаг 8: Изготавливаем рассеиватель

Рассеиватель позволяет воздуху входить в центр камеры сгорания, при этом сохранять и удерживать пламя на месте таким образом, чтобы оно выходило в сторону турбины, а не в сторону компрессора.

Отверстия имеют специальные названия и функции (слева направо). Небольшие отверстия в левой части являются основными, средние отверстия являются вторичными, и самые большие на правой стороне являются третичными.

Чтобы сделать процесс расчета отверстия легким, ниже представлена программа, что будет делать работу за вас.

Поскольку наша камера сгорания 25 см в длину, необходимо будет сократить рассеиватель до этой длины. Я хотел бы предложить сделать её почти на 5 мм короче, чтобы учесть расширение металла, во время нагрева. Рассеиватель по-прежнему будет иметь возможность зажиматься внутри конечных колец и «плавать» внутри них.

Реактивные двигатели в космосе

Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.

Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?

В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.

Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.

Турбореактивный двигатель своими руками

Мало кто знает о том, что турбореактивный двигатель можно собрать собственными руками самостоятельно. Принцип работы такого устройства заключается в проталкивании огромного количества воздуха за короткий промежуток времени, любой подобный двигатель а если быть совсем точным — турбина, основывается на законе Ньютона. Внутри каждого подобного экземпляра находится как правило компрессор и отсек сгорания топлива который нужен для того чтобы разогреть входящий поток воздуха начиная от 1500 и до 2000 градусов, зависит от конкретной модели двигателя. Для того чтобы конструкция не расплавилась используется специальный тип металла который выдерживает подобные температуры.

Топливо по каналам проходит в отсек предназначенный для сгорания топлива, где по специальным отверстиям подается в сам двигатель тем самым совершая впрыск топлива. В этом отсеке двигателя после того как воздух нагрелся до 1500 градусов он поступает дальше в выходной вал который визуально напоминает из себя совокупность нескольких вентиляторов соединенных последовательно друг за другом разного диаметра. Проходя через них воздух охлаждается прежде чем будет выброшен из турбины.

Самое интересное в этом, что турбореактивный двигатель можно собрать на базе обычной турбины от автомобиля, диапазон наддува которой начинается от 2.5 бар. Взяв более менее большую турбину от авто можно собрать турбореактивный двигатель своими руками. Для этого вам потребуется лишь знания проектирования турбореактивного двигателя, чертежи которого можно найти в свободном доступе. Работы которые предстоит проделать прежде чем у вас получится нечто похожее на настоящий реактивный двигатель можно разделить на несколько частей. Самое первое что придется сделать это отломать лопасти которые есть в обычной турбине и придать им нужную форму, потому как поток воздуха в реактивной турбине намного больше нежели в турбине автомобиля. Далее придется вручную сделать камеру сгорания для впрыска топлива по каналам. Модернизированные лопасти которые ранее были демонтированы нужно будет вставить в отсек для сгорания топлива.

По итогу всех действий у вас должно получится что-то похожее на это

По большому счету подобные манипуляции будут занимать основное время на проектирование частей турбины в нужном масштабе, это самое сложное с чем предстоит столкнутся. Все остальное сводится к тому чтобы подогнать нужные детали и совместить их между собой. Подробные чертежи есть в свободном доступе и при должных знаниях можно сделать реактивную турбину своими руками взяв обычную турбину от автомобиля. Это особенно актуально если учесть то, что найти хорошую турбину в свободной продаже за доступную цену практический не представляется возможным. Реактивный двигатель сделанный своими руками на базе турбины от авто может выдавать тягу до 9кг при хорошей качественной сборке.

На подобных двигателях летают беспилотники которые имеют вес порядка 60кг и более. Так-же подобный двигатель способен разогнать обычную машину до скорости 90-100км\ч а иногда и 130км\ч зависит от конкретной сборки и конкретной машины. Путем не сложных манипуляций такой двигатель на реактивной тяге можно доработать на повышение количества проталкиваемого воздуха тем самым увеличив мощность в несколько раз.

Источник

Назад в будущее

Ситуация, можно сказать, вернулась в 1930-е годы. В отличие от других видов модельного спорта, где недостаток отечественных двигателей и прочих комплектующих можно компенсировать импортом, в ракетомодельном спорте это не проходит. У нас ракетомодельные двигатели приравниваются к взрывчатым веществам, со всеми вытекающими условиями по хранению, транспортировке и провозе через границу. Не родился еще на земле русской человек, способный наладить импорт таких изделий.

Выход один — производство на родине, благо технология тут вовсе не космическая. Но заводы, имеющие лицензии на производство таких изделий, за них не берутся — им этот бизнес был бы интересен лишь при миллионных тиражах. Вот и вынуждены начинающие ракетомоделисты из крупнейшей космической державы летать на карамельных ракетах. Тогда как в Соединенных Штатах сейчас стали появляться уже многоразовые модельные ракетные двигатели, работающие на гибридном топливе: закись азота плюс твердое горючее. Как вы думаете, какая страна лет через тридцать полетит к Марсу?

РЕЗУЛЬТАТЫ

В одной из серий экспериментов мне удалось получить надежные вспышки при каждой прокачке воздуха. Однажды даже была повторная вспышка. Правда, слишком слабая, чтобы вызвать следующие. Но даже при этих одиночных вспышках двигатель ощутимо подавался вперед, что свидетельствует о потенциально высокой тяге. Общий вес же заправленного двигателя без системы зажигания составил феерические 40 граммов! Однако для дальнейшей самостоятельной работы двигатель «не схватывает».

По-видимому, конфигурация факела смеси при стартовой продувке и при самостоятельном всасывании сильно различаются и искровое зажигание в одной точке не обеспечивает работу во всех режимах.

Возможно, я поставил перед собой слишком высокую планку в смысле доступности и технологичности этого мотора, и для получения работоспособной конструкции требуется частичный возврат к более традиционным решениям. Но я надеюсь, что-то из моих идей и наработок пригодится, и авиамоделисты получат силовую установку неслыханной легкости, простоты в изготовлении и дешевизны. Предлагаю читателям, имеющим практический опыт эксплуатации и создания модельных ДВС, подключиться к этой работе.

Шаг 3: Реостат для управления скоростью

Нам нужно контролировать скорость двигателя. Для этого поместите реостат между розеткой и источником питания. Если вы не знаете, как это сделать, загуглите, как подключить реостат к лампочкам. Но вместо лампочки мы поставим блок питания.

Не пытайтесь сделать это, если вы не уверены на 100%. Мы имеем дело с большим током и использование неподходящего источника питания может вывести его и строя. Чем проще блок питания, тем лучше. Альтернатива — найти реостат постоянного тока, чтобы мы могли контролировать напряжение после подачи питания. Я не смог найти такой ни в одном магазине, поэтому использую реостат для лампочек. Но если вы сможете найти такой, который будет работать с двигателем постоянного тока, то возьмите его. Идея состоит в том, чтобы просто контролировать, какой ток поступает на двигатель, так что это будет нашим дросселем.

Как сделать реактивный мини двигатель своими руками в домашних условиях – самодельная схема устройства

Я собираю модель, имитирующую настоящий реактивный мини двигатель, даже если мой вариант электрический. На самом деле всё просто и каждый может построить реактивный двигатель своими руками в домашних условиях.

То, как я спроектировал и построил самодельный реактивный двигатель — не лучший способ сделать это. Я могу представить миллион способов и схем, как создать лучшую модель, более реалистичную, более надежную и более простую в изготовлении. Но сейчас я собрал такую.

Основные части реактивного модельного двигателя:

• Двигатель постоянного тока достаточно сильный и минимум на 12 вольт
• Источник постоянного тока не менее 12 вольт (в зависимости от того, какой у вас двигатель постоянного тока).
• Реостат, такой же какой продаётся для настройки яркости лампочек.
• Коробка передач с маховиком, встречается во многих автомобильных игрушках. Лучше всего, если корпус редуктора сделан из металла, потому что пластик может плавиться на таких высоких скоростях.
• Металлический лист, который можно разрезать, чтобы сделать лопасти вентилятора.
• Амперметр или вольтметр.
• Потенциометр примерно на 50К.
• Катушка электромагнита из соленоида или любого другого источника.
• 4 диода.
• 2 или 4 постоянных магнита.
• Картон, чтобы собрать корпус, похожий на корпус реактивного двигателя.
• Наполнитель кузовов для авто, для создания экстерьера.
• Жесткий провод, чтобы поддерживать все. Обычно я использую провода из дешевых вешалок. Они достаточно сильны и достаточно гибки, чтобы придать им нужную форму.
• Клей. Для большинства деталей я предпочитаю горячий клей, но сейчас подойдёт практически любой клей.
• Белая, серебряная и черная краска.

Что в итоге?

А в итоге у нас плохо работающие движки. Основная их проблема — неполное сгорание топливной смеси (о последствиях этого я писал выше). Также подкачала и скорость горения. И вот тут-то всплывает злополучная надпись N — 13,6% и K2O — 46% на упаковке селитры, потому что, скорее всего калиевая селитра для удобрений нечистая, и оставшиеся 40,4% это какие-нибудь примеси, которые и стали причиной плохой работы двигателей.

Если вы смотрели недавнюю серию роликов Амперки Ракета против Лехи, то вы заметили, что они использовали химически чистую калиевую селитру. Благодаря ей у них прогорело все топливо, да и скорость горения была выше (2,85 мм/сек против моих 1-1,25 мм/сек). Ну и еще одним минусом самодельных движков является то, что неизвестна их тяга, а я в будущем хотел бы рассчитывать параметры полета ракеты.

По итогу могу сделать вывод, что на калиевой селитре для удобрений движок не построишь. В общем, на такой грустной ноте я закончил разработку своих движков, и стал искать тех, кто делает и продает готовые движки.