Как сделать сопло лаваля

Сопло лаваля принцип работы

Сопло Лаваля

Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей.

Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине.

Принцип работы сопла Лаваля

По мере движения газа по соплу его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает.

Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения.

КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %. М – число Маха (скорость звука).

На сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями (М 1).

Суживающая часть сопла называется конфузором, а расширяющая – диффузором. Диффузор по длине всегда больше конфузора. Иногда длина диффузора превышает длину конфузора в 250 раз. Удлинение диффузора способствует увеличению скорости истечения газа из сопла, а соответственно и тяги.

Элементарная теория сопла Лаваля

Влияние сжимаемости на форму трубок тока.

Рассмотрим, как влияет сжимаемость на форму трубок тока при установившемся движении газа. Предположим, что трубка тока тонкая, и характеристики движения в разных точках каждого сечения одинаковы. Пусть – площадь произвольного поперечного сечения трубки тока, причем сечение перпендикулярно к скорости движения частиц газа.

Если жидкость однородная и несжимаемая, то из уравнения неразрывности следует, что массовый и объемный расходы через трубку тока постоянны, т.е. ; и

т.е. чем больше скорость, тем меньше сечение.

Для сжимаемой жидкости плотность зависит от скорости. Для обратимых адиабатических течений совершенного газа

Подставляя это выражение в (7.39), можно получить зависимость и найти форму трубок тока. График приведен на рис. 7.15.

Спроектируем уравнение движения Эйлера на линию тока и при установившемся движении

где вдоль линии тока. Для адиабатических движений, как было указано ранее, совпадает со скоростью звука, определяемой как (в общем случае величина отлична от скорости звука, но в последующем для неадиабатических движений играет роль скорости звука). Таким образом, вдоль линии тока имеем

Таким образом, в дозвуковом потоке поперечное сечение трубки тока с ростом скорости уменьшается. Максимальная скорость, которая может быть достигнута при дозвуковом потоке в сужающейся трубке тока, равна скорости звука.

Насадок, состоящий только лишь из сужающегося участка (рис. 7.17), называется простым соплом. Наибольшая скорость, которую можно получить, выпуская адиабатически газ через простое сопло, равна скорости звука, которая достигается в наиболее узком сечении (на срезе сопла).

Рассмотрим, как зависит массовый расход газа через сопло от отношения давлений при постоянных значениях температуры и давления в сосуде, когда отсутствует теплообмен между газом и окружающей средой.

При на основе (7.43) получим, что (точка на рис. 7.19).

Критический расход, согласно (7.30) и (7.42), будет равен

При дальнейшем понижении противодавления течение внутри сопла перестает меняться, и расход также остается неизменным и равным критическому. Неизменность расхода объясняется тем, что слабые возмущения (а значит, и небольшие изменения противодавления) распространяются по частицам среды со скоростью звука. Поэтому при достижении критического режима (когда сами частицы на срезе сопла имеют скорость, равную скорости звука) частицы, находящиеся внутри сопла, “не знают” о том, что происходит вне сопла (возмущения сносятся потоком частиц газа, и поток как бы запирает сопло).

Замечание. Изменение противодавления будет сказываться на течении газа вне сопла: в свободной струе вне сопла скорость при понижении может стать сверхзвуковой, но поток в свободной струе не будет однородным (скорость в потоке существенно меняется по сечению струи).

При истечении сжимаемого газа из тонкого отверстия скорость потока, как было показано выше, не может быть больше скорости звука. Достижение сверхзвуковой скорости истечения, как показали опыты Г. Лаваля (1845 – 1913), получается только при изменении конфигурации отверстия. В его экспериментах скорость истечения превышала скорость звука тогда, когда на выходе из сосуда устанавливалась специальная насадка, которая впоследствии была названа соплом Лаваля.

Сопло представляет собой короткий участок трубки переменного сечения с постепенным сужением, переходящим в расширение (рис. 7.20). Поток, попадая в узкое сечение, достигает минимальной скорости. С переходом в расширяющуюся часть трубки скорость растет, достигая сверхзвуковых значений. Такой характер изменения скорости газа при движении через сопло Лаваля можно обосновать, анализируя уравнение неразрывности сжимаемого газа и уравнение Эйлера для одномерного стационарного течения идеального газа.

Уравнение неразрывности в трубке переменного сечения можно записать так:

Уравнение Эйлера (для одномерного движения) имеет вид

Считая течение адиабатическим и баротропным, из уравнения состояния находим

Тогда (7.48) можно переписать в виде

Подставляя сюда из уравнения Эйлера (7.46), получим

Уравнение (7.49) получено А. Гюгонио (1851 – 1887) и носит его имя. На основе (7.49) можно получить следующее заключение о характере изменения скорости в суживающихся и расширяющихся каналах.

Такая ситуация при числах Маха, больших единицы, когда течение сверхзвуковое, представляется на первый взгляд парадоксальным. Однако такое несоответствие с реальностью устраняется благодаря тому, что при расширении газа его плотность уменьшается настолько заметно, что произведение плотности на площадь сечения, несмотря на рост площади, все же уменьшается, что и приводит к росту скорости с увеличением площади сечения. Следовательно, сверхзвуковой поток расширяется противоположно дозвуковому. Чтобы увеличить его скорость, трубку следует расширить.

При числах Маха, равных единице, скорость потока, равную скорости звука, можно получить только в минимальном сечении трубки. В максимальном сечении значение числа Маха, равное единице, не достигается, поскольку при расширении сечения скорость в дозвуковом потоке падает, а в сверхзвуковом – растет. Поэтому скорость течения, равную скорости звука, в наибольшем сечении получить невозможно. Таким образом, для получения в сопле скоростей течения газа, превышающих сверхзвуковые значения, сопло следует сначала сузить для достижения звуковой скорости, а затем расширить для дальнейшего увеличения скорости выходящего из него газа.

Результаты исследований законов сверхзвуковых течений газа в трубах переменного сечения оказали существенное влияние на развитие ракетной техники и космонавтики, а также лежат в основе конструкции аэродинамических труб, используемых для испытания сверхзвуковых летательных аппаратов.

Источник

Сопло-насадка для жидкостей газов

Истечение сверхзвуковой струи из сопла ракетного двигателя RS-68 на огневых испытаниях. NASA, США.

— газовый канал особого профиля (имеющий сужение) для изменения скорости проходящего по нему газового потока. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателей.

В простейшем случае сопло Лаваля может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании газодинамических расчётов.

История[ | ]

Сопло было предложено в 1890 году шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин.

Приоритет Годдарда на применение сопла Лаваля для ракет подтверждается рисунком в описании изобретения в патенте США U.S. Patent 1 102 653 от 7 июля 1914 г., на двухступенчатую твердотопливную ракету, заявленном в октябре 1913 г. (По другим данным, впервые в ракетной технике сопло Лаваля применил в 1896—97 годах Вильгельм Унге[1], с Лаваль впоследствии сотрудничал).

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля

был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Позже это явление нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики.

, а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор.

Принцип действия[ | ]

При анализе течения газа в сопле Лаваля

принимаются следующие упрощающие допущения:

Отношение локальной скорости v <\displaystyle v>к локальной скорости звука C

С учётом этого, а также с учётом стационарности и одномерности потока уравнение Эйлера принимает вид:

что, учитывая (1), преобразуется в

Рассмотрим его в следующей форме:

1 ρ d ρ d x / 1 v d v d x = − M 2 <\displaystyle <\frac <1><\rho >><\frac >/<\frac <1>><\frac >=-M^<2>>
(2.1)
Величины 1 ρ d ρ d x <\displaystyle <\frac <1><\rho >><\frac >> и 1 v d v d x <\displaystyle <\frac <1>><\frac >> характеризуют относительную степень изменяемости по координате x <\displaystyle x>плотности газа и его скорости соответственно. Причем уравнение (2.1) показывает, что соотношение между этими величинами равно квадрату числа Маха (знак минус означает противоположную направленность изменений: при возрастании скорости плотность убывает). Таким образом, на дозвуковых скоростях ( M 1 ) <\displaystyle (M>1)> — наоборот. Как будет видно дальше, это и определяет сужающуюся-расширяющуюся форму сопла.

Поскольку массовый расход газа постоянен:

где A <\displaystyle A>— площадь местного сечения сопла,

дифференцируя обе части этого уравнения по x <\displaystyle x>, получаем:

После подстановки из (2) в это уравнение, получаем окончательно:

Иллюстрация работы сопла Лаваля. По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает. М — число Маха.

Из чего можно сделать следующие выводы:

Итак, на сужающемся, докритическом

участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самом узком,
критическом
сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся,
закритическом
участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями.

Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %, что значительно превосходит КПД реальных тепловых двигателей всех других типов. Это объясняется тем, что рабочее тело не передаёт механическую энергию никакому посреднику (поршню или лопастям турбины). В других тепловых двигателях на этой передаче имеют место значительные потери. Кроме того, газ, проходя через сопло на значительной скорости, не успевает передать его стенкам заметное количество своей тепловой энергии, что позволяет считать процесс адиабатическим. У реальных тепловых двигателей других типов нагрев конструкции составляет существенную[какую?

] часть потерь. Автомобильный двигатель, например, работает больше на радиатор охлаждения, чем на выходной вал[
источник не указан 308 дней
].

Естественное воздушное охлаждение

При естественном воздушном охлаждении в качестве среды для охлаждения воды используется низкотемпературный наружный воздух. Это более экономичное и экологически безопасное решение для кондиционирования воздуха и промышленного охлаждения по сравнению с охлаждением с использованием холодильных машин. Узнайте, как можно получить значительные преимущества от технологии естественного охлаждения в конкретных случаях и использовать ее в комплексных системах охлаждения.

Для поддержания оборудования наших заказчиков в идеальном рабочем состоянии Альфа Лаваль предлагает широкий спектр сервисных услуг.

Свяжитесь с Альфа Лаваль и узнайте больше о том, как мы можем повысить эффективность вашего оборудования.

Естественное охлаждение может полностью обеспечить потребности в холодоснабжении в холодное время года, когда значение температуры наружного воздуха становится ниже требуемого для производственных нужд уровня. В системах воздушного охлаждения воздух на пути к теплообменнику проходит через сухой охладитель, адиабатический охладитель или градирню. Используя свой богатый опыт практической деятельности в этой сфере Альфа Лаваль определяет оптимальное соотношение технологий естественного и машинного (в чиллерах) охлаждения в системе, обеспечивающее эффективное круглогодичное охлаждение. Соотношение энергозатрат чиллера и системы естественного охлаждения составляет 5 к 1.

Полное использование всех преимуществ естественного охлаждения

Альфа Лаваль – единственный мире поставщик, предлагающий системы естественного воздушного охлаждения, в которых совместно используются адиабатический или сухой охладитель и разборный пластинчатый теплообменник. Высокоэффективный теплообменник является ключевым компонентом, обеспечивающим возможность максимально полно использовать преимущества естественного охлаждения. Именно по этой причине системы естественного воздушного охлаждения во всем мире оборудуются теплообменниками Альфа Лаваль.

Все необходимое для систем отопления, вентиляции и кондиционирования в каталоге оборудования Альфа Лаваль для теплоснабжения и кондиционирования.

Перейти к просмотру каталога

Отправить запрос на получение дополнительной информации

Запрос коммерческого предложения по Естественное воздушное охлаждение

Скорость истечения газа из сопла[ | ]

Из уравнения состояния идеального газа, и баланса энергии в газовом потоке выводится формула расчёта линейной скорости истечения газа из сопла Лаваля:[2]

v e <\displaystyle v_> — скорость газа на выходе из сопла, м/с,

T <\displaystyle T>— абсолютная температура газа на входе,

M <\displaystyle M>— молярная масса газа, кг/моль,

c p <\displaystyle c_

> — удельная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(моль·К),

c v <\displaystyle c_> — удельная теплоёмкость при постоянном объеме, Дж/(моль·К),

p e <\displaystyle p_> — абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па

p <\displaystyle p>— абсолютное давление газа на входе в сопло, Па.

Функционирование в среде[ | ]

При работе сопла Лаваля в непустой среде (чаще всего речь идет об атмосфере) сверхзвуковое течение может возникнуть только при достаточно большом избыточном давлении газа на входе в сопло по сравнению с давлением окружающей среды.

При возникновении сверхзвукового течения давление газа на выходном срезе сопла может оказаться даже меньше давления окружающей среды (вследствие перерасширения

газа при движении по соплу). Такой поток может оставаться стабильным, поскольку давление окружающей среды (пока оно ненамного превышает давление газа на срезе сопла) не может распространяться против сверхзвукового потока.[
источник не указан 3799 дней
]

В общем случае удельный импульс сопла Лаваля (при работе как в среде, так и в пустоте) определяется выражением:

I = v e + A e m ˙ ⋅ ( p e − p o ) <\displaystyle I=v_+<\frac ><\dot >>\cdot (p_-p_)>
(5)
Здесь v e <\displaystyle v_> — скорость истечения газа из сопла, определяемая по формуле (4); A <\displaystyle A>— площадь среза сопла; p e <\displaystyle p_> — давление газа на срезе сопла; p o <\displaystyle p_> — давление окружающей среды; m ˙ <\displaystyle <\dot >> — секундный массовый расход газа через сопло.

Из выражения (5) следует, что удельный импульс и, соответственно, тяга ракетного двигателя в пустоте (при p o = 0 <\displaystyle p_=0> ) всегда выше, чем в атмосфере. Это находит отражение в характеристиках реальных ракетных двигателей: обычно для двигателей, работающих в атмосфере, указываются по два значения для удельного импульса и тяги — в пустоте

и
на уровне моря
(например, РД-107).

При подстановке p e = 0 <\displaystyle p_=0> в формулу (4) получается теоретический предел скорости истечения в пустоте, определяемый внутренней энергией газа: v m a x = T R M ⋅ 2 k k − 1 <\displaystyle v_=<\sqrt <\;<\frac>\cdot <\frac <2\;k>>>>> К этому пределу асимптотически стремится скорость истечения при неограниченном увеличении степени расширения сопла, при этом увеличивается длина, диаметр выходного сечения, и, следовательно, вес сопла. Конструктор сопла, работающего в пустоте, должен принять решение: при какой степени расширения дальнейшее увеличение размера и веса сопла не стоит
того увеличения скорости истечения, которое может быть достигнуто в результате. Такое решение принимается на основании всестороннего рассмотрения функционирования всего аппарата в целом.

Вышесказанное объясняет то обстоятельство, что ракетные двигатели, работающие в плотных слоях атмосферы, как правило, имеют степень расширения меньшую, чем двигатели, работающие в пустоте. Например, у двигателя F-1 первой ступени носителя Сатурн-5 степень расширения составляет 16:1, а RL 10B-2 — двигатель, используемый NASA на ускорителях межпланетных зондов, имеет степень расширения равную 250:1.

Стремление добиться эффективной работы двигателя как на Земле, так и на высоте заставляет конструкторов искать технические решения, позволяющие достигнуть эту цель. Одним из таких решений явился подвижный сопловой насадок

— «продолжение» сопла, которое пристыковывается к нему по достижении ракетой разреженных слоёв атмосферы, увеличивая, таким образом, степень расширения сопла. Схема действия насадка изображена на рисунке справа. Эта схема была практически реализована, в частности, в конструкции двигателя НК-33-1.
Регулируемые сопла истребителя F-15
Проблема оптимизации степени расширения сопла очень актуальна и при разработке авиационных реактивных двигателей, поскольку самолёт предназначен для полётов в широком диапазоне высот, а от удельного импульса его двигателей в сильной мере зависит экономичность и, следовательно, дальность полёта. В современных турбореактивных двигателях применяются регулируемые сопла

Лаваля. Такие сопла состоят из продольных пластин, имеющих возможность перемещения друг относительно друга, со специальным механизмом с гидравлическим или пневматическим приводом, позволяющим в полёте изменять площадь выходного и/или критического сечений, и, таким образом, добиваться оптимальной степени расширения сопла при полёте на любой высоте. Регулирование площади проходных сечений выполняется, как правило, автоматически специальной системой управления. Этот же механизм позволяет по команде пилота изменять в некоторых пределах и направление реактивной струи, а следовательно, направление вектора тяги, что существенно повышает маневренность самолёта.

Как своими руками сделать строительный пеногенератор

Для человека, решившегося заняться строительством дома или дачи из самодельных пеноблоков просто не имеет смысла приобретать дорогостоящее заводское оборудование для их изготовления. Вооружившись необходимыми чертежами и инструментами, подобрав подходящий материал можно соорудить хороший пеногенератор своими руками.

Значение пеногенератора

Если вкратце пробежаться по технологии производства вспененных блоков, то можно вычленить главные аспекты:

Как раз-таки от последнего ингредиента на 80% зависит качество будущих изделий. Поэтому собранный пеногенератор для пенобетона своими руками должен изготавливать хорошую пену определенной плотности и стойкости. Помимо этого, необходимо соорудить такую конструкцию, которая будет прекрасно «ладить» с любыми видами пенообразователя не только отечественных производителей, но и заграничных. Это очень важно, ведь пока подберете «свои» материалы для пенобетона, можете перепробовать множество видов эмульсий и концентратов.

Еще один критерий, характеризующий качественный пеногенератор строительный – высокая производительность и постоянная подача однородной пены в бетоносмеситель. Если произойдут сбои в этом процессе, для возведения стен получившиеся изделия будут непригодны.