Сопла Лаваля

Схема течії в соплі Лаваля

Сопло Лаваля — технічне пристосування, яке служить для прискорення газового потоку, що проходить по ньому до швидкостей, що перевищують швидкість звуку. У найпростішому випадку сопло представляє собою циліндричний або конічний патрубок (насадок), один кінець якого приєднаний до джерела рідини чи газу, а з іншого виходить сформований струмінь.

Історія виникнення сопла Лаваля

Карл Густав Патрик де Лаваль

Карл Густав Патрік де Лаваль (9.5.1845, Орса, - 2.2.1913, Стокгольм), шведський інженер і винахідник. За національністю француз. Закінчив технологічний інститут і університет (1872) в Упсалі. У 1878 році сконструював відцентровий сепаратор безперервної дії (для молока). У 1889 році побудував парову турбіну активного типу. Вперше застосував розширюючі сопла, гнучкий вал, диск рівного опору, що дозволив досягати дуже високих швидкостей (419 м / сек). Крім того, в турбінах Лаваля було передбачено багато нових елементів, частина з яких використовується в сучасному турбобудуванні. Лаваль розробив також теорію сопла. Внаслідок ряду конструктивних недоліків і відносно невеликої потужності турбіни Лаваля не набули поширення, але зіграли важливу роль у розвитку турбобудування.

Принцип дії

Сопло Лаваля – це комбіноване сопло, яке спочатку звужується, а після розширюється.

Феномен прискорення газу до надзвукових швидкостей в соплі Лаваля був виявлений в кінці XIX ст. експериментальним шляхом. Пізніше це явище знайшло теоретичне пояснення в рамках газової динаміки.

При наступному аналізі перебігу газу в соплі Лаваля приймаються наступні допущення:

• Газ вважається ідеальним.
• Газовий потік є ізоентропним (тобто має постійну ентропію, сили тертя і дисипативні втрати не враховуються) і адіабатичним (тобто теплота не підводиться і не відводиться).
• Газова течія є стаціонарним і одновимірним, тобто в будь-якій фіксованій точці сопла всі параметри потоку постійні в часі і змінюються тільки уздовж осі сопла, причому у всіх точках обраного поперечного перерізу параметри потоку однакові, а вектор швидкості газу всюди паралельний осі симетрії сопла.
• Масова витрата газу однакова у всіх поперечних перерізах потоку.
• Вісь симетрії сопла є просторовою координатою.

Ставлення локальної швидкості $\,v$ до локальної швидкості звуку $\, C$ позначається числом Маха, яке також розуміється місцевим, тобто залежним від координати $\, x$:

$M = \frac{v}{C}$    (3)

З рівняння стану ідеального газу слідує:$\frac{dp}{d\rho}=C^2$, тут $\,\rho$ - локальна щільність газу, $\, p$ - локальне тиск. З урахуванням цього, а також з урахуванням стаціонарності і одномірності потоку рівняння Ейлера набуває вигляду:

$v\frac{dv}{dx} = - \frac{1}{\rho}\cdot \frac{dp}{dx} = - \frac{1}{\rho}\cdot \frac{dp}{d\rho}\cdot \frac{d\rho}{dx} = - \frac{C^2}{\rho}\cdot \frac{d\rho}{dx}$,

що, враховуючи (3), перетворюється в $\frac{1}{\rho}\cdot \frac{d\rho}{dx} = -M^2\cdot \frac{1}{v}\cdot \frac{dv}{dx}$.     (4)

Рівняння (4) є ключовим у даному міркуванні. Розглянемо його в такій формі:

$\frac{1}{\rho} \frac{d\rho}{dx} / \frac{1}{v} \frac{dv}{dx} = -M^2$     (4.1)

Величини $\frac{1}{\rho} \frac{d\rho}{dx}$ и $\frac{1}{v} \frac{dv}{dx}$ характеризують відносну ступінь змінності по координаті $\,x$ щільності газу і його швидкості відповідно. Причому рівняння (4.1) показує, що співвідношення між цими величинами рівне квадрату числа Маха (знак мінус означає протилежну спрямованість змін: при зростанні швидкості щільність убуває). Таким чином, на дозвукових швидкостях $\,(M\lt 1)$ щільність змінюється в меншій мірі, ніж швидкість, а на надзвукових $\,(M\gt 1)$ - навпаки. Як буде видно далі, це і визначає звужуючу-розширюючу форму сопла.

Оскільки масова витрата газу постійна:

$\rho\cdot v\cdot A = \mathsf{const}$,

где $\, A$ - площа місцевого перетину сопла,

$\ln \rho + \ln v + \ln A = \ln(\mathsf{const})$,

диференціюючи обидві частини цього рівняння по $\, x$, одержуємо:

$\frac{1}{\rho}\cdot \frac{d\rho}{dx} + \frac{1}{v}\cdot \frac{dv}{dx} + \frac{1}{A}\cdot \frac{dA}{dx} = 0$.

Після підстановки з (4) в це рівняння, отримуємо остаточно:

$\frac{dA}{dx} = \frac{A}{v}\cdot\frac{dv}{dx}\cdot ({M^2 - 1})$     (5)

Зауважимо, що при збільшенні швидкості газу в соплі знак вираження $\frac{A}{v}\cdot\frac{dv}{dx}$ позитивний і, отже, знак похідної $\frac{dA}{dx}$ визначається знаком вираження : $\,({M^2 - 1})$

Ілюстрація роботи сопла Лаваля. У міру руху газу по соплу, його абсолютна температура Т і тиск Р знижуються, а швидкість V зростає, М - число Маха

З чого можна зробити наступні висновки:

• При дозвуковой швидкості руху газу $\,(M\lt 1)$, похідна $\frac{dA}{dx}\lt 0$ - сопло звужується.
• При надзвуковій швидкості руху газу $\,(M\gt 1)$, похідна $\frac{dA}{dx}\gt 0$ - сопло розширюється.
• При русі газу зі швидкістю звуку $\,(M = 1)$, похідна $\frac{dA}{dx}=0$ - площа поперечного перерізу досягає екстремуму, тобто має місце найвужчий перетин сопла, званий критичним.

Отже, на звуженій, докритичній ділянці сопла рух газу відбувається з дозвуковими швидкостями. У найвужчому, критичному перетині сопла локальна швидкість газу сягає звуковій. На розширеній, закритичній ділянці, газовий потік рухається з надзвуковою швидкістю, прискорюючись. Це прискорення відбувається завдяки тому, що хвиля зниження тиску від розширеної порції газу в надзвуковому потоці не встигає розповсюдитися на наступні за нею інші порції. Закон Бернуллі в цих умовах не виконується. Як наслідок цього, маємо корисну роботу.

Перше використання сопла Лаваля в ракетному двигуні

Надзвуковий струмінь з сопла ракетного двигуна RS-68 на вогневих випробуваннях.

В ракетному двигуні сопло Лаваля вперше було використано генералом М. М. Поморцевим в 1915 р.. У листопаді 1915 року в Аеродинамічний інститут звернувся генерал М. М. Поморцев з проектом бойової пневматичної ракети. Ракета Поморцева приводилася в рух стисненим повітрям, що істотно обмежувало її дальність, але зате робило її безшумною. Ракета призначалася для стрільби з окопів по ворожих позиціях. Боєголовка оснащувалася тротилом. У ракеті Поморцева було застосовано два цікавих конструктивних рішення: в двигуні було сопло Лаваля, а з корпусом був пов'язаний кільцевий стабілізатор.

Сфера застосування

Широко використовується в парових і газових турбінах, ракетних і повітряно-реактивних двигунах, газодинамічних лазерах, обладнанні для нанесення фарб, абразиво-струминній обробці тощо.

Залежно від технічного призначення сопла виникають специфічні завдання розрахунку: наприклад, в соплі аеродинамічних труб необхідно забезпечити створення рівномірного і паралельного потоку газу у вихідному перетині, вимоги до сопла ракетних двигунів полягають в здобутті найбільшого імпульсу газового потоку у вихідному перетині сопла при його заданих габаритних розмірах.

Ці та інші технічні завдання привели до бурхливого розвитку теорії сопла, що враховує наявність в газовому потоці рідких і твердих часток, нерівноважних хімічних реакцій, перенесення променистої енергії, що зажадало широкого вживання ЕОМ(електронна обчислювальна машина) для вирішення вказаних завдань, а також для розробки складних експериментальних методів дослідження сопла.

Використана література

• Абрамович Г. Н., Прикладная газовая динамика, 3 изд., М., 1969: Стернин Л. Е., Основы газодинамики двухфазных течений в соплах, М., 1974.
• Пирумов У.Г. и др., Газовая динамика сопел, М., Наука, 1990
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. — Теоретическая физика (Том 6. Гидродинамика). Глава X. Одномерное движение сжимаемого газа. § 97. Истечение газа через сопло.
• Моравский А. В., Файн М. А. — Огонь в упряжке, или Как изобретают тепловые двигатели. — М.: Знание, 1990. (Жизнь замечательных идей). −192 с. ISBN 5-07-000069-1 50000 экз.
• Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Крутова, - М.:Высшая школа. 1981. - 439 с.