Сопло лаваля своими руками

Добавить рекламное объявление

Принято считать, что сопло Лаваля – это техническое устройство, предназначенное исключительно для разгона газовых потоков до сверхзвуковых скоростей.

В русской Википедии можно прочитать аналогичное — Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателей. Сопло представляет собой канал, суженный в середине.

В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании газодинамических расчётов. Сопло было предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, с биографией которого можно познакомиться здесь — Лев Гумилевский. Густав Лаваль .

Возьмем рисунок из статьи Википедии. (Рис.1.), на котором схематично показано сечение сопла, а также динамика давления, температуры и скорости газового потока вдоль оси сопла.

Сопло лаваля своими руками

Рис.1 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.

Суживающая часть сопла называется конфузором, а расширяющая – диффузором. Хочу обратить внимание на соотношение длин конфузора и диффузора. Диффузор по длине больше конфузора.

И хотя на этот факт в разных источниках никто не обращает внимание, думаю, что это важный параметр, значение которого необходимо соблюдать.

Причем, если проектировать сопло Лаваля для газового и парового потока, то, действительно, длина конфузора должна быть меньше длины диффузора.

Не знаю, как объясняют этот факт ученые люди, но как русский дилетант могу предположить, что это связано с некими газовыми законами.

Если сравнивать сопло Лаваля и самый обыкновенный ДВС (двигатель внутреннего сгорания), то можно заметить, что между ними есть некая аналогия – чередование фаз сжатия и разряжения, что в итоге позволяет выделиться внутренней энергии газа (топлива).

В ДВС имеется 4 фазы – две изотермические и две адиабатические. В сопле Лаваля, похоже, есть только две фазы – адиабатическое сжатие и изотермическое расширение.

Сжатие осуществляется в конфузоре. И для адиабатического процесса он должен быть коротким. Изотермическое расширение происходит в диффузоре, поэтому для приближения процесса к изотермическому диффузор должен быть длинным, гораздо длиннее конфузора.

Говорить об идентичности сжатия и разряжения газа вдоль центральной оси сопла Лаваля, конечно, надо с некой долей условности, так как быстротечность процессов в нём не позволяет осуществляться процессу теплообмена между струёй газа и окружающей средой.

Но кто говорит об окружающей среде? Ведь надо же в первую очередь объяснить, откуда топливо при своём сгорании черпает ту энергию, которая позволяет забрасывать спутники и космические корабли на орбиту Земли и даже дальше? Умные люди утверждают, что это так называемая внутренняя энергия топлива, но сам механизм этого процесса мудро замалчивают, ссылаясь на некие законы природы, открытые экспериментальным путём.

Мне, как дилетанту, остается предположить, что внутренняя энергия топлива – это ответная реакция эфирной и газовой среды на движущийся вдоль сопла Лаваля поток газа. Вначале эту совместную среду подвергают адиабатическому сжатию, потом – изотермическому расширению.

И в ответ эфиро-атомная смесь отвечает выбросом инфракрасного излучения и разного рода ударными волнами. И этот ответ в большой степени зависит от состава газа. Разные газы дают разные ответные реакции.

Но при любом газе важно учитывать участие в этом процессе эфирной среды.

Сопло Лаваля можно даже рассматривать в качестве простого варианта теплового насоса.

Соединив два сопла Лаваля, Шестеренко получил свой насадок. Здесь можно познакомиться с одним его патентом. А здесь с другим патентом.

При желании любой пользователь может найти еще патенты Шестеренко на насадки и супернасадки разной конструкции.

Думаю, что в последние годы никто в открытую не заявляет, что он использует насадки Шестеренко в тех или иных производственных процессах. Но, похоже, эти конструкции уже активно работают по всему миру, в том числе и в России.

Сопло Лаваля некоторые изобретатели пытались использовать в теплогенераторах в качестве кавитатора. Как известно, вода при высоких скоростях начинает парить прямо в потоке, образуя множество мелких пузырьков пара, которые схлопываясь, порождают массу интересных феноменов, одним из которых является нагрев воды.

Правда, при использовании классических сопел Лаваля, которые хорошо работают в газовых потоках, в водном потоке кавитация приводила к слабому сверхъединичному эффекту – 120-200%.

Это, конечно, требовало пересмотра некоторых положений физики, но с другой стороны, такой КУМ (коэффициент усиления мощности) не позволял надеяться на создании мощных энергогенераторов и всегда таил в себе угрозу, что найдется желающий охаять такой скромный результат, списав всё это на невежество первооткрывателей и несовершенство измерительной методики или техники.

Именно по такому сценарию подвергались критике первые опыты по холодному ядерному синтезу. Такая же реакция была на создателей первых теплогенераторов, например, Потапова. Поэтому для водных потоков требовалась совсем другая форма сопел Лаваля. И такие попытки были проведены.

Если использовать сопла Лаваля для жидкой среды, способной к парообразованию, например вода, то в таком сопле конфузор может быть уже длиннее диффузора. Именно на этом настаивает автор изобретения Сверхзвуковое сопло для вскипающей жидкости (патент РФ № 2420674) . Вот как характеризует свое изобретение автор Фисенко Владимир Владимирович:

Изобретение относится к струйной технике и используется в устройствах для разгона различных сред с формированием однородного двухфазного потока среды.

Сверхзвуковое сопло для вскипающей жидкости содержит входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки, между которыми расположено минимальное сечение сопла, при этом образующая начальной части расширяющегося участка сопла имеет вогнутую по отношению к оси сопла форму кривой, плавно переходящей в выпуклую по отношению к оси сопла форму в сечении сопла, в котором скорость потока равна локальной скорости звука. Технический результат — снижение гидравлических потерь в процессе преобразования потока жидкости в газожидкостной поток и повышение эффективности преобразования в сопле тепловой энергии в механическую работу. 1 ил.

Сопло лаваля своими руками

Ил.1.

Остальную информацию желающие могут получить непосредственно из самого патента. Нам же важно понять, что для легко вскипающих жидкостей сопло Лаваля должно иметь конструкцию отличную от тех, что хорошо работают с газовыми потоками. И, скорее всего, для каждого конкретного газа или жидкости, а также для выбранных режимов работы, следует создавать «своё» сопло Лаваля.

Сопло Лаваля для легкокипящей жидкости, например воды, должно учитывать такой факт, как увеличение объема массы в случае формирования в жидкости двух фаз – жидкости и пара. Ибо пар занимает при давлении в 1 атмосферу объем в сотни раз больше. Для воды этот показатель равен примерно 600-700.

Поэтому для увеличения объема потока в два раза требуется, чтобы в пар превратилась незначительная часть жидкости, буквально 1-3%. При этом имеет место рост давления, возрастает силовое воздействие смеси.

И этот результат достается даром, как проявление неких законов Природы – законов фазового перехода, роль Эфира в которых еще просто не изучена.

Именно по этой причине у меня и появилась уверенность в том, что сопло Лаваля – это сверхъединичное устройство, которое позволяет использовать не только теплотворную способность топлива, как это имеет место в ДВС, Дизеле или двигателе Стирлинга, но также и ответную реакцию среды, проявлением которой является не только дополнительное инфракрасное излучение и ударные волны, но и масса других интересных эффектов.

В последнее время ряд ученых заинтересовались связью между темпами роста ВВП (валового внутреннего дохода) с темпами роста энергопотребления. И вот что обнаружилось для России. Если в годы СССР темпы роста энергопотребления были примерно равны темпам роста ВВП, то для современной России это уже не соблюдается.

Темпы роста ВВП превышают темпы роста энергопотребления в три (!!!!) раза.

Это заставляет меня предположить, что российские производители кроме использования финансовых механизмов втихаря начинают использовать альтернативные энергетические технологии, дающие в точке приложения исполнительного механизма используемых машин энергии больше, чем её подводится к исполняющим механизмам (!!!) из энергосети, если измерять это по электросчетчику на границе «сеть — предприятие». Ну, типа трансформатора Тесла вместо обычного трансформатора. Если вначале некоторые умельцы, беря немного мощности из сети, радовались десятикратному увеличению мощности, идущей в нагрузку, за что получали по шее от энергораспределительной компании и государства, то современные умельцы довольствуются ростом мощности в 2-3 раза. Да и то, маскируют это разными промежуточными процессами. Что говорить о промышленности, если уже в продаже появились приспособления, позволяющие брать из сети в два раза больше, чем показывает электросчетчик. И причём всё законно.

Кто не понял, повторяю, что в России уже в течение 20 лет используются альтернативные методы энергогенерации, отличные от тех, что применяются в умирающей Европе – гелио-ветро-энергетика. Причем эти методы реализованы внутри, например, тех же газогенераторов.

И сопла Лаваля, как сами по себе, так и в модификации Шестеренко, как нельзя кстати подходит для этих целей. Как и тепловые насосы, центробежные теплогенераторы, вихревые трубки и множество других прибамбасов, на которые мы в силу нашего невежества и безразличия просто не обращаем внимание.

А между тем процесс пошёл…

22.05.2014.

 Безтопливная энергетика

На главную

Сопло Лаваля. Конструкция и режимы его работы

Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами.

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Сопло было впервые предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а потому и названо по имени его изобретателя.

Затем в 1913 г. Р. Годдардом подана заявка на изобретение на применение сопла Лаваля в двухступенчатой твердотопливной ракете.

В настоящее время сопло Лаваля широко используется на некоторых типах паровых турбин, в ракетных двигателях и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателях.

Позже это явление – ускорение газа до сверхзвуковых скоростей нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики и соответствующих газодинамических расчетов.

Читайте также:  Паяльник момент своими руками из трансформатора

Сопло лаваля своими руками

Качественная поверхностная очистка металлических поверхностей концентрированной струёй песка невозможна, если неверно определены параметры сопла – выходной части устройства.

  Изготовление вощины своими руками в домашних условиях

Сопло для пескоструйного аппарата – самая быстроизнашивающийся его деталь, долговечность которой, в зависимости от материала и расхода воздушно-песчаной смеси, не превышает 800…1000 часов, если учесть что оно правильно подобрано.

О выборе, сегодня, и пойдёт речь в нашей статье.

Конструкция типового сопла

Простейшее сопло для пескоструйного аппарата представляет собой полую трубку с резьбовой частью на одном из концов, которая предназначена для присоединения детали к соплодержателю.

Основные геометрические характеристики сменных сопел промышленного производства:

  1. Диаметр присоединительной резьбы (зависит от технической характеристики пескоструйного аппарата, но обычно используется трубная цилиндрическая резьба 2” или 1¼”). Возможен также вариант соединения сопла с соплодержателем при помощи накидной гайки и герметизирующей шайбы. Сопла, изготовленные своими руками, присоединяют к шлангу рабочей установки при помощи обычных хомутов.
  2. Длина детали, которая варьируется в диапазоне 7…23 мм (более короткие используются для очистки менее загрязнённых поверхностей).
  3. Диаметр внутреннего отверстия в его минимальном поперечном сечении. Выпускаются сменные наконечники с диаметрами 6, 8, 10 и 12 мм.
  4. Заходный диаметр сопла, определяемый диаметром присоединительного шланга (он может быть 25 или 32 мм).

Главным параметром рассматриваемой детали является профиль внутреннего отверстия, который определяет потери расхода воздушно-песчаной смеси, скорость её на входе и выходе из сопла, а также величину суммарного гидравлического сопротивления, которое в итоге и определяет долговечность сопла.

Наиболее простым вариантом (пригодным для изготовления своими руками) является сопло с цилиндрическим внутренним отверстием постоянного диаметра. Но для улучшения аэродинамических характеристик на таких деталях иногда изготавливают два конических участка:

  • Входной конфузор, наличие которого позволяет увеличить энергию потока смеси, входящей в сопло;
  • Выходной диффузор, наличие которого способствует увеличению площади поверхности, обрабатывающейся одновременно. Энергия потока при этом падает, поэтому при необходимости более качественной очистки, диффузорный профиль окончания сопла предусматривают не всегда.

Наиболее эффективным профилем внутреннего отверстия для обеспечения минимальных потерь потока является сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури.

В этом случае отверстие состоит из трёх взаимосвязанных участков, каждый из которых выполняет определённые функции:

  1. На входе сопла с профилем Вентури имеется конфузорное расширение, угол которого, однако, меньше, чем у конфузора обычного сопла (не более 20…22º). Конфузорная часть занимает до 30% от общей длины детали.
  2. Цилиндрическая часть, длиной не более 15%.
  3. Диффузорная часть с достаточно малым углом расширения (7…15º), длина которого определяется размером самого сопла в плане.

С целью снижения гидродинамического сопротивления рабочей смеси, которая движется в канале сопла, все переходы от одной части к следующей выполняются с радиусными закруглениями, величина которых принимается в пределах r = (0,02…0,03) d, где d — диаметр средней, цилиндрической части сопла.

Как выбирать сопло для пескоструйного аппарата?

  • Сопло с профилем Вентури позволяет увеличить скорость перемещения песчано-воздушной смеси в 2,5…3 раза по сравнению с соплами иной конфигурации внутреннего отверстия.
  • Современное сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури способно обеспечить движение частиц на выходе до 700…720 км/ч.
  • При этом производительность очистки при тех же расходах смеси и давлениях увеличивается примерно в 2 раза.
  • Ориентировочно выбор параметров сопла можно производить по следующим критериям:
  • По производительности. При требуемой производительности установки до 10…12 м3/ч внутренний диаметр сопла не превышает 8 мм, при 12…22 м3/ч – 10 мм, при более высоких значениях производительности диаметр внутреннего канала должен быть 12 мм;
  • По наибольшему давлению воздуха. Если оно не превышает 5 ат, то диаметр канала может приниматься 6…8 мм, при давлениях до 7 ат – 8…10 мм, при более высоких давлениях – 12 мм;
  • В зависимости от удельного расхода абразива. Если данный параметр не превышает 200…250 кг/ч, то пригодно сопло диаметром 6 мм, при 350…400 кг/ч – 8 мм, при 600…900 кг/ч — 10 мм, в остальных случаях – 12 мм.

Данные рекомендации касаются сопел с цилиндрическими внутренними отверстиями.

  Техника безопасности при работе на наждачном станке

  1. Для пересчёта приведённых данных на сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури данные по производительности обработки следует увеличить на 35…50%, по расходу – на 60…75%, а по давлению – на 15…20%.
  2. Важным элементом выбора считают материал сопла.

  3. Обычные высокоуглеродистые стали с повышенной абразивной стойкостью (например, стали типа 75 или 65Г) для этих целей подходят мало, поскольку при состоянии закалки на максимальную твёрдость отличаются повышенной чувствительностью к ударным нагрузкам, которые неизбежно возникают в начальный момент подачи в сопло абразивной смеси.

  4. Ещё меньшую стойкость имеют керамические композиции.
  5. Например, при изготовлении сопла своими руками часто используют в качестве исходной заготовки отработанную свечу от автомобильного двигателя, удаляя из неё металлический корпус.

При этом не учитывают, что керамика в конструкции свечи рассчитана на работу с газовым потоком, в котором отсутствуют твёрдые абразивные частицы.

  • Поэтому стойкость таких керамических сопел, изготовленных своими руками, не превышает нескольких часов.
  • Более работоспособным является вариант с твердосплавными соплами, которые изготавливаются из карбида вольфрама.
  • Поверхностная твёрдость таких изделий достигает 85…90 HRA, при поверхностной прочности по изгибу до 1400…1600 МПа.
  • Недостаток таких решений – высокая чувствительность карбидов вольфрама к температуре.

При повышении температуры до 80…100ºС (что вполне вероятно при длительной пескоструйной обработке) на поверхности сопла могут появиться температурные трещины. Стойкость сопел из твёрдых сплавов достигает 750…800 ч.

  1. Наилучший вариант – изготовить сопло из карбида бора.
  2. При примерно такой же твёрдости и прочности, карбиды бора выгодно отличаются своей высокой устойчивостью от температурных перепадов, поэтому сохраняют свою работоспособность при температурах 600…750ºС.
  3. Небезынтересно сравнить и цены на сопла пескоструйных установок.

Промышленные изделия из карбида бора в зависимости от длины, профиля и диаметра внутреннего отверстия можно приобрести за 1200…1600 руб., а твердосплавные сопла – за 2500…7000 руб.

Кавитационный теплогенератор: обзор моделей и изготовление своими руками

Разнообразные способы экономии энергии или получения дарового электричества сохраняют свою популярность.

Оптимальная форма

Отношение площади самой узкой части сопла к площади выходной плоскости в основном определяет, насколько эффективно расширение выхлопных газов преобразуется в линейную скорость, скорость истечения и, следовательно, тягу ракетного двигателя. Свойства газа тоже имеют значение.

Форма сопла также незначительно влияет на то, насколько эффективно расширение выхлопных газов преобразуется в линейное движение. Самая простая форма сопла имеет половину угла конуса

15 °, что дает около 98% эффективности. Меньшие углы дают немного более высокую эффективность, большие углы дают меньшую эффективность.

Часто используются более сложные формы вращения, такие как колоколообразные сопла или параболические формы. Они дают, возможно, на 1% больший КПД, чем конусное сопло, и могут быть короче и легче. Они широко используются на ракетах-носителях и других ракетах, где вес имеет большое значение. Их, конечно, сложнее изготовить, поэтому, как правило, они дороже.

Также существует теоретически оптимальная форма сопла для максимальной скорости выхлопа. Однако обычно используется более короткая форма раструба, которая дает лучшие общие характеристики благодаря гораздо меньшему весу, меньшей длине, меньшим потерям сопротивления и лишь незначительно меньшей скорости выхлопа.

Другие аспекты конструкции влияют на эффективность сопла ракеты. Горловина сопла должна иметь ровный радиус. Внутренний угол, сужающийся к горловине, также влияет на общую эффективность, но он невелик. Угол выхода сопла должен быть как можно меньше (около 12 °), чтобы свести к минимуму вероятность проблем с разделением при низких давлениях на выходе.

Почему ракетное сопло такой сложной формы

Почему ракетное сопло имеет форму колокола? В него же никто не собирается звонить по праздникам. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно для начала понять, как вообще в природе рождается любое движение.

Когда мы шагаем по поверхности нашей планеты, мы упираемся в нее ногами и благодаря этому перемещаемся. На самом деле в это же время планета движется в противоположную сторону, так как мы ее как бы отталкиваем от себя.

Но планета весит гораздо больше, чем человек, поэтому ее перемещение настолько мизерно, что буквально неуловимо.

В природе действует так называемый закон сохранения движения. Смысл его в том, что, чтобы одно тело начало двигаться, оно должно оттолкнуть от себя другое тело.

Таков же принцип движения ракеты, только ракета отталкивает от себя не что-то твердое, а реактивную струю, представляющую из себя поток частиц высокой скорости. Образуются эти частицы в ракетном двигателе, в камере сгорания.

Там происходит реакция горения, в ходе которой рождаются молекулы продуктов сгорания и выделяется энергия. Энергия приводит к росту давления и выбросу из камеры сгорания в сопло реактивной струи.

Чем выше скорость реактивной струи, тем сильнее она отталкивает от себя ракету вверх, то есть тем выше тяга ракетного двигателя.

Как разогнать струю газа? Из повседневного опыта известно, что сужение трубы, по которой течет жидкость или газ, приводит к росту скорости. Однако, когда газ набирает сверхзвуковую скорость, его поведение меняется, и скорость растет уже в расширяющейся трубе. Поэтому ракетное сопло можно разделить на две зоны: дозвуковую и сверхзвуковую.

Дозвуковая – сужающаяся, а сверхзвуковая – расширяющаяся. Таким образом форма сопла обусловлена необходимостью разгона реактивной струи, а не эстетическими соображениями. Называется такое сопло — сопло Лаваля.

Подписывайтесь на канал, жмите лайки, оставляйте комментарии

Источник

Сопло ракетного двигателя — Rocket engine nozzle

Сопла ракетного двигателя

является метательным соплом ( как правило , от Лаваля типа) , используемое в ракетном двигателе , чтобы расширить и ускорить сгорания газы , полученную при сжигании ракетного топлива , так что выхлопные газы выходят из сопла при большом сверхзвуковых скоростях.

Проще говоря: ракета (насосы и камера сгорания) создает высокое давление, несколько сотен атмосфер . Сопло превращает статический высокотемпературный газ высокого давления в быстро движущийся газ с давлением, близким к окружающему.

Читайте также:  Латунь: состав, цвет, плотность и другие характеристики сплава

Элементарная теория сопла Лаваля

Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами.

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Сопло было впервые предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а потому и названо по имени его изобретателя.

Затем в 1913 г. Р. Годдардом подана заявка на изобретение на применение сопла Лаваля в двухступенчатой твердотопливной ракете .

В настоящее время сопло Лаваля широко используется на некоторых типах паровых турбин, в ракетных двигателях и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателях .

Позже это явление – ускорение газа до сверхзвуковых скоростей нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики и соответствующих газодинамических расчетов.

Важные нюансы

Нет способов изготовления любого оборудования, которые бы не подразумевали наличия некоторых нюансов. Из-за особенностей строительной промышленности сборка своими руками устройств для изготовления стройматериалов имеет особую специфику. Специалисты выделяют такие требования:

  • размер центрального отверстия — 10 мм;
  • соотношение 3:1 подходит для пропорциональных размеров глубины сопла и диаметра на выходе из него;
  • глубина сопла и его входной диаметр должны быть не больше 30 мм и находиться в соотношении 1:1.

Чтобы изготовить пенопатрон, необходимо подобрать проволочную, а не спиралевидную сетку Лучше всего отдавать предпочтение сеткам, сделанным из нержавейки. Их, как и фильтр выхода пены из устройства, можно приобрести в магазине.

Корпус пенопатрона необходимо наполнить сетками, а на выходе закрепить ершик. Ершик можно и не ставить, но в этом случае не получится избежать разбрызгивания пены на выходе из сопла. Изготовление пеногенератора с условием предварительной подготовки не составит больших сложностей, а полученное устройство качественно прослужит в течение продолжительного времени.

>Пеноблоки своими руками на самодельном оборудовании – как сделать?

Принцип работы сопла Лаваля:

Ниже на иллюстрации показана работа 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 газа достигает звуковой (М = 1). На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми 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.

© Фото //www.pexels.com, //pixabay.com, //ru.wikipedia.org/wiki/Сопло_Лаваля

скорость истечения расчет работа истечение из сопла лаваля сопло лаваля принцип работы чертеж купить температура для воздуха своими руками формулы для воды калькулятор википедия размеры

Поиск технологий

Найдено технологий 1

Может быть интересно:

Интенсивное садоводство

Клиновые мельницы

Обеззараживание питьевой воды и сточных вод плазмой

Органические удобрения и технология производства

Рыбные фермы и технология выращивания рыбы

Графеновый аккумулятор и его преимущества

Охранная система РЛД «Редан-125»

Шпренгельные фермы с наклонными стойками

О чём данный сайт?

Настоящий сайт посвящен авторским научным разработкам в области экономики и научной идее осуществления Второй индустриализации России.

Он включает в себя: – экономику Второй индустриализации России, – теорию, методологию и инструментарий инновационного развития – осуществления Второй индустриализации России, – организационный механизм осуществления Второй индустриализации России, – справочник прорывных технологий.

Мы не продаем товары, технологии и пр. производителей и изобретателей! Необходимо обращаться к ним напрямую!

  • Мы проводим переговоры с производителями и изобретателями отечественных прорывных технологий и даем рекомендации по их использованию.
  • Осуществление Второй индустриализации России базируется на качественно новой научной основе (теории, методологии и инструментарии), разработанной авторами сайта.
  • Конечным результатом Второй индустриализации России является повышение благосостояния каждого члена общества: рядового человека, предприятия и государства.

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.

  Отвод крутоизогнутый стальной 90°, ГОСТ 17375-2001

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.К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)[источник не указан 3716 дней ]

  1. В общем случае удельный импульс сопла Лаваля (при работе как в среде, так и в пустоте) определяется выражением:
  2. I=v_e+frac {A_e} {dot{m}}cdot(p_e-p_o)(5) Здесь v_e — скорость истечения газа из сопла, определяемая по формуле (4); A — площадь среза сопла; p_e — давление газа на срезе сопла; p_o — давление окружающей среды; dot{m} — секундный массовый расход газа через сопло.
  3. Из выражения (5) следует, что удельный импульс и, соответственно, тяга ракетного двигателя в пустоте (при p_o=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
  4. ина уровне моря (например, РД-107).
  5. Зависимость характеристик двигателя от давления газа на срезе сопла p_e носит более сложный характер: как следует из уравнения (4), v_e растёт с убыванием p_e, а добавка frac {A_e} {m{‘}}cdot(p_e-p_o) — убывает, и при p_e становится отрицательной.
  6. При фиксированном расходе газа и давлении на входе в сопло величина p_e зависит только от площади среза сопла, которую обычно характеризуют относительной величиной — степенью расширения

сопла — отношением площади конечного среза к площади критического сечения. Чем больше степень расширения сопла, тем меньше давление p_e, и тем больше скорость истечения газа v_e.

Рассматривая соотношение давления на срезе сопла и давления окружающей среды, выделяют следующие случаи.[2]

  • p_e=p_o — оптимальный режим расширения сопла, при котором удельный импульс достигает максимального значения (при прочих равных условиях). При этом, как следует из уравнения (5), удельный импульс становится численно равным скорости истечения газа v_e.
  • p_e — режим перерасширения . Уменьшение степени расширения сопла (несмотря на уменьшение скорости истечения газа) приведёт к увеличению удельного импульса. При проектировании ракетных двигателей первых ступеней ракет конструкторы часто сознательно идут на перерасширение, поскольку с набором ракетой высоты атмосферное давление падает, уравнивается с давлением на срезе сопла, и удельный импульс двигателя возрастает. Таким образом, жертвуя тягой в начале полёта, получают преимущество на последующих его стадиях, что, как показывают расчёты и практика, в сумме даёт выигрыш в конечной скорости ракеты.

Однако, при значительном превышении давления окружающей среды над давлением в газовом потоке, в нём возникает обратная ударная волна , которая распространяется против потока со сверхзвуковой скоростью, тем большей, чем больше перепад давления на её фронте, что приводит к

срыву сверхзвукового течения газа в сопле

(полному или частичному). Это явление может стать причиной автоколебательного процесса, когда сверхзвуковое движение газа в сопле периодически возникает и срывается с частотой от нескольких герц до десятков герц. Для сопел ракетных двигателей, в которых происходят процессы большой мощности, эти автоколебания являются разрушительными, не говоря о том, что эффективность двигателя в таком режиме резко падает. Это накладывает ограничение на степень расширения сопла, работающего в атмосфере.

  • p_e>p_o — режим недорасширения . Недорасширение означает, что не вся внутренняя энергия газа израсходована на его ускорение и, увеличив степень расширения сопла, можно добиться увеличения скорости истечения газа и удельного импульса. В пустоте (при p_o=0) полностью избежать недорасширения невозможно.

При подстановке p_e=0 в формулу (4) получается теоретический предел скорости истечения в пустоте, определяемый внутренней энергией газа: v_{max} = sqrt{;frac{T;R}{M}cdotfrac{2;k}{k-1}} 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.

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.

Читайте также:  Пескоструйная машина своими руками

Введение

Сопло Лаваля – техническое приспособление, которое служит для ускорения газового потока проходящего по нему до скоростей, превышающих скорость звука. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателей.

Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчётов.

Сопло было предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин. В ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано генералом М. М. Поморцевым в 1915 г.

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.

( 1 оценка, среднее 5 из 5 )

сопло де Лаваля

  (Перенаправлено с сопла Лаваля )Перейти к навигации Перейти к поиску Схема сопла де Лаваля, показывающая приблизительную скорость потока (v) вместе с влиянием на температуру (T) и давление (p)

Сопла Лаваля (или сужающееся-расширяющееся сопло , CD — форсунку или кон-ди сопло ) представляет собой трубка , которая зажимается в середине, что делает тщательно сбалансировано, асимметричную песочные часы формы. Он используется для ускорения проходящего через него горячего газа под давлением до более высокой сверхзвуковой скорости в осевом (осевом) направлении путем преобразования тепловой энергии потока в кинетическую энергию . Из-за этого сопло широко используется в некоторых типах сопел паровых турбин и ракетных двигателей . Он также находит применение в сверхзвуковых реактивных двигателях .

Подобные свойства потока применялись к струйным течениям в астрофизике . [1]

История [ править ]

Джованни Баттиста Вентури разработал сходящиеся-расходящиеся трубки, известные как трубки Вентури, для экспериментов с эффектами снижения давления жидкости при прохождении через штуцеры ( эффект Вентури ).

Немецкий инженер и изобретатель Эрнст Кёртинг якобы перешел на сходящееся-расширяющееся сопло в своих пароструйных насосах к 1878 году после использования сходящихся сопел, но эти сопла оставались секретом компании.

[2] Позже шведский инженер Густав Де Лаваль применил свою собственную конструкцию сужающегося расширяющегося сопла для использования на своей импульсной турбине в 1888 году. [3] [4] [5] [6]

Сужающаяся-расширяющееся сопло Лаваля было впервые применено в ракетном двигателе с помощью Роберта Годдарда . В большинстве современных ракетных двигателей, использующих сжигание горячего газа, используются сопла де Лаваля.

Операция [ править ]

Его работа основана на различных свойствах газов, движущихся с дозвуковой , звуковой и сверхзвуковой скоростью. Скорость дозвукового потока газа увеличится, если труба, по которой он проходит, сузится, потому что массовый расход постоянен.

Поток газа через сопло де Лаваля изоэнтропичен ( энтропия газа почти постоянна). В дозвуковом потоке звук будет распространяться через газ.

В «горловине», где площадь поперечного сечения минимальна, скорость газа локально становится звуковой (число Маха = 1,0), это состояние называется дросселированным потоком..

По мере увеличения площади поперечного сечения сопла газ начинает расширяться, и поток газа увеличивается до сверхзвуковых скоростей, при которых звуковая волна не будет распространяться назад через газ, если смотреть в системе отсчета сопла ( число Маха > 1,0).

Когда газ выходит из горловины, увеличение площади позволяет ему подвергаться расширению Джоуля-Томпсона, при котором газ расширяется со сверхзвуковой скоростью от высокого до низкого давления, заставляя скорость массового потока превышать скорость звука.

При сравнении общей геометрической формы сопла между ракетой и реактивным двигателем она выглядит по-разному только на первый взгляд, когда на самом деле на одних и тех же геометрических сечениях заметны примерно одни и те же существенные факты — что камера сгорания в реактивный двигатель должен иметь такое же «горло» (сужение) в направлении выхода газовой струи, чтобы турбинное колесо первой ступени реактивной турбины всегда располагалось непосредственно за этим сужением, а любое — на последующих ступенях. турбины расположены в большем выходном сечении сопла, где поток ускоряется.

Условия эксплуатации [ править ]

Сопло де Лаваля будет перекрывать горловину только в том случае, если давление и массовый поток через сопло достаточны для достижения звуковых скоростей, в противном случае сверхзвуковой поток не достигается, и оно будет действовать как трубка Вентури ; для этого требуется, чтобы давление на входе в сопло всегда было значительно выше атмосферного (эквивалентным образом давление торможения струи должно быть выше атмосферного).

Кроме того, давление газа на выходе из расширяющейся части выпускного отверстия сопла не должно быть слишком низким.

Поскольку давление не может распространяться вверх по сверхзвуковому потоку, выходное давление может быть значительно ниже давления окружающей среды, в которое он выходит, но если оно слишком сильно ниже окружающего, то поток перестанет быть сверхзвуковым , или поток разделится внутри расширяющаяся часть сопла, образуя нестабильную струю, которая может «хлопать» внутри сопла, создавая поперечный толчок и, возможно, повреждая его.

На практике для того, чтобы сверхзвуковой поток покинул сопло, давление окружающей среды должно быть не выше примерно в 2–3 раза давления в сверхзвуковом газе на выходе.

Анализ газового потока в соплах де Лаваля [ править ]

Анализ газового потока через сопла де Лаваля включает ряд концепций и допущений:

  • Для простоты предполагается, что это идеальный газ .
  • Газовый поток изоэнтропичен (т. Е. С постоянной энтропией ). В результате поток является обратимым (без трения и потерь на диссипацию) и адиабатическим (т.е. тепло не входит и не выходит из системы).
  • Поток газа постоянный (т. Е. В установившемся режиме) в течение периода горения пороха .
  • Газовый поток идет по прямой от входа для газа к выходу для выхлопных газов (т. Е. Вдоль оси симметрии сопла).
  • Газовый поток сжимаем, поскольку поток имеет очень высокие скорости (число Маха> 0,3).

Скорость выхлопных газов [ править ]

Когда газ входит в сопло, он движется с дозвуковой скоростью.

По мере того как площадь поперечного сечения сокращается, газ вынужден ускоряться до тех пор, пока осевая скорость не станет звуковой в горловине сопла, где площадь поперечного сечения наименьшая.

Затем от горловины площадь поперечного сечения увеличивается, позволяя газу расширяться, а осевая скорость становится все более сверхзвуковой .

Линейную скорость выходящих выхлопных газов можно рассчитать с помощью следующего уравнения: [7] [8] [9]

v e = T R M ⋅ 2 γ γ − 1 ⋅ [ 1 − ( p e p ) γ − 1 γ ] , {displaystyle v_{e}={sqrt {{frac {TR}{M}}cdot {frac {2gamma }{gamma -1}}cdot left[1-left({frac {p_{e}}{p}}
ight)^{frac {gamma -1}{gamma }}
ight]}},}

v e {displaystyle v_{e}}

T {displaystyle T}

R {displaystyle R}

M {displaystyle M}

γ {displaystyle gamma }

p e {displaystyle p_{e}}

p {displaystyle p}

где:
= скорость выхлопа на выходе из сопла,
= абсолютная температура входящего газа,
= универсальная газовая постоянная ,
= молекулярная масса газа (также известная как молекулярная масса)
= = коэффициент изоэнтропического расширения c p c v {displaystyle {frac {c_{p}}{c_{v}}}}
  ( и — удельная теплоемкость газа при постоянном давлении и постоянном объеме соответственно), c p {displaystyle c_{p}} c v {displaystyle c_{v}}
= абсолютное давление выхлопных газов на выходе из сопла,
= абсолютное давление газа на входе.

Вот некоторые типичные значения скорости выхлопных газов v e для ракетных двигателей, сжигающих различные виды топлива:

  • От 1700 до 2900 м / с (от 3800 до 6500 миль в час) для жидких монотопливов ,
  • От 2900 до 4500 м / с (от 6500 до 10100 миль в час) для жидких двухкомпонентных топлив ,
  • От 2100 до 3200 м / с (от 4700 до 7200 миль в час) для твердого топлива .

Интересно отметить, что v e иногда называют идеальной скоростью выхлопного газа, поскольку она основана на предположении, что выхлопной газ ведет себя как идеальный газ.

В качестве примера расчета с использованием приведенного выше уравнения предположим, что пороховые газы сгорания: при абсолютном давлении входят в сопло p  = 7,0 МПа и выходят из выхлопной трубы ракеты при абсолютном давлении p e = 0,1 МПа; при абсолютной температуре Т = 3500 К; с коэффициентом изоэнтропического расширения γ = 1,22 и молярной массой M  = 22 кг / кмоль. Использование этих значений в приведенном выше уравнении дает скорость выхлопа v e = 2802 м / с или 2,80 км / с, что согласуется с приведенными выше типичными значениями.

Техническая литература часто без развязки примечания универсального закона газового постоянной R , который относится к любому идеального газа , причем закон газового постоянной R s , который применяется только к определенному индивидуальному газу молярной массы М . Отношения между двумя константами R сек = R / M .

Массовый расход [ править ]

В соответствии с сохранением массы массовый расход газа во всем сопле одинаков независимо от площади поперечного сечения. [10]

m ˙ = A p t T t ⋅ γ R M ⋅ ( 1 + γ − 1 2 M a 2 ) − γ + 1 2 ( γ − 1 ) {displaystyle {dot {m}}={frac {Ap_{t}}{sqrt {T_{t}}}}cdot {sqrt {{frac {gamma }{R}}M}}cdot (1+{frac {gamma -1}{2}}Ma^{2})^{-{frac {gamma +1}{2(gamma -1)}}}}

m ˙ {displaystyle {dot {m}}}

A {displaystyle A}

p t {displaystyle p_{t}}

T t {displaystyle T_{t}}

γ {displaystyle gamma }

R {displaystyle R}

M a {displaystyle Ma}

M {displaystyle M}

где:
= массовый расход,
= площадь поперечного сечения горла,
= полное давление,
= общая температура,
= = коэффициент изоэнтропического расширения , c p c v {displaystyle {frac {c_{p}}{c_{v}}}}
= газовая постоянная ,
= Число Маха
= молекулярная масса газа (также известная как молекулярная масса)

Когда горловина находится на звуковой скорости Ma = 1, где уравнение упрощается до:

m ˙ = A p t T t ⋅ γ M R ⋅ ( γ + 1 2 ) − γ + 1 2 ( γ − 1 ) {displaystyle {dot {m}}={frac {Ap_{t}}{sqrt {T_{t}}}}cdot {sqrt {frac {gamma M}{R}}}cdot ({frac {gamma +1}{2}})^{-{frac {gamma +1}{2(gamma -1)}}}}

Согласно третьему закону движения Ньютона, массовый расход можно использовать для определения силы, прилагаемой вытесняемым газом:

F = m ˙ ⋅ v e {displaystyle F={dot {m}}cdot v_{e}}

F {displaystyle F}

m ˙ {displaystyle {dot {m}}}

v e {displaystyle v_{e}}

где:
= приложенная сила,
= массовый расход,
= скорость на выходе из сопла

В аэродинамике сила, прилагаемая соплом, определяется как тяга.

См. Также [ править ]

  • Джованни Баттиста Вентури
  • История двигателя внутреннего сгорания
  • Движение космического корабля
  • Сверхзвуковой сепаратор Twister для очистки природного газа
  • Эффект Вентури
  • Изэнтропический поток сопла
  • Даниэль Бернулли

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с конвергентно-расходящимися соплами .
  1. CJ Clarke и B. Carswell (2007). Принципы астрофизической гидродинамики (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета . С.  226 . ISBN 978-0-521-85331-6.
  2. ^
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector