.

Сопло лаваля для охлаждения воздуха в системе вентиляции


Устройство для аэродинамического охлаждения воздуха (газа)

Полезная модель относится к струйной технике охлаждения воздуха (газа). В устройстве для аэродинамического охлаждения воздуха (газа) включающем входной патрубок, цилиндрический корпус, сопло, выходной патрубок, сопло выполнено тонкостенным, установлено осесимметрично внутри устройства так, что стенки корпуса и стенки сопла образуют кольцевую расширительную камеру в виде усеченного конуса, при этом площадь кольцевого сечения входа в расширительную камеру меньше площади выходного сечения сопла, соотношение между диаметром выходного патрубка и выходным диаметром сопла находится в пределах от 1,5 до 2,5, соотношение между площадью кольцевого сечения входа в расширительную камеру и площадью выхода из нее находится в пределах от 0,03 до 0,1. Технический результат: создание экономичного устройства для аэродинамического охлаждения поступающего в него воздуха.

Полезная модель относится к струйной технике охлаждения воздуха (газа).

Все струйные и вихревые устройства для аэродинамического охлаждения воздуха (газа), используют эффект снижения температуры потока при истечении через сопло. (Справочник. «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника» под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, М. 1983, с.231-237).

Основным недостатком аэродинамического охлаждения воздуха с использованием сопла, в том числе, сопла Лаваля, как элемента воздушной холодильной установки, является необходимость высокого начального давления перед соплом и низкий КПД устройства.

Известна система охлаждения воздуха (патент на изобретение РФ 1324395, МПК F25B 9/02, 2006 г.), содержащая компрессор с линией сжатого воздуха, на которой установлены вымораживатель, вихревой разделитель и теплообменники, эжектор с активным и пассивным соплами и выходным патрубком, датчик температуры, установленный на выходе из вымораживателя, и блок управления, причем активное сопло эжектора присоединено к выходу компрессора, пассивное сопло - к входу последнего, а выходной патрубок - к входу в вымораживатель, причем перед соплами эжектора дополнительно установлены запорно-регулирующие устройства, электрически связанные через блок управления с датчиком температуры.

Недостатком указанного технического решения является необходимость высокого начального давления перед соплом и низкий КПД.

Близкими по конструктивному решению устройствами являются устройства с эжекторными соплами (Патент на полезную модель РФ 65142, МПК F02K 1/00, 2007 г., патент на изобретение РФ 2437001, МПК F04F 5/22, 2011 г.), которые за счет энергии высоконапорного (активного) потока, подводимого к соплу, сжимают низконапорный (пассивный) поток, но они не предназначены для охлаждения смеси.

Недостатком указанных устройств является то, что снижение температуры потока, за пределами устройств с эжекторными соплами, по отношению к начальной температуре смеси, за счет аэродинамических процессов, требует больших затрат энергии на сжатие воздуха перед соплом.

Заявителю не известны устройства с эжекторными соплами, которые предназначены для аэродинамического охлаждения поступающего в него воздуха (газа).

Задача состоит в том, чтобы для аэродинамического охлаждения потока до заданной температуры снизить необходимый напор воздуха перед соплом и, за счет этого, повысить экономичность аэродинамического охлаждения воздуха.

Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в создании экономичного устройства для аэродинамического охлаждения поступающего в него воздуха.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для аэродинамического охлаждения воздуха включающем входной патрубок, цилиндрический корпус, сопло, выходной патрубок, сопло выполнено тонкостенным, установлено осесимметрично внутри устройства так, что стенки корпуса и стенки сопла образуют кольцевую расширительную камеру в виде усеченного конуса, при этом площадь кольцевого сечения входа в расширительную камеру меньше площади выходного сечения сопла, соотношение между диаметром выходного патрубка и выходным диаметром сопла находится в пределах от 1,5 до 2,5, соотношение между площадью кольцевого сечения входа в расширительную камеру и площадью выхода из нее находится в пределах от 0,03 до 0,1.

Новизна решения в том, что параллельно с соплом имеется расширительная камера, в которой происходит расширение поступающего в нее потока за счет энергии вытекающей из сопла струи. Это позволяет снизить потерю с выходной скоростью сопла. Степень расширения потока в расширительной камере и соответствующий этому расширению эффект снижения температуры определяется эжектирующей способностью сопла и расходом поступающего в расширительную полость воздуха (газа), т.е. соотношением выходного диаметра сопла, площади входного сечения в расширительную камеру, диаметра выходного патрубка, выполняющего функцию диафрагмы, и расстояния от выходного патрубка до сопла. Сопло выполнено тонкостенным, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление и габариты устройства.

Принципиальная схема устройства показана на чертеже, где цифрами обозначены входной патрубок 1, сопло 2, корпус 3, расширительная камера 4, выходной патрубок 5.

Входной патрубок 1 жестко соединен с корпусом 3, в котором установлено сопло 2, на выходе корпус 3 снабжен выходным патрубком 5, выполняющим функцию диафрагмы. Сопло 2 выполнено тонкостенным, установлено осесимметрично внутри корпуса 3 так, что стенки корпуса 3 и стенки сопла 2 образуют кольцевую расширительную камеру 4 в виде усеченного конуса, площадь кольцевого сечения входа в которую меньше площади выходного сечения сопла 2, а соотношение диаметра выходного отверстия патрубка 5 и выходного диаметра сопла 2 порядка 1,5-2,5 (установлено экспериментально); соотношение между площадью входа в расширительную камеру 4 и площадью выхода из нее в пределах от 0,03 до 0,1 (установлено экспериментально).

Устройство для аэродинамического охлаждения потока воздуха (газа) работает следующим образом. Поток воздуха (газа) поступает в устройство через входной патрубок 1 со скоростью w0. и распределяется по двум каналам: в расширительной камере 4 он расширяется и замедляется, приобретая выходную скорость w1 (первый канал), в сопле 2 ускоряется, приобретая выходную скорость w2 (второй канал). Процесс изменения скорости и состояния потока в устройстве адиабатический, за счет изменения внутренней энергии потока, без взаимодействия с внешней средой. Полная энергия потока (E) в процессе прохождения воздуха (газа) через устройство остается неизменной:

E=i+Aw 2/2g,=const,

где i - энтальпия потока (ккал/кг.);

w - скорость потока в данном сечении (м/с.);

g - ускорение силы тяжести (кг/с2).

A - тепловой эквивалент работы, равный 1/427 ккал/кг. м. (Л.2. М.А. Михеев, Краткий курс теплопередачи, Госэнергоиздат, 1960, стр.79-80); и доли расхода воздуха от общего, проходящие по первому и второму каналу. Если i0 энтальпия воздуха на входе в устройство; i1 и i2 энтальпии потока на выходе из каналов, соответственно, первого и второго, то при адиабатическом процессе, на основании равенства энергии потока до и после устройства, имеем

или

В левой части уравнения - изменение энтальпии в процессе движения потока через устройство. В правой - скорости потока до устройства и на выходе из его каналов. Если больше нуля, имеет место снижение энтальпии и температуры на выходе из каналов. Теоретическая оценка изменения температуры потока на выходе из рассматриваемого устройства показала, что используя предлагаемое устройство можно ожидать снижение температуры воздуха на 20-30%, по сравнению с использованием только сопла, за счет двух факторов:

1. При адиабатическом истечении воздуха из сопла 2, при коэффициенте адиабаты к=1,4, его температура изменяется пропорционально перепаду давления в степени (1-к)/к=0,286. При расширении воздуха в канале между соплом и корпусом устройства (расширительной камере 4), где, за счет отсоса воздуха потоком, вытекающим из сопла, давление ниже, чем за пределами устройства, температура воздуха снижается пропорционально изменению удельного объема в степени (1-к)=0,4. Для отсоса воздуха, поступающего в расширительную камеру и создания в нем давления, пониженного, по отношению к давлению за устройством, геометрические размеры сопла, площади входного и выходного сечения расширительной камеры и выходного патрубка 5 должны быть рассчитаны по известным методикам расчета эжектирующих устройств или определены экспериментально.

2. Снижение потерь с выходной скоростью сопла достигается за счет того, что выходящий из сопла поток используется для совершения работы по отсосу воздуха из расширительной камеры, обеспечивая снижение его температуры. Разделение общего потока на два параллельных позволяет снизить общее аэродинамическое сопротивление устройства.

Для проверки эффективности предлагаемого устройства изготовлен и апробирован экспериментальный образец, средние данные по которому, в сравнении с охлаждением воздуха в сопле, приведены в таблице 1.

Таблица 1.
Базовый вариант (сопло) экспериментальный образец
Режимные данные:
1. Расход воздуха (м 3/ч)7878
2. Напор воздуха на входе (кгс/см 2)0,110,096
3. Температура воздуха на входе °C4545
4. Температура воздуха на выходе °C.3733
5. Удельное снижение температуры входящего в устройство потока в расчете на одну атмосферу давления воздуха перед устройством.(45-37)/0,11=72,7(45-33)/0,096=125

Устройство для аэродинамического охлаждения воздуха, включающее входной патрубок, цилиндрический корпус, сопло, выходной патрубок, отличающееся тем, что сопло выполнено тонкостенным, установлено осесимметрично внутри устройства так, что стенки корпуса и стенки сопла образуют кольцевую расширительную камеру в виде усеченного конуса, при этом площадь кольцевого сечения входа в расширительную камеру меньше площади выходного сечения сопла, соотношение между диаметром выходного патрубка и выходным диаметром сопла находится в пределах от 1,5 до 2,5, соотношение между площадью кольцевого сечения входа в расширительную камеру и площадью выхода из нее находится в пределах от 0,03 до 0,1.

poleznayamodel.ru

Расчёт параметров потока газа в характерных сечениях и их изменение по длине сопла Лаваля. Расчет сопла Лаваля при действительном процессе расширения газа

Задание.

Рассчитать параметры потока газа в характерных сечениях и их изменение по длине сопла Лаваля:

1.  Определить параметры заторможенного потока ;

2.  Определить параметры потока в критическом сечении сопла ;

3.  Параметры потока в выходном сечении сопла ;

4.  Расход газа через сопло;

5.  Построить зависимости:

а) изменения газодинамических функций  ;

б) параметров потока газа по длине сопла .

Рис. 1. Схема сопла Лаваля.

Исходные данные:

·  скорость потока на входе

·  температура газа на входе

·  давление газа на входе

·  диаметр входного сечения сопла

·  угол конусности дозвуковой части сопла

·  угол расширения сверхзвуковой части сопла

·  рабочее тело – воздух;

·  истечение происходит в атмосферу ;

·  процесс расширения газа принять изоэнтропным.

1.  Расчёт сопла Лаваля.

1.1. Расчёт параметров газа в характерных сечения сопла.

1.1.1. Входное сечение сопла.

Температура заторможенного потока:

,

где  - температура газа на входе в сопло, К;  - скорость газа во входном сечении сопла, ;  - показатель изоэнтропы воздуха;   - удельная газовая постоянная воздуха.

Критическая скорость потока:

.

Приведённая скорость потока:

.

По таблицам газодинамических функций  или по формулам определяем:

Приведённая температура:

.

Приведённое давление:

.

Приведённая плотность:

.

Приведённый расход:

Местная скорость звука:

.

Число Маха:

.

Параметры заторможенного потока:

Полное давление:

.

Плотность заторможенного потока:

.

Поскольку течение газа принято изоэнтропным, то параметры заторможенного потока  остаются постоянными вдоль сопла.

1.1.2. Критическое сечение сопла

Из уравнения неразрывности:

Площадь и диаметр критического сечения:

.

Приведенная скорость:

 

Число Маха:

Приведённая температура:

.

Приведённое давление:

.

Приведённая плотность:

.

Приведённый расход:

.

Параметры газа в критическом сечении

Давление газа:

.

Температура газа:

.

Плотность газа:

.

1.1.3.  Выходное сечение сопла

Приведённое давление:

.

Безразмерная скорость:

Приведённая температура:

Приведённая плотность:

.

Приведённый расход:

.

Температура газа:

Плотность газа:

Скорость потока:

.

Местная скорость звука:

.

Число Маха:

Диаметр выходного сечения:

1.1.4.  Расход газа через сопло:

1.2. Изменение параметров потока вдоль сопла Лаваля.

1.2.1. Дозвуковая часть сопла.

Длина дозвуковой части сопла:

.

Разбиваем дозвуковую часть сопла сечениями нормальными к оси сопла на 10 и более частей. Части могут быть равными, но лучше сгустить их к критическому сечению сопла. Сечение 1 является входом в сопло.

По известному расстоянию и углу конусности дозвуковой части сопла определяем диаметры в заданных сечениях.

Например для i-го сечения:

.

По известному диаметру в i-м сечении находим газодинамическую функцию приведённый расход в i-м сечении:

.

Пользуясь таблицами газодинамических функций или формулами определим приведённую скорость потока .

Остальные газодинамические функции определяем по формулам:

Скорость потока:

.

Статическая температура:

.

Статическое давление:

.

Скорость звука:

.

Число Маха:

.

Результаты  расчёта заносим в таблицу 2.

Табл. 1.1 - Параметры потока в дозвуковой части»

№п/п

l, м

d, м

q

λ

τ

π

ξ

a, м/с

c, м/с

M

p, Па

T, К

ρ, кг/м3

1

0

0,05

0,3181

0,208

0,992

0,975

0,9821

425,19

80

0,190

1000000

450

7,738

2

0,0026

0,0476

0,351

0,2304

0,991

0,9694

0,978

424,84

89,73

0,211

993613

449,1

7,706

3

0,0052

0,0452

0,3892

0,2568

0,989

0,9621

0,9728

424,38

100,0

0,235

986121

448,2

7,665

4

0,0078

0,0427

0,4362

0,2898

0,986

0,9519

0,9654

423,73

112,8

0,266

975664

446,8

7,607

5

0,0104

0,0403

0,4897

0,3292

0,981

0,9382

0,9555

422,86

128,2

0,303

961668

445,0

7,529

6

0,013

0,0379

0,5536

0,3774

0,976

0,9194

0,9417

421,63

146,9

0,348

942346

442,4

7,420

7

0,0156

0,0355

0,631

0,4398

0,967

0,8916

0,9213

419,79

171,3

0,408

913911

438,5

7,260

8

0,0182

0,033

0,7302

0,5281

0,953

0,8465

0,8878

416,69

205,6

0,493

867712

432,1

6,99

9

0,0208

0,0306

0,8493

0,6575

0,927

0,7697

0,8295

411,07

256,1

0,623

788951

420,5

6,536

10

0,0234

0,0282

1

1

0,833

0,5283

0,6339

389,55

389,5

1

541489

377,6

4,995

1.2.2. Сверхзвуковая часть сопла

Длина сверхзвуковой части сопла:

.

Разбиваем сверхзвуковую часть сечениями нормальными к оси сопла на 10 равных частей.

Параметры потока и приведенные величины определяются по зависимостям приведенным в пункте 2.2.1.

Результаты расчеты заносим в таблицу 3.

Табл. 3. - Параметры потока в сверхзвуковой части

Полный список ВУЗов

vunivere.ru

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

www.alfalaval.ru

Сопло Лаваля - это... Что такое Сопло Лаваля?

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

Сопло́ Лава́ля — техническое приспособление, разгоняющее 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.

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.

В России в ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано генералом М. М. Поморцевым в 1915 г.. В ноябре 1915 года в Аэродинамический институт обратился генерал М. М. Поморцев с проектом боевой пневматической ракеты. Ракета Поморцева приводилась в движение сжатым воздухом, что существенно ограничивало ее дальность, но зато делало ее бесшумной. Ракета предназначалась для стрельбы из окопов по вражеским позициям. Боеголовка оснащалась тротилом. В ракете Поморцева было применено два интересных конструктивных решения: в двигателе имелось сопло Лаваля, а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор.

Принцип действия

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.

При следующем анализе течения газа в сопле Лаваля принимаются следующие допущения:

  • Газ считается идеальным.
  • Газовый поток является изоэнтропным (то есть имеет постоянную энтропию, силы трения и диссипативные потери не учитываются) и адиабатическим (то есть теплота не подводится и не отводится).
  • Газовое течение является стационарным и одномерным, то есть в любой фиксированной точке сопла все параметры потока постоянны во времени и меняются только вдоль оси сопла, причём во всех точках выбранного поперечного сечения параметры потока одинаковы, а вектор скорости газа всюду параллелен оси симметрии сопла.
  • Массовый расход газа одинаков во всех поперечных сечениях потока.
  • Влияние всех внешних сил и полей (в том числе гравитационного) пренебрежимо мало.
  • Ось симметрии сопла является пространственной координатой .

Отношение локальной скорости к локальной скорости звука обозначается числом Маха, которое также понимается местным, то есть зависимым от координаты :

    (1)

Из уравнения состояния идеального газа следует: , эдесь  — локальная плотность газа,  — локальное давление. С учётом этого, а также с учётом стационарности и одномерности потока уравнение Эйлера принимает вид:

, что, учитывая (1), преобразуется в .     (2)

Уравнение (2) является ключевым в данном рассуждении. Рассмотрим его в следующей форме:

    (2.1)

Величины и характеризуют относительную степень изменяемости по координате 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 плотность меняется в меньшей степени, чем скорость, а на сверхзвуковых  — наоборот. Как будет видно дальше, это и определяет сужающуюся-расширяющуюся форму сопла.

Поскольку массовый расход газа постоянен:

,

где  — площадь местного сечения сопла,

::,

дифференцируя обе части этого уравнения по , получаем:

.

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

    (3)

Заметим, что при увеличении скорости газа в сопле знак выражения положителен и, следовательно, знак производной определяется знаком выражения:

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:

  • При дозвуковой скорости движения газа , производная  — сопло сужается.
  • При сверхзвуковой скорости движения газа , производная  — сопло расширяется.
  • При движении газа со скоростью звука , производная  — площадь поперечного сечения достигает экстремума, то есть имеет место самое узкое сечение сопла, называемое критическим.

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 объясненяется 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 часть потерь. Автомобильный двигатель, например, работает больше на радиатор охлаждения, чем на выходной вал.

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:[1]

    (4)

где:

 — Скорость газа на выходе из сопла, м/с,

 — Абсолютная температура газа на входе,

 — Универсальная газовая постоянная Дж/(киломоль·К),

 — молярная масса газа, кг/киломоль,

 — Показатель адиабаты ,

 — Удельная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(киломоль·К),

 — Удельная теплоёмкость при постоянном объеме, Дж/(киломоль·К),

 — Абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па

 — 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 980 дней]

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

    (5)

Здесь  — скорость истечения газа из сопла, определяемая по формуле (4);  — площадь среза сопла;  — давление газа на срезе сопла;  — давление окружающей среды;  — секундный массовый расход газа через сопло.

Из выражения (5) следует, что удельный импульс и, соответственно, тяга ракетного двигателя в пустоте (при ) 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).

Зависимость характеристик двигателя от давления газа на срезе сопла носит более сложный характер: как следует из уравнения (4), растёт с убыванием , а добавка  — убывает, и при становится отрицательной.

При фиксированном расходе газа и давлении на входе в сопло величина 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 , и тем больше скорость истечения газа .

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

  •  — 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 .
  •  — 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. Регулирование степени расширения сопла с насадком. 1 — собственно сопло Лаваля; 2 — сопловой насадок; А — положение насадка при работе в нижних, наиболее плотных, слоях атмосферы;

В — положение насадка на большой высоте.

  •  — 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 ) полностью избежать недорасширения невозможно.
При подстановке в формулу (4) получается теоретический предел скорости истечения в пустоте, определяемый внутренней энергией газа: 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.

См. также

  • Ракетный двигатель
  • Реактивная тяга

Примечания

  1. ↑ А. А. Дорофеев Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей) МГТУ им. Н. Э. Баумана Москва 1999 г. Гл.3.
  2. ↑ Там же Гл.5.

  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Глава X. Одномерное движение сжимаемого газа. § 97. Истечение газа через сопло // Теоретическая физика. — Т. 6. Гидродинамика.
  • Моравский А. В., Файн М. А. Огонь в упряжке, или Как изобретают тепловые двигатели. — М.: Знание, 1990. — 192 с. — (Жизнь замечательных идей). — 50 000 экз. — ISBN ISBN 5-07-000069-1

dic.academic.ru


Смотрите также