Кіріспе
Лаваль соқпасы (немесе конвергентті-дивергентті соқпақ, CD соқпақ немесе con di соқпақ) – ортасы тарылтылған, мұқият теңгерілген, асимметриялық құмсағат пішіндес түтік. Ол ағыстың жылу энергиясын кинетикалық энергияға айналдыру арқылы, қысылатын сұйықтықты осьтік (итеру) бағытта дыбыс жылдамдығынан асып түсетін жылдамдыққа дейін үдетуге қолданылады. Де Лаваль соқпалары бу турбиналарының және ракеталық қозғалтқыштардың кейбір түрлерінде кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, олар үстіңгі жылдамдықты реактивтік қозғалтқыштарда да қолданылады. Астрофизикадағы реактивтік ағындарға ұқсас ағын қасиеттері де қолданылады.
A de Laval nozzle (or convergent divergent nozzle, CD nozzle or con di nozzle) is a tube which is pinched in the middle, making a carefully balanced, asymmetric hourglass shape. It is used to accelerate a compressible fluid to supersonic speeds in the axial (thrust) direction, by converting the thermal energy of the flow into kinetic energy. De Laval nozzles are widely used in some types of steam turbines and rocket engine nozzles. It also sees use in supersonic jet engines. Similar flow properties have been applied to jet streams within astrophysics.
Тарих
Джованни Баттиста Вентури сұйықтық қысымын азайту эффектісін зерттеу үшін Вентури түтіктері деп аталатын жиырылатын-кеңейтілген түтіктерді жобалаған (Вентури эффектісі). Неміс инженері және өнертапқышы Эрнст Кёртинг 1878 жылға дейін бу сорғыларында жиырылатын мүндерді пайдаланғаннан кейін, жиырылатын-кеңейтілген мүндерге көшкені айтылады, бірақ бұл мүндерлер компанияның құпиясы болып қалды. Кейіннен швед инженері Густав де Лаваль 1888 жылы өзінің жиырылатын-кеңейтілген мүндер дизайнын импульстік турбинасында қолданды. Лавальдың жиырылатын-кеңейтілген мүндері алғаш рет Роберт Годдардтың зымыран қозғалтқышында қолданылды. Көптеген қазіргі заманғы зымыран қозғалтқыштары ыстық газды жағу үшін де Лаваль мүндерін пайдаланады.
Операция
Оның жұмысы, дыбыс астындағы, дыбыс деңгейіндегі және дыбыс жоғары жылдамдықпен ағатын газдардың әртүрлі қасиеттеріне негізделген. Газдың дыбыс астындағы ағынының жылдамдығы, оны тасымалдайтын құбыр тарлса, артады, себебі массалық ағын тұрақты. Де Лаваль соқпағы арқылы газ ағыны изоэнтропиялық болады (газдың энтропиясы шамалы өзгермейді). Дыбыс газ арқылы тарайды. "Тамақ" деп аталатын жерде, көлденең қимасы ең кішкентай болатын жерде, газдың жылдамдығы жергілікті түрде дыбыс деңгейіне жетеді (Мах саны = 1.0), бұл құбылыс тоқтау ағыны деп аталады. Соқпағының көлденең қимасының ауданы ұлғайғанда, газ кеңейе бастайды және ағын дыбыс жоғары жылдамдыққа жетеді, онда дыбыс толқыны соқпағының санау жүйесінде газ арқылы кері қарай таралмайды (Мах саны > 1.0). Газ тамақтан шыққанда, ауданының ұлғаюы оған Джоуль-Томсон кеңеюіне мүмкіндік береді, онда газ жоғары қысымнан төмен қысымға дейін дыбыс жоғары жылдамдықпен кеңейеді, бұл массалық ағынның жылдамдығын дыбыс деңгейінен асырады. Ракета және реактивті қозғалтқыштың соқпағының жалпы геометриялық пішінін салыстырғанда, олар тек сыртқы түрімен ғана ерекшеленеді, бірақ шындығында, бірдей геометриялық қималарда байқалатын негізгі ұқсастықтар бар. Реактивті қозғалтқыштағы жану камерасы газ ағынының шығуына қарай бірдей "тамаққа" (тартылуға) ие болуы керек, сондықтан реактивті турбинаның бірінші сатысының турбина дөңгелегі әрқашан осы тарылудың артында орналасады, ал турбинаның келесі сатылары ағынның жылдамдалатын соқпағының үлкен шығыс қимасында орналасқан.
Жұмыс істеу шарттары
Де Лаваль соқпағы тек соқпақтың тамақ бөлігінде қысым мен массалық ағын дыбыс жылдамдығына жету үшін жеткілікті болған жағдайда ғана тұншықтырады, әйтпесе дыбыстан жоғары ағынға қол жеткізілмейді және ол Вентури түтігі сияқты жұмыс істейді; бұл соқпаққа кіретін қысымның әрқашан қоршаған ортадан жоғары болуын қажет етеді (әйтпесе, газ ағынының тұрақтандыру қысымы қоршаған ортадан жоғары болуы керек). Бұған қоса, соқпақтың кеңейтім бөлігінен шығатын газдың қысымы тым төмен болмауы керек. Дыбыстан жоғары ағын арқылы қысым жоғары қарай таралмайтындықтан, шығыс қысымы қоршаған ортадан айтарлықтай төмен болуы мүмкін, бірақ ол қоршаған ортадан тым төмен болса, ағын дыбыстан жоғары болмай қалады немесе ағын соқпақтың кеңейтім бөлігінде бөлініп, тұрақсыз ағын құрады, ол соқпақтың ішінде "қозғалып", бүйінен итеру күшін тудырып, оны зақымдауы мүмкін. Іс жүзінде, дыбыстан жоғары ағынның соқпақтан шығуы үшін қоршаған ортаның қысымы соқпақтың шығысындағы дыбыстан жоғары газдың қысымынан шамамен 2-3 еседен аспауы тиіс.