Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Узкая трубка, генерирующая сверхзвуковой поток
Pinched tube generating supersonic flow
Сопло Лаваля (или конвергентно-дивергентное сопло, CD-сопло или con di-сопло) — это трубка, суженная в середине, образующая тщательно сбалансированную асимметричную форму песочных часов. Оно используется для ускорения сжимаемой жидкости до сверхзвуковых скоростей в осевом (тяги) направлении, путем преобразования тепловой энергии потока в кинетическую энергию. Сопла Лаваля широко применяются в некоторых типах паровых турбин и соплах ракетных двигателей. Также они используются в сверхзвуковых реактивных двигателях. Схожие свойства потока применяются к струям в астрофизике.
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.
История
Джованни Баттиста Вентури разработал сужающиеся-расширяющиеся трубки, известные как трубки Вентури, для экспериментов по изучению эффекта снижения давления жидкости при протекании через сужение (эффект Вентури). Немецкий инженер и изобретатель Эрнст Кёртинг, предположительно, к 1878 году перешел на использование сужающихся-расширяющихся сопел в своих паровых насосах, после применения только сужающихся сопел, однако эти сопла оставались коммерческой тайной компании. Позже шведский инженер Густав де Лаваль применил собственную конструкцию сужающегося-расширяющегося сопла для своей импульсной турбины в 1888 году. Сопло Лаваля впервые было использовано в ракетном двигателе Робертом Годдардом. Большинство современных ракетных двигателей, работающих на горячем газе, используют сопла де Лаваля.
Giovanni Battista Venturi designed converging diverging tubes known as Venturi tubes for experiments on fluid pressure reduction effects when fluid flows through chokes (Venturi effect). German engineer and inventor Ernst Körting supposedly switched to a converging diverging nozzle in his steam jet pumps by 1878 after using convergent nozzles but these nozzles remained a company secret. Later, Swedish engineer Gustaf de Laval applied his own converging diverging nozzle design for use on his impulse turbine in the year 1888. Laval's convergent divergent nozzle was first applied in a rocket engine by Robert Goddard. Most modern rocket engines that employ hot gas combustion use de Laval nozzles.
Операция
Его работа основана на различных свойствах газов, движущихся на дозвуковых, звуковых и сверхзвуковых скоростях. Скорость дозвукового потока газа увеличивается при сужении трубы, по которой он течет, поскольку массовый расход газа постоянен. Поток газа через сопло Лаваля является изэнтропийным (энтропия газа практически не изменяется). В дозвуковом потоке звук распространяется сквозь газ. В "горле", где площадь поперечного сечения минимальна, скорость газа локально достигает звуковой (число Маха = 1.0), это состояние называется режимом удушения потока. При увеличении площади поперечного сечения сопла газ начинает расширяться, а поток переходит к сверхзвуковым скоростям, при которых звуковая волна не распространяется обратно через газ в системе отсчета сопла (число Маха > 1.0). По мере выхода газа из горла, увеличение площади позволяет ему претерпевать расширение Джоуля-Томсона, при котором газ расширяется от высокого к низкому давлению на сверхзвуковой скорости, увеличивая скорость массового потока выше звуковой. При сравнении общей геометрической формы сопла ракетного и реактивного двигателя, различия заметны лишь на первый взгляд, поскольку на одних и тех же геометрических поперечных сечениях можно увидеть схожие принципы: камера сгорания реактивного двигателя также имеет "горло" (сужение) в направлении выходного газового потока, так что турбинное колесо первой ступени реактивной турбины всегда расположено непосредственно за этим сужением, а последующие ступени турбины – на большем выходном поперечном сечении сопла, где поток ускоряется.
Its operation relies on the different properties of gases flowing at subsonic, sonic, and supersonic speeds. The speed of a subsonic flow of gas will increase if the pipe carrying it narrows because the mass flow rate is constant. The gas flow through a de Laval nozzle is isentropic (gas entropy is nearly constant). In a subsonic flow, sound will propagate through the gas. At the "throat", where the cross sectional area is at its minimum, the gas velocity locally becomes sonic (Mach number = 1.0), a condition called choked flow. As the nozzle cross sectional area increases, the gas begins to expand, and the flow increases to supersonic velocities, where a sound wave will not propagate backward through the gas as viewed in the frame of reference of the nozzle (Mach number > 1.0). As the gas exits the throat, the increase in area allows it to undergo a Joule–Thomson expansion, wherein the gas expands at supersonic speeds from high to low pressure, pushing the velocity of the mass flow beyond sonic speed. When comparing the general geometric shape of the nozzle between the rocket and the jet engine, it only looks different at first glance, when in fact is about the same essential facts are noticeable on the same geometric cross sections that the combustion chamber in the jet engine must have the same "throat" (narrowing) in the direction of the outlet of the gas jet, so that the turbine wheel of the first stage of the jet turbine is always positioned immediately behind that narrowing, while any on the further stages of the turbine are located at the larger outlet cross section of the nozzle, where the flow accelerates.
Условия эксплуатации
Сопло де Лаваля будет "заклинивать" в горле только в том случае, если давление и массовый расход через сопло достаточны для достижения звуковой скорости, иначе сверхзвуковой поток не будет достигнут, и оно будет работать как трубка Вентури. Это требует, чтобы входное давление в сопло всегда было значительно выше атмосферного (эквивалентно, полное давление струи должно быть выше атмосферного). Кроме того, давление газа на выходе из расширяющейся части сопла не должно быть слишком низким. Поскольку давление не может распространяться против потока через сверхзвуковой поток, выходное давление может быть значительно ниже окружающего давления, в которое оно истекает, но если оно слишком низкое по сравнению с окружающим, то поток перестанет быть сверхзвуковым, или поток оторвется в расширяющейся части сопла, образуя неустойчивую струю, которая может колебаться внутри сопла, создавая боковую тягу и, возможно, повреждая его. На практике, окружающее давление не должно превышать примерно в 2–3 раза давление в сверхзвуковом газе на выходе для обеспечения сверхзвукового потока на выходе из сопла.
A de Laval nozzle will only choke at the throat if the pressure and mass flow through the nozzle is sufficient to reach sonic speeds, otherwise no supersonic flow is achieved, and it will act as a Venturi tube; this requires the entry pressure to the nozzle to be significantly above ambient at all times (equivalently, the stagnation pressure of the jet must be above ambient). In addition, the pressure of the gas at the exit of the expansion portion of the exhaust of a nozzle must not be too low. Because pressure cannot travel upstream through the supersonic flow, the exit pressure can be significantly below the ambient pressure into which it exhausts, but if it is too far below ambient, then the flow will cease to be supersonic, or the flow will separate within the expansion portion of the nozzle, forming an unstable jet that may "flop" around within the nozzle, producing a lateral thrust and possibly damaging it. In practice, ambient pressure must be no higher than roughly 2–3 times the pressure in the supersonic gas at the exit for supersonic flow to leave the nozzle.