Описание 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.
Новое в блогах
Эффект ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным образом. Позже это явление нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики (например, М.А.Лаврентьев, Б.В.Шабат «Проблемы гидродинамики и их математические модели», «Наука», Москва, 1973, гл.4, параграф 17 «Задача о сопле», стр.149).
Сопло Лаваля состоит из сужающейся части, горловины и расходящейся части:
Движение газа в сужающейся части сопла происходит со скоростью, меньшей скорости звука для данного газа; в горловине оно осуществляется со скоростью звука, а в расходящейся части сопла — превосходит скорость звука (см. диаграмму, где М — число Маха, определяемое, как М=v/u , v — скорость газа, u — скорость звука в газе):
Из уравнения состояния идеального газа и баланса энергии в газовом потоке выводится формула расчёта линейной скорости истечения газа из сопла Лаваля:
где: ve — скорость газа на выходе из сопла, м/с, T — абсолютная температура газа на входе, R — универсальная газовая постоянная, R=8314,5 Дж/(киломоль•К), M — молярная масса газа, кг/киломоль, k — показатель адиабаты,k=cp/cv, cp — удельная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(киломоль•К), cv — удельная теплоёмкость при постоянном объеме, Дж/(киломоль•К), pe — абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па p — абсолютное давление газа на входе в сопло, Па
Сопло Лаваля является основным элементом любого реактивного двигателя для создания реактивной тяги — силы, возникающей в результате взаимодействия двигательной установки с истекающей из сопла струёй газа, обладающего кинетической энергией. В основе возникновения реактивной тяги лежит закон сохранения импульса.
Принцип действия ракетного двигателя основан на том, что тяга двигателя создаётся за счёт реакции газов, выбрасываемых из сопла двигателя под действием внутренних сил. К массе, состоящей из массы ракетного двигателя и массы выбрасываемых из него газов, применима теорема из теоретической механики о движении центра масс системы, согласно которой «центр масс системы движется как материальная точка, масса которой равна массе всей системы и к которой приложены внешние силы, действующие на систему». Из этой теоремы вытекает закон сохранения движения центра масс, который не изменяет своего положения при отсутствии внешних сил. Это значит, что, если элемент массы dm выходящего из камеры сгорания газа имеет относительно ракетного двигателя скорость ve, то оставшаяся масса двигателя m получает приращение скорости в обратном направлении mdve = vedm (А.В. Яскин ТЕОРИЯ УСТРОЙСТВА РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, учебное пособие).
Следовательно, реактивная сила (тяга) R равна произведению массового расхода топлива dm/dt на скорость ve истечения продуктов его сгорания и направлена в противоположную сторону вектора этой скорости R=-vedm/dt .
Скорость истечения продуктов сгорания (рабочего тела) определяется физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями сопла Лаваля и всего двигателя целиком.
В газодинамике выводится формула для определения удельного импульса сопла Лаваля площадью среза сопла А, в которую, наряду с давлением газа на срезе сопла рe, входит давление окружающей среды р0:
где — секундный массовый расход газа через сопло. Из данной формулы следует, что, вследствие внешнего атмосферного давления, тяга двигателя зависит от соотношения давления окружающей среды и давления потока в выходном сечении сопла.
Геометрия сопла играет большую роль: сопло, выполненное с недорасширением, создаёт тягу меньшую, чем расчётное сопло, а сопло с перерасширением создаёт на перерасширенном участке отрицательную составляющую тяги, величина которой вычитается из тяги, создаваемой расчётным соплом. При работе сопла с недорасширением, как показывают оценки, потери в тяге значительно больше, чем при работе сопла с перерасширением. В силу неизменности геометрии сопла, подавляющее большинство камер по мере взлета ракеты работают на нерасчётном режиме, или усредненном. Применение отбрасываемых накладок или расширяющейся части сопла с переменной геометрией частично решает данную проблему. Однако, геометрию сужающейся части сопла во время работы двигателя сложно менять. Именно в сужающейся части сопла происходит большинство нелинейных процессов, сказывающихся на величине реактивной тяги. Дело в том, что формула скорости истечения газа из сопла Лаваля получена из условия, что газ является идеальным и скорости дозвукового и сверхзвукового течений «склеиваются» непрерывно как по величине, так и по направлению. В этом случае и касательные производные на линии перехода будут непрерывными, что ведет к различным вариантам вывода о линии перехода через скорость звука в сопле. На сегодняшний день полного решения задачи о сопле не существует. Например, А.А.Никольский и Г.И.Таганов установили, что линия перехода должна бть строго выпуклой. Ф.И.Франкль и др. доказывают невозможность течений с местными сверхзвуковыми зонами без разрыва скоростей. Подобные локальные разрывы могут служить очагами возникновения турбулентных потоков. Причина данных проблем связана с тем, что скорость распространения звука в движущемся потоке высокотемпературного газа является функцией многих параметров.
В общем смысле, под скоростью распространения звука понимают местную скорость распространения малых возмущений относительно движущегося газа в данной точке потока. В газах и жидкостях звук распространяется в виде объёмных волн сжатия — разряжения и зависит от температуры среды распространения, состава, вязкости, теплопроводности, примесей и их концентрации, внешних электромагнитных полей и т.д. В потоке вязкого газа с поперечным сдвигом, например, возникает интенсивная диссипация энергии, приводящая к скачкам скорости звука (С.С.Воронков О СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗАХ):
А это ведет к турбулентности, что и наблюдается в реактивных двигателях:
Но, как известно, вихри могут как приносить пользу, так и причинять вред. По крайней мере, в настоящее время разработчики реактивной техники стараются подавлять (минимизировать) любые турбулентности, возникающие в сопле Лаваля. Общеизвестным является тот факт, что в трубке Ранка формируется вихрь Бенара, внутренний поток которого охлаждает воздух, что противопоказано в реактивной технике. Но: одно дело — турбулентность в газовом потоке, уносящая энергию газа, а другое дело — поток вещества, состоящий из газовых кластеров-вихрей!
Некая модель квази-газа, в котором роль его составных частиц выполняют организованные и управляемые структуры, скорость распространения звука а в среде которых будет определяться параметрами непосредственно самих этих вихрей:
где: р и ρ — давление и плотность кластеров-вихрей.
Пример генерации вихрей более высокого порядка, чем атомы, приведен в публикацииГравитационный двигатель. Такой путь совершенствования ракетной техники обладает перспективой конструирования сопла Лаваля с переменными и управляемыми во время полета стенками, роль которых будет выполнять электромагнитное поле, выполняющее одновременно и другую функцию — роль ускорителя вихревого потока.
Сопло лаваля своими руками – Справочник металлиста
Для производства доступных строительных материалов применяется оборудование различного типа, в том числе пеногенератор для пенобетона.
Несмотря на простоту изготовления и невысокую стоимость, технические требования к пенобетонным блокам строгие.
Чтобы добиться высокого качества при производстве этого строительного материала, необходимо строго соблюдать все технологические нормы.
Назначение пеногенератора
На текущий момент пенобетон востребован в индивидуальном строительстве как доступный и качественный материал. Это объясняется его высокими эксплуатационными характеристиками.
Из пенобетона возводят малоэтажные жилые дома, гаражи, дачные домики и различные хозяйственные постройки.
Пеноблоки не горят и не подвержены усадке, обладают достаточной стойкостью к любым атмосферным воздействиям.
В зимний период здания из пенобетона хорошо сохраняют тепло, летом в таких помещениях не жарко. Пенобетон можно производить своими руками, используя самодельный пеногенератор.
:
Практика последних лет показывает, что все больше людей стремятся построить себе дом или гараж собственными силами. Такой подход получил распространение благодаря техническим возможностям.
Оборудование для производства пенобетона можно приобрести по доступной цене или изготовить самостоятельно.
Одним из основных элементов в составе установки считается пеногенератор. Это устройство используется, чтобы обеспечить насыщение бетонного блока пеной, благодаря чему блок приобретает свои характеристики.
Сегодня на рынке строительного оборудования можно найти и купить подходящий по мощности пеногенератор.
Однако можно без существенных финансовых затрат изготовить пеногенератор для пенобетона своими руками, что позволит сократить затраты на строительство.
Качество пены, которая образуется в самодельных пеногенераторах, точно такое же, как и в заводских.
Познакомившись с принципом действия такого агрегата, можно самостоятельно начертить чертежи и приступить к изготовлению.
Пеногенератор состоит из следующих элементов:
- запорная и регулировочная аппаратура;
- камера для формирования смеси;
- сопло.
Конкретная конструкция генератора пены может претерпевать изменения, но принцип действия остается одинаковым.
Принцип действия
Основная функция пеногенератора заключается в том, чтобы обеспечить подачу пены в приготовленный заранее песчано-цементный раствор.
Для производства пенобетона используется обыкновенная бетономешалка. В ней замешивают бетон для заливки фундаментов и стен или раствор для кирпичной кладки.
Когда в процессе перемешивания раствора в него попадает определенное количество пены, то обыкновенный бетон превращается в пенобетон.
О преимуществах и недостатках пенобетона известно всем специалистам. Сегодня этот строительный материал можно приготовить непосредственно на том месте, где возводится дом, гараж или другой объект.
Структура пеногенератора
Приступая к изготовлению пеногенератора своими руками, необходимо оптимизировать все попавшиеся на глаза чертежи и описания.
Дело в том, что многие специалисты, познакомившись с принципом действия пеногенератора, тут же применяют полученные знания, воплотив их в реальность.
Схемы и чертежи:
Наглядную демонстрацию работы пеногенератора можно увидеть на любой автомобильной мойке.
Пена при перемешивании заполняет определенный объем бетонного блока и тем самым уменьшает его исходную плотность.
Простейший пеногенератор можно собрать из следующих элементов:
- патрубок подачи пенообразующего раствора;
- патрубок подачи сжатого воздуха;
- камера смешивания;
- пенопатрон.
Пенообразователь заводского изготовления всегда имеется на стеллажах в магазинах строительных материалов.
Если такой возможности нет, то эмульсию можно приготовить, смешав живичную канифоль, каустическую соду и костный столярный клей. Процесс приготовления не сложный, но требующий аккуратности.
После того как самопальный пенообразователь будет готов, нужно проверить его качество. Пена должна обладать достаточной плотностью и стойкостью.
Сборка и подключение
Основными элементами пеногенератора для производства пенобетона являются камера смешивания и пенопатрон. В этом контексте важно подчеркнуть, что за этими терминами кроются обыкновенные и хорошо знакомые мастерам элементы.
Камера смешивания представляет собой обыкновенную трубу. Диаметр трубы выбирается в зависимости от мощности будущего генератора. К трубе привариваются два патрубка.
:
Первый – с торца, предназначенный для подачи воздуха, второй – посередине трубы под углом 90 градусов. Через него подается раствор пенообразователя. На каждом патрубке необходимо установить запорный вентиль.
На пеногенераторах для пенобетона заводского изготовления устанавливается по два вентиля – запорный и регулировочный.
Практика последних лет показывает, что при небольших объемах производства, когда нужно изготовить пеноблоки для возведения гаража или дачного домика, вполне достаточно одного запорного вентиля.
Ко второму торцу камеры смешивания приваривается патрубок, который выполняет функции пенопатрона. При возможности внутреннюю поверхность патрубка обрабатывают в форме воронки.
Это делается для уменьшения скорости потока смеси пенообразователя и воздуха, чтобы обеспечить образование пены.
Некоторые нюансы
Когда выполняется соединение камеры смешивания и пенопатрона, между ними фиксируется элемент, который носит название сопло Лаваля, или другое устройство – жиклер.
Эти элементы предназначены, чтобы увеличить скорость протекания смеси при переходе из камеры в пенопатрон. Именно в пенопатроне происходит окончательное формирование пены.
Чтобы процесс протекал более эффективно, поток пенообразователя «разбивается» о специальный фильтр.
В самодельных пеногенераторах в качестве такого фильтра используют кухонные металлические сеточки, которые продаются в каждом хозяйственном магазине.
Соорудить пеногенератор своими руками для производства пенобетона задача не сложная. Здесь главное представлять себе принцип действия генератора.
:
Технически более сложная задача – правильно подключить пеногенератор к основному оборудованию.
В настоящее время конструкции бетономешалок, которые применяются для производства блоков, можно встретить самые разные.
Перед тем как собирать пеногенератор, необходимо определить все установочные элементы, которые используются при соединении шлангов и труб.
Сопло для пескоструя: правила выбора и изготовление своими руками
Сопло, которое используется для оснащения пескоструйного аппарата, является важнейшим элементом конструкции такого устройства.
Только правильно подобранное сопло позволит вам наиболее эффективно использовать пескоструйный аппарат по его прямому назначению: для очистки различных поверхностей от загрязнений, старых покрытий, следов коррозии, их обезжиривания и подготовке к дальнейшей обработке.
Для каждого применения можно подобрать сопло определенного диаметра, в зависимости от фракции используемого песка
Задачи, которые решает сопло пескоструйное, заключаются в сжатии и разгоне до требуемой скорости смеси, состоящей из воздуха и абразивного материала, а также в формировании рабочего пятна и его насыщении абразивом, воздействующим на поверхность обрабатываемого изделия.
В зависимости от размеров поверхности, которую необходимо подвергнуть пескоструйной обработке, в соплах могут быть выполнены отверстия различных типов.
Так, для обработки узких поверхностей применяют сопла с одинаковым диаметром по всей длине, а для очистки поверхностей большой площади используют изделия, отверстия в которых имеют больший диаметр на входе и выходе (тип «Вентури», разработанный в середине прошлого века).
Сущность пескоструйной обработки
Пескоструйная обработка предполагает воздействие на различные поверхности абразивным материалом. В качестве последнего используются песок, дробь, карбид кремния, мелкие шарики из стекла и т.д.
Пескоструйная обработка – это механическое воздействие на поверхность мелких твердых частиц
Перед началом обработки абразив помещают в герметичный бункер. По основному шлангу аппарата под большим давлением подается воздух, поступающий от отдельного компрессора.
Проходя мимо отверстия заборного рукава, поток воздуха создает в нем вакуум, что и способствует всасыванию в основной шланг абразива.
Уже смешанный с абразивом воздух поступает к пистолету, основным элементом которого является сопло пескоструйное, через которое абразивная смесь подается на обрабатываемую поверхность.
Схема участка пескоструйной обработки
Как уже говорилось выше, для выполнения пескоструйной обработки могут использоваться различные типы абразивных материалов. Выбор здесь зависит от типа поверхности, которую необходимо очистить.
Так, обработка с использованием песка эффективна в тех случаях, когда необходимо удалить слой старой краски с бетонной поверхности, очистить кирпичные стены от остатков цемента, подготовить металлические детали к дальнейшей покраске.
Такие абразивы, как пластик или пшеничный крахмал, успешно применяют в судостроительной, автомобильной и авиастроительной отраслях, с их помощью эффективно удаляют старые покрытия с композиционных материалов.
Конструктивные особенности сопла для пескоструйного аппарата
Основными параметрами сопла, устанавливаемого на пескоструйный аппарат, являются:
- диаметр и тип отверстия;
- длина;
- материал изготовления.
Абразивоструйные сопла различных конфигураций
Диаметр отверстия в сопле, которое фиксируется на пескоструйном аппарате посредством специального соплодержателя, выбирается в зависимости от того, какой производительностью должно обладать устройство.
Производительность любого пескоструйного аппарата – как серийного, так и сделанного своими руками – зависит от мощности струи или объема воздуха, который в состоянии пропускать сопло в единицу времени.
Мощность струи, которую формирует сопло, прямо пропорциональна объему воздуха, который проходит через него в единицу времени. Соответственно, чтобы увеличить мощность пескоструйного аппарата, необходимо сделать в его сопле отверстие большего диаметра.
Если сопло, диаметр которого соответствует 6 мм (1/4 дюйма), имеет мощность, равную 100%, то изделия с отверстиями больших диаметров будут отличаться следующей величиной данного параметра:
- 8 мм (5/16 дюйма) – 157%;
- 9,5 мм (3/8 дюйма) – 220%;
- 11 мм (7/16 дюйма) – 320%;
- 12,5 мм (1/2 дюйма) – 400%.
Реальность использования кавитации для нагревания
В Интернете распространены статьи о вихревых генераторах роторного типа, принцип действия которых состоит в создании областей кавитации при вращении в жидкости крыльчатки специфической формы. Жизнеспособно ли данное решение?
Начнем с теоретических выкладок.
В данном случае мы расходуем электроэнергию на работу электродвигателя (средний КПД — 88%), полученную механическую энергию же частично тратим на трение в уплотнениях кавитационного насоса, частично — на нагрев жидкости вследствие кавитации.
То есть в любом случае в тепло будет преобразована лишь часть потраченной электроэнергии.
Но если вспомнить, что КПД обычного ТЭНа составляет от 95 до 97 процентов, становится понятным, что чуда не будет: гораздо более дорогой и сложный вихревой насос окажется менее эффективен, чем простая нихромовая спираль.
Удельный импульс
Тяга — это сила, которая перемещает ракету в воздухе или пространстве. Тяга создается двигательной установкой ракеты за счет применения третьего закона движения Ньютона: «Для каждого действия существует равное и противоположное противодействие». Газ или рабочее тело ускоряется из задней части сопла ракетного двигателя, а ракета ускоряется в противоположном направлении. Тягу сопла ракетного двигателя можно определить как:
F знак равно м ˙ v е + ( п е — п о ) А е знак равно м ˙ [ v е + ( п е — п о м ˙ ) А е ] , F & = > v _ > + \ left (p _ > — p _ > \ right) A _ > \\ [2pt] & = > \ left , \ end
>>
а для форсунок с
идеальным расширением (
p
e =
p
o ) это сводится к:
F знак равно м ˙ v экв . > v _ >.>
Удельный импульс — это отношение создаваемой тяги к весовому расходу пороха . Это мера топливной экономичности ракетного двигателя. В английских инженерных единицах его можно получить как я зр >>
я зр знак равно F м ˙ г о знак равно м ˙ v экв м ˙ г о знак равно v экв г о , > = > g _ >>> = > v_ >> > g _ >>> = >> >>> ,>
| F , | полная тяга ракетного двигателя (Н) |
| м ˙ >> , | массовый расход газа (кг / с) |
| v е >> , | скорость газа на выходе из сопла (м / с) |
| п е >> , | давление газа на выходе из сопла (Па) |
| п о >> , | внешнее окружающее или свободное течение, давление (Па) |
| А е >> , | площадь сечения выхлопа сопла (м²) |
| v экв >> , | эквивалентная (или эффективная) скорость газа на выходе из сопла (м / с) |
| я зр >> , | удельный импульс (ы) |
| г о >> , | стандартная сила тяжести (на уровне моря на Земле); примерно 9,807 м / с 2 |
В некоторых случаях, когда равно , формула принимает вид п е >>
п о >>
я зр знак равно F м ˙ г о знак равно м ˙ v е м ˙ г о знак равно v е г о > = > \, g _ >>> = > \, v _ >> > \, g _ >>> = >> >>>>
В случаях, когда это может быть не так, поскольку для ракеты сопло пропорционально , можно определить постоянную величину, которая является вакуумом для любого данного двигателя, таким образом: п е >>
м ˙ >> я sp, vac >>
я sp, vac знак равно 1 г о ( v е + п е А е м ˙ ) , > = >>> \ left (v _ > + > A _ >> >> \ right),>
F знак равно я sp, vac г о м ˙ — А е п о , > \, g _ > > — A _ > p _ >, >
которая представляет собой просто вакуумную тягу за вычетом силы атмосферного давления окружающей среды, действующей на выходную плоскость.
По существу, для ракетных сопел давление окружающей среды, действующее на двигатель, компенсируется, за исключением выходной плоскости ракетного двигателя в обратном направлении, в то время как выхлопная струя создает прямую тягу.
- недорасширенный
- окружающий
- чрезмерно расширенный
- сильно перерасширен.
