Сопло — сужающее сопротивление в трубопроводах¶

Сопло — элемент трубопровода или проточной части машины, представляющий собой канал переменного сечения, предназначенный для преобразования потенциальной энергии газа или жидкости в кинетическую энергию потока (или обратного преобразования). Сужение проходного сечения приводит к ускорению потока, расширение — к его замедлению и повышению давления. Сопла применяются в авиационных и ракетных двигателях, газовых турбинах, паровых турбинах, водяных турбинах, пожарных стволах, форсунках, сварочных горелках и других устройствах, где требуется формирование направленного высокоскоростного потока.

¶Принцип работы

В сопле действует закон сохранения массы (уравнение неразрывности) и закон сохранения энергии. Для дозвукового потока газа сужение канала приводит к росту скорости и снижению давления. В сопле Лаваля — сопле переменного сечения с сужающейся и расширяющейся частями — при достаточно большом перепаде давления поток в узком сечении (горловине) достигает скорости звука, а в расширяющейся части продолжает ускоряться до сверхзвуковых скоростей. Именно это свойство позволяет получить сверхзвуковое истечение из сопла Лаваля, что принципиально важно для реактивных двигателей и сверхзвуковых сопел.

Основные параметры сопла: входное и выходное сечения, форма профиля, степень расширения (отношение площади выходного сечения к площади горловины), перепад давления на входе и выходе. По степени расширения и форме профиля сопла делятся на сверхзвуковые, дозвуковые, диффузоры (расширяющиеся каналы для замедления потока) и прочие проточные элементы.

¶Классификация

По назначению и геометрии сопла подразделяются на несколько основных групп:

По рабочей среде различают газовые, водяные, паровые и двухфазные сопла. По режиму течения — однородные и сверхкритические (с образованием ударной волны в расширяющейся части).

¶Сопло Лаваля

Наиболее известный тип — сопло Лаваля, предложенное шведским инженером Карлом Густавом де Лавалем в 1888 году для паровой турбины. Сужающаяся часть сопла разгоняет газ до скорости звука в горловине, а расширяющаяся — продолжает ускорение до сверхзвуковых значений. При этом для каждого соотношения давлений существует оптимальная степень расширения; при отклонении от неё в расширяющейся части возникают ударные волны, снижающие КПД сопла.

Расчёт сопла Лаваля основан на адиабатном уравнении течения сжимаемого газа. Ключевая формула связывает площадь горловины с массовым расходом, давлением и температурой на входе, а площадь выходного сечения — с требуемой степенью расширения. Для воздуха при адиабатическом показателе 1,4 критическое давление (отношение давления на выходе к давлению полного давления на входе) составляет около 0,528.

¶Применение

¶Авиация и ракетостроение

Сопла реактивных двигателей формируют струю газов, создающую тягу. В турбореактивных двигателях сопло обычно дозвуковое или сверхзвуковое в зависимости от максимальной скорости самолёта. В ракетных двигателях сопло Лаваля является обязательным элементом: оно преобразует энергию горящих газов в кинетическую энергию истекающей струи. Тяга ракетного двигателя определяется формой сопла, степенью расширения (для работы в атмосфере и в вакууме требуются разные профили) и характеристиками рабочего тела.

¶Энергетика

В паровых турбинах сопла направляет поток пара на лопатки рабочего колеса, преобразуя тепловую энергию пара в механическую работу. В газовых турбинах сопла выполняют аналогичную функцию. В гидротурбинах (как реактивных, так и кинетических типов) сопла формируют водяную струю, воздействующую на рабочее колесо.

¶Промышленность и быт

Сопла применяются в газосварочных горелках для формирования струи пламени, в пожарных стволах для создания компактной или распыленной струи воды, в форсунках двигателей внутреннего сгорания для распыления топлива, в пневмоинструментах, струйных аппаратах для резки и очистки, в системах вентиляции и пневмотранспорта.

¶Измерительная техника

Трубка Вентури — устройство, основанное на принципе сопла, используется для измерения расхода жидкостей и газов по перепаду давления в сужающейся части.

¶Материалы и изготовление

Сопла ракетных двигателей изготавливают из жаропрочных материалов: меди и её сплавов (для двигателей одноразового действия с регенеративным охлаждением), никелевых сплавов (инконель, жаропрочные сплавы на основе никеля), вольфрама и молибдена (для сопел электроракетных двигателей), с применением теплозащитных покрытий. В газовых турбинах сопла работают при температурах, близких к температуре газа перед турбиной, и требуют системы охлаждения и жаропрочных покрытий.

¶Историческая справка

Термин «сопло» происходит от старорусского «сопло» — носик, жерло, отверстие, через которое что-то выходит. Понятие сопла как элемента трубопровода для ускорения потока сформировалось в XIX веке в связи с развитием паровых машин и турбин. Сопло Лаваля (1888) стало основой для создания современных реактивных двигателей и ракетных двигателей, разработанных в первой половине XX века.

¶Источники

• Лойцянский Л. Г. «Механика жидкости и газа»
• Абрамович Г. Н. «Прикладная газовая динамика»
• Рао С. С. «Ракетные двигатели»
• ГОСТ 20198-91 «Газ. Давление нормальное и полное»
• Браже Т. Н., Нечаев Ю. Н., Фомин А. В. «Теплообмен в ракетных двигателях»