Сопло лаваля своими руками
Обновлено: 08.07.2024
Грохот уходящих в космос ракет, гигантские столбы огня, колоссальная сила, превосходящая силу тяжести. Форсажный рев боевых самолетов. Самое громкое и мощное силовое устройство человека. Все это — канал особой формы и особых свойств, радикально изменивший человечество. В чем его суть и как происходит трудное рождение сверхзвука — читайте в нашем материале.
Эволюционная история сопла
Сопло — устройство для разгона потока жидкости или газа. Зачем его разгонять? В одних случаях нужен сам быстрый поток, используемый дальше. В других нужен не поток, а сила, возникающая при его выбросе, — реактивная. Такое силовое сопло называют реактивным. Именно реактивные сопла были практически освоены первыми с возникновением первых ракет.
Одновременно с широкой эксплуатацией ракет паровая техника конца ХIX века дошла до паровых турбин, которыми вращались винты судов. Для обтекания лопаток турбин требовалась высокоскоростная струя, и чем быстрее была скорость паровой струи, тем большую силу она создавала на лопатках турбины, повышая ее мощность. Сопло здесь требовалось не для реактивной силы (которая, конечно, тоже возникала, но как побочный, неиспользуемый эффект), а для создания потока большой скорости. Через него энергия, брошенная соплом в виде массы пара, попадет на лопатки и совершит на них работу, прокрутив с силой. Общее усилие лопаток передается на гребной винт.
Работая над высокоскоростным паровым соплом турбины, шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль в 1890 году предложил принципиально новый тип сопла. Оно смогло разгонять поток до сверхзвуковых скоростей, чего раньше никогда не удавалось сделать. Так был перейден сверхзвуковой Рубикон, сразу удвоивший скорости истечения.
Сверхзвуковой Рубикон
И у сопел эолипила Герона, и у наконечника пожарного брандспойта (а это сопло для разгона струи воды) канал течения сужается. В таком канале поток рабочего тела – пара, газа или жидкости разгоняется. Почему? Расход (количество рабочего тела, проходящее через сечение за секунду) в любом месте канала одинаковый – сколько втекает через начальное сечение, столько должно и выйти через конечное. Ведь текущее по каналу вещество не уменьшается и не прибавляется, в стенках нет отверстий, подводящих или отводящих его. И закон сохранения массы делает одинаковым расход вещества через любое место сопла.
И жидкость, и дозвуковой поток газа практически не меняют своего объема, поэтому приближённо рассматриваются как несжимаемые, когда до скорости звука ещё далеко. Неизменный расход их массы означает неизменный расход их объема. Потоку приходится поторопиться, чтобы прогнать тот же объем через сузившееся место. Газ вынужден ускоряться.
Течь его заставляет перепад давлений – поток течет в сторону низкого давления, толкаемый сзади высоким. В сужающемся канале непрерывно падают давление и температура потока, зато растет его скорость. Происходит перекачка потенциальной энергии давления и температуры газа в энергию движения, в его разгон. Чем выше перепад давлений между началом и срезом сопла, тем больше разгон и скорость истечения. Для ее роста поднимают давление перед соплом. Это же верно и для перепада температур, и газ стараются сильнее нагреть сжиганием топливных компонентов.
Но у скорости истечения оказался свой принципиальный предел. Это истечение со скоростью звука. Он не преодолевается никаким повышением давления на входе с сопло. Сколько бы его ни поднимали, в два, четыре или десять раз, в пределах сужающегося сопла поток не превысит скорость звука.
Вспомним, что такое дозвуковое и сверхзвуковое движение. Скорость звука (слабых волновых уплотнений в газе) зависит от многих факторов – состава газа, его плотности и давления. Но больше всего она зависит от температуры. В конкретных условиях скорость звука принимает конкретное местное значение. Сравнивает скорость потока с местной скоростью звука число Маха, деля скорость потока на скорость звука. Его значение обозначается М и показывает, во сколько раз скорость течения больше или меньше скорости звука. Когда М меньше единицы, поток медленнее звука – дозвуковой. При М=1 поток течет ровно со скоростью звука. При М > 1 поток сверхзвуковой.
Чтобы перешагнуть за М=1 и продолжить разгон или торможение потока, нужно сменить воздействие на противоположное. При геометрическом воздействии (сужение канала) нужно сменить его знак. Для разгона это смена сужения на расширение. Где сменить, когда? После достижения потоком скорости звука. В расширяющейся части поток станет сверхзвуковым и будет разгоняться дальше. Почему?
Став сверхзвуковым, поток получает критически другие свойства. Дозвуковая несжимаемость сменяется на большую сжимаемость и расширяемость. Расширение газа столь велико, что обгоняет геометрическое расширение канала. Распухающий газ вынужден все быстрее протекать даже через растущие сечения канала. Поэтому скорость потока в сверхзвуковом расширении сопла возрастает, а плотность газа снижается. Лаваль предложил эту форму сопла и получил на выходе сверхзвуковой поток. А сопло с геометрией сужения-расширения назвали соплом Лаваля.
Пути достижения сверхзвука
Отметим, что разогнать поток до сверхзвука может не только меняющаяся геометрия сопла Лаваля. Возможны сверхзвуковые сопла с неизменной геометрией канала, просто с ровной трубой. Их три типа: массовое, тепловое и механическое. И все они работают по принципу обращения воздействия. Массовое сопло имеет продырявленные стенки. В дозвуковой части трубы через перфорацию стенок внутрь закачивается газ. Для прохода через трубу прирастающего количества газ ускоряется, достигая скорости звука. А после скорости звука воздействие меняется на противоположное – газ через отверстия в стенках откачивается из трубы. Что вызывает расширение (есть куда после откачки) и разгон остающегося в трубе газа. Для разгона потока меняется расход массы газа – поэтому сопло называется массовым.
Два других типа чисто теоретические. Тепловое сопло – при движении по неизменной трубе газ нагревается, достигая скорости звука. А после нее газ охлаждается со сверхзвуковым разгоном. Механическое сопло подводит энергию в газ силовым механическим воздействием, а за скоростью звука так же механически отводит энергию для разгона сверхзвукового потока.
Сопло Лаваля – частный случай принципа обращения воздействия, его геометрический аватар. Две противоположные воронки с общим узким местом. Именно такое сопло широко используют в практических делах. Поскольку достижение скорости звука радикально меняет поведение потока, скорость звука назвали критической скоростью. А сечение сопла (всегда наименьшее), в котором достигается скорость звука, назвали критическим сечением сопла.
В сужающейся дозвуковой части сопла плотность газа меняется незначительно, он расширяется мало. Зато существенно снижаются его давление и температура – скорость растет в основном за счет них. Круче всего эти параметры падают в критической части сопла, в зоне скорости звука. Смена воздействия сохраняет эти изменения потока и дальше, в сверхзвуковой части, добавляя расширение газа. Поэтому скорость потока непрерывно растет в обеих частях сопла – и дозвуковой, и сверхзвуковой.
При старте с поверхности Земли в сопло давит атмосфера, препятствуя истечению. Струя вылетает из сопла расширенной сильнее атмосферы – плотность и давление струи ниже атмосферных. Такая струя называется перерасширенной, а сопло работает в режиме перерасширения. Чем разреженнее поток на срезе сопла, тем больше перепад давления с атмосферой и ее противодействие струе. Перерасширенная сверхзвуковая струя за счет высокой скорости выходит из сопла против перепада в половину атмосферы, а то и больше. И тормозится атмосферой уже за соплом.
Вот оно, работающее свойство сверхзвукового потока двигаться в сторону большего давления. Если этот перепад вырастет еще больше, атмосферное давление втиснется в сопло и начнет отжимать струю от стенок, “выключая” этот участок сопла. Тем самым тормозить струю еще в расширении сопла, не давая вырастать тяге – начнется режим запирания сопла наружным давлением. Зачем же расширять поток на срезе сопла ниже давления атмосферы? Потому что ее давление быстро падает с ростом высоты, в которую все стремительное будет уходить ракета.
Это клин обтекается сверху вниз сверхзвуковым потоком из небольших камер сгорания, тесным рядом установленных вверху. Каждая сторона клина становится для потока из камер одной стенкой сопла. Другой стенкой является атмосфера, обжимающая поток сбоку и своим давлением регулирующая его расширение. Поэтому поток на поверхностях клиновоздушно-клиновидного сопла расширяется оптимально, адаптируясь к изменению давления атмосферы.
Центральное тело может стать плоским, как тарелка, и расположиться в глубине сопла, в начале его расширения. Словно шляпка гвоздя, не до конца забитого в середину критического сечения. Пространство под шляпкой будет дозвуковой частью сопла. А края тарельчатого тела станут внутренней частью критического сечения. Поток растекается радиально из-под тарелки и разворачивается вокруг ее краев в сторону среза сопла, обжимаясь стенками и разгоняясь в сверхзвуковую струю. Тарельчатое сопло намного короче обычного, и поэтому легче. Его своеобразная газодинамика полностью соответствует соплу Лаваля.
Меньше давление, больше мощность рекордных гигантов
Высокое давление требует прочных и толстых стенок камеры сгорания, его проще запереть в камере небольшого размера. Масса большой конструкции с большим давлением будет тоже большой. У твердотопливных двигателей весь корпус является камерой сгорания. Поэтому давление в них ниже, чем в жидкостных ракетных двигателях, достигая лишь первых десятков атмосфер. Раз давление перед соплом пониже – значит, меньше степень расширения сопла и сужение в критическом сечении. Например, через критические сечение сопла твердотопливного ускорителя SLS может свободно пройти подросток. При диаметрах среза сопла в 3,8 м и критического сечения 1,37 м степень расширения составляет около 7,7. Средний уровень давления в 39 атмосфер не позволяет задать большую степень расширения.
Тяга создается не самой по себе скоростью истечения, а расходом при этой скорости. Твердотопливные двигатели могут создавать огромный расход рабочего тела через сопло. У них нет подачи топлива – все оно подано еще на заводе во всю длину двигателя, достигающую иногда десятков метров. У такого топливного массива огромная площадь горения и соответствующий расход, создающий очень большую реактивную тягу.
Военно-морские силы США испытали твердотопливный двигатель первой ступени перспективной ракеты, которая будет нести гиперзвуковой блок. Ранее стало известно, что первым носителем нового гиперзвуков.
Рис.1 Базовая схема сопла Лаваля
Рис. 2 Паровая турбина с соплом Лаваля
Понимал ли Густав де Лаваль, какой инструмент он дал в руки человечеству и дальнейшую судьбу своего сопла? Нам неизвестно.
Прошло около13 лет после изобретения Г. Лаваля.
В 1903 году К.Э Циолковский предложил ракету с ракетным двигателем на водороде и кислороде. Из камеры сгорания газ выбрасывается через расширяющийся сопловой конус.
Из рис.2 и рис.3 видно, что в этих схемах газ проходит сужающийся конус (конфузор) и выбрасывается наружу через длинную и расширяющуюся часть сопла (диффузор), а это и есть схема сопла Лаваля.
Рис. 3 Жидкостная ракета Циолковского
У сопла пороховой ракеты на рис.3 нет зоны расширения. В этом главная причина неудач по применению ракет с времен древнего Китая.
Лаваля интересовала скорость и масса паровой (газовой) струи , направленной на колесо турбины.
Циолковскому была нужна, реактивная сила, возникающая и зависимая от скорости и массы газа, также вытекающая из сопла.
Прошло еще около 10лет.
Рис. 5 Ракеты Роберта Годдара
время. Важно кто, где и когда их реализует.
Особенности сопла Лаваля:
Первое. сопло Лаваля обеспечило качественный прорыв в ракетостроении, за счет разгона реактивной струи до сверхзвуковой скорости.
Второе. сопло Лаваля образует звуковую и сверхзвуковую зоны, которые изолируют процессы в камере сгорания от прямого влияния и состояния внешней среды. В этом принципиальное отличие РД от всех видов технических горелок. Поэтому РД и их аналоги работают под водой, под землей, на земной поверхности и в космосе, а горелки нет.
Рис.6 Современный пороховой ракетный двигатель
Сопла Лаваля разной конфигурации стали важнейшей частью ракетных и сверхзвуковых реактивных двигателей для воздушных и космических аппаратов и устройств.
Так одинаковое устройство, тоесть сопло Лаваля, стало решать совершенно разнородные задачи в разных областях техники.
Редкий случай в истории развития техники и инженерной мысли.
Прошло 38 лет с начала века.
Раньше всего произошел прорыв в создании и массовом применении твердотопливных (пороховых) ракет. Сопло Лаваля и бездымный порох принципиально изменили правила их проектирования, изготовления, тактико-технические характеристики и способы применения.
В Англии только в начале 1942года., провели первые полигонные стрельбы реактивными снарядами с самолетов, а в США авиационная твердотопливная ракета пошла в производство к 1943 году.[7]
C начала ХХ века минуло 45 – 50 лет и сопло Лаваля,
находит уже третью и более широкую область применения.
Рис. 7 Первые газоструйные устройства c соплом Лаваля для бурения и резки минеральных сред [10. 11]
Ни де Лаваль, ни Циолковский, ни Годдар, ни фон Браун, ни Королев и Глушко не рассматривали возможности применения с/з газовой горячей струи как рабочего инструмента (тела) вместо механических орудий труда. Их интересовала только реактивная сила от сопла Лаваля.
В этой, третьей области применения сопла Лаваля, задействован широкий спектр различных физико-химических и иных процессов возникающих при контакте с/з струи с минеральной (естественной, искусственной) преградой в затопленном пространстве. Наблюдается: Первое - весь комплекс термогазодинамического воздействия этой струи на преграду. Второе - обратная реакция на это воздействие свойств материала и возникновение сложных физико-химических и иных процессов в самой преграде.
В ЛИСИ изучалось влияние геометрии сопла Лаваля на вид обработки.[11. 12. 13 14 15]. Установлена возможность: – Закреплять грунты [16]; выполнять дезактивацию конструкций [17]; получение стройматериалов [18], обработка предметов под водой[19,20]; наносить покрытия на поверхности и их очистку [21]; снимать наледи, бурить пайковый лед [22, 23]; возможные газоструйные техпроцессы [24];и т.д.
По результатом НИР в ЛИСИ, получено более 100 А.С и защищены три кандидатские диссертационные работы в ЛИСИ, ЛВМИ. МГИ.
Рис. 8 Сопла Лаваля для разных технологических процессови операций.[24]
Рис. 9 Материалы по изобретению М. И Циферова (1948 гол)
Рассмотрим более внимательно А.С.№79119 от 1948 года.
Видимо, М.И. Циферов в 1945 году впервые предложил и первым показал на возможность проходить твердую горную породу высоко энергонаполненной струей пороховых газов от продуктов взрыва ВВ.
Подчеркиваю, а не от продуктов сгорания пороховых медленно горящих ракетных зарядов. Вынимание горняков привлекла скорость разрушения и малая металлоемкость устройства. по сравнению с существовавшими тогда и существующими теперь металлоемкими буровыми механизмами.
Небольшое отступление по анализу А.С. 79119:
«Автору удалось найти только скудные материалы по а.с. 79119 и представить их на рис. 9. (Материал из Выставочного зала Федеральных архивов России.).
1. Первое. Ракета это автономное устройство с энергоносителем и двигателем на борту. Из материалов рис. 9 такой вывод сделать невозможно. Возникают вопросы: 1. Как в А.С.№ 79119 подаются небольшие заряды ВВ в взрывную камеру 4. (см. рис.9). Взрывная камора есть, а объема для хранении ВВ на борту устройства, тоесть ракеты нет.
Видимо их в А.С. 79119 периодически подают с земной поверхности в взрывную камеру. Как непонятно? Если есть механическая связь с землей для подачи топлива, то это уже не ракета и не автономное буровое устройство.
Пойдем дальше
Рис. 10 Буровая головка подземной ракеты с соплами Лаваля
В этой, четвертой области применения сопла Лаваля используются все основные свойства этого сопла:
1. Реактивная тяга применяется по прямому назначению. для движения устройства – подземной ракеты.
2. Термогазодинамические свойства с/з струи применяются для проходки скважины, тоесть для разрушения лба забоя.
3. Возникающие при этом реактивные силы направлены друг против друга. Правда в конструкции НИХТИ реактивная сила от проходки скважины подавлялась весом устройства. Что неправильно.
По данным А.И Борисенко [26] с 1973 – 74 гг. в СССР впервые в мире, выполнено в поле по различным грунтам свыше 200 успешных пусков буровых реактивных (ракетных) аппаратов БРА с разным временем работы твердотопливного заряда (конструкции НИХТИ К-250,К-850,К-900). Скорость проходки грунтов от 15 до 55м/мин., Диаметры скважин от 250 до 1000мм. [27, 28]. Недостатки первых БРА: высокая стоимость изготовления, возможно сознательно завышенная, чтобы выбить лучшее финансирование. (По моему мнению у НИХНИ затраты на эти БРА были копеечные, но лишни деньги не помешают). Почему не применили менее дорогие штатные твердотопливные ракетные заряды и их корпуса? Можно было применить уже снятые с вооружения. Такой возможностью НИХТИ обладал, но не воспользовался. Почему? Всем ясно, что высокая стоимость, - преграда для применения в народном хозяйстве.
Рис. 11 М. И Циферов перед стартом подземной твердотопливной ракеты НИХТИ
Второй принципиальный недостаток конструкции всех БРА (К -250, 850, 900) НИХТИ - это реактивная сила от буровых сопел которая подавляется конструктивно увеличенным весом БРА. Непонятно зачем лишний вес?. Можно было делать по - другому. Все это повышало металлоемкость и трудозатраты на изготовление и усложняло использование на рабочей площадке.
Рис. 12 Первые в мире автономные пороховые ракетные устройства для проходки скважин, конструкции М. Циферова, НИХТИ. ЛИСИ [30.
Рис. 13 Автономное буровое устройство – УБР, с парогазовой скоростной струёй, конструкции В.М. Циферова [36] и СКТБ Главмосинжстроя
Подземные автономные ракеты на газообразном, жидком или комбинированном топливе, как и жидкостные ракеты, превосходят по времени работы пороховые ракеты.
Подобное топливо вне сомнения будет применяться в автономных буровых устройствах при глубоком бурении.
Тогда же в Ленинграде, после испытаний на бывших стендах ЛИСИ.[37], В.М.Цыферов впервые выполнил бурение мягких грунтов, головками с соплами Лаваля на воздухе высокого давления в ресивере до 200 атм.
Рис. 14 Сопла Лаваля работают на воздухе высокого давления [38]
Остается повторить мнение Г.М. Салахутдинова [41] о К.Э. Циолковском, несколько изменив его: Основная заслуга Михаила Ивановича Циферова в умении возбудить интерес к проблеме создания подземной ракеты на новом принципе работы и его твердой уверенности в её будущем. Согласитесь, что есть, что - то общее у них, и не только в первой букве их фамилий.
06. 10 2017г. Боженов Евгений Петрович
9. Источники использованные в рис.7.
1. US Patent office 2,675,993 Method and apparatus for thermally working minerals and mineral-like materials. George H.Smith… Applicaition Varch 25, 1948, Serial №17, 973
11. Боженов Е. П. Термогазодинамическая обработка строительных материалов. М.: Стройиздат, 1985, с. 138.
12. Супрун В. М., Баженов Е. П. Об особенностях разрушения минеральных пород сверхзвуковой газовой струей. — Тр./Высшее авиационное училище ГА. — Л., 1969, вып. 38.
14 Боженов Е. П. «О причинах нестационарного воздействия сверхзвуковой газовой струи. — Из. вузов-Строительство и архитектура. Новосибирск, 1969,№ 1
15. Боженов Е.. .П., Супрун В- М. Струйный термоагрегат для резки И бурения цемептобетопных и асфальтобетонных покрытий. -‘- В кн.-. Строите.тыю-до.рожные машины, электротехника, автомобили и двигатели, деталн машин/Л ИСИ. Краткое содерж. докл. к XXV1I1 конф. Л., 1970.
16. Изменение свойств и закрепление грунтов
9.«Патент №2006271.,Авторы Боженов Е.П. , Плугин А.И.- Способ диспергирования рабочих агентов и устройство для его осуществления., подача заявки 1991-04-04.,публикация патента:30.01.1991: Патентообладатель: Санкт-Петербургский институт текстильной и лнгкой промышленности.
17. Выполнение газоструйной дезактивации поверхностей и конструкций
18. Получение строительных материалов:
2. . Боженов П. И., Григорьев Б. А., Нестерёнко В. В. Влияние некоторых факторов на формирование прочностных известкдаогкремиеземных изделий в парогазовой среде. — В кн.: .Влияние газовой среды на химические реакции в производстве силикатных материалов. Вильнюс, 1974.
3. ‘Боженов П. И., Нестерекко В. В. Обработка изделий- на основе магния в парогазовой среде. — В кн.: Строительные материалы, строительное производство. Краткое содерж. докл. XXIX науч. конф./ЛИСИ.
19. Боженов Е. П!, Иванов А. И. Стенд для исследования вопросов подводной термогазодинамической обработки крепких минеральных сред. — В кн.. Строительно-дорожные машины, электротехника, автомобили и двигатели, детали ‘машин/ЛИСИ. — Краткое содерж. докл. XXVIII иауч, конф. Л.. 1970.
20. Применение термогазодинамического способа в работах под водой.
Заявитель№-№1,2,3 Ленинградский инженерно-строительный институт.
21. Нанесение покрытий на поверхности, очистка поверхностей от посторонних наслоений:
23.РЕЗКА БУРЕНИ ЛЕДОВЫХ ИАССИВОВ
2. А.С. 523980 «Устройство для термического разрушения и обработки твердого минерального матениала (пересечение струй в суж конусе). Е.П. боженов. А.И. гаврилова, А.И.Иванов. 10. 11. 1974 г. Опубдиковано 05.08.76. Бюл № 29 Заявитель Ленинградский инженерно – строительный институт.
Е П.Боженов, А.И. Гаврилова, А.И. Иванов, А.И. Плугин. Заявлено 04.07.73. Опубдиковано 25.01.75. Бюл. № 3 Заявитель Ленинградский инженерно – строительный институт.
23. Применение технологии совмещенной газоструйной обработки совмещенных струй и устройств для разгона различных сред в сверхзвуковом сопле Лаваля для двух фазных и более сред:
Заявитель- Ленинградский инженерно-строительный институт.
24.Источники использованные в рис. 8. Сопла Лаваля конструкции ЛИСИ, для разных технологических процессов[24]
26. А.И. Борисенко - ученый секретарь тех.совета ГКНТ СССР,
28. Ровнин Л. И., Покровский Г. И. Реактивное бурение скважин в рыхлых грунтах. — Разведка и охрана недр, 1976, № 10.
29. Автономные Реактивно-перемещающиеся устройства для бурения скважин. Заявитель: Ленинградский инженерно-строительный институт.
1. А,С,№466774 «Реактивно-перемещающееся устройство для проходки скважин Е.П.Боженов, А.И.Гаврилова,А.И.Иванов,,А.П.Плугин, В.В.Синозерский,В.М.Скоморовский, М.И.Цыферов Заявлено 28.06.1973г., с присоединением заявки31953990/22-3; Зарегестрировано 13 декабря 1974г.;
2. А.С.522632 Реактивно-перемещающееся устройство для проходки скважин в горных породах . Е.П.Боженов, А.И.Плугин,М.И.Цыферов. Заявлено 26.12.1974г.Зарегестрировано 29.03.1974г.;.;
3. А.С.№ 546196 Термобур для проходка сквважин в мерзлых грунтах., Е. П.Боженов, А.И.Гаврилова,А.И.Иванов,,А.П.Плугин Заявлено 01.12.1972г.; Зарегестрировано 15.октября 1976г.;
4. А.С.№ 544261 Реактивно-перемещающееся устройство для проходки скважин Е.П.Боженов, А.И.Плугин,М.И.Цыфуров, В.В.Цымбалов., Заявлено 08.10.1974г.,Зарегестрировано 28.09.1974г.
5. А,С№547120 Реактивно-перемещающееся устройство для бурения скважин.Е.П.Боженов, А.И.Гаврилова,А.И.Иванов,,А.П.Плугин, М.И.Цыферов Заявлено 10.04.1975г. Зарегестрировано 25.10.1976год;
6. А.С.№ 549008 Сопловая головка для буровых реактивных аппаратов., Е.П.Боженов,А.П.Дмитриев,А.И.Иванов,А.И.Плугин,А.И.Гаврилова,А.А.Капустин, А.А.Орлов, А.П.Помигуев., Заявлено 29,04.1975г. Зарегестрировано 05ноября 1976года.
30. Материалы использованные для рисунка 12. Первые в мире автономные пороховые ракетные устройства для проходки скважин [33]
1. Циферов М. И. Термогазодинамический способ. Авт. свид. СССР № 212908, Е 21 В 7/18, 1965;
3. Конструктивные схемы автономных буровых аппаратов для проходки ледовых массивов и мягких грунтов. НИР х/д №320. ЛИСИ.
4. А.С. № 481 205 Сопловая головка для реактивно перемещающихся буровых аппаратов. Авторы А.Н.Бура, Б.П.Жуков,Л.В. Забелин, В.А.Козлов, В.Б. Преображенский и Р.В. Якушкин., (22)Заявлен 04.09. 73. Опубликован(46) 15.11.83.Бюл. № 42
6. А.С.№ 546196 Термобур для проходка скважин в мерзлых грунтах.,
Заявлено 01.12.1972г.; Зарегестрировано 15.октября 1976г.;
31. НИР х/д № 320. Научно –исследовательский сектор, .кафедра Детали машин.,Ленинградский иженерно-строительный институт.
32. М. И. Цыферов «Справка-доклад по подземным реактивным снарядам (ПРС)и возможным использованием их в народном хозяйстве. (для комиссии) январь 1972 год- Москва. Машинописный материал.
33. CПРАВКА Минвуза РСФСР об организации в Ленинградском инженерно-строительном институте проблемной научно-исследовательской лаборатории применения техники реактивного действия в строительстве. Подпись Начальник Управления хоздоговорных и специальных научно-исследоватедьских работ МинвузаРСФСР Э.Калининн. Начальник Главного управления химико-технологических,горнометаллургическихи строительных вузов МинвузаРСФСР В.Никонов; На 3-х машинопмсных страницах..
37 Стенды для исследования термогазодинамического способа обработки.
1. Боженов Е. П!, Иванов А. И. Стенд для исследования вопросов подводной термогазодинамической обработки крепких минеральных сред. — В кн.. Строительно-дорожные машины, электротехника, автомобили и двигатели, детали ‘машин/ЛИСИ. — Краткое содерж. докл. XXVIII иауч, конф. Л.. 1970.
1. Фотография установки В.Цыферова на воздухе высокого давления. иэ личного архива Е. П.. Боженова).
Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине.
Принцип работы сопла Лаваля
По мере движения газа по соплу его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V 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 %. М – число Маха (скорость звука).
На сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями (М 1).
Суживающая часть сопла называется конфузором, а расширяющая – диффузором. Диффузор по длине всегда больше конфузора. Иногда длина диффузора превышает длину конфузора в 250 раз. Удлинение диффузора способствует увеличению скорости истечения газа из сопла, а соответственно и тяги.
Элементарная теория сопла Лаваля
Влияние сжимаемости на форму трубок тока.
Рассмотрим, как влияет сжимаемость на форму трубок тока при установившемся движении газа. Предположим, что трубка тока тонкая, и характеристики движения в разных точках каждого сечения одинаковы. Пусть – площадь произвольного поперечного сечения трубки тока, причем сечение перпендикулярно к скорости движения частиц газа.
Если жидкость однородная и несжимаемая, то из уравнения неразрывности следует, что массовый и объемный расходы через трубку тока постоянны, т.е. ; и
т.е. чем больше скорость, тем меньше сечение.
В этом случае вдоль трубки должен сохраняться только массовый расход жидкости , откуда
Для сжимаемой жидкости плотность зависит от скорости. Для обратимых адиабатических течений совершенного газа
Подставляя это выражение в (7.39), можно получить зависимость и найти форму трубок тока. График приведен на рис. 7.15.
Кривая имеет две асимптоты: и .
Определим форму трубок тока для любых (не адиабатических) движений идеальной сжимаемой жидкости. Вычислим .
Спроектируем уравнение движения Эйлера на линию тока и при установившемся движении
где вдоль линии тока. Для адиабатических движений, как было указано ранее, совпадает со скоростью звука, определяемой как (в общем случае величина отлична от скорости звука, но в последующем для неадиабатических движений играет роль скорости звука). Таким образом, вдоль линии тока имеем
Видно, что с ростом скорости, когда , величина растет при дозвуковых скоростях и убывает при сверхзвуковых скоростях . В точке, в которой , т.е. , величина имеет максимум (рис. 7.16).
Таким образом, в дозвуковом потоке поперечное сечение трубки тока с ростом скорости уменьшается. Максимальная скорость, которая может быть достигнута при дозвуковом потоке в сужающейся трубке тока, равна скорости звука.
В сверхзвуковом потоке , если скорость потока вдоль трубки растет, то убывает, и трубка тока расширяется. Если скорость сверхзвукового потока вдоль трубки убывает, то растет и поперечное сечение уменьшается, следовательно, поток в сужающемся канале замедляется.
Насадок, состоящий только лишь из сужающегося участка (рис. 7.17), называется простым соплом. Наибольшая скорость, которую можно получить, выпуская адиабатически газ через простое сопло, равна скорости звука, которая достигается в наиболее узком сечении (на срезе сопла).
Пусть имеется большой сосуд (рис. 7.18), заполненный газом, который может вытекать из него через простое сопло в пространство с давлением . Величина называется противодавлением. Значения характеристик течения на срезе сопла обозначим через , а в сосуде далеко от насадка – через . Примем, что . Понятно, что если , то течения в сопле не будет.
Рассмотрим, как зависит массовый расход газа через сопло от отношения давлений при постоянных значениях температуры и давления в сосуде, когда отсутствует теплообмен между газом и окружающей средой.
Если , то (этому случаю соответствует точка на рис. 7.19). При скорость течения в сопле будет дозвуковой, и наибольшее значение скорости будет достигаться на срезе сопла (например, в точке ). При дальнейшем уменьшении скорость на срезе сопла, оставаясь дозвуковой, будет увеличиваться.
При некотором значении скорость на срезе сопла станет равной местной скорости звука . При этом критические значения плотности и давления, согласно (7.30) и (7.34), равны:
На основе экспериментальных данных известно, что до тех пор, пока , давление на срезе сопла практически совпадает с противодавлением . Поэтому при достижении в минимальном сечении скорости звука можно считать, что
При на основе (7.43) получим, что (точка на рис. 7.19).
Критический расход, согласно (7.30) и (7.42), будет равен
При дальнейшем понижении противодавления течение внутри сопла перестает меняться, и расход также остается неизменным и равным критическому. Неизменность расхода объясняется тем, что слабые возмущения (а значит, и небольшие изменения противодавления) распространяются по частицам среды со скоростью звука. Поэтому при достижении критического режима (когда сами частицы на срезе сопла имеют скорость, равную скорости звука) частицы, находящиеся внутри сопла, “не знают” о том, что происходит вне сопла (возмущения сносятся потоком частиц газа, и поток как бы запирает сопло).
Замечание. Изменение противодавления будет сказываться на течении газа вне сопла: в свободной струе вне сопла скорость при понижении может стать сверхзвуковой, но поток в свободной струе не будет однородным (скорость в потоке существенно меняется по сечению струи).
При истечении сжимаемого газа из тонкого отверстия скорость потока, как было показано выше, не может быть больше скорости звука. Достижение сверхзвуковой скорости истечения, как показали опыты Г. Лаваля (1845 – 1913), получается только при изменении конфигурации отверстия. В его экспериментах скорость истечения превышала скорость звука тогда, когда на выходе из сосуда устанавливалась специальная насадка, которая впоследствии была названа соплом Лаваля.
Сопло представляет собой короткий участок трубки переменного сечения с постепенным сужением, переходящим в расширение (рис. 7.20). Поток, попадая в узкое сечение, достигает минимальной скорости. С переходом в расширяющуюся часть трубки скорость растет, достигая сверхзвуковых значений. Такой характер изменения скорости газа при движении через сопло Лаваля можно обосновать, анализируя уравнение неразрывности сжимаемого газа и уравнение Эйлера для одномерного стационарного течения идеального газа.
Уравнение неразрывности в трубке переменного сечения можно записать так:
Уравнение Эйлера (для одномерного движения) имеет вид
Дифференцируя (7.45) по координате , имеем
Деля все члены (7.47) на , получаем
Считая течение адиабатическим и баротропным, из уравнения состояния находим
Тогда (7.48) можно переписать в виде
Подставляя сюда из уравнения Эйлера (7.46), получим
Уравнение (7.49) получено А. Гюгонио (1851 – 1887) и носит его имя. На основе (7.49) можно получить следующее заключение о характере изменения скорости в суживающихся и расширяющихся каналах.
При , изменение скорости и сечения имеют разные знаки. Если сечение уменьшается, скорость увеличивается. Когда сечение увеличивается, скорость уменьшается. Такая картина хорошо известна и подтверждается в дозвуковых потоках.
При , скорость и сечение изменяются с одинаковым знаком. Если площадь сечения увеличивается, то скорость потока увеличивается. Когда сечение уменьшается, то скорость также уменьшается.
Такая ситуация при числах Маха, больших единицы, когда течение сверхзвуковое, представляется на первый взгляд парадоксальным. Однако такое несоответствие с реальностью устраняется благодаря тому, что при расширении газа его плотность уменьшается настолько заметно, что произведение плотности на площадь сечения, несмотря на рост площади, все же уменьшается, что и приводит к росту скорости с увеличением площади сечения. Следовательно, сверхзвуковой поток расширяется противоположно дозвуковому. Чтобы увеличить его скорость, трубку следует расширить.
При числах Маха, равных единице, скорость потока, равную скорости звука, можно получить только в минимальном сечении трубки. В максимальном сечении значение числа Маха, равное единице, не достигается, поскольку при расширении сечения скорость в дозвуковом потоке падает, а в сверхзвуковом – растет. Поэтому скорость течения, равную скорости звука, в наибольшем сечении получить невозможно. Таким образом, для получения в сопле скоростей течения газа, превышающих сверхзвуковые значения, сопло следует сначала сузить для достижения звуковой скорости, а затем расширить для дальнейшего увеличения скорости выходящего из него газа.
Результаты исследований законов сверхзвуковых течений газа в трубах переменного сечения оказали существенное влияние на развитие ракетной техники и космонавтики, а также лежат в основе конструкции аэродинамических труб, используемых для испытания сверхзвуковых летательных аппаратов.
Сирович с соавторами ( Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226) обнаружили, что на поверхности твёрдого тела в пограничном слое появляется система парных вихрей Тейлора
вращающихся и двигающихся в противоположные стороны (авторы назвали их вихревыми волнами). Т.к. они двигаются перпендикулярно потоку, то поток их сносит и их траектории приобретают вид.
Трение скольжения уничтожает вихри только для того, чтобы они возникали вновь и вновь.
Элементами вихрей могут быть только вихри. Ведь в противном случае работала бы классика 3 закона Ньютона, а не правило прецессии и противодействующая сила, направленная против действующей, уничтожила бы вращение. И вихри существовать не смогли бы. Поэтому и жидкая, и газовая среды имеют структуру, состоящую из элементарных вихрей, которыми могут быть только вихри Бенара. Ведь только вихри Бенара способны сформировать броуновское движение.
И в газах, и в жидкостях свободного объёма катастрофически не хватает. В современной же статистической физике развивается кластерное напраление исследований. Т.е. в статистическом хаосе по щучьему велению и хотению теоретиков формируются кластеры (они экспериментально были обнаружены в 50 годах прошлого столения), которые то формируются, то исчезают по воле всё той же всесильной щуки. Логика полностью отсутствует, сплошная математика без грана физической мысли. В то же время вихри Бенара чрезвычайно изменчивы, они могут как вытянуться змеёй и проползти в щель между соседними вихрями, так и сжаться в бочонок, расталкивая соседей в своём новом месте обитания. Поэтому покой системе элементарных вихрей может только сниться, что и формирует броуновское движение в газах и жидкостях.
Жидкая или газовая среда пришла в движение. Элементарные вихри среды начинают скольжение по поверхности твёрдого тела. Сила трения скольжения действует на элементарные вихри. По правилу прецессии противодействующая сила действует на вихревые объекты в перпендикулярном направлении. Но мы имеем дело не с отдельными вихревыми объектами, а с перепутанным клубком вихревых бечёвок. И противодействующая сила действует на запутанный клубок из элементарных вихрей. Применяя правило прецессии мы увидим, что вихревой клубок обязан получить вращение. Но для вихревых объектов также действует закон сохранения момента количества движения. Поэтому в перепутанной системе из элементарных вихрей в соответствии с законом сохранения момента количества движения должны возникнуть когерентные системы парных вихрей, пока что только вращающиеся в противоположных направления.
В результате на поверхности твёрдого тела возникает ковёр из вращающихся элементарных вихрей, с одной стороны от центра вращающиеся по часовой стрелке, а с другой стоне против часовой стрелки. И в каждой стороне все вихри вращаются в одном направлении. Т.е. в месте контакта
соседние вихри вращаются в противоположных направлениях. Сила трения между вихрями возникает в тангенциальном направлении, а противодействующая сила действует перпендикулярно рисунку. И не щучье веление, а хотение самих вихрей заставляет их двигаться в противоположных направлениях, что и обнаружили Сирович с соавторами.
Таким образом над поверхностью твёрдого тела в пограничном слое появляется система ковров из двигающихся элементарных вихрей. Над ней же также расположен клубок из запутанных элементарных вихрей, на который действует сила трения скольжения от ниже расположенного ковра из двигающихся элементарных вихрей. Т.к. они двигаются перпендикулярно потоку, то сила трения скольжения заставляет новую систему из вихрей вращаться и двигаться по потоку, увеличивая скорость их движения. Продолжая эту логику дальше, мы увидим, что скорость движения среды должна увеличиваться при отдалении от поверхности твёрдого тела, что и формирует пограничный слой в двигающейся относительно тела среды. В результате при движении среды в трубопроводе создаётся течение Пуазейля.
Ненулевую же завихрённость может создать только изложенный механизм, а не беззубые кластеры статистической физики.
Но не всем же поверхностям повезло располагаться горизонтально. В Алтайских горах есть Бащелакские озёра.
Читайте также: