Сопло Лаваля

Сопло́ Лава́ля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковыхреактивных авиационных двигателей.

Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании газодинамическихрасчётов.

Сопло было предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин.

Приоритет Годдарда на применение сопла Лаваля для ракет подтверждается рисунком в описании изобретения в патенте США U.S. Patent 1 102 653 от 7 июля 1914 г., на двухступенчатую твердотопливную ракету, заявленном в октябре 1913 г.

В России в ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано генералом М. М. Поморцевым в 1915 г.. В ноябре 1915 года он обратился в Аэродинамический институт с проектом боевой пневматической ракеты. Ракета Поморцева приводилась в движение сжатым воздухом, что существенно ограничивало ее дальность, но делало бесшумной. Ракета предназначалась для стрельбы из окопов по вражеским позициям. Боеголовка оснащалась тротилом. В ракете Поморцева было по крайней мере два интересных конструктивных решения: в двигателе имелось сопло Лаваля, а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор.

57) Основным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания является ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления. Эти недостатки отсутствуют в газотурбинных установках, где рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

Рабочее тело, имеет высокие температуру и давление, из камеры сгорания направляется в сопло, в котором оно расширяется и с большой скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической работы.

ГТУ имеют много важных преимуществ перед поршневыми двигателями. Газовые турбины имеют относительно малый вес и небольшие габариты, у них нет деталей с возвратно-поступательным движением, они могут производиться с высоким числом оборотов и с большими единичными мощностями.

Однако при создании крупных стационарных ГТУ еще нужно ре-шить ряд важных задач. Прежде всего, необходимо существенно повысить начальную температуру газа перед турбиной, чтобы увеличить термический КПД цикла установки. Это требует создания новых жаропрочных сталей, способных устойчиво и длительно работать при максимальных температурах. Применяемое в настоящее время водяное или газовое охлаждение элементов газовой турбины, работающих в области высоких температур, недостаточно надежным и конструктивно сложным.

Большое значение для экономичности ГТУ имеет повышение эффективного КПД компрессора, входящего в схему установки. Дело в том, что примерно 75% мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора, и поэтому общий эффективный КПД ГТУ главным образом определяется совершенством работы компрессора.

ГТУ могут работать со сгоранием топлива при постоянном давлении и при постоянном объеме. Соответствующие им идеальные циклы делятся на циклы с подводом теплоты в процессе при постоянном давлении и постоянном объеме. ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении.

ГТУ со сгоранием топлива при P = const. В камеру сгорания через форсунки непрерывно поступает воздух из турбокомпрессора и топливо из топливного насоса. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированных сопел, в которых рабочее тело расширяется до давления, близкого к атмосферному. Из сопел продукты сгорания поступают на лопатки газовой турбины, а затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок.

Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме.

ГТУ с сгоранием топлива при постоянном объеме. В этой установке сжатый в турбокомпрессоре воздух поступает из ресивера (сосуды большой емкости для выравнивания давления) через воздушный клапан в камеру сгорания. Сюда же топливным насосом через топливный клапан подается жидкое топливо. Продукты сгорания после прохождения через сопловой клапан расширяются в сопле и приводят во вращение ротор газовой турбины.

Для осуществления периодического процесса горения необходимо подавать воздух и топливо через управляемые клапаны в определенные периоды времени. Процесс горения проводится при закрытых клапанах. Воспламенения топлива происходит от электрической искры. После сгорания топлива давление в камерах и повышается, открывается сопловой клапан и продукты горения направляются в сопло, где и расширяются до конечного давления.

58.цикл паросиловой установки