Сопло Лаваля — машина, создающая сверхзвук

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕНАЯ АКАДЕМИЯ»

КАФЕДРА

«ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА»

Методическое пособие к расчетно-графической работке по гидрогазодинамике

Специальность 140106 – Энергообеспечение предприятий

Составитель: П.Л. Лекомцев

Ижевск 2009

Эволюционная история сопла

Когда человек впервые использовал сопло? Уже в I веке Герон Александрийский предложил реактивное сопло для своего «эолипила». В нем два разнонаправленных паровых сопла вращали полый металлический шар реактивной силой. Спустя 1200 лет в Китае делали пороховые ракеты — для фейерверков и боевые, — освоив реактивное движение на практике. В Средние века боевые ракеты стали летать в Европе. В российской армии ХIX века ракетное оружие выросло до регулярных пеших и конных ракетных команд, запускавших ракеты со специальных пусковых станков; массовых ракет на флоте, больших ракетных заводов типа крупнейшего в Европе завода в Николаеве. Первый пуск боевых ракет из подводного положения ракетной подлодки произошел еще при жизни Пушкина, 29 августа 1834 года, на Неве, в 40 верстах выше Санкт-Петербурга.
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.

Смотрите также

Забитый поток — когда скорость газа достигает скорости звука в газе, проходящем через сужение
Сопло Де Лаваля — сопло сходящегося-расширяющегося типа, предназначенное для создания сверхзвуковых скоростей
Двойная тяга ракетные двигатели
Джованни Баттиста Вентури
Реактивный двигатель — двигатели реактивные (включая ракетные)
Многоступенчатая ракета
НК-33 — Российский ракетный двигатель
Импульсный реактивный двигатель
Импульсный ракетный двигатель
Двигатели реакции Skylon — одноступенчатый орбитальный космический самолет с гибридным воздушно-кислородным двигателем (Двигатели реакции SABRE)
Ракета — ракетные машины
Ракетные двигатели — используется для приведения в движение ракетной техники
SERN, Насадка с рампой одинарного расширения — неосесимметричный аэродинамический снаряд
Ударные бриллианты — видимые полосы в выхлопе ракетных двигателей
Ракета на твердом топливе
Движение космического корабля
Удельный импульс — мера скорости выхлопа
Ступенчатый цикл горения (ракета) — тип ракетного двигателя
Эффект Вентури

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.

Сверхзвуковые струи двигателей ракеты-носителя «Протон-М», пуск 31 июля 2022 года с космодрома Байконур. Фото: Роскосмос.

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.

Преодолеть звуковой рубеж можно, лишь используя особый принцип. Он называется принципом обращения воздействия.

В газодинамике есть понятие воздействия. Это влияние на течение газа, меняющее его параметры, в том числе скорость. Сужение канала – это геометрические воздействие, изменение геометрии течения. И есть принцип обращения воздействия. Согласно ему, одним и тем же воздействием можно изменять скорость течения только до скорости звука. Причем это верно как для разгона, так и для торможения (если поток сверхзвуковой). Максимум, достигаемый одним и тем же воздействием, всегда будет скоростью звука, М=1. Становясь непреодолимым для этого воздействия звуковым барьером. Больше этой границы воздействие любой мощности не сможет сделать ничего.

Пуск ракеты-носителя «Союз-2.1а» с грузовым кораблем «Прогресс МС-14». 25 апреля 2022 года, Байконур. Видно, как желтым пламенем снаружи потока догорает избыточный углерод на периферии реактивной струи в кислороде окружающего воздуха. Именно это наружное догорание делает струю такой яркой; в бескислородной атмосфере она бы не светилась и выглядела малозаметной серой лентой. Откуда на периферии соплового потока избыток углерода, и что еще видно на этих струях – здесь. Фото: Роскосмос.

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.

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.

Например, можно оценить мощность сопел, отверстия в которых имеют разные диаметры.

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%.

Чтобы еще лучше ориентироваться в мощности сопла с тем или иным диаметром внутреннего отверстия, можно принять во внимание, что изделия, диаметр в которых составляет 6 мм (1/4 дюйма), способны обеспечить среднюю мощность струи, равную 30 м3/час.

Таблица позволяет примерно оценить влияние диаметра сопла и давления воздуха на производительность и расход абразива

Если вы не собираетесь изготавливать сопло для аппарата пескоструйной обработки своими руками, то следует иметь в виду, что изделия, выпускаемые серийно, имеют стандартные диаметры отверстий, равные 6, 8, 10 и 12 мм.

На выбор такого параметра сопла, как его длина, оказывает влияние степень загрязненности очищаемой поверхности. Для пескоструйной обработки поверхностей, которые имеют незначительные загрязнения, выбираются более короткие сопла (7–8 см).

Если же необходимо обработать поверхность, на которой имеются сложные загрязнения, длина сопла должна быть значительной (до 23 см).

Более короткие сопла, устанавливаемые в стандартный соплодержатель, используются и в тех случаях, когда обработке требуется подвергнуть труднодоступные места.

Сопла, диаметр которых не изменяется по всей их длине, позволяют обеспечить скорость выхода абразивного материала 320 км/час, при этом давление смеси из воздуха и абразива, поступающей из такого сопла, составляет 6 атм.

Сопла с каналом «Вентури» формируют струю абразивной смеси, скорость движения которой может доходить до 720 км/час. Понятно, что сопла с внутренними отверстиями такого типа повышают эффективность пескоструйной обработки.

Очевидно, что площадь потока у сопла типа VENTURI значительно больше, чем у обычного прямолинейного

Использование сопел с внутренними отверстиями, выполненными по типу «Вентури», позволяет предприятиям и специализированным компаниям не только увеличить производительность своего труда, но и значительно повысить качество выполняемой обработки. Что важно, применение изделий с такими каналами не требует приобретения специальных абразивов и не приводит к увеличению расхода сжатого воздуха.

Если сопла с отверстиями обычного типа для пескоструйных аппаратов можно сделать своими руками (хотя это и сложно), то изделия с каналом «Вентури» качественно изготовить в домашних условиях, не располагая специальным оборудованием, практически невозможно.

Устройство сопла пескоструйного с каналом Вентури: d — внутренний диаметр; D — заходной диаметр; Т — присоединительная резьба; L — длина сопла

Для изготовления сопел, в том числе и своими руками, могут быть использованы различные материалы, от выбора которых зависит долговечность изделия. Так, в зависимости от материала изготовления сопла для аппаратов пескоструйной обработки обладают следующей долговечностью:

керамические изделия, которые в домашних условиях делают из обычных свечей зажигания, – 1–2 часа;
сопла из чугуна – 6–8 часов;
изделия, для производства которых был использован карбид вольфрама, – 300 часов;
сопла, изготовленные из карбида бора, – 750–1000 часов.

Если в качестве абразивного материала в пескоструйном аппарате используется не песок, а стальная дробь, то долговечность сопел любого типа увеличивается в 2–2,5 раза.

Как правильно выбрать сопло для пескоструйной обработки

Выбирая сопло для своего пескоструйного аппарата, учитывайте тот факт, что самые недорогие изделия являются и самыми недолговечными. Такие сопла в итоге обойдутся вам дороже качественной продукции, особенно если вам предстоит выполнить большой объем работ.

Пескоструйные износостойкие сопла из карбида вольфрама

Для бытовых целей подходят сопла из чугуна и керамики. Многие домашние умельцы даже самостоятельно изготавливают керамические сопла, используя для этого отработанные свечи зажигания. Для того чтобы из такой свечи сделать сопло, достаточно удалить из ее керамической оболочки металлический электрод.

Используя для пескоструйного аппарата чугунные и керамические сопла, следует иметь в виду, что из-за своего ускоренного износа они увеличивают расход как воздуха, так и абразива, поэтому их не рекомендуется применять при выполнении масштабных работ.

Дорогостоящие сопла из карбида бора и карбида вольфрама отличаются не только высочайшей долговечностью, но также и тем, что их можно использовать практически с любым абразивным материалом, за исключением карборунда и окиси алюминия.

Этим, собственно, и объясняется достаточно высокая стоимость таких сопел для пескоструйного аппарата, которые способны прослужить очень долго, не теряя своих характеристик, не увеличивая расход абразивного материала и воздуха. Применение таких изделий целесообразно во всех ситуациях, когда требуется выполнить большой объем работ по очистке различных поверхностей.

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.

Дозвуковой поток газа ведет себя течением реки, несжимаемой жидкостью, сохраняющей объëм. Абсолютно? Нет, по мере роста скорости воздух при обтекании тела понемногу сжимается, но незначительно; степень сжатия не превышает первых десятков процентов. Это принципиально не меняет картину обтекания, оставляя ее в рамках гидродинамики, или «гидродинамики для воздуха» – аэродинамики. Картина остается такой до звукового рубикона.

За скоростью звука лежит газодинамика. Здесь в полной мере проявляется сжимаемость газа: он сжимается и расширяется многократно, в разы и десятки раз. Это радикально меняет протекающие объемы и создает критические изменения в картине.

Сверхзвуковой поток ведет себя противоположно дозвуковому – в сужении он тормозится, а в расширении разгоняется. Если он тормозится, то делает это скачкообразно и мгновенно, всегда со сжатием объема и разогревом, образуя внутри себя резкие границы уплотнения. И, наконец, сверхзвуковой поток может течь в сторону высокого давления – например, в это самое уплотнение.

Течь навстречу перепаду давления сверхзвуковому потоку разрешает другая природа движущей силы. Преобладающим становится не давление газа, как в дозвуковом потоке, а сила инерции движения. Поведением дозвукового потока управляет тепловая сущность – потенциальная энергия давления газа, а сверхзвуковые свойства потока создает другая форма энергии – кинетическая энергия движения.

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

Осиная талия и перерасширение

Классические сопла ракетных двигателей – это воронкообразные сужения и расширения с узкой осиной талией между ними. Узкая она благодаря большой плотности в камере сгорания. Сжатый газ может расширяться во много раз, все еще сохраняя ощутимое воздействие на стенки сопла и создавая тягу. Основное расширение начинается при подходе к скорости звука и продолжается во всей сверхзвуковой части сопла. В которой отношение конечной площади к начальной, то есть площади среза сопла и критического сечения, назвали степенью расширения сопла. Насколько можно расширять (и значит разгонять) газ внутри сопла? В космосе разреженность потока на срезе сопла доводят до практически извлекаемой пользы – пока добавка тяги на продлении сопла оправдывает прирост его массы. Неиспользованные остатки давления сбрасываются в пустоту космоса.

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.

Первые полсотни километров вертикали плавно обнулят противодавление атмосферы.

Поток на срезе сопла станет плотнее убывающей атмосферы, выбрасывая избыток давления без пользы. Сжатый плотней атмосферы поток недорасширен до равенства с ней. Он бы сильнее расширится смог, сделав и тягу немного сильней. Это режим недорасширения. Чтобы уменьшить напрасный сброс неиспользованного давления из сопла, степень расширения оптимизируют. То есть рассчитывают так, чтобы интегральные за время работы поднимающегося сопла потери были минимальны, а сделанная работа реактивной силы наибольшей для всего участка полета.

Для этого давление на срезе сопла рассчитывают равным атмосферному на высотах 8-12 км. Здесь работа сопла оптимальная – нет перепадов давления с атмосферой, нет и их потерь. Стартовое перерасширение плавно уменьшается с высотой, обнуляясь в оптимальном режиме истечения на 10-12 км, за которыми будет плавно нарастать недорасширение. Так сопло по мере подъема ракеты проходит три режима своей работы. А выбор давления на срезе сопла дает наименьшие интегральные потери на всем пути до точки выключения.

На вторых и третьих ступенях межконтинентальных и космических ракет двигатели запускаются в отсутствии ощутимого атмосферного давления. Поэтому расширение их сопел делают заметно большим, чем у первой ступени. Большие степени расширения и у космических ракетных двигателей – орбитального маневрирования, ориентации. Их сверхзвуковые части напоминают большие кубки с маленьким глазком критического сечения.

Использование вакуума

Для форсунок, которые используются в вакууме или на очень большой высоте, невозможно сопоставить давление окружающей среды; скорее, сопла с большей долей площадей обычно более эффективны. Однако очень длинное сопло имеет значительную массу, что само по себе является недостатком. Обычно необходимо подобрать длину, которая оптимизирует общие характеристики автомобиля. Кроме того, когда температура газа в сопле снижается, некоторые компоненты выхлопных газов (например, водяной пар от процесса сгорания) могут конденсироваться или даже замерзать. Это крайне нежелательно, и этого следует избегать.

Магнитные насадки были предложены для некоторых типов движителей (например, Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом, VASIMR), в котором поток плазма или ионы направляются магнитные поля вместо стен из твердых материалов. Это может быть выгодно, так как само магнитное поле не может плавиться, а температура плазмы может достигать миллионов кельвины. Однако часто возникают проблемы теплового дизайна, связанные с самими катушками, особенно если сверхпроводящие катушки используются для формирования горловины и полей расширения.

Большая семья, или Разнообразие сопловой газодинамики

Принцип наличия критического сечения реализуется в огромном множестве форм. Классические две воронки, передающие поток одна другой через слияние вершин, могут меняться до неузнаваемости. Щелевое сопло – плоский канал с сужением и расширением. Сопла с центральным телом могут почти не менять внешний диаметр; геометрию канала задает внутреннее центральное тело. Оно бывает конической или пулевидной формы, и к срезу сопла заканчивается, а критическая часть получается кольцевой. Центральное тело может меняться в широких пределах, полностью меняя облик сопла.

Сопло может состоять из одного центрального тела, охватываемого вдоль основания кольцевой щелью. Сжатый поток из щели течет по центральному телу, расширяясь на нем. Такое сопло имеет вид направленного назад вогнутого конуса. Вогнутость работает так же, как чашевидная выпуклость стенки обычного сопла. Только сопло своей стенкой обжимает края расходящегося потока в ровное течение, а центральное тело формирует спрямленную сердцевину потока.

Клиновоздушный двигатель работает именно так. Его сопло линейное – центральное тело вытянуто горизонтально и образует перевернутый вниз клин, подобный клинку сабли c двумя сторонами, сходящимися к лезвию. На этих рабочих вогнутых сторонах происходит расширение сверхзвукового потока, создающее тягу. Функционально стороны – это развернутая в линию стенка обычного сопла, точно так же создающая тягу.

Огневые испытания клиновоздушного двигателя XRS-2200, созданного по программе разработки многоразового космоплана X-33. Фото: ru.wikipedia.org.

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.

Продвинутый дизайн

Был предложен ряд более сложных конструкций для компенсация высоты и другие виды использования.

Форсунки с атмосферной границей включают:

расширительно-отклоняющая насадка,[10]
заглушка сопла,
аэроспайк,[10][11]
форсунка одинарного расширения (SERN), сопло линейного расширения, в котором передача давления газа осуществляется только с одной стороны, и которое можно описать как одностороннее сопло Aerospike.

Каждый из них позволяет сверхзвуковому потоку адаптироваться к окружающему давлению за счет расширения или сжатия, тем самым изменяя отношение выхода так, чтобы оно было на (или близко) оптимальном давлении на выходе для соответствующей высоты. Форсунки с пробкой и аэродинамическими шипами очень похожи в том, что они имеют радиальную конструкцию в потоке, но насадки с заглушками имеют сплошное центральное тело (иногда усеченное), а сопла аэро шипа имеют «базовый отвод» газов для имитации твердого центрального тела. Сопла ED представляют собой сопла с радиальным выходом потока, в которых поток отклоняется центральным стержнем.

Сопла с регулируемым разделением потока включают:

расширяющееся сопло,
раструбные насадки со съемной вставкой,
ступенчатые форсунки, или сопла с двойным колпаком.[12]

Как правило, они очень похожи на колпачковые сопла, но включают в себя вставку или механизм, с помощью которого отношение площади выхода может быть увеличено по мере снижения давления окружающей среды.

Двухрежимные насадки включают:

сопло двойного расширителя,
двухгорловая насадка.

Они имеют либо две горловины, либо две упорные камеры (с соответствующими горловинами). Центральная горловина имеет стандартную конструкцию и окружена кольцевой горловиной, по которой отводятся газы из той же (двухканальной) или отдельной (двухдетекторной) камеры тяги. Оба горловины в любом случае будут выходить в сопло колокола. На больших высотах, где окружающее давление ниже, центральное сопло будет отключено, уменьшая площадь горловины и тем самым увеличивая соотношение площадей сопла. Эти конструкции требуют дополнительной сложности, но преимущество наличия двух осевых камер состоит в том, что они могут быть сконфигурированы для сжигания различных ракетных топлив или различных соотношений топливной смеси. Аналогичным образом, Aerojet также разработала сопло под названием «Усиленное сопло с упором»,[13][14] который впрыскивает пропеллент и окислитель непосредственно в секцию форсунки для сгорания, что позволяет использовать форсунки с большим соотношением площадей глубже в атмосфере, чем они были бы без увеличения из-за эффектов разделения потока. Они снова позволят использовать несколько порохов (например, РП-1), еще больше увеличивая тягу.

Сопла с вектором тяги для впрыска жидкости — это еще одна усовершенствованная конструкция, позволяющая регулировать тангаж и рыскание с помощью сопел без кардана. Индии PSLV называет свою конструкцию «Система управления вектором тяги вторичного впрыска»; Перхлорат стронция впрыскивается через различные пути прохождения жидкости в сопле для достижения желаемого контроля. Некоторые межконтинентальные баллистические ракеты и ракеты-носители, такие как Титан IIIC и Минитмен II, используйте похожие конструкции.

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.

Американские ВМС впервые испытали двигатель новой гиперзвуковой ракеты
Военно-морские силы США испытали твердотопливный двигатель первой ступени перспективной ракеты, которая будет нести гиперзвуковой блок. Ранее стало известно, что первым носителем нового гиперзвуков…
naked-science.ru

Самые мощные двигатели, когда-либо созданные человеком за всю историю – ракетные твердотопливные. Из серийно производимых это ускорители для ракеты-носителя SLS, бывшие ускорители Space Shuttle с добавленной пятой топливной секцией. При общей длине 54 м (это высота 18-этажного дома), диаметре 3,7 м и массе 726 тонн их тяга составляет 1620 тонн, а расход 6 тонн в секунду. Сопло такого ускорителя является сегодня самым мощным серийным соплом в мире.

Испытания твердотопливного двигателя QM-2 ускорителя ракеты SLS, 2016 год. Испытательный стенд Orbital ATK Propulsion Systems в Промонтори, штат Юта. (В 2022 году Orbital ATK была куплена Northrop Grumman Corporation и вошла в её состав, как специализированное подразделение по двигателям)

Экспериментальные твердотопливные двигатели были еще мощнее. Испытанный в 1965 году Aerojet AJ-260 SL-1 показал тягу 1800 тонн, а двигатель Aerojet AJ-260 SL-3 должен был вырабатывать 2670 тонн тяги. Их одиночные сопла остаются самыми мощными соплами Лаваля, когда-либо созданными людьми.

Оптимальная форма

Отношение площади самой узкой части сопла к площади выходной плоскости в основном определяет, насколько эффективно расширение выхлопных газов преобразуется в линейную скорость, скорость выхлопа и, следовательно, толкать ракетного двигателя. Свойства газа тоже имеют значение.

Форма сопла также незначительно влияет на то, насколько эффективно расширение выхлопных газов преобразуется в линейное движение. Самая простая форма сопла имеет половину угла конуса ~ 15 °, что дает около 98% эффективности. Меньшие углы дают немного более высокую эффективность, большие углы дают меньшую эффективность.

Часто используются более сложные формы вращения, такие как колпаковые сопла или параболические формы. Они дают, возможно, на 1% больший КПД, чем конусное сопло, и могут быть короче и легче. Они широко используются на ракетах-носителях и других ракетах, где вес имеет большое значение. Их, конечно, сложнее изготовить, поэтому, как правило, они дороже.

Также существует теоретически оптимальная форма сопла для максимальной скорости выхлопа. Однако обычно используется более короткая форма раструба, которая дает лучшие общие характеристики благодаря гораздо меньшему весу, меньшей длине, меньшим потерям сопротивления и лишь незначительно меньшей скорости выхлопа.[9]

Другие аспекты конструкции влияют на эффективность сопла ракеты. Горловина сопла должна иметь ровный радиус. Внутренний угол, сужающийся к горловине, также влияет на общую эффективность, но он невелик. Угол выхода сопла должен быть как можно меньше (около 12 °), чтобы свести к минимуму вероятность проблем с разделением при низких давлениях на выходе.

Изменяемая геометрия в громе форсажной тяги

Сопла с еще меньшим давлением, с перепадом всего пару атмосфер и очень небольшим сужением, получили огромное распространение в авиации, став незаменимым решением для целого класса двигателей. Поскольку в небольшом давлении много энергии не запасти, здесь идут тепловым путем – накачивают газ жаром мощного керосинового огня.

Форсажные двигатели работают в основном в боевых самолетах. Они используют форсаж при полете на сверхзвуке, для сокращения разбега при взлете, быстрого набора высоты, интенсивного маневрирования. Форсаж – это почти двукратное увеличение тяги, с многократным ростом расхода топлива. Оно сжигается в общем потоке за турбиной, в куске проточной части перед входом в сопло, называемом форсажной камерой сгорания. Ее форсунки образуют огромную керосиновую горелку, нагревающую поток перед соплом на тысячу градусов.

Сопло, будучи тепловой машиной, превращает прибавку тепла в прирост скорости.

Столь сильный добавочный нагрев газа увеличит давление перед соплом. Это снизит обороты турбины и компрессора, что сразу уменьшит подачу воздуха к соплу. Чтобы избежать обвала работы двигателя, критическое сечение сопла расширяют, «сбрасывая» в него растущее давление. Это делают полсотни подвижных элементов – створок. Трапециевидной формы литые пластины из жаростойкой и жаропрочной (это разные свойства) стали лежат внахлест, подобно чешуе или черепице, образуя рабочую поверхность сопла. Согласованно сдвигаясь гидроцилиндрами, они меняют внутреннее сужение, одновременно изменяя срез сопла. Благодаря такой подвижной конструкции сопло сохраняет расширение газа близким к оптимальному и подстраивается под режим работы двигателя, позволяя сильно увеличивать тягу при форсаже. А после выключения форсажа сворки сопла смещаются обратно, уменьшая критическое сечение и размер среза сопла.

Взлет самолета Eurofighter Typhoon на форсажном режиме работы двигателей. Видно небольшое сужение критического сечения сверхзвукового сопла. Фото: Vk.com.

Сопло Лаваля используется в необъятном множестве реактивных устройств. Во всех видах ракет, летающих в воздухе – от космических и межконтинентальных до зенитных и противотанковых, снарядов залповых систем, реактивных гранат, и бесконечного множества других реактивных летающих тел. Известны и реактивные пули, причем разных типов – например, экспериментальные подводные пули для подводного автомата АПС, похожие на толстые зеленые спицы с реактивным двигателем диаметром 5,45 мм. Или полудюймового диаметра (12,7 мм) вращающиеся пули-ракеты «Gyrojet» с четырьмя крошечными косыми соплами, проходившие испытания во Вьетнаме в начале 1970-х вместе со специальным пистолетом для них. Это были самые маленькие боевые ракеты в истории.

Сопловой блок может состоять из одного канала, или нескольких, или из десятков сопел. Размеры, форма, количество, расположение, наклон, тяга, назначение этих сопел меняются в самых широких пределах. Реактивные сопла отводят катапультируемое кресло летчика от самолета, мягко приземляют десантируемую технику и спускаемые аппараты, разгоняют осветительные ракеты и сигналы, уменьшают отдачу безоткатных орудий, забрасывают детонационные шнуры разминирования, отводят в сторону стартовые бугели при шахтном пуске МБР, и выполняют массу других задач, решаемых реактивной силой.

Устройство для локальной вентиляции рабочих мест

Изобретение относится к области вентиляции и может быть использовано в технологических процессах, сопровождающихся выделением значительного количества вредных, ядовитых и взрыво-пожароопасных веществ.

Известны устройства для локализации и удаления вредных веществ непосредственно в зоне реализации технологического процесса. Известна сварочная горелка с встроенным отсосом (“Средства защиты в машиностроении. Расчет и проектирование”. Справочник. Под ред. С.В.Белова. Москва. Машиностроение. 1989. 368 с., стр. 32-33). В данном устройстве осуществляется отсос выделяющихся вредных веществ из зоны сварки без их локализации.

Известно устройство для вентиляции помещений (а.с. №792041, кл. F 24 F 13/06, F 24 F 9/00; Опубликовано 30.12.80. Бюлл. №28) ближайшее по технической сущности к заявляемому и принятое за прототип, в котором в рабочую зону воздух подается через приточные насадки и вместе с выделяющимися вредными веществами отсасывается воздухоприемником, расположенным в полу. Данное устройство имеет следующие недостатки.

Во-первых, воздухоприемное отверстие расположено в полу помещения; поэтому устройство имеет ограниченное пространственное применение и не может быть использовано в местах, удаленных от воздухоприемного отверстия.

Во-вторых, воздухоприемное отверстие расположено в нижней части помещения и отсос осуществляется вниз. Но большинство вредных выделений (красители, растворители, сварочные аэрозоли, дым и др.) являются летучими, имеют повышенную температуру и стремятся подниматься вверх. Отсос осуществляется против вектора подъемной силы, поэтому эффективность удаления вредных веществ существенно снижается.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности локальной вентиляции вредных выделений и регулировании площади локализации вредных выделений.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для локальной вентиляции рабочих мест, содержащем приточный насадок и воздухоприемник с отводящим патрубком, отводящий патрубок воздухоприемника установлен внутри приточного насадка коаксиально ему с образованием кольцевого приточного канала. Кольцевой приточный канал на выходе имеет конфузорное сопло. Приточный насадок и отводящий патрубок установлены с возможностью перемещения друг относительно друга.

На фиг.1 представлена общая схема предложенного устройства.

На фиг.2 подводящий узел А.

Устройство для локальной вентиляции рабочих мест содержит магистраль приточного воздуха 1, приточный насадок 2 и воздухоприемник с отводящим патрубком 3. Отводящий патрубок 3 воздухоприемника установлен внутри приточного насадка 2 коаксиально ему с образованием кольцевого приточного канала 4, который на выходе имеет конфузорное сопло 5, спрофилированное как конфузорная часть сопла Лаваля. Приточный насадок 2 и отводящий патрубок 3 установлены с возможностью перемещения друг относительно друга. Одним из вариантов выполнения является перемещение стенки приточного насадка 2 относительно неподвижного отводящего патрубка 3. Для этого внешняя стенка приточного насадка 2 имеет подвижную обечайку 6, которая перемещается вдоль стенки приточного насадка 2 по пазу 7 и фиксируется с помощью регулировочного винта 8.

Возможно выполнение перемещения отводящего патрубка 3 относительно неподвижного приточного насадка 2 (данный вариант выполнения не показан).

Устройство работает следующим образом.

По магистрали приточного воздуха 1 подается свежий воздух в приточный насадок 2, откуда по кольцевому приточному каналу 4, образованному приточным насадком 2 и отводящим патрубком 3 воздухоприемника, в виде кольцевой струи, подается в зону выделения вредных веществ. По наружному периметру зоны выделения вредных веществ образуется кольцевая завеса, локализующая вредные вещества. Отражаясь от рабочей поверхности часть воздуха кольцевой завесы вместе с вредными выделениями направляется в отводящий патрубок 3. Конфузорное сопло 5, спрофилированное в виде конфузорной части сопла Лаваля, способствует формированию устойчивой кольцевой струи, что повышает эффективность локализации вредных выделений. В зависимости от характера технологического процесса и площади выделения вредных веществ производится регулирование конуса кольцевой струи за счет перемещения обечайки 6 приточного насадка 2 относительно отводящего патрубка 3 при ослабленном винте 4. При передвижении обечайки 6 относительно отводящего патрубка 3 вектор угла распыла кольцевой завесы будет изменяться и, соответственно, будет меняться площадь локализации вредных выделений.

Устройство для локальной вентиляции рабочих мест, содержащее приточный насадок и воздухоприемник с отводящим патрубком, отличающееся тем, что отводящий патрубок воздухоприемника установлен внутри приточного насадка коаксиально ему с образованием кольцевого приточного канала, при этом кольцевой приточный канал на выходе имеет конфузорное сопло, например в виде конфузорной части сопла Лаваля, а приточный насадок и отводящий патрубок установлены с возможностью перемещения относительно друг друга.

Нереактивные сопла

Сверхзвуковой поток человек добывает соплом Лаваля практически везде, где его использует. В турбинах щелевые сопла Лаваля разгоняют поток для подачи к лопаткам ротора. В сверхзвуковых реактивных турбинах каналы между лопатками подвижного диска тоже щелевые сопла Лаваля, разгоняющие газ до сверхзвуковой скорости. Каждые две соседние лопатки образуют своими поверхностями канал плоского сопла Лаваля, загнутый под углом назад. Поток в нем ускоряется и истекает назад движению, создавая лопаткам реактивную силу. Сверхзвуковые турбины работают в авиации и космонавтике, наземной технике и мореходстве, энергетике и добыче энергоресурсов.

Можно измельчать материал сверхзвуковым потоком, получив тонкую мельницу. В сверхзвуковую струю поступает сыпучий материал. Он захватывается и разгоняется струей, бьющей в твердую преграду, и разбивается об нее со скоростью многих сотен метров в секунду. Высокая чистота измельчения – материал сам колется о преграду – позволяет молоть медикаменты или химикаты высокой степени очистки.

Aerion начала аэродинамические тесты модели «тихого» сверхзвукового самолета
Компания Aerion Supersonic приступила к аэродинамическим испытаниям модели перспективного сверхзвукового бизнес-джета. Первый полет самолета может состояться в 2025-м.
naked-science.ru

Сверхзвуковые аэродинамические трубы тоже используют сопло Лаваля. Самый распространенный тип сверхзвуковой трубы баллонный. В большом помещении стоят два-три ряда из толстых стальных баллонов двухэтажной высоты, охваченных стеллажным вторым этажом (чтобы добираться к верхушке баллонов, когда нужно). За пару суток до продувки баллоны весь день накачивают воздухом под гул и вибрацию компрессора. Их тела сильно греются от сжатия далеко за сотню атмосфер, потом за ночь остывают.

Продувка проводится в отдельном боксе со стальными дверями. Весь набитый в баллоны воздух сбрасывается за тридцать секунд. Сопло превращает сжатый воздух баллонов в сверхзвуковой поток, текущий в рабочей части трубы. Небольшого сечения, она собрана из прочных стальных элементов, заключающих в себе поток с обдуваемой моделью. Бонусом выступает симуляция сверхзвукового полета на большой высоте с ее морозом – от расширения потока температура в рабочей части минус 80 градусов. Значения числа Маха потока в трубе могут превышать 5, тогда труба становится гиперзвуковой.

Гиперзвуковая аэродинамическая труба Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA, построенная в 1959 году. Она работала в диапазоне скоростей от 4 до 11 М. Инженер JPL устанавливает модель ракеты в испытательной секции. Две горизонтальные пластины из нержавеющей стали были гибкими и могли перемещаться с помощью системы гидравлических домкратов, видимых сверху и снизу, для изменения скорости и других параметров воздушного потока. Фото: NASA.

В одном из московских вузов с обширным, но запутанным двором в одном из его закоулков стояла решетчатая будка, похожая на киоск. В эту часть двора выходили аудитории кафедры английского языка. Раз в неделю занятия прерывались на полминуты стеной сплошного грохота, напрочь заглушавшего любые попытки речи преподавателей и студентов. Решетчатая будка скрывала выходной канал сверхзвуковой трубы этого вуза, затопляя грохотом двор во время продувки. Так сверхзвуковая аэродинамика вторгалась во все области наук, выходившие аудиториями к этой будке.

Рассчитать сопло, дающее нужное число Маха при располагаемом расходе, смог первопроходец сверхзвуковых расчетов и основоположник сверхзвуковой аэрогазодинамики Людвиг Прандтль. В 1909 году он построил в Германии, в Геттингене, где работал, первую в мире сверхзвуковую трубу. Сегодня все сопла считают по его методу расчета сверхзвукового сопла.

Расчеты позволяют профилировать сопло. Профиль – это кривизна формы сопла, отличающая его от простого конуса, точная геометрия сопла. В критическом сечении расширение газа самое интенсивное, и сразу за ним надо быстро дать газу объем для расширения. Стенки сопла здесь расходятся в стороны круто расширяющимся раструбом. В конце сопла, когда работа расширения сделана, поток направляется цилиндрическим краем сопла в почти параллельную струю.

Плавный переход от резко расширяющейся части к почти цилиндрическому краю делает сопло выпуклым, похожим на бокал или колокол. Это и будет профилированное сопло. Верно выбранная кривизна стенок расширит газ оптимально, с наибольшим разгоном потока при наименьшей длине сопла. Это минимальная масса, поверхность охлаждения, объем материала и обработки, и стоимость. Поэтому почти все сопла сегодня профилированные. Их профиль рассчитывается по заданным параметрам исходного газа и нужного течения, позволяя вылепить наилучшую кривизну сосуда для сверхзвука.

Сопло для пескоструйного аппарата. Как найти самое долговечное?

Качественная поверхностная очистка металлических поверхностей концентрированной струёй песка невозможна, если неверно определены параметры сопла – выходной части устройства.

Сопло для пескоструйного аппарата – самая быстроизнашивающийся его деталь, долговечность которой, в зависимости от материала и расхода воздушно-песчаной смеси, не превышает 800…1000 часов, если учесть что оно правильно подобрано.

О выборе, сегодня, и пойдёт речь в нашей статье.

Конструкция типового сопла

Простейшее сопло для пескоструйного аппарата представляет собой полую трубку с резьбовой частью на одном из концов, которая предназначена для присоединения детали к соплодержателю.

Основные геометрические характеристики сменных сопел промышленного производства:

Диаметр присоединительной резьбы (зависит от технической характеристики пескоструйного аппарата, но обычно используется трубная цилиндрическая резьба 2” или 1¼”). Возможен также вариант соединения сопла с соплодержателем при помощи накидной гайки и герметизирующей шайбы. Сопла, изготовленные своими руками, присоединяют к шлангу рабочей установки при помощи обычных хомутов.
Длина детали, которая варьируется в диапазоне 7…23 мм (более короткие используются для очистки менее загрязнённых поверхностей).
Диаметр внутреннего отверстия в его минимальном поперечном сечении. Выпускаются сменные наконечники с диаметрами 6, 8, 10 и 12 мм.
Заходный диаметр сопла, определяемый диаметром присоединительного шланга (он может быть 25 или 32 мм).

Главным параметром рассматриваемой детали является профиль внутреннего отверстия, который определяет потери расхода воздушно-песчаной смеси, скорость её на входе и выходе из сопла, а также величину суммарного гидравлического сопротивления, которое в итоге и определяет долговечность сопла.

Наиболее простым вариантом (пригодным для изготовления своими руками) является сопло с цилиндрическим внутренним отверстием постоянного диаметра. Но для улучшения аэродинамических характеристик на таких деталях иногда изготавливают два конических участка:

Входной конфузор, наличие которого позволяет увеличить энергию потока смеси, входящей в сопло;
Выходной диффузор, наличие которого способствует увеличению площади поверхности, обрабатывающейся одновременно. Энергия потока при этом падает, поэтому при необходимости более качественной очистки, диффузорный профиль окончания сопла предусматривают не всегда.

Наиболее эффективным профилем внутреннего отверстия для обеспечения минимальных потерь потока является сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури.

В этом случае отверстие состоит из трёх взаимосвязанных участков, каждый из которых выполняет определённые функции:

На входе сопла с профилем Вентури имеется конфузорное расширение, угол которого, однако, меньше, чем у конфузора обычного сопла (не более 20…22º). Конфузорная часть занимает до 30% от общей длины детали.
Цилиндрическая часть, длиной не более 15%.
Диффузорная часть с достаточно малым углом расширения (7…15º), длина которого определяется размером самого сопла в плане.

С целью снижения гидродинамического сопротивления рабочей смеси, которая движется в канале сопла, все переходы от одной части к следующей выполняются с радиусными закруглениями, величина которых принимается в пределах r = (0,02…0,03) d, где d — диаметр средней, цилиндрической части сопла.

Как выбирать сопло для пескоструйного аппарата?

Сопло с профилем Вентури позволяет увеличить скорость перемещения песчано-воздушной смеси в 2,5…3 раза по сравнению с соплами иной конфигурации внутреннего отверстия.

Современное сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури способно обеспечить движение частиц на выходе до 700…720 км/ч.

При этом производительность очистки при тех же расходах смеси и давлениях увеличивается примерно в 2 раза.

Ориентировочно выбор параметров сопла можно производить по следующим критериям:

По производительности. При требуемой производительности установки до 10…12 м3/ч внутренний диаметр сопла не превышает 8 мм, при 12…22 м3/ч – 10 мм, при более высоких значениях производительности диаметр внутреннего канала должен быть 12 мм;
По наибольшему давлению воздуха. Если оно не превышает 5 ат, то диаметр канала может приниматься 6…8 мм, при давлениях до 7 ат – 8…10 мм, при более высоких давлениях – 12 мм;
В зависимости от удельного расхода абразива. Если данный параметр не превышает 200…250 кг/ч, то пригодно сопло диаметром 6 мм, при 350…400 кг/ч – 8 мм, при 600…900 кг/ч — 10 мм, в остальных случаях – 12 мм.

Данные рекомендации касаются сопел с цилиндрическими внутренними отверстиями. Для пересчёта приведённых данных на сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури данные по производительности обработки следует увеличить на 35…50%, по расходу – на 60…75%, а по давлению – на 15…20%.

Важным элементом выбора считают материал сопла. Обычные высокоуглеродистые стали с повышенной абразивной стойкостью (например, стали типа 75 или 65Г) для этих целей подходят мало, поскольку при состоянии закалки на максимальную твёрдость отличаются повышенной чувствительностью к ударным нагрузкам, которые неизбежно возникают в начальный момент подачи в сопло абразивной смеси.

Ещё меньшую стойкость имеют керамические композиции. Например, при изготовлении сопла своими руками часто используют в качестве исходной заготовки отработанную свечу от автомобильного двигателя, удаляя из неё металлический корпус.

При этом не учитывают, что керамика в конструкции свечи рассчитана на работу с газовым потоком, в котором отсутствуют твёрдые абразивные частицы.

Поэтому стойкость таких керамических сопел, изготовленных своими руками, не превышает нескольких часов.

Более работоспособным является вариант с твердосплавными соплами, которые изготавливаются из карбида вольфрама. Поверхностная твёрдость таких изделий достигает 85…90 HRA, при поверхностной прочности по изгибу до 1400…1600 МПа.

Недостаток таких решений – высокая чувствительность карбидов вольфрама к температуре. При повышении температуры до 80…100ºС (что вполне вероятно при длительной пескоструйной обработке) на поверхности сопла могут появиться температурные трещины.

Стойкость сопел из твёрдых сплавов достигает 750…800 ч.

Наилучший вариант – изготовить сопло из карбида бора. При примерно такой же твёрдости и прочности, карбиды бора выгодно отличаются своей высокой устойчивостью от температурных перепадов, поэтому сохраняют свою работоспособность при температурах 600…750ºС.

Небезынтересно сравнить и цены на сопла пескоструйных установок. Промышленные изделия из карбида бора в зависимости от длины, профиля и диаметра внутреннего отверстия можно приобрести за 1200…1600 руб., а твердосплавные сопла – за 2500…7000 руб.

Кавитационный теплогенератор: обзор моделей и изготовление своими руками

Разнообразные способы экономии энергии или получения дарового электричества сохраняют свою популярность.

Благодаря развитию Интернета информация о всевозможных «чудо-изобретениях» становится все доступнее.

Одна конструкция, потеряв популярность, сменяется другой.

Сегодня мы рассмотрим так называемый вихревой кавитационный генератор — устройство, изобретатели которого обещают нам высокоэффективный обогрев помещения, в котором оно установлено.

Что это такое? Данное устройство использует эффект нагрева жидкости при кавитации — специфическом эффекте образования микропузырьков пара в зонах локального снижения давления в жидкости, происходящем либо при вращении крыльчатки насоса, либо при воздействии на жидкость звуковых колебаний. Если Вам когда-либо доводилось пользоваться ультразвуковой ванной, то Вы могли заметить, как ее содержимое ощутимо нагревается.

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.