Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое дюза двигателя

Расчёт сопел современных ракетных двигателей

Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами.

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Сопло было впервые предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а потому и названо по имени его изобретателя. Затем в 1913 г. Р. Годдардом подана заявка на изобретение на применение сопла Лаваля в двухступенчатой твердотопливной ракете . В настоящее время сопло Лаваля широко используется на некоторых типах паровых турбин, в ракетных двигателях и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателях .

Позже это явление – ускорение газа до сверхзвуковых скоростей нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики и соответствующих газодинамических расчетов.

Плоское сопло для российских боевых самолётов: от советских наработок до перспективы

Преимущества конструкции плоского сопла

Примерно с 80-х годов прошлого века авиаконструкторы обнаружили ряд преимуществ для двигателей военных самолетов, которые может принести использование сопла с плоской формой сечения.

С одной стороны, такая конструктивная особенность улучшает взлетно-посадочные характеристики (ВПХ) самолета и делает его более маневренным.

А с другой, она позволяет боевой машине стать менее заметной для РЛС противника. Это объясняется тем, что контуры осесимметричного сопла круглого сечения очень сложно согласовать с другими элементами конструкции самолета, чтобы сделать самолет не таким заметным для радаров. Гораздо легче этого добиться, если использовать плоское «реактивное» сопло. Помимо этого, чтобы еще более снизить радиозаметность, при изготовлении такого сопла задействуют материалы, способные поглощать излучение.

Дополнительно инфракрасное излучение самолета, использующего такую форму сопла, также уменьшается. Этого позволяет добиться соотношение высоты и ширины сопла, существенно снижая температуру исходящей струи.

Конечно, у такой формы сопла есть и недостатки. Во-первых, при переходе от круглого сечения двигателя к прямоугольной форме сопла происходит некоторая потеря давления. В лучшем случае, теряется около пяти процентов. Второй недостаток – это необходимость усиления жесткости и прочности сопла, так как конструкция такой формы испытывает большую нагрузку, чем сопло круглого сечения.

Но все эти недостатки с лихвой перекрываются преимуществами.

Первый российский самолет с плоским соплом

Первым в мире самолетом, где была воплощена новая идея, стал американский F-15, который выполнил первый экспериментальный полет в 1988 году. Позднее плоские сопла стали использовать в «стелс»-самолетах F-117 и F-22 Raptor. Хотя в России внедрением в военную авиацию сопла с плоским сечением занялись почти одновременно с американцами, мы в этой области отстали. И не потому, что наши специалисты хуже американских, просто в СССР начались тогда трудные времена: развал Советского Союза чуть было не привел к полному уничтожению и ОПК страны. Просто не до самолетов тогда было, откровенно.

В период своего заката Советский Союз стоял на пороге серийного производства истребителя нового поколения, оснащенного двигателем с плоским соплом. Изначально он назывался Су-27КМ. Самолет начали разрабатывать в 1988 году. Формально он считался модификацией корабельного истребителя Су-27К («М» — это «модернизированный»). Но по своей сути он был абсолютно новой разработкой. Главными его особенностями стали крылья изменяемой стреловидности и два двигателя с одним общим плоским соплом. Такая форма сопла позволяла снизить ИК-заметность и упрощала управление вектором тяги. По какой-то причине проект был в 1989 году закрыт (это отдельная история). В 1990 году прототип стал летающей лабораторией. Всё шло хорошо, самолёт отлично себя показал во время испытательных полетов, но из-за развала СССР и последовавшего за этим кризиса во всех сферах, включая ОПК, все работы пришлось свернуть. Есть и продолжение этой истории, но оно уже не касается применения в российской авиации двигателей с плоским соплом.

Двигатели с плоским соплом сегодня и завтра

Длительное время к применению плоского сопла российские авиастроители не возвращались. Скорее всего, на это были свои причины. Но совсем недавно было решено к этой идее вернуться.

Это связано с созданием первого российского истребителя пятого поколения Су-57. Не буду погружаться в долгую и драматичную историю создания самолета. Во-первых, она еще не закончилась, а во-вторых, это отдельная тема, которую в двух словах не раскрыть.

Упомяну лишь о моментах, касающихся возможного применения в этом самолете двигателей с плоским соплом.

Как известно, разработка Су-57 длится уже много лет, еще с начала 2000-х годов, причем сроки перехода к серийному производству много раз откладывались. Изначально первые самолеты планировали передать в войска еще в 2015 году. И хотя в прошлом году первый серийный Су-57 упал во время испытаний, специалисты считают эту боевую машину очень удачной. Уже есть несколько прототипов, более десятка. Это доказывает хотя бы тот факт, что в августе 2018 года ОКБ «Сухого» получило контракт от Минобороны РФ, согласно которому российские военные за период с 2020 по 2027 год должны получить 76 самолетов Су-57, не считая ещё двух, заказанных ранее.

Партии истребителей, которые поступят на вооружение, будут оснащены уже существующими серийными двигателями АЛ-41Ф1 с круглым осесимметричным сечением сопла. Подобные силовые агрегаты устанавливают на Су-35С. Истребители Су-57 с такими двигателями будут поставляться в войска ориентировочно до середины 2020-х годов.

А затем вместо этого двигателя в Су-57 начнут устанавливать так называемое «Изделие 30». О его технических характеристиках известно немного, но по некоторым данным в нем будет использовано плоское сопло. Собственно, этого и следовало ожидать. Но с учетом того, что планы разработчиков и сроки могут еще несколько раз поменяться, трудно сказать, когда именно у российских военных появятся боевые самолеты, оборудованные двигателями с плоским соплом. При этом стоит сказать, что не так давно появились изображения модели ударного БПЛА «Охотник», сопло которого было именно плоским.

Читать еще:  Что такое двигатель vortec

Принцип работы сопла Лаваля:

Ниже на иллюстрации показана работа 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 газа достигает звуковой (М = 1). На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми 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.

© Фото //www.pexels.com, //pixabay.com, //ru.wikipedia.org/wiki/Сопло_Лаваля

скорость истечения расчет работа истечение из сопла лаваля
сопло лаваля принцип работы чертеж купить температура для воздуха своими руками формулы для воды калькулятор википедия размеры

Расчёт сопел современных ракетных двигателей

Введение

Сопло ракетного двигателя- техническое приспособление, которое служит для ускорения газового потока, проходящего по нему до скоростей, превышающих скорость звука. Основные виды профилей сопел приведены на рисунке:

По причине высокой эффективности ускорения газового потока, нашли практическое применение сопла Лаваля. Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами:

В ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано генералом М. М. Поморцевым в 1915 году. В ноябре 1915 года в Аэродинамический институт обратился генерал М. М. Поморцев с проектом боевой пневматической ракеты.

Ракета Поморцева приводилась в движение сжатым воздухом, что существенно ограничивало ее дальность, но зато делало ее бесшумной. Ракета предназначалась для стрельбы из окопов по вражеским позициям. Боеголовка оснащалась тротилом.

В ракете Поморцева было применено два интересных конструктивных решения: в двигателе имелось сопло Лаваля, а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор. Подобные конструкции используются и в настоящее время, но уже с твёрдотопливным двигателем и системой автоматического наведения:

Однако проблемы остались старые, но уже в современном исполнении: ограниченная дальность до 3 км., наведение и удержание цели в условиях хорошей видимости, что для настоящего боя не реально, не защищённость от электромагнитных заградительных помех и, наконец, но не в последнюю очередь, высокая стоимость.

Теоретические основы

Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчётов. Основное уравнение, связывающее градиент площади сечения, градиент скорости и число Маха, следующее:

где: S – площадь сечения сопла; v – скорость газа; M – число Маха (отношение скорости газа в какой-либо точке потока к скорости звука в этой же точке).

Анализируя это соотношение, получаем, что в сопле Лаваля могут осуществляться следующие режимы течения:

1) M 0 (из уравнения). Дозвуковой поток в сужающемся канале ускоряется.
б) >0, тогда 1 – поток на входе сверхзвуковой:
а) 0, тогда >0. Сверхзвуковой поток в расширяющемся канале ускоряется.
3) = 0 – самое узкое место сопла, минимальное сечение.
Тогда возможно либо М = 1 (поток переходит через скорость звука), либо = 0 (экстремум скорости).

Какой из режимов реализуется на практике, зависит от перепада давлений между входом в сопло и окружающей средой.

Если давление, достигаемое в критическом сечении, превышает наружное давление, то поток на выходе из сопла будет сверхзвуковым. В противном случае он остается дозвуковым. [2]

— условие сверхзвукового истечения.

где: p* – давление торможения (давление в камере); pкр – давление в критическом сечении сопла; pнар – давление в окружающей среде; k – показатель адиабаты.

Если известны параметры в камере сгорания, то параметры в любом сечении сопла можно узнать по следующим соотношениям:

или ;

температуру:

или ;

или ;

или .

В этих формулах – λ – приведенная скорость, отношение скорости газа в данном сечении сопла к скорости звука в критическом сечении, R – удельная газовая постоянная. Индексом «*» обозначены параметры торможения (в данном случае – параметры в камере сгорания).

Постановка задачи

1. Рассчитать параметры течения потока газов в сопле Лаваля: для этого профиль сопла Лаваля разбивается на 150 контрольных точек – . Разбиение осуществляем таким образом, чтобы минимальное сечение располагалось в точке . Определяются значения газодинамических функций давления, плотности и температуры в каждом сечении.

2. Расчёты выполнить средствами высокоуровневого свободно распространяемого языка программирования Python по следующей расчётной схеме и исходным данным:

Рисунок 1-Профиль сопла Лаваля

Таблица 1-Исходные данные

Приведенные исходные данные носят демонстрационный характер.

Расчёт сопла Лаваля средствами Python

Для продолжения решения задачи на Python, нужно связать λ – приведенную скорость газа с координатой x вдоль продольной оси. Для этого я воспользовался функцией fsolve из библиотеки SciPy со следующей инструкцией:

fsolve( , ,xtol=1.5 · 10^8)

Привожу фрагмент программы для управления решателем с одной стартовой точкой:

Это единственно возможное на Python решение сложного алгебраического уравнения со степенной функцией от показателя адиабаты k. Например, даже для упрощённого уравнения с использованием библиотеки SymPy, получим недопустимое время расчёта только одной точки:

Время работы решателя: 195.675
0.16
1.95

Время работы программы: 0.222

Полученная эпюра распределения скоростей газового потока полностью соответствует изложенной выше теории. При этом, по предложенному алгоритму и библиотеке, время расчёта в 150 точках в 1000 раз меньше, чем для одной точки с использованием solve sympy.

Читать еще:  Vento какой двигатель подойдет

Время работы программы: 0.203

Вывод

Температура на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое —0.203.

Время работы программы: 0.203

Вывод

Давление на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое -0.203.

Возникновение силы тяги от действия давления газа схематично показано на рисунке:

Время работы программы: 0.203

Вывод

Плотность газа на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое.

В простейшем случае сопло представляет собой цилиндрический или конический патрубок, один конец которого присоединён к источнику жидкости или газа, а из другого истекает струя.

Примерами гидравлических сопел могут служить ствол пожарного брандспойта или сопло фонтана.

В зависимости от скорости истечения жидкости или газа различают дозвуковое и сверхзвуковое сопло. Для дозвукового сопла характерно равенство давлений на выходе сопла и в окружающей среде. В таком сопле при возрастании давления на входе сопла и постоянном давлении окружающей среды скорость в выходном сечении сначала увеличивается, а затем при определённом значении входного давления становится постоянной и не изменяется при дальнейшем увеличении давления на входе. При этом скорость истечения равна местной скорости звука и называется критической.

Сопло Лаваля (сверхзвуковое) состоит из двух участков — сужающегося, предназначенного для ускорения потока до местной скорости звука, и расширяющегося, предназначенного для ускорения потока до сверхзвуковой скорости. Самое узкое поперечное сечение сверхзвукового сопла называют критическим. [1]

Следует различать термины сопло и жиклёр. Основное различие в том, что жиклёр обычно представляет собой устройство ограничения потока (в упрощенном представлении — калиброванное отверстие), а сопло — это устройство для формирования и управления потоком. Также сопло не следует путать с форсункой, которая является устройством дозирования (в упрощенном представлении — клапаном).

Как устроены ракетные двигатели (3 минуты чтения и все понятно)

Двигатели космических ракет тема широко обсуждаемая. Но не все читатели и комментаторы, в общем-то, представляют, как они устроены. Небольшой и короткий ликбез, да еще и с примерами.

Отличие от авиационных, автомобильных и других.

Их много. Но для целей этой статьи важно одно. Ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.

Нам кажется привычным – залил бензин (горючее) в бензобак и поехал. С ракетой так не получится. Автомобильные, авиационные, судовые и другие двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы Земли.

Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим

, но и
окислителем
, как правило, кислородом.

Итак, ракетное топливо двухкомпонентное

Само горючее

, как правило это:

Почему «окислитель»? Потому что горение, это и есть химическая реакция окисления, сопровождающаяся высокой скоростью реакций и выделением теплоты и света. (Кстати, образование ржавчины, тление и многие другие процессы также являются окислением, только не столь быстрым)

Есть топливные пары без кислорода. Например, гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель). Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.

Виды движения в атмосфере

Может показаться, что с этого следовало начать статью. Может быть.

Чтобы добраться до космоса, «нужно пролететь атмосферу». Итак, есть несколько видов движения в атмосфере:

Это движение тела в пространстве под действием внешних сил. Снаряды и пушечные ядра, боеголовки баллистических ракет и так далее – все это баллистическое движение. «Вагон-снаряд» отправленный на Луну французским писателем Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну», также.

Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Воздушные шары, аэростаты, дирижабли — все это летательные аппараты легче воздуха. Американская компания World View собиралась отправлять таким образом туристов в «ближний космос» (какой хороший маркетинговый термин), то есть на высоту 30 километров.

Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.

И наконец,
Реактивное движение
Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.

Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.

Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.

Это были принципы, теперь к устройству.

Начнем с простого

В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.

Кажется все просто? На самом деле нет!

Первая инженерная задача

Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.

Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.

Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.

Читать еще:  Что такое дизильный двигатель

Самое распространенное: охлаждать одним из компонентов топлива, как правило, это горючее. В стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой части сопла создаются полости («рубашка охлаждения»), через которые перед поступлением в форсуночную головку камеры сгорания проходит горючее. Таким образом, холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей двигателя, чтобы охладить их, а затем попадает в камеру сгорания.

Компоненты топлива во многих случаях охлаждаются до более низких температур. Это позволяет повысить их плотность и поместить большее количество топлива в топливные баки. Даже керосин. Например, в Falcon 9 керосин охлаждается с 21 °C до −7 °C. Пр этом его плотность увеличивается на 2,5 %.

Вторая инженерная задача

Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.

Но нам снова, нужно чтобы двигатель и ракета были максимально простыми и легкими (насколько это можно). Решение нашлось. Часть топлива

используется для работы насосов. Оно подается в небольшую камеру «предварительного» сгорания – газогенератор. Горячий газ из нее приводит в действие турбину, она – приводит в действие топливные насосы. Турбина одна. Насосов два – на одном валу.

Цветовая маркировка

Внимание! Все приведённые далее рекомендации Graco даны для американского рынка с американскими материалами, которые отличаются высоким качеством и стабильностью. Напрямую применять рекомендации к материалам, произведенным в странах СНГ не представляется возможным по причине заметно отличающего не в лучшую сторону качества данных материалов.

Зеленые и синие сопла:
██████████████████████████████
██████████████████████████████

Финишные декоративные краски008 — 010
Лаки010 — 014
Морилка, политура, протрава012 — 014
Масляные краски, эмали012 — 015
Латексные краски015 — 019
Акриловые краски015 — 019
Силикатные краски015 — 019
Эмульсии017 — 021
Силиконовые краски021 — 025
Мультиколор (мозаичные краски)023 — 025
Блок-филлеры023 — 025
Для масштабных проектов025 — 031

Коричневые сопла:
██████████████████████████████

Блок-филлеры027 — 031
Огнезащитные материалы029 — 035
Шпатлевки полимерные029 — 041
Эластомеры027 — 033
Мастики041 — 047
Эпоксидные материалы043 — 061
Битум с волокнами047 — 053
Битум031 — 071
Минеральные краски027 — 033

Желтые сопла:
██████████████████████████████

Краска для дорожной разметки013 — 055
Высококачественная краска
для наружных работ
015 — 021

Черные сопла:
██████████████████████████████

Универсальные сопла первого поколения,
совместимость: оранжевый соплодержатель

Серые сопла:
██████████████████████████████

Материалы для промышленной окраски007 — 081

Числовая маркировка

Обозначение сопла трехзначным числом: первая цифра обозначает угол раскрытия факела (данную цифру надо умножить на 10).

Последующие две цифры означают средний диаметр проходного отверстия сопла в тысячных долях дюйма (если это число мы умножим на 0.025 — получим диаметр отверстия в мм).

Чтобы понять, какой ширины будет факел краски, можно умножить первую цифру на 5.
К примеру, для серии сопел LP3xx: 3 х 5 = 15. Ширина факела составит приблизительно 15 см на стандартном расстоянии 30 см от окрашиваемой поверхности.

1) синие сопла серии WR, у них четыре цифры, первые две отвечают за угол распыления.

2) желтые разметочные сопла, в их маркировке четыре цифры 5xxx. Первую пятёрку здесь не учитываем — это часть серии сопла.

Артикул каждого сопла начинается с обозначения серии.

Пример: серое сопло XHD511.
Расшифровка: XHD — промышленная серия сопел для тяжелых условий эксплуатации — вязких материалов и высокого давления.
угол раскрытия факела: 50° (5х10)
диаметр сопла: 0,011″.

Выбор сопла

Graco рекомендует следующий порядок определения подходящего сопла:

1. Материал
Хорошие производители ЛКМ в паспорте каждого материала явно указывают, соплами какого диаметра данный материал рекомендуется наносить.
В отсутствии таких данных руководствуйтесь вышеприведённой таблицей .

2. Ширина факела
Зависит от размеров окрашиваемой конструкции и от требуемого качества покрытия. Более узкий факел легче контролировать — дает экономию материала и высокое качество покрытия. Более широкий факел повышает скорость работ, но может снижать качество (могут появляться брызги).

3. Распылитель — подтвердите совместимость
Каждый аппарат имеет свои ограничения по применяемым соплам. Например, аппарат GX21 полностью раскрывает факел сопел в диапазоне x13-x19.

4. Протестируйте сопло на материале
Полностью соберите окрасочную систему и выполните тестовый выкрас на ровной поверхности. Если по краям факела (даже при давлении на аппарате, установленном на максимальное значение) образуются полосы — данное сопло не подходит для данной системы аппарат-материал. Возьмите сопло с меньшим отверстием.
Если сопло часто забивается — возьмите сопло с большим отверстием.
Если не помогает ни то ни другое — подготовьте материал, предварительно его отфильтровав, либо возьмите более производительный аппарат.

На выбор сопла влияет множество параметров, такие как тип и вязкость материала; тип, линейные размеры, общую площадь окрашиваемых конструкций, максимальное давление, создаваемое аппаратом; скорость нанесения; баланс качества нанесения / частоты забивания сопла; необходимая толщина мокрого слоя; температура окружающей среды, температура материала и другие. Предсказать заранее все эти параметры не представляется возможным, поэтому у профессионального маляра в арсенале обычно есть определенный набор сопел, которые меняются в зависимости от текущих условий работ.

В таблицах Graco приводится расход сопла (производительность или поток) на чистой воде при давлении в 138 бар. Это скорее теоретический предел сопла. Реальная производительность будет тем ниже, чем более вязкий применяется материал.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector