Принцип работы сопло Лаваля?

Сопло Лаваля (или сужающееся-расширяющееся сопло) представляет собой канал, суженный в середине, имеющий вид песочных часов. Служит для для ускорения газового потока проходящего через него до скоростей выше скорости звука. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных двигателей.

Сопло было разработано в XIX веке шведским изобретателем Гюставом де Лавалем.

Работа сопла основана на различных свойствах газового потока на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Скорость дозвукового потока будет увеличиваться по мере сужения канала, так как массовый расход является постоянным. Поток газа в в сопле Лаваля является изоэнтропным (энтропия газа приблизительно константа) . На дозвуковых скоростях газовый поток является сжимаемым; звук, волна малого давления, будет распространяться через такой поток. Вблизи «горлышка» сопла, где площадь сечения является наименьшей, локальная скорость газа становится звуковой (число Маха равно единице) Как только площадь сечения сопла начинает увеличиваться, газ продолжеает расширяться и газовый поток ускоряется до сверхзвуковых скоростей, где звуковая волна не проходит в обратную сторону через газ (число Маха больше единицы) .

Сопло Лаваля, имеющее на входе горячий газ при давлении 6,9 МПа (или 68 атмосфер) , температуру в 1470 К, будет иметь давление в горловине 3,7 МПа (37 атмосфер) при температуре 1269 К, и давление 0,1 МПа с температурой в 502 К на выходе из сопла. Степень расширения — отношение выходного сечения к критическому (горловина) , будет 6,8. Удельный импульс будет 1480 Н*с/кг.

Данный принцип был использован в ракетном двигателе Робертом Годдардом (Robert Goddard). Реализация (Walter Thiel)а была использована в ракете Фау-2.

[Условия для функционирования
Сопло Лаваля будет действовать лишь в том случае, если массовый расход через сопло достаточен, в противном случае сверхзвуковая скорость достигнута не будет. К тому же, давление газа на выходе из расширяющейся части сопла не должно быть слишком малым. Так как давление не может передаваться против сверхзвукового течения, выходное давление может быть значительно ниже давления окружающей среды в которую истекает газ, но если оно слишком мало, тогда поток перестанет быть сверхзвуковым, либо поток будет разделяться в расширяющейся части сопла, образуя нестабильный поток, который может «хлопать» в сопле, и вызвать его повреждения. На практике, давление окружающей среды должно быть не более, чем в 2,7 раза выше давления в сверхзвуковом газе, при этом условии сверхзвуковой поток сможет покинуть сопло.

Анализ потока газа в соплах Лаваля
Для анализа ракетного двигателя, на газовый поток проходящий через сопла Лаваля накладываются некоторые условия:

Для упрощения, сжигаемый газ принимается идеальным.
Газовый поток является изоэнтропным (то есть имеет постоянную энтропию) . Как результат процесс получается обратимым (без учета сил трения и диссипативных потерь) и адиабатным (то есть теплота не подводится и не отводится) .
Газовое течение является постоянным (то есть установившимся) , во время всего периода сгорания ракетного топлива.
Газовые поток является прямой линией начиная со входа газа до его истечения (то есть вдоль оси симметрии сопла) .
Газовый поток является сжимаемым начиная с течений на очень высоких скоростях.