Сопло
Сопло', специально спрофилированный закрытый канал, предназначенный для разгона жидкостей или газов до заданной скорости и придания потоку заданного направления. Служит также устройством для получения газовых и жидкостных струй. Поперечное сечение С. может быть прямоугольным (плоские С.), круглым (осесимметричные С.) или иметь произвольную форму (пространственное С.). ВС. происходит непрерывное увеличение скорости v жидкости или газа в направлении течения — от начального значения vo во входном сечении С. до наибольшей скорости v = va на выходе. В силу закона сохранения энергии одновременно с ростом скорости v в С. происходит непрерывное падение давления и температуры от их начальных значений ро, То до наименьших значений ра, Та в выходном сечении. Т. о., для реализации течения в С. необходим некоторый перепад давления, т. е. выполнение условия ро > ра. При увеличении То скорость во всех сечениях С. возрастает в связи с ростом начальной потенциальной энергии. Пока скорость течения невелика, малы и соответствующие изменения давления и температуры в С., поэтому свойство сжимаемости (способность жидкости или газа изменять свой объём под действием перепада давления или изменения температуры) ещё не проявляется, и изменением плотности среды r в направлении течения можно пренебречь, считая её постоянной. В этих условиях для непрерывного увеличения скорости С. должно иметь сужающуюся форму, т.к. в силу уравнения неразрывности rvF = const площадь F поперечного сечения С. должна уменьшаться обратно пропорционально росту скорости. Однако при дальнейшем увеличении v начинает проявляться сжимаемость среды, плотность её уменьшается в направлении течения. Поэтому постоянство произведения трёх множителей rvF в этих новых условиях зависит от темпа падения r с ростом v. При v < a, где а — местная скорость распространения звука в движущейся среде, темп падения плотности газа отстаёт от темпа роста скорости, поэтому для обеспечения разгона, т. е. увеличения v, F нужно уменьшать (рис. 1), несмотря на падение плотности (дозвуковое С.). Но при разгоне до скоростей v>a падение плотности происходит быстрее, чем рост скорости, поэтому в сверхзвуковой части необходимо увеличивать площадь F (сверхзвуковое С.). Т. о., сверхзвуковое С., называемое также соплом Лаваля, имеет вначале сужающуюся, а затем расширяющуюся форму (рис. 2). Изменение скорости вдоль С. определяется законом изменения площади его поперечного сечения F по длине С.
Давление в выходном сечении дозвукового С. всегда равно давлению рс в окружающей среде, куда происходит истечение из С. (ра = рс), т.к. любые отклонения в величине давления представляют собой возмущения, которые распространяются внутрь С. со скоростью, равной скорости звука, и вызывают перестройку потока, ведущую к выравниванию давлений в выходном сечении С. При возрастании ро и неизменном рс скорость vaв выходном сечении дозвукового С. сначала увеличивается, а после того как родостигнет некоторой определённой величины, va становится постоянной и при дальнейшем увеличении ро не изменяется. Такое явление называется кризисом течения в С. После наступления кризиса средняя скорость истечения из дозвукового С. равна местной скорости звука (va = а) и называется критической скоростью истечения. Дозвуковое С. превращается в звуковое С. Все параметры газа в выходном сечении С. также называются в этом случае критическими. Для дозвуковых С. с плавным контуром критическое отношение давлений при истечении воздуха и др. двухатомных газов (ро/рс) кр » 1,9.
В сверхзвуковом С. критическим называют его наиболее узкое сечение. Относительная скорость va/a в выходном сечении сверхзвукового С. зависит только от отношения площади выходного сечения Faк площади его критического сечения Fkp и в широких пределах не зависит от изменений давления ро перед С. Поэтому, изменяя с помощью механического устройства площадь критического сечения Fkp при неизменной площади Fa, можно изменять va/a. На этом принципе основаны используемые в технике регулируемые С. с переменной скоростью газа в выходном сечении. Давление в выходном сечении сверхзвукового С. может быть равно давлению в окружающей среде (ра = рс), такой режим течения называется расчётным, в противном случае — нерасчётным. В отличие от дозвукового С., возмущения давления при pa ¹ рс, распространяющиеся со скоростью звука, относятся сверхзвуковым потоком и не проникают внутрь сверхзвукового С., поэтому давление ра не уравнивается с рс. Нерасчётные режимы характеризуются образованием волн разрежения в случае ра > рс или ударных волн в случае ра < рс Когда поток проходит через систему таких волн вне С., давление становится равным рс. При большом избытке давления в атмосфере над давлением в выходном сечении С. ударные волны могут перемещаться внутрь С., и тогда нарушается непрерывное увеличение скорости в сверхзвуковой части С. Сильное падение давления и температуры газа в сверх звуковом С. может приводить, в зависимости от состава текущей среды, к различным физико-химическим процессам (химические реакции, фазовые превращения, неравновесные термодинамические переходы), которые необходимо учитывать при расчёте течения газа в С.
С. широко используются в технике (в паровых и газовых турбинах, в ракетных и воздушно-реактивных двигателях, в газодинамических лазерах, в магнитно-газодинамических установках, в аэродинамических трубах и на газодинамических стендах, при создании молекулярных пучков, в химической технологии, в струйных аппаратах, в расходомерах, в дутьевых процессах и многих др.). В зависимости от технического назначения С. возникают специфические задачи расчёта С.: например, в С. аэродинамических труб необходимо обеспечить создание равномерного и параллельного потока газа в выходном сечении, требования к С. ракетных двигателей заключаются в получении наибольшего импульса газового потока в выходном сечении С. при его заданных габаритных размерах. Эти и др. технические задачи привели к бурному развитию теории С., учитывающей наличие в газовом потоке жидких и твёрдых частиц, неравновесных химических реакций, переноса лучистой энергии и др., что потребовало широкого применения ЭВМ для решения указанных задач, а также для разработки сложных экспериментальных методов исследования С.
Лит.: Абрамович Г. Н., Прикладная газовая динамика, 3 изд., М., 1969: Стернин Л. Е., Основы газодинамики двухфазных течений в соплах, М., 1974.
С. Л. Вишневецкий.
Рис. 1. Схема дозвукового сопла.
Рис. 2. Схема сверхзвукового сопла (сопла Лаваля).
Сопловой аппарат
Соплово'й аппара'т, элемент паровой или газовой турбины; состоит из расположенных по окружности спрофилированных сопловых (направляющих) лопаток, в каналах между которыми происходит расширение пара (газа) и превращение его потенциальной энергии в кинетическую. Лопатки С. а. либо крепятся в неподвижных дисках (диафрагмах), либо устанавливаются непосредственно в корпусе турбины. Пар в С. а. приобретает значительную скорость, после чего поступает на рабочие лопатки турбины, где кинетическая энергия струи пара превращается в механическую энергию вращающегося ротора. В зависимости от скорости пара на выходе различают дозвуковые и сверхзвуковые С. а. См. также Сопло.
