8.13. Сопла с косым срезом

До сих пор рассматривались сопла, выходное сечение которых было расположено перпендикулярно оси. Такие сопла называются нормальными, или соплами с прямым срезом. В турбиностроении часто применяют сопла с косым срезом, у которых плоскость выходного сечения расположена под углом к оси сопла (рис. 8.24.).

Рис. 8.24. Сопло с косым срезом

На участке от входа в сопла AB до сечения CE канал сопла выполняется сужающимся. Но благодаря наличию полуоткрытой части канала CDE, который называется косым срезом, сопло при π_c = p^*/ p_c > π_кр = p^*/p_кр, работает как сопло Лаваля, обеспечивая получение в косом сечении CD сверхзвуковых скоростей.

При π_c < π_кр сопло с косым срезом работает, как обычное сужающееся сопло. В сечении CE устанавливается давление выхода p_вых = p_ср и в полуоткрытой части сопла CDE скорость и направление струи не меняются. Если же давление за соплом p_ср меньше критического, то в наиболее узком сечении сопла CE, перпендикулярном оси струи, устанавливается критическое давление. На участке стенки сопла ED давление постепенно уменьшается от p = p_ср в точке D (если сопло работает в расчётном режиме).

Так как на противоположной стороне струи, вдоль линии CF, давление практически равно p_ср, то струя отклоняется от стенки ED под действием избыточного давления. Одновременно с этим скорость струи увеличивается от c = c_кр в узком (критическом) сечении до c = c_вых в сечении DF, проходящем через точку D перпендикулярно новому положению оси струи.

Если сопло с косым срезом работает при нерасчётном отношении давлений (когда турбина работает на переменных режимах), то несколько меняется угол отклонения струи и значение выходной скорости c_вых. Однако при этом, как правило, не возникают ни отрыв потока от стенок сопла, ни скачок уплотнения в сопле: сопло с косым срезом “автоматически” приспосабливается к изменению режима работы. Потери энергии при работе сопла с косым срезом на нерасчетном режиме оказываются значительно меньшими, чем в сверхзвуковом сопле с прямым срезом.

Таким образом, сопло с косым срезом имеет определенные достоинства по сравнению с соплом Лаваля.

Первым достоинством сопла с косым срезом является то, что будучи простым по конструкции (не имея специальной расширяющейся части), оно позволяет при наличии сверхкритических степеней понижения давления получить сверхзвуковые скорости.

Второе достоинство таких сопел заключается в том, что в них не происходит перерасширения газа, как это наблюдается в соплах Лаваля, когда π_c.р. < π_c.

Если у сопел Лаваля при повышении давления окружающей среды вследствие перерасширения возникают скачки уплотнения, приводящие к потерям полного давления, то у сопел с косым срезом повышение давления за соплом не приводит к возникновению нерасчётного режима и появлению связанных с этим потерь.

Заметим, что при значительных сверхкритических перепадах давлений косой срез не может обеспечить полного расширения газа. Недостатком таких сопел является наличие поворота потока от оси канала на угол γ. Как правило, в таком повороте нет никакой необходимости.