КРИТИЧЕСКИЕ СОПЛА

CRITICAL NOZZLES

Rinat Arginbayev

Master’s student, Department of Automation and Process Control Systems, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

Ildar Valeev

scientific adviser, candidate of Technical Sciences, associate Professor, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Критические сопла представляют собой важный элемент в системах газовой турбины. Они обеспечивают значительную скорость газа, создавая ускоренный поток на выходе из сопла. Современные системы газовой турбины используют критические сопла для многих приложений, включая приводы генераторов энергии, двигатели самолетов и технологические процессы.

ABSTRACT

Critical nozzles are an important element in gas turbine systems. They provide a significant gas velocity, creating an accelerated flow at the outlet of the nozzle. Modern gas turbine systems use critical nozzles for many applications, including power generator drives, aircraft engines, and manufacturing processes.

Ключевые слова: критическая скорость, аэродинамическая структура сопла, кавитация, плотность газа в сопле, давление в газовой струе, коэффициент расширения в сопле, вакуумный уровень, эффективность сопла, термодинамическая характеристика газовой струи, мощность и скорость потока в сопле.

Keywords: critical velocity, aerodynamic structure of the nozzle, cavitations, gas density in the nozzle, pressure in the gas jet, expansion coefficient in the nozzle, vacuum level, nozzle efficiency, thermodynamic characteristics of the gas jet, power and flow velocity in the nozzle.

Сопла представляют собой узкие каналы или трубки, которые используются для перевода потока жидкости или газа из одного давления в другое. К этим каналам и трубкам могут применяться различные геометрические формы для регулирования скорости потока, то есть скорости изменения давления. Две различные формы сопел - конвергентные и дивергентные - могут применяться для различных целей.

Если говорить о критических соплах, то в них обеспечивается особый режим течения газа - критический. Критический режим возникает при определенных комбинациях давления, температуры и скорости газа. Когда газ проходит через критическое сопло, его скорость достигает звуковой скорости, а из-за этого давление падает до критического уровня. Этот режим играет важную роль в технологических процессах, например, в турбореактивных двигателях.

В свете задачи модернизации поверочной установки на критических соплах следует отметить, что критический режим является особенно важным для точности измерений и актуальным для многих отраслей промышленности. Он возникает при больших значениях перепада давления на сопле, а именно - при высоком отношении входного давления (перед соплом) к выходному давлению (за соплом).

В стандартных критических соплах Вентури критический режим наступает при , где P_вх – абсолютное давление перед соплом; P_вых – абсолютное давление за соплом [1].

Одним из преимуществ критических сопел является их способность генерировать поток газа на высокой скорости, что позволяет исключить влияние перепада давления на объёмный расход перед соплом. Если данный перепад давления равен 1,25 или больше, то расход газа перед соплом не зависит от перепада. Это объясняется тем, что скорость потока газа в критическом сопле не может превышать скорость звука [2].

Другим преимуществом критических сопел является их свойство сохранять стабильность потока газа перед началом испытаний. Это возможно благодаря тому, что возмущения на выходе сопла не передаются на вход, что в свою очередь гарантирует стабильный поток газа.

С целью модернизации поверочной установки на критических соплах необходимо учитывать особенности их работы. Важно отметить, что критические сопла могут функционировать как «на нагнетание», так и «на отсасывание».

При работе «на нагнетание» избыточное давление должно подаваться на вход сопла, тогда как при работе «на отсасывание» необходимо создавать разряжение на выходе сопла при атмосферном давлении на входе.

Учитывая эти особенности, модернизация поверочной установки на критических соплах должна быть тщательно спланирована и выполнена с использованием соответствующих технологий и материалов.

Для эффективного использования критических сопел как средства измерения расхода газа в критических режимах течения, необходима модернизация поверочной установки. Одной из главных проблем применения таких сопел является большой перепад давления, что приводит к потере давления и невозможности использования их для измерений. Однако, критические сопла могут быть применены в качестве рабочих средств для понижения рабочего давления в отдельных установках, таких как газорегулирующие пункты и газораспределительные станции.

Некоторые компании, такие как Югтрансгаз, добились успеха в качестве использования критических сопел в своих установках. Однако, для широкого использования необходима разработка нормативной документации на применение критических сопел в качестве рабочих средств при измерении расхода газа. В результате модернизации поверочной установки на критических соплах, будет возможность повышения точности измерений при высоких перепадах давления.

Критические сопла имеют почти идеальные характеристики в качестве эталонного оборудования и их использование особенно актуально для поверки объёмных расходомеров-счетчиков, которые широко применяются в различных отраслях промышленности.

Одним из ключевых компонентов в поверочной установке являются самы критические сопла, которые могут быть подвержены износу и повреждениям со временем. Поэтому модернизация поверочной установки на критических соплах включает в себя не только замену изношенных элементов, но и улучшение дизайна и технологии использования для повышения точности и надежности поверки.

Это особенно важно в сферах, где высокая точность измерений имеет решающее значение, таких как научные исследования, производство энергетического оборудования, а также медицинское оборудование. Модернизация поверочной установки на критических соплах помогает обеспечить высокую точность и надежность при калибровке и поверке расходомеров-счетчиков газа, что в свою очередь способствует повышению производительности и эффективности в процессе производства и научных исследований.

Модернизация поверочной установки на критических соплах может в значительной мере упростить процесс калибровки и задания объёмного расхода. С помощью калиброванного сопла можно точно измерять объёмный расход газа, учитывая только температуру, а в большинстве случаев можно не учитывать поправки на влажность. Влажность учитывается только при калибровке эталонных расходомеров-счётчиков.

Каждое сопло воспроизводит свой расход, подобно гире воспроизводящей массу при калибровке. Для получения критических точек расхода сопла их устанавливают параллельно, в гребёнку, а суммарный расход определяется арифметическим сложением расходов включённых сопел. Этих точек расхода может быть достаточно большое количество, комбинируя различные сочетания.

Воспроизведение объёма газа (при калибровке счётчиков) производится интегрированием расхода по времени. Наружная часть и размеры сопел могут быть разнообразными, однако существуют некоторые стандарты, которые упрощают процесс калибровки на эталоне.

Изготовление больших сопел (1600 м3/ч, 2000 м3/ч) может потребовать нарушения узаконенного международными стандартами профиля. Однако каждое сопло калибруется индивидуально, поэтому это не является страшной проблемой. Сопла на расход более 100 м3/ч обычно делаются составными для улучшения технологичности. Сопла длиной 200 мм закрепляются зажимным устройством, при этом на входе упираются в резиновую прокладку, а на выходе – в металлический прижим. Герметичность на выходе не обязательна.

Список литературы:

1. Сопло Вентури критического истечения // rep.bntu.by URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/62126/159 ‑ 161.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 22.05.2023).
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДИАБАТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ СУЖАЮЩЕЕСЯ СОПЛО // e6-bmstu.ru URL: http://e6-bmstu.ru/wp-content/uploads/2020/10/metodics_TD-05.pdf (дата обращения: 22.05.2023).