Ống phun Laval

Nguyên tắc hoạt động của vòi phun siêu âm Laval

Ống phun Laval

Hình dạng vòi phun với phần thu hẹp (màu xanh) và phần mở rộng (màu đỏ, với độ mở bé hơn)

Ống phun Laval (tên gọi khác: loa phụt Laval, ống phun siêu thanh, vòi phun Laval) là một dạng ống phun được thiết kế khí động học, nhằm tăng tốc độ dòng khí trong ống từ dưới âm (Mach <1) lên tốc độ siêu âm (Mach >1)

Nguồn gốc và ứng dụng

Ống phun Laval, được kĩ sư người Thụy Điển Gustaf de Laval phát minh năm 1888 để dùng trong động cơ hơi nước^[1][2][3][4], sau này được Robert Goddard ứng dụng đầu tiên vào động cơ tên lửa. Hầu hết các động cơ tên lửa ngày nay đều sử dụng loại ống phun này.

Ống phun Laval hiện được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật hàng không: ống phun động cơ phản lực, ống khí động học dùng để thu được vận tốc trên vận tốc âm thanh, …..

Hình dạng và nguyên lý hoạt động

Ống phun Laval thường có dạng ống với phần giữa bị thu nhỏ lại (hội tụ - phân kì) giống như hình dạng một chiếc đồng hồ cát. Gồm 3 phần:

• Phần thu hẹp dần (vận tốc dưới âm)
• Tiết diện tới hạn (vận tốc âm thanh Mach 1)
• Phần mở rộng dần (vận tốc siêu âm)

Nguyên lý hoạt động

• Ống Laval hoạt động được dựa trên sự khác nhau về đặc điểm, tính chất của dòng khí khi ở tốc độ dưới âm và siêu âm.
• Từ phía cửa vào (thường là buồng đốt), tiết diện ống thu hẹp dần với góc thu lớn, đạt tiết diện nhỏ nhất tại mặt cắt tới hạn, và mở rộng dần với góc mở nhỏ hơn.

Sự phụ thuộc giữa vận tốc vào diện tích mặt cắt ngang của ống

Theo phương trình liên tục ta có:

${\displaystyle {\frac {d\rho }{\rho }}+{\frac {dS}{S}}+{\frac {dV}{V}}=0}$

mà

${\displaystyle \rho .V.dV=-dp}$

thay ${\displaystyle a^{2}={\frac {dp}{d\rho }}}$ theo công thức định nghĩa vận tốc âm thanh

kết hợp các phép biến đổi toán học, ta được công thức cuối cùng^[5]

${\displaystyle (1-M^{2}){\frac {dV}{V}}=-{\frac {dA}{A}}}$

Kết luận

• Xét dòng chảy dưới vận tốc âm thanh (M<1), khi giảm tiết diện ống (dA<0) thì vận tốc sẽ tăng (dV>0). Tức là nếu giảm diện tích mặt cắt ngang của ống thì chất khí sẽ tăng tốc.
• Tương tự với dòng chảy siêu thanh (M>1), khi tăng tiết diện ống (dA>0) thì vận tốc sẽ tăng (dV>0). Tức là nếu tăng diện tích mặt cắt ngang của ống thì chất khí sẽ tăng tốc.

(Đây chính là sự khác biệt giữa dòng chảy dưới và trên vận tốc âm thanh)

Điều kiện hoạt động

• Vòi phun Laval chỉ hoạt động được khi lượng khí và áp suất dòng khí đi qua ống đủ lớn để có thể đạt được tốc độ siêu âm. Nghĩa là áp suất đưa vào ống phải lớn hơn đáng kể so với áp suất môi trường bên ngoài (dẫn đến áp suất ở trạng thái hãm của dòng khí phải lớn hơn môi trường)
• Nếu các điều kiện trên không được đáp ứng đủ, ống chỉ làm việc như một ống Venturi đơn thuần.

Tham khảo

1. British patent 7143 of 1889.
2. Theodore Stevens and Henry M. Hobart (1906). Steam Turbine Engineering. MacMillan Company. tr. 24–27. Available on-line here in Google Books.
3. Robert M. Neilson (1903). The Steam Turbine. Longmans, Green, and Company. tr. 102–103. Available on-line here in Google Books.
4. Garrett Scaife (2000). From Galaxies to Turbines: Science, Technology, and the Parsons Family. Taylor & Francis Group. tr. 197. Available on-line here in Google Books.
5. https://web.archive.org/web/20151130140241/https://spaceflightsystems.grc.nasa.gov/education/rocket/nozzle.html. Bản gốc lưu trữ ngày 30 tháng 11 năm 2015. Truy cập ngày 28 tháng 11 năm 2017. |title= trống hay bị thiếu (trợ giúp)

Liên kết ngoài

• Other applications of nozzle theory Flow of gases and steam through nozzles