Lavalova dýza

Lavalova dýza, nadzvuková dýza, konvergentno-divergentná dýza, K-D dýza — úsek potrubia s najskôr spojito sa zužujúcim (vstupná, konvergentná časť) a následne rozširujúcim sa (výstupná, divergentná časť) prierezom. Pri veľkom tlakovom pomere celkového tlaku na výstupe z dýzy k celkovému tlaku pred dýzou sa rýchlosť prúdenia stlačiteľnej tekutiny (plynu) v zužujúcej sa časti postupne zvyšuje a v rozširujúcej sa časti postupne znižuje, čiže Lavalova dýza sa správa ako Venturiho trubica.

Znižovaním tlakového pomeru (napr. zvýšením tlaku pred dýzou, resp. znížením tlaku za dýzou) sa rýchlosť prúdenia plynu v najužšej časti (hrdle) dýzy zvyšuje, nárast rýchlosti však nie je lineárny, čo je spôsobené stlačením plynu pred hrdlom dýzy. Pri dosiahnutí kritického tlakového pomeru sa v hrdle dýzy dosiahne maximálna, tzv. kritická rýchlosť prúdenia, ktorá sa rovná rýchlosti zvuku (M = 1). Kritický tlakový pomer je závislý iba od vlastností plynu a jeho hodnota sa pri reálnych plynoch pohybuje okolo 0,5 (napr. pri suchom vzduchu 0,528, pri prehriatej vodnej pare 0,546). V prípade ideálneho plynu pritom v hrdle dýzy vzniká stabilná kolmá rázová vlna, v prípade reálneho plynu sa pri stenách dýzy vytvára zabrzdená medzná vrstva, preto sa rázová vlna vytvára o niečo ďalej za hrdlom dýzy (v smere prúdenia). Ďalším znižovaním tlakového pomeru, zvýšením tlaku pred dýzou, sa už rýchlosť prúdenia v hrdle dýzy ďalej nezvyšuje, zostáva konštantná (M = 1). Plyn vystupujúci z hrdla potom v rozširujúcej sa časti dýzy postupne expanduje ďalej, jeho tepelná energia sa premieňa na kinetickú energiu, čím sa rýchlosť prúdu dostáva do nadzvukovej oblasti (M > 1).

Bežným tvarom rozširujúcej sa časti Lavalovej dýzy je kužeľ s vrcholovým uhlom 8 – 30°, výhodou je jednoduchosť výroby, nevýhodou však je, že výstupný prúd sa mierne rozchádza, čo pri dýzach parných a plynových turbín alebo parných ejektorov nie je nedostatkom, v prípade výstupných dýz reaktívnych (lietadlových a raketových) motorov to však znižuje užitočný ťah. Dýza s dokonale rovnobežným výstupným prúdením je potrebná pri nadzvukových aerodynamických tuneloch, jej presný tvar podobný zvonu možno určiť zložitým výpočtom. Dobrým priblížením sa dá tvar dýzy nahradiť výrobne jednoduchším rotačným paraboloidom, takýto tvar zvonovej dýzy sa používa ako výstupná dýza raketových alebo niektorých prúdových lietadlových motorov.

Dokonalá expanzia plynu v rozširujúcej sa časti dýzy nastáva iba pri tlakovom pomere, na ktorý bola dýza navrhnutá. Ten je možné v reálnej prevádzke dodržať v prípade parných a plynových turbín i ejektorov. Pri výstupnej Lavalovej dýze reaktívnych motorov sa tlakový pomer mení v závislosti od tlaku okolitého vzduchu. Môžu pritom nastať dva prípady: v prípade nižšieho tlakového pomeru (vyšší tlak okolia) ide o preexpandovanú dýzu, v prípade vyššieho tlakového pomeru o podexpandovanú dýzu. V obidvoch prípadoch je expanzia plynu sprevádzaná vznikom rázových vĺn, čo spôsobuje energetické straty. Pri preexpandovanej dýze vznikajú kolmé rázové vlny v závislosti od tlaku na výstupe z dýzy buď v rozširujúcej sa časti dýzy, prípadne vo výstupnom priereze alebo o niečo ďalej za ním. Tieto rázové vlny sú na rozdiel od rázovej vlny v hrdle dýzy nestabilné, keď vznikajú vnútri dýzy, môžu spôsobovať silné vibrácie. Pri podexpandovanej dýze (napr. raketové motory vo vákuu) expanzia plynu prebieha ďalej za dýzou vo forme šikmých rázových vĺn. V prípade rakiet je preto možný iba kompromisný návrh výstupnej dýzy najmä prvého stupňa, pri pohybe cez atmosféru tlak okolia postupne klesá. Pri viacstupňových raketách býva dýza každého stupňa skonštruovaná na iný tlakový pomer. V prípade nadzvukových lietadiel sa používajú aj výstupné dýzy motorov s premenlivou geometriou, čím sa tvar výstupnej časti dýzy dá prispôsobiť výške letu (tlaku okolitého vzduchu) a výkonu motora (tlaku pred dýzou).

Zvláštnosťou Lavalovej dýzy je, že pri nezmenenom usporiadaní môže pôsobiť ako nadzvukový difúzor. Keď prúd plynu do nej vstupuje nadzvukovou rýchlosťou (M > 1), v jej zužujúcej sa, vstupnej časti sa postupne zabrzdí, v hrdle dýzy bude mať rýchlosť zvuku (M = 1) a v rozširujúcej sa, výstupnej časti sa časť pohybovej energie prúdu premení na tlakovú energiu a výstupný prúd bude mať podzvukovú rýchlosť (M < 1). Nadzvukový difúzor sa používa ako vstupná časť prúdových motorov nadzvukových lietadiel, aby spaľovanie mohlo prebiehať v podzvukovej oblasti, alebo ako výstupná časť nadzvukových aerodynamických tunelov (ventilátory vyvolávajúce prúdenie pracujú v podzvukovej oblasti).

Princíp Lavalovej dýzy použil v roku 1878 ako prvý E. Körting v parných injektoroch, svoj objav však udržiaval v tajnosti. Nezávisle od neho navrhol a v roku 1883 patentoval nadzvukovú dýzu, ktorá je po ňom aj nazvaná, G. de Laval pri svojej parnej turbíne. Lavalovu dýzu použil prvýkrát na začiatku 20. rokov 20. stor. vo svojich raketových motoroch R. Goddard. V roku 1920 v Göttingene začal L. Prandtl pracovať na prvom nadzvukovom aerodynamickom tuneli, v tejto súvislosti v roku 1929 navrhol výpočtovú metódu na presnejšie určenie tvaru (zvonová dýza) Lavalovej dýzy.