320 |
Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД |
А-4 |
В качестве примера характерно отметить, что камера двигателя |
при длине в холодном состоянии в 1790 мм во время работы |
удлиняется в осевом направлении до 5 мм и в радиальном направ лении— до 4 мм (по максимальному диаметру камеры сгорания).
Неравномерность нагрева внутренней оболочки по толщине вы зывает ее изгиб, так как вследствие температурного перепада в оболочке более нагретые ее слои, стремясь расшириться, растя гивают наружные слои, а последние, сопротивляясь растяжению, сжимают внутренние слои. Температурные напряжения имеют ма ксимальное значение у газовой и жидкостной поверхностей оболоч ки, тогда как примерно в середине ее они равны нулю.
Если температурные напряжения, возникающие в металле вну тренней оболочки в результате ее относительного удлинения и изги ба, превысят предел текучести, то они могут вызвать в металле пластические деформации, которые при известных условиях будут способствовать преждевременной деформации или даже разруше нию оболочки под воздействием на нее других нагрузок.
Если бы в оболочке не было температурных напряжений, то допустимые напряжения ее только вследствие статической нагруз
ки могли бы быть почти в 2 раза больше.
Температурные удлинения и возникающие при этом напряже ния также могут иметь место и в других элементах агрегатов дви
гателя (ТНА, ГГ) и в коммуникациях, особенно при использова нии горячих газов для вытеснения компонентов топлива из баков
в камеру сгорания.
Для разгрузки оболочек камеры, выполненных по несвязанной силовой схеме, от температурных нагрузок, возникающих в резуль тате их неодинакового нагревания и удлинения, наружную оболоч ку камеры обычно выполняют из отдельных обечаек, торцы кото
рых соединяются между собой с некоторым зазором по оси при
помощи специальных компенсационных колец (подобно двигателям типа А-4). Установка температурных компенсаторов на наружной оболочке особенно необходима для камер больших размеров, так
как оболочкам таких камер присущи значительные температурные удлинения.
На компенсационные кольца действуют растягивающая сила наружной оболочки камеры, возникающая от температурной де формации внутренней оболочки, и давление охлаждающей жидко сти; величиной давления атмосферного воздуха можно пренебречь.
Но поскольку практически выполняемые компенсаторы при зна чительной толщине их стенки и относительно малом диаметре кривизны все же обладают определенной упругостью, то обычна
невозможно полностью разгрузить оболочку камеры от напряжений указанного характера.
В силу изложенного при расчете на прочность внутренней обо лочки камеры двигателя необходимо учитывать напряжения, воз никающие в ней вследствие:
322 Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД
ния, то в материале конструкции головки возникают, кроме напря жений от статической нагрузки, температурные напряжения, сни
жающие его механические свойства. Важно, чтобы головка камеры имела достаточную жесткость и в местах ее, где завальцованы форсунки, сохранялась необходимая герметичность.
Основной целью расчета головки камеры является определение
ее жесткости при заданных рабочих давлениях и температурах.
Эксперименты показывают, что практически материал головки ка меры работает без пластических деформаций. При этом условии
рассчитать головку камеры можно при помощи обычного метода, основанного на теории упругости.
В оболочках камеры связанной силовой схемы температурные расширения внутренней оболочки в осевом и радиальном направ лениях ограничены конструктивно связанной с ней наружной обо
лочкой. В этой конструкции оболочек схемы распределения осевых и радиальных усилий очень сложны и учет их практически весьма затруднен.
Кроме прочностных свойств, элементы камеры, а также места их соединения друг с другом должны обладать определенной жест костью вследствие восприятия ими возможных в двигателе вибра ционных нагрузок, обусловленных колебаниями давления газов в камере сгорания и другими факторами.
При расчете камеры на прочность колебания давления газов в камере сгорания при запуске, во время работы и остановки дви гателя, неучтенные термические и случайные динамические нагруз
ки необходимо учитывать соответствующим запасом прочности материала. Если камера двигателя сварная, то толщина ее вну тренней оболочки должна быть немного больше расчетной с целью учета допустимых по техническим условиям непроваров швов (до 25% от толщины оболочки) и возможных концентраций напря
жений в материале от сварки.
При проектировании двигателя часто толщиной внутренней и наружной оболочек камеры, а также ее головки задаются, а за тем в ходе конструирования камеры проверяют их на прочность.
Кроме того, для упрощения технологии изготовления камеры вну тренние оболочки камеры сгорания и сопла выполняют одинаковой толщины.
Статическая и термическая нагрузки отдельных элементов ка меры различны для разных режимов работы двигателя — при за пуске, нормальной работе и остановке. При этих наиболее харак терных режимах работы двигателя следует производить провероч ные расчеты камеры на прочность.
При запуске двигателя давление газов в камере сгорания равно нулю, а давление охлаждающей жидкости в тракте достигает свое
го полного значения. |
Внутренняя |
оболочка камеры не нагрета. |
В этот момент оболочка камеры |
максимально нагружена извне |
|
давлением жидкости. |
Расчету подлежит оболочка в наиболее нз- |
|