Расчет на прочность камер ГДТ. Действующие нагрузки. Проектировочный расчет наружной оболочки корпуса камеры

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ КАМЕР ГТД

Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Авиационные двигатели»

Составитель:

Методическое указания предназначается для курсового проектирования по «Авиационным двигателям». В них приводятся действующие нагрузки, методики проектировочных расчетов оболочек камеры и некоторые справочные материалы.

Методики могут быть использованы в УНИРС и выполняется на ЭВМ.

1. Действующие нагрузки

Камеры сгорания служат для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию в процессе непрерывного горения топлива. Она состоит из жаровых труб, корпуса, форсунок, воспламенителей и выполняется сваркой из листового материала (рис. 1).

Рис. 1. Схема камеры сгорания

Корпус камеры является силовым узлом двигателя и включает в себя наружную 2 и внутреннюю 6 цилиндрические оболочки, соединенные между собой коническими стенками 5 и 7, спрямляющим 1 и сопловым 4 аппаратами.

Оболочки камеры нагружаются давлением газа, изгибающим и крутящим моментами. Кроме того, участки оболочек с неравномерным нагревом испытывают температурные нагрузки.

Давление газов в наружной оболочке вызывает напряжения растяжения в окружном и осевом направлениях, а во внутренней оболочке – напряжения сжатия, которые при определенных условиях могут вызывать потерю ее устойчивости.

Крутящий момент вызывает в оболочках корпуса касательные напряжения. При этом крутящий момент воспринимается в основном наружной оболочкой, так как ее момент сопротивления кручению значительно больше, чем у внутренней оболочки.

Изгибающий момент возникает при эволюциях самолета и воспринимается в основном тоже наружной оболочкой.

На работающем двигателе горение топлива сопровождается низкочастотными и высокочастотными колебаниями давления газов с амплитудой соответственно до  и  Эти колебания вызывают вибрации оболочек, которые наиболее опасны для жаровых труб. Следует заметить, что наличие отверстий в жаровых трубах для ввода вторичного воздуха и выполнение экранов форсажных камер перфорированными существенно снижает амплитуды колебаний давления газов при горении. Это обеспечивает значительное уменьшение амплитуд колебания оболочек и повышает надежность их работы.

При неравномерном нагреве в материале оболочек возникают температурные напряжения. Эти напряжения могут достигать значительной величины и приводить к потере устойчивости оболочек и к их растрескиванию.

Расчеты на прочность подразделяют на проектировочные и поверочные. В проектировочных расчетах оцениваются толщина оболочек камеры сгорания. По результатам газодинамического и проектировочного прочностного расчетов разрабатывается конструкция камеры и определяется температура ее основных элементов. Окончательная оценка прочности камеры сгорания делается по результатам поверочного прочностного расчета. Расчет корпуса камеры на прочность производится по его элементам, ограниченными разъемами. Действие прилегающих элементов заменяется эквивалентной системой сил и моментов.

Для упрощения расчета оболочек на прочность, действующая нагрузка рассматривается как сумма отдельных простых нагрузок, для каждой из которых используются известные из сопротивления материалов расчетные зависимости.

Ниже приводится методики проектирования расчетов на прочность наружной и внутренней оболочек корпуса камер. Расчет жаровой трубы состоит в определении частот собственных колебаний ее оболочек.

2. Проектировочный расчет наружной оболочки корпуса камеры

Целью проектирования расчета наружной оболочки (рис. 2) является определение ее толщины. Основными нагрузками в этом расчете считаются избыточное давление газов  в камере и крутящий момент турбины  Оболочка считается цилиндрической с жесткой заделкой концов (оболочка имеет фланцы).

Рис. 2. Наружная оболочка корпуса

При указанной заделке по концам оболочки возникают местные изгибы (краевой эффект). Толщина оболочки в проектировочном расчете определяется на участке зон краевого эффекта. Толщина наружной оболочки  может быть оценена по формуле

                           (1)

где  - предел прочности материала наружной оболочки при рабочей температуре, которую следует принимать равной температуре воздуха на выходе из компрессора  на расчетном режиме;

 - максимальное избыточное давление газов в камере на расчетном режиме;

 - максимальный радиус наружной оболочки камеры;

 - мощность турбины на расчетном режиме;

 - максимальная скорость вращения ротора двигателя;

 - коэффициент запаса прочности. Согласно нормам прочности принимается  При таких значениях  материал наружной оболочки работает в области упругих деформаций.