Зависимость теплонапряженности камеры сгорания от ее объема

 

Рис.2.4.

 

В последние годы наблюдается тенденция непрерывного роста температуры газа перед турбиной и степени повышения давления в компрессоре. Если в 1956 г. степень повышения давления в компрессорах ТРД составляла 12, то в 1979 г. она составляла около 20 для ТРД и 30 для ТРДД. В настоящее время создаются двигатели с p_к^* =40…50.

Температура за камерой сгорания возросла с 1090 К (в середине 50-х годов) до 1700…1800 К (в настоящее время).

За указанный период времени объем камер сгорания некоторых типов двигателей уменьшился в несколько раз, что привело к значительному росту теплонапряженности камер сгорания.

На рис.2.4 приведена зависимость величины теплонапряженности камеры сгорания от ее объема. Тенденция уменьшения объема камер сгорания будет, очевидно, сохраняться и в дальнейшем.

В настоящее время получили развитие новые конструктивные варианты камер сгорания с переменной геометрией и двумя зонами горения. Эти камеры должны обеспечить низкий уровень вредных выбросов и высокую долговечность жаровой трубы.

На рис.2.5 приведена схема камеры сгорания CFM56. Здесь применяется фронтовое устройство с аэрацией топлива. Применение двойных соосных завихрителей с закруткой потока в разные стороны обеспечивает хорошее перемешивание топлива с воздухом. Это позволяет сократить протяженность зоны горения и, соответственно, снизить уровень эмиссии окислов азота и углеводородов. Жаровая труба состоит из отдельных точеных секций, что повышает точность изготовления охлаждаемых каналов, и прочность конструкции.

 

 

Схемы перспективных камер сгорания

 

Рис.2.5.

 

Рис.2.6.

 

Рис.2.7.

 

В настоящее время стал широко применяться двухзонный метод сжигания топлива. Этот метод позволяет лучше использовать объем жаровой трубы, снизить выделение токсичных веществ. На рис.2.6 и 2.7 показаны схемы двухъярусных камер сгорания, в которых применяется двухзонный метод сжигания топлива. С целью улучшения охлаждения стенок в них применяются секции короткой длины (рис.2.6) и секций с двойными стенками (рис.2.7).

 

 

Расчет деталей камеры сгорания на прочность

 

Расчет на прочность кожуха

В камере сгорания наиболее нагруженной частью является кожух, который воспринимает избыточное давление поступающего в камеру воздуха и осевое усилие. В кольцевых и трубчато-кольцевых камерах кожух служит также силовым элементом двигателя и в зависимости от конструктивного выполнения может передавать радиальные и осевые усилия от подшипников, реактивный крутящий момент от соплового аппарата турбины и др. Из перечисленных сил основной нагрузкой для кожуха камеры является избыточное давление воздуха, максимальная расчетная величина которого соответствует условию работы двигателя у земли с максимальной скоростью полета в зимних условиях при температуре воздуха -40…-60 С⁰. Под влиянием внутреннего давления воздуха стенки наружного кожуха камеры испытывают напряжения растяжения, а во внутренних кожухах этих камер (если их внутренние полости сообщаются с атмосферой) давление воздуха приводит к появлению напряжений сжатия.

Напряжение растяжения в стенке наружного кожуха по сечению вдоль образующей определяется по формуле:

;

где, P₂ - давление за компрессором, Па; P_н - давление окружающего воздуха, Па; d - толщина стенки кожуха, м; D - максимальный диаметр кожуха, м.

Допустимые напряжения растяжения s_р= 100…120 МПа. Стенки кожуха камеры сгорания рассчитываются также на разрыв от действия осевых сил. Осевые силы, действующие на камеру сгорания, определяются как сумма приложенных к ней статических и динамических усилий. Для кольцевой и трубчато-кольцевой камеры сгорания (рис.2.8) осевая сила, действующая на внутреннюю поверхность, будет равна:

 

 

Рис.2.8. К определению усилий, действующих на камеру сгорания.

 

;

 

где, m - секундный расход газов, проходящих через камеру.

Остальные параметры и размеры, входящие данную в формулу, показаны на рис.2.8.

Зная осевую силу, действующую на стенку жаровой трубы, определяем напряжение по формуле:

;

где, D - диаметр кожуха камеры, м; d - толщина стенки кожуха, м.

Допустимые значения находятся в пределах s_р= 100…120 МПа.

 

Расчет фланцев

Фланцы для крепления элементов камеры рассчитываются на изгиб от осевой силы P_ос., определяемой по формуле п. 2.5.1. Зная суммарную силу P_ос., определяем силу, действующую на один болт:

;

где, z - число болтов.

Момент, изгибающий фланец:

;

Для расчетного сечения фланца – цилиндрической полоски диаметром (D-2b) и толщиной a - момент сопротивления изгибу может быть найден из соотношения:

;

и момент сопротивления изгиба:

;

 

 

 

Рис.2.9. К расчету фланца на изгиб.

 

Указанные в формулах размеры приведены на рис.2.9. Допускаемые напряжения для изгиба фланцев составляют s_u= 150…180МПа.

 

 

Расчет болтов

Будем считать, что болты, соединяющие отдельные секции камер, нагружены суммарной силой, тогда напряжение растяжения в болтах будет:

;

где, z – число болтов; d₁ – внутренний диаметр резьбы болта.

Допускаемые напряжения в болтах находятся в пределах s_р=150…180 МПа. Число болтов, соединяющих отдельные части камер для обеспечения равномерной затяжки, обычно выбирают четным. Расстояние между соседними болтами (шаг) при давлениях Р>10×10⁵ Па t=(5…7)d, а при давлениях Р>30×10⁵ Па – t=(2.5…4.0)d, где d – наружный диаметр болта.