Балабух Л.И., Алфутов Н.А., Усюкин В.И. - Строительная механика ракет (1061784), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Эти вопросы освещаются в литературе 121, Толщину сильфонов определяют из расчета на прочность. Изгибные напряжения ввиду небольшого ресурса работы и пластичности материала в расчет не принимают. Эксперименты показывают, что разрушению снльфонов от внутреннего давления предшествует распрям- ление наружных участков гофров и, в конце концов, разрушение оболочки вдоль образующей. Толщина стенки сильфона может быть определена из соотношения Глава И Р,ьсчвт констанций жид и Рдтт 5 14Л.
Особенности расчета на прочность конструкций ЖРД Теплонапряженность современного жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) чрезвычайно высока: по мощности, приходящейся на единицу объема камеры сгорания, ЖРД в тысячи раз превосходит стационарные тепловые установки. Такая теплонапряженность ЖРД связана с высоким давлением и температурой газов в камере сгорания, причем развитие и совершенствование двигателей ведет к дальнейшему возрастанию этих параметров. Специфика работы ЖРД ставит перед его создателями целый ряд трудноразрешимых проблем. В общем комплексе подлежащих рассмотрению задач важную роль играют вопросы, связанные с созданием надежно работающей, легкой и технологичной оболочки камеры ЖРД Схема конструкции и особенности нагружения камеры ЖРД.
В конструкции камеры ЖРД выделяют три основных элемента (рис, 14,1, а): форсуночную головку 1, оболочку камеры сгорания 2 и сопло 8; в конструкцию также входят узлы крепления 4, входной коллектор б и ряд других вспомогательных деталей. Наиболее характерным является теплопрочностной расчет оболочки камеры сгорания. 6) О ' Рг~ рог П Ух Рас. 14.1 Оболочка представляет собой двухстеночную осесимметричную конструкцию.
Внутренняя и наружная ее стенки скреплены между собой. Различные виды соединения стенок по геометрическому признаку можно подразделить на три типа: продольные, винтовые и точечные связи, Между стенками имеется пространство, называемое охлаждаюп.им трактом. По нему протекает один из компонентов топлива, используемый для охлаждения оболочки. Вход охлаждающего компонента обычно выполнен в виде коллектора в зоне сопла, а выход непосредственно связан с форсуночной головкой. В некоторых случаях часть оболочки сопла может быть выполнена одностенной в виде неохлаждаемого насадка.
Компоненты топлива через форсуночную головку поступают в камеру сгорания, где между ними происходит химическая реакция с выделением теплоты. Продукты сгорания истекают через сопло, создавая реактивную силу тяги двигателя. Характер изменения давления газов р, и их температуры ~, по длине камеры показан на рис. 14.1, б. Давление газов является основной нагрузкой для оболочки камеры.
Интенсивный теплообмен с продуктами сгорания вызывает нагрев внутренней и в некоторой степени наружной стенок. Изменение механических свойств материала стенок с изменением температуры и значительные температурные деформации следует считать вторым по значению фактором, влияющим на условия работы оболочки в целом, т.
е. на ее общую прочность и жесткость. Кроме того, можно говорить о местной прочности и жесткости стенок камеры между связями, а также ° о прочности элементов связей и их соединений со стенками. В этом случае необходимо рассмотреть давление р охлаждающего компонента (рис. 14.1, б). Таким образом, исследование и расчет оболочки камеры как силового элЕмента двигателя ведут .по двум основным направлениям: 1) на общую прочность и жесткость оболочки камеры под действием внутреннего давления и теплового воздействия; 2) на местную прочность и жесткость, в первую очередь, внутренней стенки между элементами связей под действием нагрева и перепада давлений Лр = 0,.„— — Р Рассматривая эти направления, особое внимание следует уделить взаимосвязи между прочностью оболочки и ее температурным состоянием, связи между условиями работы оболочки как силового элемента двигателя и особенностями рабочего процесса.
Важность взаимного влияния этих факторов качественно можно показать на примере. Под действием перепада давлений Лр внутренняя стенка прогибается в пролете между элементами связи. В результате увеличивается площадь проходного сечения охлаждающего тракта, падает скорость охлаждающей жидкости, ухудшаются условия охлаждения внутренней стенки, растет ее температура, вызывающая снижение механических характеристик материала.
Это может привести к дальнейшему увеличению прогиба внутренней стенки, к ее прогару и разрушению. Материал оболочки, как правило, работает за пределом упругости, Поэтому работоспособность оболочки камеры зависит не только от силового воздействия в рабочем режиме, но и от последовательности нагружения оболочки в процессе изготовления и испытания двигателя. Остаточные деформапни и напряжения., возникающие после очередного нагружения, влияют на поведение оболочки при следующем нагружении.
Исследование истории нагружения оболочки камеры представляет собой довольно сложную задачу, Для ее решения помимо знания технологических, испытательных и рабочих режимов, включая режимы пуска и остановки двигателя, необходимо располагать сведениями о поведении материалов оболочки с учетом фактора времени при одно- временном изменении напряженно-деформированногосостояння и температуры. Специфическим режимом нагружения оболочки ЖРД является опрессовка, когда подается давление р,„в охлаждающий тракт при отсутствии давления 0„в полости камеры.
Такие условия обычно создаются при пуске двигателя. Кроме того, указанные условия возникают при опрессовке охлаждающего тракта повышенным давлением в процессе технологического контроля оболочки двигателя. Реактивная сила тяги, создаваемая двигателем, с оболочки камеры через узлы крепления и ферму передается на корпус ракеты. Узлы крепления располагаются, как правило, в одной плоскости, нормальной к оси двигателя, Их обычно устанавливают в зоне форсуночной головки, а поворотные двигатели также крепят в зоне критического сечения сопла или за цилиндрическую часть камеры сгорания.
При проектировании и расчете узлов крепления необходимо учитывать ряд особенностей, связанных с передачей на оболочку камеры сосредоточенных сил. Расположение узлов крепления двигателя на камере определяет вид эпюры осевых сил в ее оболочке. Осевые силы оказывают некоторое влияние на общую прочность и жесткость оболочки камеры. Характер изменения осевой силы М„по длине камеры при разных вариантах расположения узлов крепления (1 — у головки, 11 — в конце цилиндрической части камеры сгорания и !11 — в зоне критического сечения сопла) показан на рис. 14.1, а, На работоспособность оболочки двигателя могут влиять также динамические режимы нагружения, так как ЖРД является мощным источником механических колебаний в широком диапазоне частот.
Амплитуды колебания давлений р„ и р , которые определяют динамическое нагружение оболочки, в особо неблагоприятных случаях могут быть соизмеримы с номинальными значениями давлений. Причиной возникновения колебаний давления являются работа системы подачи компонентов и механизм горения топлива в камере сгорания.
Оболочка камеры подвергается прямому воздействию возмущающих сил давления газов. При совпадении частоты собственных колебаний конструкции с частотой колебаний давления наступает состояние резонанса. Амплитуды колебаний оболочки растут, что непосредственно сказывается на ее работоспособности. Резонансные колебания могут иметь и более сложную природу, когда переменное осесимметричное давление газов вызывает изгибные (неосесимметричные) колебания оболочки ЖРД. Это явление называется параметрическим резонансом. Известно, что оптимальным режимом работы сопла ракетного двигателя является расчетный режим истечения, когда давление газов в выходном сечении совпадает с атмосферным давлением на данной высоте.
Однако при работе двигателя на различных высотах возникают не- расчетные режимы истечения газов. Типичным нерасчетным режимом работы сопла с большим расширением является стендовое испытание двигателя при нормальном атмосферном давлении р,. Оболочка сопла в этом случае оказывается нагруженной переменным по длине перепадом давлений р, — О„который может вызвать потерю 358 устойчивости оболочки. Таким образом, для двигателей с большим расширением сопла нагружение части его оболочки внешним давлением является одним из раечетных случаев, подлежащих рассмотрению при проектировании оболочки. Критерии прочности и работоспособности ракетных двигателей.
В машиностроении используются три основных вида расчетов конструкций на прочность: 1) расчет по разрушающим (предельным) нагрузкам, 2) расчет по допускаемым напряжениям и 3) расчет по допускаемым перемещениям или деформациям. При расчете по разрушающим нагрузкам в основу кладут то значение нагрузки, при котором конструкция теряет несущую способность, разрушается. Элементы тонкостенных конструкций, работающие на сжатие, обычно разрушаются в результате потери устойчивости, а элементы, работающие на растяжение, — вследствие достижения напряжениями предела прочности материала. Но при расчете ракетных двигателей наряду с расчетом по разрушающим нагрузкам используются также и расчеты по допускаемым напряжениям и допускаемым перемещениям. Поэтому вместо коэффициента безопасности ~ и запаса прочности п при расчете двигателей чаще пользуются просто понятием коэффициента запаса, определяя его либо как отношение разрушающей и эксплуатационной нагрузок, либо как отношение соответствующих напряжений.
Так, например, коэффициент запаса по пределу прочности равен а, = а,!а„где о, — максимальное значение эксплуатационного напряжения; о, — предел прочности материала. Перечислим целесообразные подходы к расчету на прочность элементов жидкостногодвигателя. Камеру сгорания ЖРД на общую несущую способность целесообразно рассчитывать по предельным нагрузкам, не считаясь с местными концентрациями напряжений, поскольку обычно камера сгорания выполняется из достаточно пластичных материалов. Расчет охлаждающего тракта на местные прогибы ведут по допускаемым перемещениям [261, Критерием работоспособности плоской форсуночной головки является герметичность соединения форсунок с пластинами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
