Расчет на прочность импульсной камеры сгорания

Импульсный детонационный двигатель является сложной технической установкой, основной частью которого является импульсная камера сгорания. К камере сгорания общего назначения предъявляют следующие требования:

1. Устойчивое горение;
2. Высокая полнота сгорания;
3. Малые потери полного давления при прохождении газа через камеру сгорания;
4. Минимальные массогабаритные характеристики;
5. Надежность запуска двигателя, особенно при большой высоте полета.

В импульсных детонационных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливовоздушной смеси. После детонации и выхода реактивных газов камера сгорания продувается, вновь наполняется смесью – и следует новый «взрыв». Для получения высокой и стабильной тяги этот цикл должен осуществляться с большой частотой – от десятков до тысяч раз в секунду.

Конструктивно импульсная камера сгорания представляет собой полый цилиндр с определённым количеством препятствий. Импульсная камера сгорания представляет собой детонационную трубку постоянного диаметра, площадь поперечного сечения которого определяется следующей формулой:

F=pi*d²/4.

Где: F – площадь входного сечения;

d – диаметр окружности.

Импульсная камера сгорания включена в силовую схему импульсного детонационного двигателя. Наиболее опасным является такой режим работы двигателя, который осуществляется в непосредственной близости с земной (водной) поверхностью с наибольшей допустимой скоростью. На импульсную камеру сгорания воздействует следующие виды сил:

1. Напряжения растяжения по образующей от перепадов давления внутри и снаружи камеры сгорания p изб;
2. Напряжения растяжения от действия осевых сил P ос;
3. Напряжения от изгиба под действием сил собственного веса и сил, передающихся от соседних элементов корпуса двигателя;
4. Касательные напряжения от крутящего момента M кр, передаваемых на выходное устройство импульсного детонационного двигателя.

Стоит отметить, что газовая турбина, как в стандартных газотурбинных двигателях, отсутствует из-за высокого воздействия степени повышения давления топливовоздушной смеси.

Из-за того, что наибольшую величину имеют напряжения растяжения детонационной трубки по образующей от воздействия перепады давления, формула для расчёта напряжений будет иметь следующий вид:

G=p изб*d/(2*delta).

Где: G – напряжение от воздействия перепады давления;

delta – толщина применяемого материала.

Анализ дефектов камер сгорания показывает, что появление трещин обусловлено возникновением больших вибрационных колебаний. Вибрационные колебания обусловлены неравномерностью давления и скоростей потока воздуха, поступающего из компрессора для осуществления термодинамического цикла.

Опасными для прочности импульсной камеры сгорания являются колебания, возникающие при резонансе мажорных гармоник переменного давления внутри камеры. Задачей расчёта импульсных камер сгорания является оценка возможностей возникновения опасных резонансов и получение вибрационной характеристики для анализа возможных причин вибрационного разрушения элементов камер сгорания.

Резонансы легко определяются по частотной диаграмме, для построения которой необходимо знать частоты собственных колебаний импульсной камеры сгорания и их зависимость от внешних условий. К внешним условиям относятся следующие случаи:

1. Неравномерность газового потока;
2. Дефекты подшипников и препятствий;
3. Колебания корпусов и других элементов летательного аппарата.

При вращении ротора импульсного детонационного двигателя совершаются вибрационные колебания из воздействия крутящего момента М кр. По мере увеличения частоты вращения увеличивается величина прогиба импульсной камеры сгорания из-за воздействия возникающих центробежных сил. Силой, препятсвующей возникновению резонансных колебаний, является сила упругости детонационной трубки. Поэтому условием равнопрочности импульсной камеры сгорания является следующая математическая зависимость:

Ky=mw²(y+e).

Где: k – коэффициент жёсткости детонационной труб;

y – величина прогиба детонационной трубы;

m – масса детонационной трубы;

e – эксцентриситет детонационной трубы.

Для определения частот осесимметричных колебаний можно обратиться в источник [1].

Таким образом, была составлена математическая модель расчёта на прочность импульсной камеры сгорания. Наиболее опасным явлением является возникновение резонансных колебаний из-за воздействий условий, упомянутых выше.