Летательный аппарат ВК-1 (РД-45)

 

Министерство образования  и науки

Федеральное государственное  бюджетное

 образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

 «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 имени академика С.П. Королева

(Национально – исследовательский университет)»

 Кафедра конструкции и проектирования

 двигателей летательных аппаратов

 

 

 

ТРД ВК-1

 

Пояснительная записка  к курсовому проекту

 

 

 

 

 

       Студент     гр.2315   Борисов

Руководитель                      Е.А. Панин

 

Самара 2013

Реферат

Курсовая работа.

Пояснительная записка:  22 с., 6 рис., 2 табл., 4 источника.

 

ДВИГАТЕЛЬ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВУХКОНТУРНЫЙ  СО СМЕШЕНИЕМ ПОТОКОВ, КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВАЯ  СХЕМА,  ЛОПАТКА РАБОЧАЯ, ПРОЧНОСТЬ  СТАТИЧЕСКАЯ, КОЛЕБАНИЯ.

 

Определены тип, функциональное назначение и основные данные самолета и двигателя.

Составлена конструктивно-силовая схема.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

1 Летательный аппарат

2 Двигатель

3 Конструктивно-силовая схема двигателя

4 Расчет рабочих лопаток турбины 

на растяжение центробежными силами

5 Расчет рабочих лопаток турбины  на колебания

Заключение 

Список использованных источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

ВК-1 (РД-45) — первый советский турбореактивный  двигатель, производившийся серийно. Разработан под руководством Владимира Климова, производился на заводе ГАЗ-116. Основан на британском двигателе Rolls-Royce Nene, чертежи которого были проданы СССР с условием не использовать в военных целях. Этот шаг получил очень негативную оценку в западных военных кругах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Летательный аппарат

 

Ил-28 (по кодификации НАТО: Beagle —  «Гончая») — первый советский реактивный тактический бомбардировщик.

Постановление Правительства о  создании фронтового бомбардировщика  с турбореактивными двигателями  в ОКБ-240 вышло в июне 1948 года. Первый полёт машины с английскими двигателями «Нин» фирмы «Ролс-Ройс» состоялся 8 июля 1948 года. Госиспытания начались в феврале 1949 года, уже с отечественными двигателями РД-45Ф. Во время испытаний в НИИ ВВС выполнено 84 полёта с общей продолжительностью 75 часов. По результатам испытаний было записано 80 конструктивных дефектов, на устранение которых ушло около четырёх месяцев.

8 августа 1949 года доработанный  самолёт с новыми двигателями  ВК-1 вновь вышел на испытания,  по результатам которых было рекомендовано принять машину на вооружение и начать серийную постройку. Войсковые испытания проводились на первых построеных машинах в Московском ВО. Производство было организовано на заводах № 30 в Москве, № 166 в Омске и № 64 в Воронеже. 9 мая 1950 состоялся публичный показ Ил-28 — пролёт полка самолётов над Красной площадью г. Москвы.

Дополнительно производство самолётов  было развёрнуто ещё на двух авиазаводах  — № 1 и № 18. В 1950 году был построен первый экземпляр учебного самолёта Ил-28У. В 1951 году вышел на испытания торпедоносец Ил-28Т. В 1954 году поступил на вооружение разведчик Ил-28Р.

Всего было выпущено порядка 6000 экземпляров.

Помимо эксплуатации в ВС СССР, самолёт поставлялся в Китай, где в дальнейшем был освоено  его производство на авиазаводе в Харбине. Самолёт получил обозначение Н-5 (шесть китайских машин купила Румыния). В Финляндии летали 4 самолёта Ил-28 — буксировщиков мишеней. В 1955 году 30 самолётов получил Египет. Также машина эксплуатировалась в Алжире, Болгарии, Чехословакии, ГДР, Вьетнаме, Северной Корее, Йемене, Марокко, Кубе, Сомали, Сирии, Нигерии, Индонезии. В Афганистане вполне успешно воевали афганские экипажи 335-го смешанного авиаполка, и самолёт проявил себя достаточно хорошо в условиях гористой местности.

Ил-28 довольно быстро, уже к концу 50-х годов начал сниматься с эксплуатации и заменяться Як-28, в ряде полков — Ту-16. Небольшая часть машин была переоборудована в буксировщики мишеней и продолжали летать, остальные списаны.

В конструкции самолёта широко применялся алюминиевый сплав (дюраль) Д16Т. Силовой набор фюзеляжа из шпангоутов и стрингеров. Кабина герметизирована и звукоизолирована. Крыло прямое, трапециевидное, моноблочное двухлонжеронное, с углом установки 3 град и поперечным V 38 мин. Профиль крыла — СР-5С с относительной толщиной 12 %. Механизация крыла — обычные закрылки с углом отклонения 50 град. на посадке и 20 — на взлёте. Для управления по крену использовались элероны. Киль и стабилизатор стреловидные, симметричного профиля NACA-00. Угол стреловидности киля по линии фокусов — 41 град, стабилизатора — 30 град. Управление триммером руля направления и элеронов — электрическое, триммера РВ — механическая тросовая проводка и шестеренчатые механизмы.

Бомбовое вооружение самолёта включало 12 бомб ФАБ-100 или 8 ФАБ-250М46 или две ФАБ-500М46 или одну ФАБ-1500М46 (ФАБ-3000М46), в грузоотсеке. На торпедоносец Ил-28Т можно было подвесить одну реактивную торпеду РАТ-52 или мины — АМД-500, АМД-1000, «Лира», «Десна» и др. Для торпедометания использовался прицел ПТН-45, для установки которого пришлось изменить остекление кабины штурмана. Стрелковое вооружение включало две неподвижные пушки НР-23 в носовой части фюзеляжа (на торпедоносцах и разведчиках стояла одна носовая пушка) и две пушки в кормовой дистанционной установке Ил-К6 (Ил-К6М) с гидравлическим приводом.

 

 

Рисунок 1 – Самолет ИЛ-28

 

 

2. Двигатель

 

Рисунок 2 – ТРД ВК-1

 

 

Первый советский крупносерийный турбореактивный двигатель. По конструкции  представлял собой одновальный  ТРД с одноступенчатым центробежным компрессором и одноступенчатой турбиной. Двигатель ВК-1 серийно выпускался до 1958 года. Всего было изготовлено около 20 тыс. двигателей.  Двигатель ВК-1 использовался на самолете МиГ-15. Он развивал тягу в 26,5 кН (2700 кгс). По существу, ВК-1 был усовершенствованным аналогом британского двигателя Rolls Royce "Nene". Эти усовершенствования выражались в увеличении камеры сгорания, лопаток турбины, в установке выходного устройства трубного вида и способствовали большему забору воздуха двигателя.

 

После окончания Второй мировой войны в Советский союз попали немецкие двигатели, которые были использованы для первых советских реактивных самолетов, таких как МиГ-9. Конструкция этих двигателей стремительно устаревала, а качество как немецких оригиналов Jumo 004 и BMW 003, так и их советских клонов — РД-10 и РД-20 было невысоким. Однако, перед началом холодной войны в 1946 году британское лейбористское правительство во главе с Клементом Эттли в стремлении поддержать дипломатические отношения с Советским союзом дало компании Роллс-Ройс (Rolls-Royce) разрешение на вывоз 40 турбореактивных двигателей Rolls-Royce Nene центробежного типа. В 1958 году во время визита в Пекин Уитни Стрейт (Whitney Straight), позже председатель совета директоров Роллс-Ройс, обнаружил, что этот двигатель был скопирован, сначала под обозначением РД-45, а затем, после некоторой доработки, выпускался под обозначением ВК-1. Двигатель устанавливался на самолеты МиГ-15. Поскольку двигатель был скопирован без лицензии, позже компания Роллс-Ройс попыталась взыскать 207 миллионов фунтов стерлингов лицензионных сборов, однако без успеха.

Изначально РД-45 вызвал много проблем, связанных с конструкцией и материалами, однако затем его конструкция  была улучшена. Двигатель получил  обозначение ВК-1, от Rolls-Royce Nene он отличался большей камерой сгорания и большей турбиной, также было изменено прохождение воздуха через двигатель. На версии ВК-1Ф появился форсаж.

ВК-1 использовался на истребителях МиГ-15 и МиГ-17, бомбардировщике Ил-28, бомбардировщике-торпедоносце Ту-14.

В этом двигателе использовался  центробежный компрессор, а не более  прогрессивный осевой. Это требовало  большего диаметра фюзеляжа, чем для  двигателей с осевым компрессором.

 

Тяга на максимальном крейсерском  режиме, кН 26.52 (2700)

 

Удельный расход топлива, кг/кгс.год 1.07

 

Габаритные размеры, мм 

- длина 2640

- диаметр 1273

 

Сухая масса двигателя, кг 872

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Конструктивно – силовая схема двигателя

 

Конструктивно-силовая схема – это условное упрощенное графическое изображение двигателя с сохранением его геометрического облика и формы проточной части, содержащее ротор(ы) и статор со связывающими их опорами.

В конструктивно-силовой схеме  должны быть отображены основные конструкционные признаки двигателя – тип, количество, взаимное расположение и виды связей (соединений) его структурных элементов, представляющих собой функциональные части конструкции (компрессор(ы), турбина(ы), камера сгорания, входное и выходное устройства), а также силовые пояса, опоры, детали и элементы статора и ротора(ов), которые обеспечивают необходимую жесткость и прочность структурным элементам двигателя, воспринимают и частично замыкают действующие на них нагрузки, возникающие при работе двигателя, и передают равнодействующие этих нагрузок  на систему крепления двигателя к летательному аппарату.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Конструктивно-силовая  схема ТРД ВК-1

 

 

 

 

 

 

 

ВК-1 представляет собой одновальный  турбореактивный двигатель с  одноступенчатым двухсторонним  центробежным компрессором, 9 индивидуальными трубчатыми камерами сгорания и одноступенчатой турбиной. На модификации ВК-1Ф установлена форсажная камера.

 

Модификации:

ВК-1 - базовый. Устанавливался на самолётах  Ла-176, Ла-200, МиГ-15бис, Як-50.

ВК-1А - доработанный. Ресурс увеличен до 150 часов, а с 6 серии - до 200 часов. Устанавливался на самолётах Ил-28, МиГ-17, Ту-14.

ВК-1Ф - с форсажной камерой (первый в СССР). Тяга на форсаже составила 3380 кгс (форсаж длился до 3 минут). Выпускался в 1951-1958 годах. Устанавливался на самолёте МиГ-17Ф, МиГ-17ПФ.

Lis-5 - польский вариант ВК-1Ф. Устанавливался  на истребителе Lim-5 (копия МиГ-17Ф)  и его модификациях.

WP-5 - китайский вариант ВК-1Ф.  Выпускался с июня 1956 года. Устанавливался  на истребителе J-5 (копия МиГ-17Ф)  и его модификациях.

WP-5A - китайский вариант ВК-1А.  Выпускался с 1957 года. Устанавливался  на бомбардировщике H-5 (копия Ил-28).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет рабочих лопаток турбины на растяжение центробежными силами

 

В этой части работы выполняется  расчет на статическую прочность от действия центробежных сил рабочей лопатки турбины.

Расчетная схема показана на рисунке 4. Рассматривается линейное напряженное состояние – лопатка испытывает одноосное растяжение от действия центробежной силы массы пера.

                        а                                                          б

Рисунок 4 – а) Расчетная схема лопатки при расчете на прочность с бандажной полкой;

б) Основные геометрические характеристики профиля лопатки

Исходными данными для расчета  являются:

0-r – координатная ось, начало которой находится на оси двигателя и проходит через центр тяжести пера лопатки;

r₁, r₂ – втулочный и концевой радиусы лопаток ,м;

r₁=0,3 м;  r₂=0,48 м;

r_b – радиус расположения центра масс бандажной полки, м;

r_b =0,435 м;

m_b – масса бандажной полки, кг;

m_b=0,275 кг; ;

где - плотность материала лопатки;

F_b= m_b· r_b·ω²;

F_b=0,275 ·0,435·1015.3²=123313,53 H;

Т.к лопатка имеет бандажную  полку, то напряжения растяжения, создаваемые бандажной полкой складываются с напряжениями от собственной массы пера лопатки. Напряжения  от бандажной полки во втулочном сечении определяется по формуле:

σ_b= ,МПа;

σ_b= MПа;

l_П=(r₂-r₁) – длина лопатки ,м;

l_П =0,48-0,3=0,18 м;

Геометрические характеристики профиля  лопатки

b – хорда;

b_вт =0,05 м;  b_к=0,018 м;

d - максимальная толщина;

d_вт=0,01 м; d_к=0,009 м;

h – максимальный подъем средней линии профиля лопатки;

S_вт, S_к – площади втулочного и концевого сечений лопатки;

S_вт= 0,7× 0,05 × 0,01 =0,00035 м²;

S_к= 0,7 × 0,018 × 0,009=0,0001134 м².

Отношение площадей:

,

 

Показатель степени  q=0,55,

Напряжение растяжения во втулочном сечении определяется из выражения:

, МПа.

где м;

 плотность материала лопатки;

 - угловая скорость вращения ротора, рад/с;

n – частота вращения ротора, об/мин;

n=9700 об/мин;

рад/с.

Подставляя данные в формулу, напряжение растяжения равно:

  =102,96 МПа

;

102,96+350=452,96 MПа;

Рассчитаем отношение масс лопаток с изменяемой площадью поперечного сечения m_q и постоянной площадью поперечного сечения m₀ при различных q и d:

Определим запас прочности для  втулочного сечения:

,

где МПа – предельное напряжение.

Для турбинных лопаток за предельные напряжения принимают предел длительной прочности - напряжение, которое выдерживает материал в течение времени t при рабочей температуре T.

    Таблица1 – Расчет на прочность рабочих лопаток турбины (Т)

	lп, м	bвт, м	bк, м	dвт, м	dк, м	, МПа	k	kS (S=const)
Т	0,18	0,05	0,018	0,01	0,00*	102,96	1,1	0,53	0,324	0,564

Определим запас прочности  лопаток компрессора, предполагая его поперечное сечение постоянным по длине  =1.

 

 

 

 

Анализ результатов

1. Полученное значение запаса прочности k=1,1 меньше минимального значения запаса прочности, которое должно составлять k_min=2,0…3,0. Поэтому лопатка не удовлетворяет нормам прочности.

2. Считая величину поперечного  сечения постоянной по всей  длине лопатки  =1, то  k_s=0,53. Запас прочности уменьшился и стал ещё меньше минимального.

3. При постоянной площади поперечного  сечения S_вт масса лопатки турбины становится больше, чем при переменной площади. При постоянной площади поперечного сечения S_к масса лопатки турбины становится меньше, чем при переменной площади. Коэффициент запаса прочности при переменном сечении больше, чем при постоянном, так как напряжение растяжения во втулочном сечении при переменной площади сечения меньше, чем при постоянной площади.

4. Запас прочности лопатки обратно пропорционален квадрату частоты вращения. Поэтому, увеличивая частоту вращения ротора, мы уменьшаем запас прочности лопатки.

 

 

5 Расчет рабочей лопатки турбины на колебания

 

В этой части работы выполняется  расчет на динамическую прочность рабочей лопатки турбины, лопатки считаются монолитными.

Расчетная схема показана на рисунке 6.

Рисунок 5 – Расчетная схема лопатки с бандажной полкой при расчете на колебания.

Рассматривается простейшая динамическая модель свободных изгибных колебаний лопатки постоянного сечения для турбины без учета влияния температуры на частоту собственных колебаний. Так как реальная лопатка имеет бандажную полку, то она представляется в виде стержня постоянного сечения длиной с одним заделанным концом во втулочном сечении, а другим шарнирно закрепленным в концевом сечении лопатки:

Такая динамическая модель лопатки  имеет бесчисленное количество собственных  форм и собственных частот колебаний. Каждой собственной частоте соответствует своя форма колебаний. Расчет собственных частот производится по формуле:

, Гц;

 

где i – порядковый номер формы колебания (i=1,2,3,…)

a_i – безразмерный коэффициент, зависящий от номера формы колебаний, для первой изгибной формы a₁=3,927;

J – момент инерции сечения лопатки. Определяется по формуле:

;

h – максимальный подъем средней линии профиля лопатки.

h=0,022 м; тогда:

;

;

Подставляем данные в формулу расчета  собственной частоты:

Определяем влияние на собственную частоту лопатки центробежной силы, возникающей при вращении ротора, воспользовавшись выражением:

;

где - динамическая собственная частота лопатки, Гц;

       - секундная частота вращения ротора, с^-1;

n=9900 об/мин;

- постоянный коэффициент, зависящий  от геометрии пера лопатки;

Построим частотную диаграмму. Для этого определим рабочий  диапазон частот вращения ротора от малого газа n_мг до максимального n_мах и разобьем его на 5 равномерных частей:

n_max=162 c^-1;

n_мг=0,3× n_max=0,3×162=48,6 с^-1.

Для каждой частоты вращения ротора рассчитаем динамические собственные  частоты лопаток турбины. Расчеты  удобно оформлять  в  виде таблицы.

 

 

 

Таблица 2 – Зависимость динамической собственной частоты лопаток турбины (Т) от секундной частоты вращения ротора (частотная диаграмма)

	nc, c-1	0	50	100	150	200
Т	f1Д, Гц	1356,8	1361,6	1376,2	1400	1432,2

 

Построим диаграмму возбуждения. Колебания рабочих лопаток возникают  вследствие неоднородности потока газа в окружном направлении. Частота возбуждения определяется числом импульсов j, получаемых лопаткой за каждый оборот ротора

где j – номер гармоники возбуждения.

 

 

 

  

                                                                 и так далее.

При наложении частотной  диаграммы на диаграмму возбуждения  получаем резонансную диаграмму ступени, на которой вертикальными линиями отображаем границы рабочего диапазона частот вращения ротора от малого газа до максимального. Точки пересечения лучей диаграммы возбуждения с частотной диаграммой ступени определяют резонансы, обусловленные опасными гармониками.

Рисунок 6 – частотная диаграмма

Анализ результатов

1. На основании анализа резонансной  диаграммы ступени определили  опасные частоты вращения, эти  частоты обусловлены  действиями  гармоник с 23 по 75.

2. На колебание лопаток оказывают влияние:

а) конструктивные факторы:

 – обратная зависимость;

b,δ – прямая зависимость;

б) материал:

 – прямая зависимость;

в) частота вращения ротора:

 n – прямая зависимость.

3. Источники возбуждения резонансных колебаний лопаток возникают вследствие неоднородности воздушного потока, поступающего на лопатку из направляющих аппаратов и наличия вихревых струй, из-за неравномерности распределения плотности материала по длине лопатки.

4. Способы обеспечения вибропрочности  лопаток: демпфирование, подбор  материала лопатки, изменение профиля лопатки,  повышение качества поверхности лопатки, упрочнение лопатки, исключение неравномерности отбора воздуха при перепуске.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

По конструкции ВК-1 — одновальный  турбореактивный двигатель с  одноступенчатым центробежным двухсторонним  компрессором, девятью индивидуальными  трубчатыми камерами сгорания и одноступенчатой  турбиной.

Двигатели ВК-1 и ВК-1А применялись на серийных самолётах МиГ-15бис, МиГ-17, Ил-28, Ту-14. ВК-1Ф устанавливался на всепогодных перехватчиках МиГ-17Ф и МиГ-17ПФ и разведчике МиГ-17Р.

Двигатели ВК-1 серийно выпускались  до 1958 г. в СССР, Польше, Чехословакии, Китае; всего было изготовлено около 20 000 двигателей.

Двигатели ВК-1, выработавшие лётный ресурс, использовались на специальных установках, для очистки аэродромов от снега  и льда, обогрева плантаций, дезактивации техники и т.д. В 1954 г. на Горьковском  автозаводе был создан и испытан  реактивный гоночный автомобиль ГАЗ-ТР с двигателем ВК-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников:

 

1.   Лекционный материал по  курсу.

2. Е.А. Панин, Д.С. Лежин «Основы  проектирования и конструирования»/СГАУ. – Самара, 2003. – 32с.

3. Электронная энциклопедия «Силовые установки: Авиационные, Ракетные, Промышленные (1944-2000)». – 1998-2000. – 277с.

4. Препарированные двигатели-макеты ЦИАМа, чертежи их продольных разрезов и основные данные к ним.