ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ЛОПАТКИ И ДЕТАЛЕЙ РОТОРА ЦВКД ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 623.746.-519

ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ЛОПАТКИ И ДЕТАЛЕЙ РОТОРА ЦВКД ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ

С.Д. Шелопугин*, И.А. Андреев Научный руководитель - Г. Д. Коваленко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

*E-mail: shelopugin.sd@gmail.com

В данной статье рассматривается прочностной расчет лопатки и деталей ротора беспилотного летательного аппарата с цилиндрическим крыльчато-вихревым движителем под действием центробежных сил.

Ключевые слова: крыльчато-вихревой движитель, центробежные силы, опоры ротора.

STRENGTH CALCULATION OF THE BLADE AND ROTOR PARTS OF THE CIVM UNDER THE ACTION OF CENTRIFUGAL FORCES

S. D. Shelopugin*, I. A. Andreev Scientific Supervisor - G. D. Kovalenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: shelopugin.sd@gmail.com

This article discusses the strength calculation of the blade and rotor parts of an unmanned aerial vehicle with a cylindrical wing-vortex propulsion under the action of centrifugal forces.

Keywords: vane-vortex propulsion, centrifugal forces, rotor supports.

Гражданский рынок беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) России в настоящее время характеризуется начальным ростом и развитием спроса и может стать прорывом в современном мире коммерции, когда ведущие технологические предприятия страны создадут условия для внедрения соответствующих технологий.

Быстрое развитие технологий БПЛА в мире, а также возрастающий спрос их технологий в гражданской и коммерческих сферах мира и России требуют дополнительных исследований по возможностям их двойного применения с освоением гражданского рынка. На котором проводятся исследования по расширению диапазона выполняемых работ, которые могут быть востребованы определенной группой потребителей рынка и его сегментами [1].

В нашей ранней работе был дан обзор применения БПЛА, в том числе для использования в сельском хозяйстве [2]. В данной работе рассматривается вопрос использования БПЛА с цилиндрическим крыльчато-вихревым движителем (ЦКВД) [3].

Внешний вид лопатки представлен на рисунке 1.

Секция «Эксплуатация и надежность) авиационной техники»

Рис. 1. Внешний вид лопатки

Исходные данные для расчета закрепления лопатки под действием центробежных сил сведены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчетов ^_

Число оборотов ротора п 1000 об/мин

Масса лопатки т 0,07758 кг

Радиус главного вихря (по центру давления лопаток) Я 0,1 м

Коэффициент подъемной силы лопатки Су 1.2

Плотность воздуха на высоте 100 м Р 1,2 кг/м3

Рцб = -;т- = ---= 85,04 Н

1. Расчёт ЦБ силы:

Для расчета центробежной силы необходимо найти линейную скорость V: п^Ъ^п 3,14 • 2 -0,1-1000

У = —77— =-77-=-77-= 10,47м/с

60 60 60 '

Далее по формуле рассчитываем центробежную силу Fцб:

т^У2 _ 0.07758 • 10,472

Поскольку на лопатку помимо центробежной силы действует подъемная сила Ya, необходимо рассчитать и её:

р•У2 У =С ---5

1 а У 2

где Б - проекция площади лопатки на плоскость

5 = 150 • 51 = 7650мм2 = 0,00765м2

12 • 10 472 Уа = 1,2--^--0,00765 = 0,6 Н

Поскольку помимо вращения ротора для создания достаточной подъемной силы используется набегающий воздушный поток, рассчитать окончательное значение подъемной силы не получиться. При испытаниях на стенде набегающий поток создается путем вращения установки с противовесом вокруг центральной оси (Рис.2) N=66 об/мин.

Скорость обтекания лопатки при одновременном вращении ротора ЦКВД и стенда V2 равна:

У2 = 10,47 + 10,36 = 20,83 м/с Следовательно, подъемная сила в этом случае Ya2:

1,2 • 20,832 Уа2 = 1,2-2-- 0,00765 = 2,4 Я

Сумма сил, действующих на лопатку Б:

¥ = ¥цб + Уа2 = 85,04 + 2,4 = 87,24 Я

Крепления лопатки к барабану ротора должны выдерживать нагрузку в 87,24 Н. Поскольку носовая часть лопатки крепиться к барабану мотоциклетной спицей диаметром 2 мм, которая точно выдержит заданные нагрузки, то рассчитать необходимо только крепления задней кромки лопатки. Одно крепление задней кромки должно выдерживать нагрузку в 21,8 Н. Для заданных условий подобрали заклепку ГОСТ 10299-80 диаметром 2 мм и длинной стержня 5 мм. Она изготовлена из алюминия и имеет разрушающую нагрузку на срез не менее 300Н.

2. Расчет толщины алюминиевой рамы, в которую впрессован стальной шип, являющийся одной из двух опор ротора ЦКВД проведен в программе 3Б моделирования «SolidWorks 2020». Результаты расчета представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Расчеты в программе «SolidWorks 2020»: а) Деформация; б) Напряжение

Моделирование показало, что достаточная толщина стенки 5мм., для работы рамы без деформаций.

В работе произведен расчет на прочность крепления лопатки, в частности расчет крепления задней части лопаток. По результатам расчета, нами была выбрана заклепка: ГОСТ 10299-80 диаметром 2 мм и длинной стержня 5 мм. Так же был произведен расчет, достаточной для безопасной работы, толщины рамы ЦКВД. Толщина рамы равна 5мм.

Библиографические ссылки

1. Афанасьев П. П., Голубев И. С., Новиков В. Н. и др. Беспилотные летательные аппараты. Основы устрой-ства и функционирования / под ред. И. С. Голубева, И. К. Туркина. 2-е изд., перераб. и доп. М., 2008. 656 с.

2. М. А. Андреев, И. А. Андреев, С. Д. Шелопугин, С.И. Меркулов. Компоновочная схема циклолета / Актуальные проблемы авиации и космонавтики: сб. статей, том 2 -Красноярск, 2021. - с. 595-597.

3. Принцип действия и конструкция крыльчатого движителя [Электронный ресурс]. URL: https://sudoremont.blogspot.com/2014/08/krilchatie-dvijitely.html (дата обращения: 30.03.2022).

© Шелопугин С. Д., Андреев И. А., 2022