Конструкция самолётов и вертолётов

(для студентов заочного отделения)

 

Направление подготовки: 511 – Авиационная и ракетно-космическая техника

Специальность–6.051101 Авиа- и ракетостроение

Технология самолёто - и вертолётостроения

 

Автор: ст. преподаватель Данов А. С.

 

 

Киев 2016

 

3. КРЫЛО. Общие сведения. 1

 

3.1. Внешние формы крыльев……………………………………………………………….. 2

 

3.2. Нагрузки крыла…………………………………………………………………………. 4

 

3.3. Основные силовые элементы крыла…………………………………………………. 5

3.3.1. Обшивка. 6

2.3.2. Лонжероны.. 6

3.3.3. Продольные стенки. 8

3.3.4. Стрингеры.. 8

3.3.5. Нервюры.. 9

3.4. Силовая работа крыла. 10

3.5. Конструктивно-силовые схемы крыльев. 14

3.5.1. Лонжеронная схема крыла. 15

3.5.3. Моноблочная схема крыла. 18

3.5.4. Сравнительная оценка силовых схем крыла. 18

3.5.5. Подкосные схемы крыльев. 19

3.6. Органы управления на крыле. 19

3.7. Механизация крыла. 21

3.8. Стреловидные крылья. 23

3.9. Треугольные крылья. 24

3.10. Крылья с изменяемой в полете стреловидностью.. 25

3.11. Вопросы для самоконтроля и тренинга. 27

3.12. Конструктивные примеры выполнения крыльев на различных самолётах. 28

3.12.1. КРЫЛО САМОЛЕТА А-20С «БОСТОН». 28

3.12.4. КРЫЛО САМОЛЕТА МИГ-15. 47

3.12.5. КРЫЛО САМОЛЕТА ЯК-25. 55

3.12.6. Крыло самолета Ил-28. 75

3.12.7. Конструкция крыла самолета ТУ – 154М... 95

3.12.8. Крыло самолета Су - 15. Характеристики самолета. 125

3.12.9. Самолёт Ан-28…………………………………………………………………… 144

 

КРЫЛО

Общие сведения
Крыло – основная несущая поверхность самолёта, которая создает аэродинамическую подъемную силу, обеспечивающую полёт, а также поперечную устойчивость, балансировку и управляемость самолета. Крыло может использоваться для крепления мотогондол двигателей (Рис. 3.1) и шасси, для размещения топлива, оборудования, пилонов вооружения (Рис. 3.2) и другой полезной нагрузки. Крыло должно обладать высокой несущей способностью, минимальным аэродинамическим сопротивлением и высоким качеством на основных режимах полета, иметь достаточную прочность и жесткость при наименьшей массе конструкции, а также хорошие технологические и эксплуатационные качества.

Рис. 3.1. Крепление мотогондол двигателей

ТВД и пилонов подвески на крыле Рис. 3.2. Крепление пилонов вооружения и воздухозаборника на крыле штурмовика Су-25

 

3.1. Внешние формы крыльев

Внешний вид крыла характеризуется видом крыла в плане, профилем поперечного сечения и углом поперечного V на виде спереди. Форма крыла в плане определяется его удлинением l= l ²/S (l - размах крыла, S - площадь крыла), сужением h=b₀/b_к (b₀ - центральная или корневая хорда, b_к - концевая хорда крыла), углом стреловидности c. Угол стреловидности - угол между линией, проходящей через переднюю кромку, либо линию четверти хорд крыла и перпендикуляром к плоскости симметрии самолета. Для треугольных крыльев этот угол измеряется по передней кромке крыла. Наиболее распространены следующие формы крыльев в плане (Рис. 2.3. а) б)):

а) б)

Рис.3.3. Стреловидность и разные формы крыла на виде в плане

· прямое (прямоугольное а), трапециевидное б), овальное и их комбинации),

· стреловидное; при этом, прямая стреловидность – когда концевая часть крыла сдвинута назад по полету г), обратная стреловидность – когда конец крыла сдвинут вперед (На самолёте СУ-47 "Беркут"), существуют также крылья двойной стреловидности;

· треугольное в), и его разновидности: двойная дельта, оживальное крыло,

· крыло с изменяемой в полете стреловидностью (целиком поворотная консоль, как на Миг-23.

Рис. 3.4. Схема самолёта Миг-23

· либо поворотная часть консоли, как на самолёте Су-17).

Рис. 3.5. Схема самолёта Су-17

В поперечном сечении крыло представляет собой аэродинамический профиль, характеризуемый его относительной толщиной:

с_max - максимальная толщина профиля, b - хорда крыла.

3.2. Нагрузки крыла

В полете, при взлете и посадке на крыло действуют следующие нагрузки (Рис. 3.4.):

Рис. 3.4. Основные аэродинамические силы крыла

· аэродинамические силы разряжения или избыточного давления, распределенные по поверхности крыла (q_в),

· массовые инерционные нагрузки от массы конструкции крыла, в том числе и его сила тяжести, распределенные по объему конструкции крыла (q_кр),

· сосредоточенные нагрузки от инерционных сил и сил тяжести агрегатов и грузов, приложенных в узлах их крепления к крылу (P_агр.).

Упрощённая схема нагружения крыла показана на Рис.3.5.

Рис. 3.5. Упрощённая схема нагружения крыла

Все нагрузки, приложенные к крылу, уравновешиваются реакциями в узлах его крепления к фюзеляжу (R_Ф) (Рис. 3.6.).

Рис. 3.6. Крыло обычное и с подкосом

На стоянке на крыло действуют массовые нагрузки (Рис. 3.7.)

 

Рис. 3.7. Крыло на стоянке Рис. 3.8. Изгиб крыла в полёте

В результате воздействия воздушной нагрузки крыло испытывает деформацию изгиба (Рис. 3.8.)

3.3. Основные силовые элементы крыла

Основными элементами крыла являются Рис. 3.9.:

· обшивка, а также продольные элементы

·:лонжероны,

· продольные стенки,

· стрингеры;

· панели, состоящие из обшивки и стрингеров;

· поперечные элементы:

· нервюры,

Рис. 3.9. Основные силовые элементы крыла

Обшивка

Внешняя поверхность крыла образуется обшивкой. У самолетов с небольшими скоростями полета может использоваться полотняная обшивка из хлопчатобумажных или синтетических тканей. На большинстве современных самолетов используется металлическая обшивка из алюминиевых сплавов. На сверхзвуковых скоростях полета находят применение обшивки из стали или титановых сплавов. В последнее время все шире начинают использоваться обшивки из композиционных материалов (КМ) - стекло-, угле-, боропластики.

Конструктивно обшивка может изготавливаться из металлических листов постоянной или переменной толщины. В качестве обшивки могут использоваться монолитные оребрёные панели, получаемые фрезерованием, штамповкой или прессованием, клееные или сварные панели с сотовым заполнителем, клееные панели из КМ. Поверхность обшивки должна быть очень гладкой, допустимая шероховатость не более 5 мкм. С этой целью на обшивку наносится лакокрасочное покрытие с последующей полировкой.

Обшивка должна обеспечивать герметичность конструкции. Перетекание воздуха через щели в стыках обшивки увеличивает сопротивление крыла и ухудшает его аэродинамические качества.

Одна обшивка, как правило, не может обеспечить необходимой прочности и жесткости крыла, поэтому ее изнутри приходится подкреплять каркасом, состоящим из продольного и поперечного набора. К продольному набору относятся лонжероны, продольные стенки и стрингеры. Поперечный набор состоит из нервюр.

Лонжероны

Лонжероны представляют собой тонкостенные силовые балки, состоящие из поясов и связывающих их стенок (Рис. 3.10.).

 

в)

Рис. 3.10. Типовой вид а), б) в) и сечения лонжерона крыла с)

Рис. 3.11. Балочный а) и ферменный б) лонжерон

По конструктивно-силовой схеме лонжероны бывают ферменными (Рис. 3.11 б), балочными (Рис. 3.11 а) и и ферменно-балочного типа. Балочные лонжероны состоят из поясов, стенок и подкрепляющих стоек. Лонжероны могут быть составными, собираемыми из отдельных элементов, или монолитными, изготавливаемыми штамповкой либо фрезерованием в виде одной детали. Силовые элементы лонжеронов изготавливаются из высокопрочных алюминиевых сплавов, сталей, титановых сплавов, КМ. При изгибе крыла пояса лонжерона работают на растяжение - сжатие, а стенка воспринимает касательные усилия. Для снижения массы конструкции материал поясов должен располагаться на наибольшем удалении от нейтральной оси сечения лонжерона (Рис. 3.10.).

Типовые сечения лонжеронов показаны на Рис. 3.12.

Рис. 3.12. Типовые сечения лонжеронов крыла

В крыльях с большой строительной высотой вместо балочных лонжеронов применяются ферменные лонжероны.

Продольные стенки

Продольные стенки – это такие типы лонжеронов (Рис. 3.12.), которыеставятся для получения замкнутого контура крыла в случае, когда его хвостовая часть вырезана под элероны или закрылки, а также для увеличения жесткости крыла в вертикальном направлении. От лонжеронов стенки отличаются отсутствием силовых поясов, а также наличием шарнирных, а не моментных узлов крепления. Слабые пояса в виде прессованных или гнутых уголков могут использоваться для удобства приклепывания к стенке обшивки.

Рис. 3.13. Лонжероны в форме продольных стенок

Стрингеры

Стрингеры – это продольные элементы. которые используются для подкрепления обшивки (Рис. 3.14.). Конструктивно выполняются в виде гнутых или прессованных профилей различного сечения. Стрингеры крепятся к обшивке и к нервюрам.

Рис. 3.14. П оперечные сечения стрингеров крыла

Нервюры

Нервюры – элементы продольного набора крыла. которые обеспечивают сохранение в полете заданной формы профиля и восприятие местной воздушной нагрузки крыла. Обычно нервюры разрезаются в местах пересечения с лонжеронами и продольными стенками и стыкуются с ними по всей высоте с помощью отбортовок или уголков-стоек. Также в нервюрах могут выполняться вырезы под стрингера.

 

Рис. 3.15. Внешний вид нервюры крыла

Иногда нервюры разрезаются в плоскости хорд для улучшения технологических свойств крыла (Рис. 3.15.).

Рис. 3.15. Разрез нервюры в плоскости хорд

Наибольшее распространение получили нервюры, изготавливаемые штамповкой из листа. Края нервюр отгибаются для приклепывания к вертикальным стенкам и к обшивке (Рис. 3.16.). Избыточная прочность нервюры позволяет вырезать в ней отверстия облегчения. Для повышения устойчивости отверстия облегчения отбортовываются, а в стенке нервюры штампуются глухие канавки - зиги.

Рис. 3.16. Нервюры, изготавливаемые штамповкой, зиги и отверстия облегчения

В местах приложения больших сосредоточенных нагрузок устанавливаются усиленные нервюры, имеющие усиленные пояса 1 и толстые стенки 2 с отверстиями облегчения 3 и подкрепляющими рёбрами 4..

Рис. 3.17. Усиленная монолитная нервюра

1 – пояс нервюры; 2 – стенка нервюры; 3 – отверстие облегчения; 4 – усиливающие рёбра-стойки

Силовая работа крыла

С точки зрения строительной механики крыло представляет собой консольно закрепленный брус, загруженный аэродинамическими и массовыми нагрузками (Рис. 3.18.), которые вызывают деформации сдвига, изгиба и кручения (Рис. 3.19.).

 

Рис. 3.18. Нагрузки, действующие на крыло

Величина действующих сил, их распределение по размаху и хорде определяются при проведении прочностного расчета крыла. Отдельно рассматривается общая силовая работа крыла как бруса и работа его элементов при восприятии местной воздушной нагрузки.

 

Рис. 3.19. Нагрузки на крыло

С помощью этих эпюр проверяется прочность основных элементов крыла во всех расчетных сечениях. В первом приближении вполне допустимо полагать, что в любом сечении крыла вся перерезывающая сила воспринимается работающими на сдвиг вертикальными стенками, крутящий момент - потоком касательных усилий в элементах замкнутого контура сечения, а изгибающий момент - осевыми усилиями в наиболее удаленных от нейтральной оси сечения элементами - поясами лонжеронов или силовыми панелями крыла (Рис. 3.20, Рис. 3.21.).

Рис. 3.20. Изгиб и кручение крыла Рис.3.21. Нагружение крыла силами и моментами

В каждом сечении крыла действуют: поперечная сила, Q, изгибающий момент

M _изг., крутящий момент, M _крут..

Поперечная сила – это равнодействующая аэродинамических сил, с учётом разгрузки, приведенная к центру жёсткости (Рис. 3.20.). Поперечная сила в сечении крыла воспринимается потоком касательных усилий,возникающих в обшивке, стенках лонжеронов и нервюр.

Изгибающий момент образуется за счёт поперечной силы и воспринимается растяжением-сжатием (пара сил – N, Рис. 3.23.)поясов лонжеронов и панелей, образованных работающей обшивкой и стрингерами.

Крутящий момент возникает из-за несовпадения центра давления и центра жёсткости и воспринимается потоком касательных усилий, возникающих в замкнутом контуре, образованном работающей обшивкой и стенками лонжеронов.

В тех местах, где стоят нервюры, крутящий момент воспринимается изгибом нервюр, а значит, растяжением-сжатием поясов нервюр.

Рис. 3.22. Уравновешивание Рис. 3.23. Нагрузки в сечении крыла

крыла в сечении

По известным нагрузкам строятся эпюры изменения по размаху крыла перерезывающих сил Q, изгибающих M и крутящих M_z моментов (Рис. 3.24.).

Рис. 3.24. Эпюры нагрузок, действующих на крыло

Рис. 3.25. Нагружение тонкостенной балки крыла

Местная воздушная нагрузка в виде избыточного давления или разряжения создает поперечную нагрузку для обшивки и вызывает в ней изгибные деформации (Рис. 3.26.).

 

Рис. 3.26. Нагрузки, действующие на обшивку, стрингер и крепёжные элементы крыла

Уравновешивающие реакции возникают по стыковым швам, соединяющим обшивку со стрингерами, нервюрами, поясами лонжеронов и стенок (рис. 3.26.). Эти реакции для стрингеров являются поперечной нагрузкой и заставляют их работать на изгиб. Опорами для них служат нервюры. Вертикальная нагрузка, передаваемая с обшивки и стрингеров на нервюру уравновешивается реакциями стенок, с которыми связана нервюра, а также потоком касательных усилий со стороны замкнутого контура, на который опирается нервюра.

Рис. 3.27. Замкнутые контуры крыла при работе на кручение

Напряжения в элементах крыла от местной нагрузки обычно невелики и часто не учитываются. Исключением являются нервюры, для которых местная нагрузка является основной. При рассмотрении местного нагружения элементов крыла обычно определяющим для них является не прочность, а жесткость, т.е. их деформации, от которых зависит искажение внешних обводов крыла под нагрузкой.