Глава 12 - Системы ГТД

Любое масло при работе вспенивается. Кроме того, откачивающие насосы вместе с маслом захватывают значительное количество воздуха. Поэтому необходимо, чтобы производительность откачивающего насоса значительно превышала производительность нагнетающего.

В тех маслосистемах, где давлением масла на входе в двигатель регулируется, в нагнетающем насосе устанавливают редукционный тарельчатый, шариковый или золотниковый клапан 5, который находится под давлением масла на выходе из насоса. Эта сила уравновешивается силой упругости пружины, с предварительной затяжкой равной заданному значению давления масла в системе. При небольшой скорости вращения шестерен производительность насоса и давление масла ниже заданных, и редукционный клапан закрыт. При определенных оборотах давление достигает величины открытия клапана. Дальнейшее увеличение оборотов сопровождается ростом производительности насоса и силы давления масла на клапан, вследствие чего клапан открывается больше, перепуская часть масла на вход в нагнетающую ступень. Количество перепускаемого масла определяется разностью между производительностью нагнетающей ступени и потребной прокачкой масла через двигатель.

С увеличением высоты полета давление воздуха в масляном баке уменьшается и одновременно снижается производительность насоса. Редукционный клапан, поддерживая постоянное давление масла в системе, прикрывает отверстие для перепуска масла. На высоте полета, при которой производительность насоса становится равной прокачке масла через двигатель, редукционный клапан закрывается полностью. Дальнейшее увеличение высоты полета приводит к понижению производительности насоса и давления масла в системе.

На некоторых типах двигателей в одном корпусе с масляными насосами устанавливают фильтры, воздухоотделители и другие агрегаты. Это уменьшает длину маслопроводов и массу конструкции, повышает надежность.

12.6.5.3 - Теплообменники

В большинстве ГТД с замкнутой маслосистемой комфортное температурное состояния поверхностей трения обеспечивают подачей к ним охлажденного в ТМТ масла. В ТМТ используется хладоресурс топлива.

Применяются ТМТ двух типов - низкого или высокого давления. В первом случае топливо для охлаждения масла отбирается из топливной маги-

страли до топливного насоса, во втором - за ним. ТМТ высокого давления отличаются компактностью, но, находясь под высоким давлением топлива, они должны обладать высокой прочностью и надежностью.

Когда хладоресурса топлива недостаточно, в маслосистеме дополнительно устанавливают ВМТ.

Выбор теплообменников для охлаждения масла производится из условий обеспечения заданных температур масла на всех режимах работы ГТД.

Âзависимости от места расположения теплообменника маслосистемы различаются на системы

ñ«горячим» и «холодным» баком. В маслосистеме

ñ«горячим» баком теплообменник устанавливается в магистрали подвода масла в двигатель, с «холодным» баком - в магистрали откачки.

Âмаслосистеме с «горячим» баком благодаря рациональному и конвективному теплообмену масло передает окружающей среде ощутимую часть тепла, снижая тем самым нагрузку на теплообменник, что позволяет уменьшить его размеры. В системах с «горячим» баком высокая температура масла в баке приводит к значительному уменьшению его вязкости и увеличению скорости отделения воздуха. Однако, в подобных системах масло в баке постоянно подвержено высокой температуре, что может ускорить процесс его окисления.

На двигателе ПС-90А и двигателях СF6-80С2, СFM.56-5 фирмы General Electric маслосистемы выполнены с «холодным» баком, а на двигателях RB211-535Е4, PW.2037, PW.4060, V.2500 маслосистемы с «горячим» баком [12.6.8.11].

При установке теплообменника в магистрали нагнетания в нем допускается достаточно высокое гидравлическое сопротивление и, тем самым, обеспечивается более интенсивный теплообмен. Для предупреждения поломки теплообменники оборудуются перепускными клапанами, которые защищают их от недопустимого давления используемых жидкостей. Если нужен ускоренный прогрев масла во время запуска двигателя, в теплообменниках может быть предусмотрен термостатический клапан.

ÂГТУ для охлаждения масла могут использоваться вода или другие теплоносители. Масляные теплообменники могут иметь трубчатую или пластинчатую конструкцию.

На Рис. 12.6.5.3_1 приведен ТМТ двигателя RB211. Топливо, поступающее в теплообменник, проходит по трубкам 1, а горячее масло проходит по межтрубной полости. Наличие внутри ТМТ перегородок 2 удлиняет путь масла, увеличивает его скорость и эффективность охлаждения. ТМТ обо-

862

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.6.5.3_1 – Теплообменник топливомасляный (Печатается с разрешения

Rolls-Royce plc.)

1 - пучки труб; 2 – перегородка; 3 –клапан перепускной по маслу; 4 – датчик температуры масла

Рисунок 12.6.5.3_2 – Теплообменник воздухомасляный (Печатается с разрешения

Rolls-Royce plc.)

рудован клапаном перепускным 3, который открывается при увеличении перепада давления в масляной полости свыше допустимого (например, в слу- чае его засорения), при этом часть масла со входа сразу поступает на выход из теплообменника, предохраняя ТМТ от поломки. На выходе масла из теплообменника установлен датчик 4 замера температуры масла.

В теплонапряженных ГТД предусмотрено регулирование работы ТМТ. Например, если температура топлива поднимается выше допустимой, увеличивают расход топлива через теплообменник или предусматривают дополнительное подключе-

ние воздухомасляного теплообменника (см. Рис. 12.6.5.3_2).

В воздухомасляном теплообменнике продуваемый через трубки воздух охлаждает масло, которое омывает межтрубное пространство. Как правило, воздухомасляный теплообменник устанавливается на пути потока воздуха в газовоздушном тракте ГТД или через него продувается воздух, отбираемый от компрессора.

Методика расчета теплообменных секций приведена в [12.6.8.12].

12.6.5.4 - Фильтры и очистители

При работе двигателя в масло неизбежно попадают загрязняющие его частицы: посторонние частицы, продукты окисления и износа, колонии бактерий и продукты их жизнедеятельности. Содержащиеся в масле загрязняющие вещества попадают в зазоры между рабочими поверхностями деталей двигателя и агрегатов, оказывают абразивное воздействие, а также вызывают закупоривание различных жиклеров, форсунок и дроссельных каналов. Кроме того, механические частицы способствуют разрыву масляной пленки, ухудшают режим смазки и вызывают повышенное окисление масла.

Вредные для работы двигателя включения удаляют из масла, пропуская его либо через пористые и ячеистые материалы (фильтрация), либо через различные силовые поля (очистка). Агрегаты, которыми осуществляется фильтрация, называются фильтрами. Агрегаты, которыми осуществляется очистка, называются очистителями.

Опыт эксплуатации ГТД показал, что для обеспечения их надежной и безопасной работы требуются несколько типов фильтров:

-фильтры очистки масла;

-фильтры защитные;

-фильтры последнего шанса.

èтонкой очистки масла.

Фильтры могут быть с перепускными, отсеч- ными клапанами или без них.

Фильтры очистки масла сохраняют работоспособность и эффективность узлов трения двигателя, маслосистемы и самого масла в течение длительного времени. Защитные фильтры предотвращают внезапный отказ какого-либо узла двигателя. Они задерживают крупные частицы, размеры которых значительно больше зазоров в парах трения. Фильтры последнего шанса, как показано в разделе 12.6.2.2, исключают засорение жиклерных отверстий и защищают узлы трения от проникновения в них крупных частиц.

863

Глава 12 - Системы ГТД

Важнейшими параметрами фильтров являются: тонкость фильтрации и степень очистки масла от включений, пропускная способность, создаваемое сопротивление, ресурс, срок службы и проч- ность.

Фильтры могут удалять из масла частицы любого происхождения, если их размеры больше размеров ячеек (пор) фильтрующего материала. Очистители же удаляют только такие частицы, ко-

Рисунок 12.6.5.4_1 - Зависимость относительной долговечности подшипника качения от абсолютной тонкости фильтрования масла а) фильтрующий материал; б) фильтр; 1 – полотна стекловолокон

ные; 2 – кусочки стеклянных волокон, зафиксированные между собой; 3 – сигнализатор флажковый максимального перепада давления на фильтре;

4– датчик-сигнализатор перепада давления на фильтре;

5– клапан отсечной; 6 – клапан перепускной; 7 – крышка фильтра; 8 – корпус фильтра;

9– фильтроэлемент;

10– пробка сливная

торые способны взаимодействовать с силовым полем данного очистителя. Очистители не создают в системе значительного сопротивления даже тогда, когда они удаляют из масла мельчайшие частицы. В очистителях используют гравитационное, центробежное и магнитное поля. Часто возможно сочетание в системе фильтров и очистителей.

В современных маслосистемах все чаще находит применение установка двух последовательно расположенных фильтров на выходе масла из отка- чивающего насоса, что позволяет решать проблему очистки масла на двигателе наилучшим способом. Фильтр, устанавливаемый на выходе из откачивающего насоса, имеет повышенную (по сравнению с устанавливаемым после нагнетающего насоса) тонкость фильтрации и называется фильтром тонкой очистки. Устанавливаемый после нагнетающего насоса фильтр выбирают таким образом, чтобы тонкость его фильтрации полнопоточную очистку масла при низкотемпературном запуске (исключа- ется перепуск масла мимо фильтра), поэтому его часто называют фильтром грубой очистки.

При постановке фильтра тонкой очистки на выходе из откачитвающих насосов выносимые загрязнения улавливаются до поступления масла в теплообменник и бак. Таким образом, их характеристики сохраняются в течение всего срока службы. В случае установки фильтра тонкой очистки на выходе из нагнетающего насоса при низкотемпературном запуске часть масла будет перепускаться помимо фильтра до тех пор, пока оно не прогреется до достаточной температуры и вязкость его не достигнет той величины, при которой оно будет полностью проходить через фильтр.

Повышение тонкости фильтрации в маслосистемах обеспечивает ряд преимуществ, из которых главное - увеличение долговечности подшипников.

Р.В.Macpherson совместно с фирмой Westlend Helicopters и Английским королевским колледжем [12.6.8.13] испытали несколько сотен подшипников качения на масле с разной абсолютной тонкостью фильтрации, что позволило определить зависимость их относительной долговечности от абсолютной тонкости фильтрации масла. Результат оказался поразительным: при увеличении абсолютной тонкости фильтрации масла от 40 до 3 мкм относительная долговечность подшипников увеличивается больше, чем на порядок, (см. Рис. 12.6.5.4_1).

Фильтры в соответствии с видом применяемых фильтровальных материалов можно разделить на два основных типа: в первом частицы загрязнителя задерживаются, в основном, на поверхности материала, а во втором – в порах капилляров мате-

864

Глава 12 - Системы ГТД

риала. Фильтры первого типа получили название поверхностные, второго - глубинные.

Âсоответствии с возросшими требованиями

êфильтрации масла разработаны новые фильтрующие материалы, которые позволяют перейти от поверхностного фильтрования (через проволочную сетку) к объемному - через комбинированный пористый материал.

Вновь разработанный фильтрующий материал состоит, в основном, из двух тонких пористых стекловолоконных полотен 1, между которыми в хаоти- ческом порядке зафиксированы кусочки тонких стеклянных волокон 2.

Стеклянные волокна устойчивы к агрессивным компонентам синтетических масел, стекловолоконный фильтрующий материал обладает высокой прочностью и может работать при температуре до 400îÑ.

Важное влияние на ограничение габаритов фильтра при повышении абсолютной тонкости фильтрации оказала возможность придания фильтрующему элементу формы в виде гофрированного цилиндра. Ранее гофрированный сетчатый фильтроэлемент не применялся, так как в случае засорения его очистка (промывка) невозможна. С созданием нового стекловолоконного фильтрующего материала необходимость очистки фильтроэлемента отпала. Фильтрование происходит по глубине фильтрующего материала и извлечь из него задержанные загрязнения невозможно, по истечении срока службы или в случае засорения фильтроэлемент заменяется новым.

Появление в серийном производстве гофрированного фильтроэлемента с новым фильтрующим стекловолоконным материалом привело к почти одновременному повышению абсолютной тонкости фильтрации масла во всех без исключения зарубежных авиационных двигателях. В ГТД для гражданской авиации абсолютная тонкость фильтрования была повышена до 15 мкм, а в двигателях и редукторах вертолетов - до 3 мкм вместо прежней тонкости фильтрации от 40 до 100 мкм.

На наружной поверхности фильтрующего материала можно расположить полосы диагности- ческого слоя, с тем чтобы через требуемый период наработки (например через 200 и 400 часов эксплуатации авиационного двигателя) провести анализ отложений, по результатам которого диагностировать состояние узлов двигателя. Так, например, фильтроэлементы для системы гидравлики Ту-154 идут со слоем Dirt Alert (диагностический слой) фирмы PALL Corporation.

На Рис. 12.6.5.4_2 показаны фильтроэлементы двигателя RB211.

Рисунок 12.6.5.4_2 - Фильтроэлементы магистралей нагнетания (слева) и откачки масла (справа) двигателя RB211 (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc.)

Для повышения качества очистки масла устанавливают комбинированные центробежные очи- стители. Они способны удалять из масла инородные частицы размером меньше тех, которые могут задерживать основные фильтры, устанавливаемые в магистрали нагнетания. Однако они имеют ряд недостатков:

-скорость прохождения масла через ротор центрифуги слишком велика, чтобы обеспечить осаждение мелких частиц;

-легкие загрязнения в роторе не осаждаются;

-во время разгона ротора и при его останове отложения в нем частично смываются;

-необходимость дополнительного привода;

-осмотр или очистка от отложений требуют разборки центрифуги, что вызывает дополнительные затраты в эксплуатации.

12.6.5.5 - Воздухоотделители и суфлеры

При смазке подшипников, многочисленных приводов и передач ГТД происходит раздробление масла, что способствует его перемешиванию с воздухом. В результате перемешивания образуется воздушная эмульсия, которая откачивается из двигателя откачивающими насосами. Вспененное масло хуже смазывает и охлаждает детали двигателя изза местных разрывов масляной пленки. Чем боль-

865

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.6.5.5_1 – Воздухоотделитель центробежный 1 – корпус воздухоотделителя;

2 – ротор; 3 – вал приводной;

4 – щель кольцевая; 5 – корпус промежуточный; 6 – штуцер; 7 - клапан шариковый

ше откачивается из двигателя с маслом воздуха, тем больше его будет и на входе в нагнетающий насос. Поэтому важной задачей является удаление воздуха из масловоздушной смеси.

Откачка масла из двигателя предусматривает отделение воздуха от масловоздушной смеси при помощи воздухоотделителей. Воздухоотделители делятся на статические и динамические [12.6.8.14].

Статические воздухоотделители:

-гасители пены, выполненные в виде устанавливаемых в маслосборниках двигателя перфорированных или сетчатых перегородок, а также перфорированных или сетчатых наконечников заборных трубок;

-лотковые воздухоотделители (устанавливают в маслобаках), в которых попадающее на плоский лоток вспененное масло стекает с него в маслосборник тонкой пленкой и в пленке лопается значительная часть воздушных пузырьков;

Динамические воздухоотделители - приводные центрифуги (см. Рис. 12.6.5.5_1), которые устанавливают на выходе масловоздушной смеси из откачивающих насосов и воздухоотделители типа «циклон», использующие принцип отделения воз-

духа за счет центробежных сил, которые устанавливаются в маслобаке или перед ним.

Откачиваемое масло через окно в цилиндрической части корпуса 1 воздухоотделителя поступает во внутреннюю полость ротора 2, установленного на приводном валу 3. Под действием центробежных сил масло как более тяжелое отбрасывается ребрами ротора к его периферийной части. Далее через кольцевую щель 4, внутренние полости промежуточного корпуса 5 и штуцер 6 отводятся из центробежного воздухоотделителя в маслобак. Воздух и пары масла скапливаются в центре внутренней полости ротора и при открытых под действием центробежных сил шариковых клапанах 7 проходят через радиальные отверстия во внутреннюю полость приводного вала и отводятся из воздухоотделителя в полость коробки приводов.

Эффективность работы воздухоотделителя зависит от частоты вращения его ротора и вязкости масла. С увеличением вязкости масла эффективность работы воздухоотделителя понижается, что может привести при запуске двигателя к переполнению маслом внутренних полостей двигателя.

Для устранения этого недостатка в конструкции воздухоотделителя или в магистрали отвода воздуха устанавливают «эмульсионные» клапаны. Шариковый клапан 7 при малых скоростях вращения ротора двигателя перекрывает указанную магистраль. При правильно выбранных параметрах центрифуги содержание воздуха в масле уменьшается до 4…5%. Из других средств, способствующих уменьшению содержания воздуха в масле, заслуживают внимания специальные присадки (обычно кремнийорганического происхождения), уменьшающие прочность поверхностной пленки, усиливающие коагуляцию мелких пузырьков воздуха и облегчающие выход их на поверхность.

При одинаковой эффективности сепарации масла статические воздухоотделители проигрывают центробежным по габаритам и массе. Преимуществом статических воздухоотделителей являются простота и надежность, так как они не имеют подвижных деталей и соединений в конструкции. Это является основной причиной более широкого их применения в составе ГТУ.

В удаляемом из масляных полостей в атмосферу воздухе кроме паров масла содержится в каплеобразном состоянии и собственно масло. Для уменьшения безвозвратных потерь масла путем отделения и возвращения его в маслосистему применяются центробежные суфлеры, которые также выравнивают и стабилизируют давление в масляных полостях двигателя. В таком суфлере для осаждения из воздуха капель масла используются цен-

866