книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок

нормируемой прокачки на номинальном режиме работы ГТД.

В случае запуска двигателя при низких отрица­ тельных температурах нагнетаемое масло облада­ ет высокой вязкостью и в маслосистеме его давле­ ние может достигать величин, при которых в агрегатах и трубопроводах могут возникнуть чрезмерные напряжения. Для защиты маслосистемы от высокого давления масла при холодном за­ пуске устанавливается предохранительный клапан - клапан холодного запуска, который при давлении, превышающем рабочее, открывается и перепуска­ ет масло в коробку приводов агрегатов.

Преимущества этой схемы по сравнению с маслосистемой с регулируемым давлением масла сле­ дующие:

-существенно меньший барботаж (перемеши­ вание) масла и, соответственно, меньшее тепловы­ деление;

-более эффективная по сравнению с маслосис­

6.2. Схемы маслосистем ГТД

темой с регулируемым давлением откачка масла на всех режимах работы двигателя;

-лучшие условия смазки узлов трения при низ­ котемпературном запуске;

-отсутствие редукционного клапана упрощает обслуживание маслосистемы.

Подвод масла с нерегулируемым давлением широко распространен в авиационных двигателях последнего поколения.

6.2.1. Маслосистема с регулируемым давлением масла

Схема циркуляционной маслосистемы с регули­ руемым давлением масла на входе в двигатель при­ ведена на рис. 6.1 [6.1].

Масло из бака 1 поступает по всасывающей магистрали 2 к нагнетающему маслонасосу 5, про­ ходит через фильтр 4 тонкой очистки и по трубо­ проводам поступает к масляным форсункам дви-

J4

p ^ t ° ^

- * - ч >

Выход Вход топлива топлива

Рис. 6.1. Маслосистема с регулируемым давлением масла на входе в двигатель:

1 - бак масляный; 2 - магистраль всасывающая; 3- маслонасос нагнетающий; 4- фильтр тонкой очистки; 5 - клапан редукционный; 6- датчики замеров давления; 7 - маслонасосы откачивающие; 8- магистраль откачивающая;

9- воздухоотделитель центробежный; 10-теплообменник; 11- полости (масляные) двигателя; 12- магистраль суфлирующая; 13 - суфлер центробежный; 14- клапан баростатический; 15 - клапан обратный; 16 - заборник масла

маятниковый; 17 - воздухоотделитель статический; 18 -клапан перепускной

151

Глава 6. Системы смазки и суфлирования ГТД

гателя. Редукционный клапан 5 обеспечивает по­ стоянную подачу масла на всех режимах работы ГТД. Давление и температура масла за маслонасосом контролируется датчиками 6. Использованное масло из опор роторов и коробки приводов агрега­ тов откачивающими маслонасосами 7по трубопро­ водам 8 доставляется обратно в бак, проходя по пути воздухоотделитель 9, удаляющий воздух из вспененного масла, и теплообменник 10, снижаю­ щий температуру масла.

Для откачки масла должны быть предусмотрены достаточные проходные сечения каналов и сливных трубопроводов. Каждая сливная емкость внутри дви­ гателя имеет свой откачивающий насос.

Все масляные полости 11 сообщаются между собой трубопроводами 8 и 12 откачки и суфлиро­ вания соответственно. Прорвавшиеся через уплот­ нения в масляные полости воздух и газ через цен­ тробежный суфлер 13 с баростатическим клапаном 14 выводятся в атмосферу, а масло возвращается в маслосистему.

Во избежание перетекания масла из маслобака в неработающий двигатель устанавливают обрат­ ный клапан 15 с пружиной, открывающийся в на­ чале работы двигателя, а также применяются пет­ левые трубопроводы за нагнетающим насосом с дросселем, обеспечивающим разрыв струи мас­ ла при останове двигателя. Верхняя точка петле­ вых трубопроводов располагается выше уровня масла в маслобаке.

При любых эволюциях ЛА масло из маслобака к насосу должно поступать без перебоев. Для это­ го заборник масла 16 в баке часто выполняют ка­ чающимся на оси. Заборник постоянно ориенти­ рован в сторону перемещающегося объема масла, противоположная часть этого патрубка использу­ ется для суфлирования бака. В маслобаке установ­ лен дополнительный статический воздухоотдели­ тель 17.

Теплообменник 10 оборудован перепускным клапаном 18, который перепускает часть масла в бак, минуя теплообменник. Перепуск осуще­ ствляется при холодном вязком масле в началь­ ный момент работы двигателя и в случае засо­ рения теплообменника.

Масляные трубопроводы нагнетающей магис­ трали обычно выполняют с небольшим проход­ ным сечением. Скорость движения масла в них 1,5_3 м/с. Сечения трубопроводов подвода мас­ ла от бака к нагнетающему насосу, магистралей откачки и суфлирования имеют сечения в 1,5...2 раза большие. Это необходимо из-за наличия пены в масле, которая образуется при попадании в него воздуха. При стандартных атмосферных условиях количество воздуха в виде пузырьков достигает до 10% от объема масла.

В теплонапряженных ГТД принимают меры по теплоизоляции масляных полостей и трубопрово­ дов в горячих местах. Это необходимо для умень­ шения подогрева откачиваемого масла, особенно в застойных зонах, а также для устранения его кок­ сования на горячих поверхностях.

Для обеспечения работы турбовинтовых двига­ телей маслосистему выполняют по типу двухкон­ турной циркуляционной схемы, отличающейся от приведенной на рис. 6.1 тем, что только неболь­ шая часть масла (до 15%) пройдя теплообменник поступает в маслобак. Это необходимо для про­ грева находящегося в баке масла. Уменьшение ко­ личества циркулирующего масла ускоряет про­ цесс его подогрева (при низких отрицательных температурах) в масло системе, облегчает запуск двигателя при низких температурах, повышает вы­ сотность, так как откачивающие маслонасосы и дополнительный маслонасос увеличивают дав­ ление масла на входе в нагнетающий насос. При этом упрощается система суфлирования, выполня­ емая открытой.

6.2.2. Маслосистема с нерегулируемым давлением масла

На рис. 6.2 показана централизованная маслосистема двигателя RB211 с нерегулируемым дав­ лением масла и «холодным» маслобаком. Из мас­ лобака 1 через грубый сетчатый фильтр (не показан) масло поступает в нагнетающую ступень блока насосов 2. От высоких давлений, превыша­ ющих 12,6... 15,4 кгс/см2, маслосистема защище­ на предохранительным клапаном (клапаном хо­ лодного запуска) 3, который возвращает излишнее масло обратно на вход в насос. Высокие давления в трубопроводах нагнетания могут возникнуть при низкой температуре масла или засорении фильтра.

Нагнетаемое масло очищается фильтром 4 и за­ тем подводится на смазку узлов трения двигателя. При загрязнении фильтра срабатывает сигнализа­ тор перепада 5 и выдается сигнал. Из масляных опор двигателя масло откачивающими ступенями блока маслонасосов 2 направляется далее для ох­ лаждения в топливо-масляный теплообменник (ТМТ) 6 и воздушно-масляный теплообменник (ВМТ) 7 и по трубопроводу 8 слива масла через воздухоотделитель 9 возвращается в бак.

Из коробки приводов масло отводится в мас­ ляный бак отдельной откачивающей ступенью блока маслонасосов. На входе в откачивающие ступени блока маслонасосов устанавливаются фильтры защитные и магнитные сигнализаторы стружки (не показаны). Масляные полости под­ шипников узлов двигателя, коробка приводов

152

очистка масла, заправка маслобаков маслом при работе ГТУ и другие.

Пример схемы маслосистемы ГТД для газотур­ бинной установки ГТУ-2,5П приведен на рис. 6.3. При работе ГТУ масло из маслобака 7 поступает в нагнетающую ступень основного маслонасоса 2, имеющего редукционный клапан (не показан), и че­ рез фильтр 3 и петлевой трубопровод 4 поступает на смазку и охлаждение узлов двигателя. Петлевой трубопровод 4 с дросселем (не показан) предназна­ чен для исключения перетекания масла из масло­ бака в опоры и коробку приводов двигателя во вре­ мя его останова и стоянки. Из нагнетающей магис­ трали масло подводится также к командному агрегату 5, в котором используется в качестве ра­ бочей жидкости. Из командного агрегата масло сли­ вается в нижнюю коробку приводов двигателя. Из подшипниковых узлов двигателя и нижней короб­ ки приводов через магнитные сигнализаторы струж­ ки б, защитные фильтры 7, масло откачивается сту­ пенями маслонасоса откачки 8 и откачивающей ступенью основного маслонасоса 2. Далее масло по трубопроводам поступает в воздухоотделитель 9 с фильтром-сигнализатором, после которого через фильтр 10 по трубопроводам направляется в аппа­ рат воздушного охлаждения масла (АВОМ) 77, где охлаждается воздухом, принудительно подаваемым вентилятором (не показан). Фильтрованное и охлаж­ денное масло возвращается в бак 7 двигателя. В на­ чальный период работы, когда откачиваемое масло недостаточно прогрето и очень вязкое, перепускной клапан 72 возвращает его в бак, минуя АВОМ.

Внутренние полости подшипниковых опор ком­ прессора, турбины компрессора и свободной турби­ ны, входного корпуса и верхней коробки приводов суфлируются с атмосферой через центробежный суфлер 13, на входе в который установлен датчик 14 давления суфлирования. Для контроля работы маслосистемы двигателя предусмотрены датчики 15,16 и сигнализатор 77.

6.3. Маслосистемы редукторов

Редукторы, как и большинство механизмов с па­ рами трения, нуждаются в смазке и охлаждении. Эффективность работы маслосистем во многом определяет надежность и долговечность редукто­ ров.

6.3.1. Маслосистемы авиационных редукторов

Маслосистемы редукторов ТВД и ТВВД явля­ ются частью маслосистемы двигателя В такой маслосистеме обеспечивается дополнительный подвод масла на смазку и охлаждение трущихся

6.3. Маслосистемы редукторов

деталей редуктора, а откачка, очистка масла и ос­ тальные функции обеспечиваются двигательной ее частью.

Из редукторов вертолетов наиболее нагружен­ ным и ответственным является редуктор привода несущего винта или главный редуктор. Поскольку зубчатые передачи являются высоконагруженными и имеют большие окружные скорости, необхо­ дим интенсивный отвод тепла от зубьев колес и подшипников. Маслосистема главного редукто­ ра, как правило, выполняется автономной, цирку­ ляционной. Маслосистемы главных редукторов различных вертолетов принципиально не отлича­ ются друг от друга. В качестве примера рассмот­ рим маслосистему редуктора ВР-8, показанную на рис. 6.4.

Маслосистема редуктора полностью автоном­ ная, циркуляционная. Маслобаком служит поддон редуктора, который перегородкой поделен на два отсека. Отсек 7 охлажденного масла, отсек 2 горя­ чего масла. В поддон масло заливается через гор­ ловину 3, его уровень контролируется по масло­ мерному стеклу 4.

Масло из отсека охлажденного масла нагнетаю­ щим насосом 5 через фильтр 6 подается в нагнета­ ющую магистраль на смазку и охлаждение зубча­ тых передач и подшипников. Давление масла поддерживается установленным на насосе редук­ ционным клапаном 7. Отработанное масло слива­ ется в отсек 2 поддона, откуда двухсекционным от­ качивающим насосом 8 через воздухомасляные теплообменники 9, обдуваемые вентилятором 10, возвращается в отсек 7 охлажденного масла. Вен­ тилятор располагается таким образом, чтобы поток воздуха обдувал также и корпус редуктора. В под­ доне для уменьшения пенообразования масла уста­ новлена сетка 77, выполняющая одновременно и роль предохранительного фильтра. Избыточное давление воздуха и пары масла через суфлер 72 уда­ ляются в атмосферу.

Параметры маслосистемы контролируются по установленному в поддоне датчику 13 давления масла, датчику 14 температуры масла, наличию металлических частиц на магнитной пробке 75.

Предусмотрена возможность слива масла из редуктора через шланг 16 слива масла, который устанавливается вместо магнитной пробки.

Маслосистемы промежуточного и хвостового редукторов более просты. Они, как правило, барботажного типа или смешанной схемы, в которой зубчатые зацепления смазываются принудительно под давлением с помощью встроенного маслона­ соса, а подшипники за счет барботажа заливаемо­ го в корпус редуктора масла.

155

Глава 6. Системы смазки и суфлирования ГТД

Фильтрованное и охлажденное масло возвраща­ ется в бак.

Для обеспечения нормальной работы маслосистемы внутренние полости редуктора суфлируют­ ся с атмосферой через воздухоотделитель (не по­ казан), установленный на маслобаке. Во время останова и при стоянке ГТУ петлевой трубопро­ вод 4 с дросселем исключает перетекание масла из бака в редуктор. Для контроля работы маслосистемы редуктора предназначены датчики 10, 11 и сигнализатор 12.

6.4. Особенности проектирование маслосистем

Рассмотрим особенности проектирования маслосистемы на примере создания маслосистемы ГТД.

Проектирование ведется с учетом существую­ щих конструкций отечественных и иностранных аналогов, особенностей работы двигателя, для ко­ торого предназначена маслосистема, технологичес­ ких возможностей производства. На рис. 6.6 пред­ ставлена блок-схема для имеющихся типов маслосистем ГТД.

Маслосистема должна удовлетворять задан­ ным требованиям, обеспечивать эксплуатацион­ ную эффективность, легкость и простоту техничес­ кого обслуживания, достаточные ресурсы и сроки хранения, безопасность работы, эргономические требования, патентную чистоту, минимальную сто­ имость [6.2, 6.3].

В техническом задании на разработку ГТД, как правило, задается часть исходных данных для мас­ лосистемы, например величина безвозвратных по­ терь масла.

Условия эксплуатации ГТД также служат осно­ ванием для разработки технического задания на маслосистему. От температуры окружающей сре­ ды при запуске двигателя зависит выбор марки мас­ ла. При низких отрицательных температурах толь­ ко отдельные сорта масла могут обеспечить приемлемую вязкость.

К исходным данным для проектирования мас­ лосистемы также относятся:

-величина теплоотдачи в масло;

-температуры масла в полостях опор газогене­ ратора и коробки приводов агрегатов;

-максимальные температуры поверхностей де­ талей, соприкасающихся с маслом;

-длительность полетного цикла самолета;

-максимальная высота полета самолета;

-максимальные нагрузки в парах трения. Иногда разработчики самолета задают марку

применяемого масла [6.4, 6.5, 6.6, 6.7].

Для обеспечения возможности заправки масла в любых аэропортах применяемые масла должны

быть взаимозаменяемы с отечественными и зару­ бежными аналогами.

Современные синтетические масла, например ИПМ-10, допускают запуск ГТД без их подогрева от внешних источников при температуре минус 40°С. Если температура опускается ниже, то необ­ ходим подогрев от внешних источников (специаль­ ных подогревателей) элементов маслосистемы

исамого ГТД. Для эксплуатации ГТД в жарких климатических условиях требуется эффективное охлаждение откачиваемого масла.

Температура масла, откачиваемого из опор

идругих узлов ГТД, не должна превышать допу­ стимые пределы во всем диапазоне режимов ра­ боты. Масло не должно терять смазочные свой­ ства, окисляться, образовывать смолы и кокс. Применяемые синтетические масла обладают вы­ сокой термостабильностью и не теряют ее при тем­ пературе до 200° С.

При выборе схемы маслосистемы ГТД реко­ мендуется отдавать предпочтение замкнутой схе­ ме с нерегулируемым давлением масла на входе в двигатель. Полнопоточная схема позволяет спро­ ектировать нагнетающий масляный насос с мень­ шим запасом по производительности. В целях стро­ гой дозировки прокачки масла его подвод к узлам трения, включая смазку подшипников качения, выполняют через калиброванные струйные фор­ сунки. Насосы, откачивающие масло из опор и аг­ регатов ГТД, должны в 2.. .3 раза превосходить по производительности нагнетающие насосы.

Важным параметром маслосистемы является прокачка масла через двигатель, которая напрямую зависит от величины теплоотдачи в масло. Тепло

вмасло передается от соприкасающихся с ним на­ гретых деталей и узлов трения ГТД. Часть тепла

вмасляную систему поступает с воздухом, кото­ рым наддуваются лабиринтные уплотнения рото­ ров и валов приводов агрегатов.

Потребная прокачка масла через двигатель скла­ дывается из потребной прокачки масла по узлам двигателя, которая определяется опытным путем с последующим уточнением в процессе доводки двигателя.

Исходя из требуемой прокачки масла через дви­ гатель, выполняется выбор, расчет и конструиро­ вание нагнетающего и откачивающих насосов.

Теплоотдача в масло определяется расчетным методом с учетом имеющихся экспериментальных данных и опыта проектирования. Выбор системы охлаждения масла авиационного двигателя осу­ ществляется на основании проведенных расчетов теплового состояния масляной и топливной систем, так как охлаждение масла в большинстве авиаци­ онных двигателей осуществляется в топливомас­ ляных теплообменниках.

158

6.5. Агрегаты маслосистем

Рис. 6.6. Блок -схема типов маслосистем ГТД

Важно, чтобы безвозвратные потери масла из маслосистемы ГТД не были высокими.

От их величины и заданной продолжительнос­ ти полета зависит объем маслобака. Увеличение объема маслобака и заправляемого в него масла ве­ дет к сокращению полезной нагрузки летательного аппарата. У двигателей малой размерности масло­ баки иногда отсутствуют и их функции выполня­ ют маслосборники.

Безвозвратные потери это, в основном, масло, которое удаляется в атмосферу через суфлер. Они слагаются из удаляемого вместе с воздухом масла в жидкой, каплеобразной и парообразной фазах.

Масло в жидкой и каплеобразной фазах отделя­ ется от воздуха с помощью суфлера, пары же мас­ ла свободно проходят через него. Снижение паро­ образной составляющей безвозвратных потерь масла достигается уменьшением его испарения и конденсацией паров в устанавливаемом на вхо­ де в суфлер конденсаторе. Конденсатор представ­ ляет собой обычный теплообменник. Применение конденсатора является нежелательным. Целесооб­ разно при проектировании ГТД предусмотреть ме­ роприятия по обеспечению минимального испаре­ ния масла.

В циркуляционных маслосистемах ГТД безвоз­ вратные потери масла, как правило, незначитель­ ны и приблизительно равны 0,1 л/ч на каждые 10 кНтяги [6.4].

Количество масла, расходуемое за полет в ГТД или за определенное время работы ГТД наземного применения, определяют опытным путем по изме­ нению уровня масла в баке и приводят в соответ­ ствующих инструкциях.

6.5. Агрегаты маслосистемы

Маслосистема ГТД включает в себя различные агрегаты как с приводом от двигателя, так и неп­ риводные. Основными из них являются:

-бак масляный;

-насосы нагнетающие и откачивающие;

-маслоохладители;

-фильтры масляные;

-воздухоотделители;

-суфлеры.

В маслосистемах большинства двигателей ши­ роко используется принцип агрегатирования конст­ рукции. С этой целью в одном агрегате объединя­ ются такие узлы, как маслобак и топливо-масляный теплообменник низкого давления, нагнетающий и откачивающий насосы, фильтр тонкой очистки. Это позволяет сосредоточить маслосистему в не­ большом числе агрегатов, сократить количество и длины трубопроводов и соединений.

Одним из важнейших вопросов является раци­ ональное размещение агрегатов маслосистемы на

159