Лекция № 11
Маслосистема ГТД
§ 11.1. Назначение и основные требования к маслосистемам ГТД
Маслосистемы служат для подвода необходимого количества масла к подшипникам опор и другим потребителям с заданными свойствами и параметрами (вязкостью, чистотой, давлением и температурой).
Потребителями масла в ГТД являются подшипники опор роторов, детали приводов агрегатов (подшипники, шестерни) и элементы трансмиссии (подвижные узлы соединения роторов компрессора и турбины, подшипники и узлы соединения валов отбора мощности), детали редукторов.
Маслосистема ГТД объединяет в себе системы смазки и суфлирования.
Система смазки необходима для:
во-первых, уменьшения трения и износа деталей опор двигателя;
во-вторых, отвода от них тепла, выделяющегося в результате трения и передаваемого соседними нагретыми элементами;
в-третьих, промывки деталей с целью удаления продуктов износа;
в-четвертых, предохранения их от коррозии и наклепа;
в-пятых, контроля технического состояния элементов двигателя, омываемых маслом.
Система суфлирования служит для поддержания в масляных полостях двигателя и воздушной полости бака определенного избыточного давления путем удаления воздуха, а также для обеспечения заданных перепадов давлений между наддуваемыми воздухом пред масляными полостями уплотнений и масляными полостями опор.
При работе двигателя в масляных полостях опор, коробок приводов агрегатов, редуктора и других возможно повышение давления вследствие постоянного проникновения воздуха через наддуваемые масло уплотнения опор, или понижение давления из-за отсасывания воздуха откачивающими насосами, имеющими большие запасы производительности.
Чрезмерно высокое давление в масляных полостях двигателя может стать причиной выброса масла через масло уплотнения и его повышенного расхода.
При низких давлениях в этих полостях возможно увеличение пенообразования и ухудшение откачки масла вследствие кавитации. Поэтому все масляные полости двигателя сообщают при помощи суфлера с атмосферой.
Суфлер, соединяющий полости суфлирования с атмосферой, выделяет из подведенной к нему под действием избыточного давления воздушно-масляной смеси воздух и другие газы, выпуская их в атмосферу и возвращая в систему смазки выделенное из указанной смеси масло.
Основное применение в системах суфлирования получили центробежные суфлеры, обеспечивающие существенное уменьшение расхода масла за счет почти полного его возврата в циркуляционный контур маслосистемы.
Типы применяемых масел
В зависимости от диапазона рабочих температур в маслосистемах ГТД используют:
Ø углеводородное масло МК-8 (—40 до +130°С –);
Ø синтетические масла: Б-ЗВ, ИПМ-10, ВНИИНП-50-1-4Ф (200…300°С ).
Требования, предъявляемые к маслосистемам
Маслосистема ГТД должна обладать:
высокой надежностью
(т. е. способностью обеспечивать необходимую прокачку масла) при любых условиях эксплуатации, так как от работоспособности этой системы существенно зависит надежность всего двигателя (например, длительное масляное голодание подшипников опор ротора может привести к их недопустимому износу и возможному за этим разрушению двигателя с тяжелыми последствиями);
высокой контролепригодностью в эксплуатации
(способствующей эффективному контролю технического состояния деталей ГТД, омываемых маслом – подшипников опор, элементов трансмиссии, деталей редукторов и др.);
малым расходом масла
(в связи с большой его стоимостью (особенно синтетического) и экологическими требованиями);
способностью обеспечивать высокую чистоту масла, подводимого к потребителям, и оптимальные его температуры на входе и выходе из двигателя;
хорошей эксплуатационной технологичностью
( т. е. удобством осмотра агрегатов в эксплуатации, их регулировок и замены, заправки и слива масла);
компактностью и малой массой
(длина трубопроводов и их гидравлические сопротивления должны быть по возможности наименьшими. Для удовлетворения этого требования современные маслосистемы целиком компонуют на двигателе и применяют комплексные маслоагрегаты, состоящие из нескольких элементов, например, агрегаты, состоящие из нагнетающего, откачивающих маслонасосов, фильтра тонкой очистки и т. п.).
§ 11.2. Устройство маслосистемы
Как правило все маслосистемы ГТУ циркуляционные, в них масло используют многократно.
После прокачки через двигатель и восстановления свойств (охлаждения, очистки) его вновь подводят к потребителям.
По характеру циркуляции масла относительно двигателя и маслобака эти системы подразделяют на замкнутые ( или нормально-замкнутые) и короткозамкнутые.
В замкнутых системах циркуляция масла происходит через бак, после прокачки через потребители оно поступает в бак с последующим возвратом в двигатель.
В короткозамкнутых системах основное количество масла циркулирует через двигатель, минуя бак, из которого происходит восполнение циркуляционного контура с помощью специального подкачивающего маслонасоса (насоса подпитки).
Благодаря более короткому циркуляционному контуру, в короткозамкнутых системах прогрев масла в начале работы ГТД происходит быстрее, чем в замкнутых, что особенно важно для маслосистем большой емкости. Однако по сравнению с замкнутыми системами короткозамкнутые сложнее и имеют больший вес.
В зависимости от избыточного давления в системе суфлирования различают маслосистемы открытого и закрытого типов.
В открытых системах масляные полости двигателя и воздушную полость бака, объединенные системой суфлирования, сообщают с атмосферой, а в закрытых указанные полости наддувают, поддерживая в них постоянное избыточное над атмосферным давление небольшой величины с целью увеличения высотности системы, достигаемой снижением интенсивности кавитации масла на входе в нагнетающий и откачивающие насосы.
Структура циркуляционных маслосистем
Циркуляционные маслосистемы ГТД независимо от их разновидностей имеют три характерных магистрали:
Ø подпитки;
Ø нагнетания;
Ø откачки .
Эти магистрали образуют циркуляционную систему смазки двигателя, которая дополняется системой суфлирования.
Магистраль подпитки служит для подвода необходимого количества масла из бака к нагнетающему насосу.
Для недопущения кавитации давление масла на входе в нагнетающий насос при его работе не должно быть чрезмерно низким (ниже 0,04…0,06 МПа), когда из масла происходит выделение пузырьков воздуха.
Для снижения гидравлического сопротивления магистрали подпитки трубопровод подвода масла выполняют коротким, с плавными поворотами и достаточно большого диаметра, величину которого подбирают из условия, чтобы скорость движения масла в нем не превышала 1,5…2,0 м/c.
Для создания необходимого статического давления перед нагнетающим насосом бак располагают возможно выше по отношению к насосу, а в закрытых маслосистемах его воздушную полость наддувают.
В магистрали подпитки короткозамкнутых систем устанавливают подкачивающий насос, редукционный клапан которого поддерживает постоянное давление масла перед нагнетающим насосом в пределах 0,06…0,08 МПа, что обеспечивает автоматическое восполнение циркуляционного контура системы.
Магистраль нагнетания обеспечивает подвод масла к потребителям под давлением 0,35…0,5 МПа. Такой диапазон давлений определен опытным путем и является оптимальным для маслосистем ГТД. При давлении масла меньше 0,35 МПа трубопроводы магистрали нагнетания необходимо выполнять увеличенного диаметра, что приведет к возрастанию веса системы. При давлении больше 0,5 МПа возможно существенное увеличение гидродинамического нагрева потребителей от высокоскоростной струи масла, вытекающего из форсунок.
В состав магистрали нагнетания входят следующие элементы:
1. Нагнетающий насос с редукционным клапаном, автоматически поддерживающим заданное давление масла в магистрали.
Производительность этого насоса в расчетных условиях на земле принимают в 1,5…2,5 раза больше потребной прокачки масла через двигатель, чтобы с увеличением высоты полета не происходило снижение фактической прокачки масла из-за уменьшения производительности насоса. Избыточное количество масла, подаваемого насосом на малых высотах, редукционный клапан перепускает с выхода из насоса на его вход и за счет этого поддерживает постоянное давление в магистрали нагнетания на всех высотах полета.
2. Запорный (или обратный) клапан, препятствующий перетеканию масла из бака в систему при неработающем двигателе. Пружина запорного клапана удерживает его в закрытом положении при давлении масла, не превышающем 0,02…0,05 МПа. В начале работы двигателя клапан открывается давлением, создаваемым нагнетающим насосом.
3. Основной маслофильтр тонкой очистки с перепускным клапаном, который в случае засорения фильтра и возрастания, вследствие этого, перепада давления на нем перепускает масло в двигатель помимо фильтрующих элементов. Натяжение пружины перепускного клапана регулируют таким образом, чтобы перепуск масла происходил при повышении перепада давления на фильтре до 0,13…0,16 МПа.
4. Дополнительные фильтры грубой очистки, устанавливаемые перед масляными форсунками и предохраняющие их от засорение крупными посторонними частицами в случае засорения или разрыва сеток основного фильтра.
5. Масляные форсунки потребителей, обеспечивающие струйную подачу масла на наиболее нагруженные поверхности трения.
6. Датчики систем измерения и сигнализации параметров масла на входе в двигатель.
7. Трубопроводы, соединяющие элементы магистрали между собой. Диаметр трубопроводов выбирают из условия, чтобы скорость движения масла в них не превышала 3 м/с.
Магистраль откачки необходима для отвода отработанного масла от потребителей и восстановления его свойств — отделения воздушно-масляной смеси, фильтрации и охлаждения. В зависимости от типа маслосистемы магистраль откачки обеспечивает подвод масла в бак или на вход в нагнетающий маслонасос.
Магистраль содержит следующие основные элементы:
1. Маслосборники, в которые стекает масло от потребителей.
Их размещают в нижних полостях корпусов опор, переходных корпусов ГТД, картеров, на нижних коробках приводов агрегатов. В маслосборниках часто устанавливают пеногасящие и фильтрующие сетки.
2. Откачивающие маслонасосы, выводящие масло из маслосборников.
Число откачивающих насосов и маслосборников принимают не меньше числа опор двигателя. Это необходимо для того, чтобы не допустить возможного в случае применения одного общего насоса скопления масла в отдельных подшипниках ротора из-за различной прокачки масла через них. Такое скопление может вызвать сильный перегрев подшипников и выброс масла через уплотнения опор. Суммарная производительность откачивающих насосов должна в 2…3 раза превышать производительность нагнетающего насоса, чтобы они могли поддерживать маслосборники сухими при увеличенном объеме отработанного масла в результате его нагрева, вспенивания и насыщения воздухом.
3. Воздухоотделитель, который выделяет из вспененного откачиваемого масла воздушно-масляную смесь (смесь воздуха и других газов с частицами распыленного и испаренного масла). Чистое масло поступает от воздухоотделителя к другим элементам магистрали откачки (фильтру, маслорадиатору), а воздушно-масляная смесь отводится либо к центробежному суфлеру системы суфлирования, либо в бак для подогрева имеющегося в нем масла (последнее характерно, главным образом, для короткозамкнутых систем). Для короткозамкнутых систем наличие воздухоотделителя в магистрали откачки обязательно, так как в данных системах отсутствует возможность отстоя масла в баке, а подача к нагнетающему насосу вспененного масла недопустима из-за его склонности к кавитации. Основное применение для них получили приводные центробежные воздухоотделители, которые иногда используют и в замкнутых системах с целью уменьшения пенообразования в баке.
4. Фильтр, очищающий масло от продуктов износа деталей двигателя -и других механических примесей. На этом фильтре часто устанавливают перепускной клапан, обеспечивающий перепуск масла помимо фильтрующих элементов при их засорении, сигнализатор перепада давления или сигнализатор стружки.
5. Радиатор, необходимый для охлаждения масла. На радиаторах устанавливают перепускные клапаны, которые при увеличении давления масла перед ними до предельно допустимой величины (до 0,2…0,3 МПа) перепускают его по параллельному обводному каналу. Повышение давления масла перед радиатором возможно при запуске двигателя в условиях низких температур, когда радиатор имеет повышенное сопротивление из-за большой вязкости холодного масла. Применение перепускных клапанов предохраняет радиаторы от разрушения повышенными давлениями и позволяет быстрее прогреть масло в двигателе при запуске. В топливомасляных радиаторах некоторых ГТД применяют так называемые термостатические клапаны, которые предотвращают большой нагрев топлива путем его перепуска мимо ТМР при возрастании температуры топлива до 80…90 °С;
6. Датчики систем измерения и сигнализации параметров масла на выходе из двигателя;
7. Трубопроводы, соединяющие элементы магистрали между собой.
§ 11.3. Проектування маслосистеми
При проектуванні масляної системи ГТУ, що проектується, необхідно обрати тип масляної системи, розробити її схему в умовних позначеннях і дати стислий опис основним її елементам у якому визначити:
Ø призначення і обґрунтування масляної системи, що проектується;
Ø призначення, принцип роботи і особливості конструкції основних елементів масляної системи;
Ø сорт масла, що застосовується;
Ø тиск масла в магістралі нагнітання;
Ø температура масла на вході і виході з ГТД (рекомендована і припустимо межова);
Ø необхідне прокачування масла, продуктивність та основані параметри насоса нагнітання.
Розрахунок необхідного прокачування масла через ГТД
Розрахунок об’ємної продуктивності масляного насоса нагнітання
Контрольные вопросы по материалу лекции № 11:
1. Назначение маслосистемы ГТД.
2. Назначение системы смазки ГТД.
3. Назначение системы суфлирования ГТД.
4. Основные потребители масла в ГТД.
5. Типы масел применяемых в ГТД.
6. Требования, предъявляемые к маслосистемам ГТД.
7. Классификация маслосистем.
8. Основные магистрали циркуляционных маслосистем.
9. Характеристика и элементы магистрали подпитки маслосистемы.
10. Характеристика и элементы магистрали нагнетания маслосистемы.
11. Характеристика и элементы магистрали откачки маслосистемы.