Масляная система. Схемы масляных систем. Конструкция и работа основных элементов системы смазки

Лекция №22

1. Назначение масляной системы двигателя

Выбор принципиальной схемы масляной системы, а также рациональной конструкции входящих в её состав агрегатов является важной задачей, так как данная система оказывает весьма существенное влияние на надежность, эффективность двигателя и его эксплуатационную технологичность.

До настоящего времени не разработано достоверных расчётных методик, относящихся к масляной системе двигателя. При проектировании и доводке масляных систем авиационных ГТД доминируют эмпирические методы.

Масляная система ГТД предназначена для осуществления непрерывной подачи масла к подшипникам, зубчатым колесам, контактным уплотнениям и к другим узлам трения с заданными величинами температуры и давления на всех режимах работы двигателя в ожидаемых условиях эксплуатации.

Диапазон ожидаемых условий эксплуатации авиационного двигателя весьма широк:

· температура воздуха на входе в двигатель от -60 до 50^оС (дозвуковой самолет);

· температура воздуха на входе в двигатель от -60 до 300^оС (сверхзвуковой самолет);

· высота полета от 0 до 23 км (статический потолок) и до 35 км (динамический потолок), где расчетная высота полета более 15 км приводит к необходимости применения сложных технических решений для обеспечения работоспособности масляной системы;

· удельное выделение тепла в опоре достигает 10 – 20 кВт.

Масло является рабочей жидкостью, используемой для смазки трущихся деталей и для отвода тепла от них. У современных авиационных ГТД обеспечение приемлемого теплового состояния узлов трения является существенно более важной функцией масляных систем по сравнению с обеспечением смазки трущихся поверхностей.

Поэтому в авиационном двигателестроении используют (за редким исключением для двигателей специального назначения) масляные системы циркуляционного типа. В них масло бесперебойно совершает циклическое движение в замкнутом контуре. Далее будем рассматривать только масляные системы циркуляционного типа.

2. Основные требования, предъявляемые к масляным системам

К масляной системе авиационного ГТД предъявляют ряд требований, выполнение которых необходимо для её надежного функционирования в соответствии с назначением двигателя.

Масляная система должна обеспечить:

· надежную подачу масла к узлам трения и его откачку во всех ожидаемых условиях эксплуатации двигателя, как на земле, так и в полете;

· минимально возможный уровень безвозвратных потерь масла;

· чистоту масла, подаваемого к узлам трения, необходимую для нормальной работы подшипников и других узлов трения;

· приемлемое тепловое состояние масла как рабочего тела;

· быстрый прогрев масла при запуске двигателя (в течение регламентированного времени до выхода на максимальный режим);

· запас масла в маслобаке, достаточный и для возвращения самолета в обратный рейс;

· отсутствие возможности перетекания масла из маслобака в двигатель при длительной стоянке;

· возможность полного слива масла из двигателя (например, в случае необходимости замены масла).

При этом агрегаты масляной системы должны иметь минимально возможную массу и должны быть компактно размещены на двигателе.

В отраслевом стандарте на разработку масляных систем содержатся следующие основные требования, относящиеся:

- к функциональному назначению, принципиальной схеме и компоновке системы;

- выбору сорта масла, обеспечивающего работоспособность двигателя;

- запасу масла в маслобаке, величине прокачки масла через узлы двигателя, ограничению допустимой величины безвозвратных потерь масла;

- тепловому состоянию масла, включающему ограничение допустимой величины теплоотдачи от двигателя в масло и осуществление его эффективного охлаждения;

- чистоте внутренних полостей двигателя, омываемых маслом;

- обеспечению надёжности системы;

- системе суфлирования масляных полостей двигателя;

- контролепригодности состояния системы (уровня заявленных параметров и сигнализации о достижении ими критического значения, степени загрязнения масляных фильтров, состояния смазываемых узлов трения, работоспособности подвижных уплотнений масляных полостей);

- удобству технического обслуживания системы и её агрегатов.

В указанном стандарте оговорены требования к основным видам испытаний масляной системы, которые должны быть проведены на опытном двигателе (до предъявления его на сертификационные и Государственные испытания) в стендовых условиях, на летающей лаборатории и при установке двигателя на самолет.

3. Состав агрегатов масляной системы

Существует множество схемно-конструктивных типов масляных систем ГТД. У каждого разработчика двигателей (фирме) сложился свой отличительный стиль проектирования масляных систем. Однако практически любая масляная система авиационного ГТД имеет в своем составе вполне определенный набор агрегатов.

Запас масла, требуемый для обеспечения работы двигателя в течение заданного времени, содержится в маслобаке. Подачу масла в двигатель осуществляют с помощью нагнетающего насоса. Разветвленная сеть распределения масла доставляет его потребителям. Непосредственно к узлам трения впрыск масла производят с помощью форсунок.

Отвод масла осуществляется откачивающими насосами, и крайне редко для откачки масла из отдельных узлов используют жидкостные эжекторы.

До поступления масла вновь на вход в нагнетающий насос, от него должен быть отделен воздух, содержащийся в откачиваемой масловоздушной смеси. Для этого в системе должно быть сепарирующее устройство, устанавливаемое на выходе из канала, объединяющего магистрали откачки масла из всех узлов двигателя.

Масло, с выходной температурой, более высокой по сравнению с величиной его температуры на входе в двигатель, охлаждается в маслоохладителе, включенном в циркуляционный контур масляной системы.

Загрязненное продуктами износа трущихся поверхностей и механическими примесями из воздуха (с которым контактирует в масляных полостях двигателя) масло очищается в фильтрах тонкой очистки, включенных в циркуляционный контур.

Перечисленные агрегаты определенным образом связаны между собой трубопроводами, что обеспечивает непрерывное поступление к узлам трения охлажденного и очищенного масла, циркулирующего по замкнутому контуру.

Для контроля за состоянием функционирования масляной системы (измерения уровней температур и давлений в характерных точках циркуляционного контура) устанавливают соответствующие датчики. На входе масла в двигатель всегда измеряют величину его давления и, как правило, величину температуры (у некоторых двигателей производят контроль температуры только на выходе его из двигателя).

Устанавливаются датчик сигнализатора загрязнения масляного фильтра, измеряющего разность давлений масла на входе и на выходе из него.

4. Взаимосвязь масляной системы с системой суфлирования масляных полостей двигателя

В корпусах опор роторов любого ГТД его масляные полости отделены от воздушных с помощью подвижных уплотнений, устанавливаемых между валами и статором. Предназначение этих уплотнений (в основном лабиринтных и контактных графитовых) – исключить утечек масла из масляных полостей опор двигателя.

Для предотвращения утечки масла через любое уплотнение величина давления воздуха перед ним должна быть больше величины давления внутри масляной полости – обеспечен перепад давления. При создании достаточного перепада давления воздух будет непрерывно проникать внутрь масляных полостей опор, препятствуя утечкам масла из них в предмасляную воздушную полость. Для исключения возможности накопления в масляных полостях воздуха, которое приводило бы к уменьшению перепада давления на уплотнениях (в пределе до нуля), необходимо непрерывно осуществлять равновесный отвод воздуха из масляных полостей как на постоянных, так и на переменных режимах работы двигателя. Эту функцию выполняет система суфлирования.

Возможны различные варианты схем суфлирования масляных полостей двигателя – от объединенной системы отвода воздуха из всех масляных полостей до автономного суфлирования каждой из них. Способы отвода указанного воздуха и соответствующие конструктивные решения, относящиеся к системе суфлирования, многообразны. Работоспособность масляной системы в значительной мере зависит от её взаимодействия с системой суфлирования (в некоторых учебниках включается в масляную систему в качестве подсистемы).

Система суфлирования формирует уровни давлений в масляных полостях опор, коробок приводов и маслобака, что влияет на количественное распределение масла по потребителям.

5. Принципиальные схемы масляных систем

Масляная система ГТД представляет собой определенную совокупность агрегатов. В принципиальной схеме масляной системы отражаются связи между ними, необходимые для осуществления циркуляции масла по замкнутому контуру с совершением требуемых циклических процессов (тепловых и гидравлических). Кроме того, в принципиальных схемах условно показывают устройства, необходимые для контроля работоспособности масляной системы.

В соответствии с требованиями ЕСКД все элементы и устройства на схеме изображают в виде условных графических обозначений и дают им позиционные порядковые номера.

Принципиальная схема масляной системы является основополагающим документом, определяющим принципы её работы, возможные регулировки и контроль параметров системы, а также выбор исходных данных для проведения расчета и конструирования входящих в её состав агрегатов. Поскольку масляная система функционально связана с системой суфлирования масляных полостей, то обычно эти две системы изображают совместно на общей схеме.

Типичная принципиальная схема масляной системы ГТД представлена на рис.22.1. В ней циркуляция масла в замкнутом контуре осуществляется через маслобак. Из двигателя масло возвращается в маслобак после его охлаждения в теплообменнике. Сепарация откачиваемой из двигателя масловоздушной смеси производится с помощью приводного центробежного воздухоотделителя (центрифуги). Поэтому на охлаждение в теплообменник поступает масло, практически не содержащее включений воздуха. Воздух из маслобака и из масляных полостей двигателя по системе суфлирования после его очистки в суфлере от частиц масла отводится в атмосферу (обычно на срез сопла).

Такая схема масляной системы является классической.

На рис.22.2 представлена схема масляной системы с сепарацией масловоздушной смеси, откачиваемой из двигателя, в статическом воздухоотделителе (циклонного или лоткового типа), размещенном внутри маслобака. У специалистов она получила условное название схемы с «горячим» маслобаком. В этой схеме охлаждение масла происходит в линии подачи его в двигатель. Воздух, отделенный от масла в статическом сепараторе, удаляют по системе суфлирования. Такую принципиальную схему применяют фирмы «Пратт энд Уитни» и «Роллс – Ройс».

В последних разработках двигателей фирмы «Дженерал Электрик» используют подобную схему циркуляции масла, но масловоздушная смесь охлаждается перед тем, как она поступает в сепаратор. У двигателей с такой схемой циркуляции в маслобак сливается охлажденное масло. Но так как охлаждается не только масло, но и содержащийся в нем воздух, то потребные охлаждающие поверхности теплообменников и проходные сечения масляных каналов в них должны быть соответственно увеличены.

На схемах стрелками показано движение потоков:

- воздух;

- масло;

- масловоздушная смесь;

- хладагент.

Рис.22.1 Типичная принципиальная схема масляной системы

1 – маслобак; 2 – датчик температуры; 3 – нагнетающий насос (с редукционным клапаном); 4 – запорный клапан; 5 - фильтр (с перепускным клапаном); 6 – датчик сигнализации о загрязнении фильтра; 7 – датчик давления; 8 – суфлер-сепаратор; 9 – условная масляная полость двигателя; 10 – форсунка; 11 – защитный фильтр; 12 – откачивающий насос; 13 – приводной центробежный воздухоотделитель; 14 – датчик сигнализации наличия стружки в масле; 15 – теплообменник (с перепускным клапаном).

Рис.22.2 Принципиальная схема масляной системы с «горячим» маслобаком

1 – маслобак; 2 – нагнетающий насос (с редукционным клапаном); 3 – запорный клапан; 4 - фильтр (с перепускным клапаном); 5 – датчик сигнализации о загрязнении фильтра; 6 – теплообменник (с перепускным клапаном).7 – датчик температуры; 8 – датчик давления; 9 – суфлер-сепаратор; 10 – форсунка; 11 – условная масляная полость двигателя; 12 – защитный фильтр; 13 – откачивающий насос; 14 – статический воздухоотделитель.

В рассмотренных схемах маслобак включен в состав циркуляционного контура масляной системы. Короткозамкнутая схема масляной системы обеспечивает циркуляцию масла, минуя маслобак (Рис.22.3).Важной отличительной особенностью такой схемы является наличие в ней подкачивающего насоса, находящегося между маслобаком и нагнетающим насосом. С помощью подкачивающего насоса производится заполнение системы маслом и подпитка циркуляционного контура.

Циркуляция масла в процессе работы двигателя осуществляется следующим образом. Нагнетающий насос направляет масло в фильтр, и далее оно поступает в двигатель. Откачиваемая из узлов двигателя масловоздушная смесь поступает в центрифугу, где происходи её сепарация. Из центрифуги воздух отводится в маслобак (и далее удаляют из двигателя по системе суфлирования), а масло направляют в теплообменник. Затем охлажденное масло возвращается на вход в нагнетающий насос, завершая цикл циркуляции. При работе двигателя такое циркулирование масла происходит непрерывно.

На стационарных режимах масло с выхода подкачивающего насоса через редукционный клапан постоянно возвращается к нему на вход. Редукционный клапан, настроенный на небольшой перепад давления (0,05 МПа), не является препятствием для указанного возврата масла. На переходных режимах при увеличении оборотов ротора подкачивающий насос подает дополнительное количество масла на вход в нагнетающий насос. При снижении режима работы часть возвращаемого из двигателя масла перепускается в маслобак (через редукционный клапан покачивающего насоса). Подпитка маслом циркуляционного контура необходима не только при увеличении режима работы двигателя, но и для компенсации безвозвратных потерь масла в системе.

В такой схеме маслобак служит главным образом для заполнения системы, её подпитки на переходных режимах и компенсации эксплуатационного расхода масла. Короткозамкнутая система имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренными циркуляционными системами. Основные из них:

- уменьшается потребный объем маслобака (на 20 – 30%);

- сокращается время прогрева масла в циркуляционном контуре при низкотемпературных запусках двигателя;

- повышается живучесть масляной системы в случае потери герметичности маслобака;

- уменьшается длина и масса трубопроводов масляной системы;

- создается возможность обеспечить увеличенную прокачку масла через узлы двигателя.

Впервые короткозамкнутая схема масляной системы была реализована на ТВД НК-12, затем на двигателе АИ-20. У всех ТРДД, созданных под руководством Генерального конструктора Н.Д. Кузнецова, масляные системы выполнены по короткозамкнутой схеме.

Рис.22.3 Короткозамкнутая схема масляной системы

1 – маслобак; 2 – подкачивающий насос (с редукционным клапаном); 3 – запорный клапан; 4 - нагнетающий насос (с редукционным клапаном); 5 - фильтр (с перепускным клапаном); 6 – датчик сигнализации о загрязнении фильтра; 7 – датчик давления; 8 – датчик температуры; 9 – суфлер-сепаратор; 10 – условная масляная полость двигателя; 11 – форсунка; 12 – защитный фильтр; 13 – откачивающий насос; 14 – приводной центробежный воздухоотделитель; 15 – датчик сигнализации наличия стружки в масле; 16 – теплообменник (с перепускным клапаном).

На приведенных схемах масляные полости опор ротора и коробок приводов показаны в виде условной общей полости, в которую с помощью форсунок впрыскивают масло к узлам трения, а отвод масловоздушной смеси из неё осуществляют несколькими откачивающими насосами. Такое схематическое представление оправдано в тех случаях, когда эти насосы объединены в блок, имеющий общий привод. Но если откачивающие насосы встроены в конструкцию опор или коробок приводов, то в принципиальных схемах масляных систем целесообразно отражать линии подачи и откачки масла, относящиеся к конкретным узлам. Такая принципиальная схема масляной системы двухвальных ТРДД показана на рис.22.4.

В данной схеме показана разводка масла к опорам, отражено осуществление откачки масловоздушной смеси из отдельных узлов двигателя. Из рассмотренной схемы видно, что опора турбины имеет автономное суфлирование с размещением рабочего колеса суфлера внутри её масляной полости и что опоры компрессора и маслобак имеют объединенную систему суфлирования, в которой рабочее колесо суфлера установлено внутри коробки приводов агрегатов.

На рис.22.5 показана детальная схема маслосистемы двигателя АЛ‑31Ф.

С целью облегчения восприятия и запоминания основных особенностей схемы масляной системы её можно представить в мнемоническом исполнении. В качестве примера на рис.22.6 приведена схема масляной системы двигателя НК-8-2У, а на рис.22.7 изображена схема масляной системы двигателя НК-86.

В таких схемах, представленных на фоне продольных разрезов двигателей, детализирована разводка масла по узлам, отражено размещение агрегатов масляной системы и системы суфлирования. В них условное изображение агрегатов масляной системы и системы суфлирования, в отличие от требований ЕСКД, выполнено с использованием символов мнемонического характера. Схемы такого вида удобны для практического использования.

На схеме масляной системы НК-86, в отличие от схемы масляной системы двигателя НК-8-2У, есть два дополнительных трубопровода: воздух отделенный в центрифуге от масла, вначале отводится в маслобак, а затем из него поступает в коробку приводов, внутри которой размещен суфлер.

У двигателя НК-8-2У воздух из центрифуги после открытия клапана при выходе на режим «малый газ» сбрасывается в коробку приводов. А в процессе запуска и останова двигателя вся масловоздушная смесь из центрифуги поступает на вход в нагнетающий насос, и в этих условиях давление масла на входе в двигатель кратковременно имеет пониженный уровень.

Схема масляной системы двигателя RB.211, оформленная в своеобразном стиле с использованием мнемонических символов, показана на рис.22.8.

Рис.22.4 Короткозамкнутая схема масляной системы двухвальных ТРДД: НК-8-4, НК-86, НК-22 (детализованная)

1 – маслобак; 2 – подкачивающий насос (с редукционным клапаном); 3 – запорный клапан; 4 - нагнетающий насос (с редукционным клапаном); 5 - фильтр (с перепускным клапаном); 6 – передняя опора; 7 – форсунка; 8 – откачивающий насос; 9 – средняя опора; 10 – коробка приводов агрегатов; 11 – суфлер-сепаратор; 12 – опора турбины; 13 – эжектор; 14 – приводной центробежный воздухоотделитель; 15 – датчик температуры; 16 – датчик давления; 17 – сигнализатор наличия стружки в масле; 18 – теплообменник (с перепускным клапаном).

Рис.22.5 Маслосистема двигателя АЛ-31Ф

Рис.22.6 Схема масляной системы двигателя НК-8-2У

Рис.22.7 Масляная система двигателя НК-86

Рис.22.8 Схема масляной системы двигателя RB.211

7. Принципы существования циркуляции масла в масляных системах ГТД

В циркуляционном контуре любой масляной системы можно выделить три функциональных подсистемы, которые за счет определенного подбора состава агрегатов осуществляют:

· подачу масла в двигатель;

· откачку масла;

· кондиционирование масла.

Эти подсистемы специалисты условно называют системами.

Система подачи масла

Эту систему нередко называют системой нагнетания масла, так как её функцией является обеспечение непрерывного подвода масла к узлам трения двигателя с определенным давлением с определенным давлением и требуемой величиной прокачки на всех режимах работы двигателя в ожидаемых условиях эксплуатации, включая режимы авторотации.

Основным агрегатом данной системы является нагнетающий насос (а в короткозамкнутых схемах циркуляции масла еще и подкачивающий насос, устанавливаемый на входе в нагнетающий насос и связанный каналом с маслобаком).

Нагнетающий насос с требуемой производительностью обеспечивает подачу заданного количества масла в двигатель. Величина избыточного давления масла на входе в двигатель зависит от гидравлического сопротивления разветвленной сети потребителей масла и от количества и размеров форсунок, через которые происходит истечение масла на смазываемые узлы трения. На рабочих режимах двигателя величина давления масла находится в диапазоне от 0,3 до 0,6 МПа. При низкотемпературных запусках вследствие высокой кинематической вязкости масла нагнетающий насос может создать давление, в несколько раз превышающее указанный уровень. Поэтому для предотвращения возможных разрушений конструкции (например, фильтроэлементов) в системе нагнетания необходимо предусматривать предохранительный клапан, который открывается при повышении давления масла до предельно допустимой величины и осуществляет перепуск нагнетаемого масла на вход в насос или маслобак.

У современных авиационных ГТД отбор мощности для привода нагнетающего насоса осуществляют от ротора турбокомпрессора (в частности, у многовальных двигателей – от ротора ВД).Это вызвано необходимостью осуществления подачи масла к узлам трения с момента запуска двигателя, учитывая, что при его запуске первым приводится во вращение ротор ВД.

Система откачки масла

Данная система предназначена для отвода использованного масла из опор, коробок приводов и из редуктора (в случае, если он входит в состав ГТД и имеет общую с ним масляную систему) с целью исключения возможности переполнения их масляных полостей. При этом в каждом из указанных узлов слив масла вначале осуществляется самотеком в специальные маслосборники, предусматриваемые в нижней части корпусов опор (или коробок приводов), а из последних оно поступает на вход в откачиваемые насосы.

В системе откачки масла используют либо насосы, встроенные в конструкцию узлов двигателя (опор, коробок приводов), либо выносные устройства для откачки масла. Привод откачивающих насосов у многовальных ГТД может быть осуществлен от любого ротора. Поскольку у таких двигателей на переходных режимах имеет место рассогласование оборотов роторов и продолжительность выбега роторов после выключения двигателя различна, то у откачивающих насосов должен быть предусмотрен определенный запас производительности по отношению к количеству масла, поступающего в соответствующие узлы двигателя. Необходимость резервирования откачивающей способности рассматриваемых насосов связана, кроме этого, с тем, что в высотных условиях производительность насосов существенно уменьшается. Поэтому откачивающие насосы должны иметь расчетную производительность со значительным коэффициентом запаса. По статистике, у отечественных ГТД он находится в диапазоне от 2 до 5 (по отношению к прокачке масла через соответствующие узлы двигателя на максимальном режиме в условиях Н_п=0, М_п=0).

Система кондиционирования масла

В данной системе осуществляется не только сепарация откачиваемой масловоздушной смеси, но также производится охлаждение масла и его очистка. Масло в каждом циркуляционном цикле перед поступлением на вход в нагнетающий насос должно быть доведено до определенной кондиции.

Необходимость сепарации указанной смеси обусловлена тем, что если не будет произведено отделение воздуха из откачиваемой масловоздушной смеси, то невозможно создать нагнетающим насосом требуемое давление масла на входе в двигатель (вследствие сжимаемости масловоздушной смеси).

Внутри двигателя масло постоянно нагревается вследствие интенсивного тепловыделения в смазываемых узлах трения, при контакте его с горячими стенками корпусов опор и от тепла, вносимого воздухом, проникающим в масляные полости опор через уплотнения валов. Поэтому в циркуляционном контуре масляной системы требуется производить непрерывное охлаждение масла, для того чтобы в каждом очередном цикле циркуляции оно поступало в систему нагнетания с величиной температуры, не превышающей допустимый уровень, заявленный в технических условиях на двигатель.

Охлаждение масла осуществляется в специальных теплообменниках. Как видно из принципиальных масляных схем масляных систем, эти теплообменники могут быть установлены либо в магистрали подачи масла в двигатель, либо на линии откачки масла из него. Практика показывает, что разработчики ГТД предпочитают устанавливать маслоохладители в циркуляционном контуре на линии откачки масла (после осуществления сепарации откачиваемой масловоздушной смеси).

Необходимость очистки масла от технологических и эксплуатационных загрязнений, от продуктов износа трущихся пар, а также от продуктов термического разложения масла очевидна, так как от степени его чистоты зависит надежность и долговечность узлов трения двигателя и, прежде всего, подшипников ротора турбокомпрессора. Фильтры могут быть размещены и в линии подачи масла в двигатель, и в линии откачки масла, либо только в одной из них.

Таким образом, в масляных системах ГТД важной отличительной особенностью систем кондиционирования масла является то, что входящие в их состав агрегаты могут иметь самое различное размещение в циркуляционном контуре. Именно этим объясняется большое разнообразие принципиальных схем масляных систем у созданных авиационных газотурбинных двигателей, как отечественных, так и иностранных.

Дата добавления: 2014-01-05