4.3. Система смазки газотурбинного двигателя (гтд)

4. 3.1. Назначение и описание системы смазки гтд

Система смазки служит для подвода необходимого количества масла к трущимся деталям двигателя при его работе. Масло уменьшает трение и изнашивание деталей, отводит от них тепло, выделяющееся в результате трения и поступающее от соседних нагретых деталей вследствие теплопроводности, предохраняет детали от коррозии и наклепа, уносит с трущихся поверхностей продукты изнашивания.

В турбореактивных (газотурбинных) двигателях смазываются подшипники ротора, подшипники и зубья шестерен приводов агрегатов, подвижные шлицевые и шаровые соединения валов. В турбовинтовых двигателях смазываются, кроме того, подшипники и шестерни редуктора воздушного винта.

Система смазки должна бесперебойно подавать к трущимся поверхностям необходимое количество масла определенной температуры во всем эксплуатационном диапазоне высот и скоростей полета независимо от эволюции летательного аппарата в воздухе. Высотность маслосистемы должна быть не меньше практического потолка летательного аппарата. Кроме того, система смазки должна поддерживать высокую чистоту масла, обеспечивать малый его расход, удобные подходы для осмотра, регулировки и замены агрегатов системы смазки, для заправки системы маслом и его слива, быть компактной, чтобы длина и гидравлическое сопротивление трубопроводов были минимальными. В силу последнего требования систему смазки нередко целиком компонуют на двигателе.

Трудности создания надежной системы смазки связаны с кавитацией в нагнетающих насосах на больших высотах полета и сложностью охлаждения масла при больших скоростях полета, когда велика температура возможных охладителей — топлива и воздуха.

Для смазки высокоскоростных подшипников качения служат углеводо-родные масла малой вязкости, не оказывающие большого сопротивления вращению ротора, обладающие хорошей прокачиваемостью и высокой термостабильностью. Для смазки зубьев шестерен высоконагруженных редукторов ТВД применяют масла средней вязкости, способствующие повышению контактной усталостной прочности зубьев. Допустимые рабочие температуры, при которых все эти масла существенно не изменяют своих физико-химических и смазывающих свойств, находятся в пределах от -40 до +130° С. В связи с трудностями охлаждения масла при больших сверхзвуковых скоростях полета получили применение синтетические масла, сохраняющие свои свойства при рабочих температурах до 200 - 250° С. В маломощных ГТД вспомогательного назначения и в двигателях одноразового применения для смазки и охлаждения трущихся поверхностей нередко используют основное топливо двигателя.

Системы смазки подразделяются на незамкнутые и замкнутые. Незамкнутая система смазки не имеет откачивающей магистрали. Масло используется однократно и после смазки подшипников удаляется в атмосферу. Вместо насосной системы нередко применяется вытеснительная система подачи масла. Системами этого типа оснащают турбореактивные подъемные двигатели и другие типы двигателей, работающих кратковременно.

В замкнутой системе масло используется многократно. После очистки, отделения воздуха и охлаждения оно снова возвращается в двигатель. Системы смазки этого типа применяются на газотурбинных двигателях большой продолжительности непрерывной работы. Циркуляционная система смазки состоит из всасывающей, нагнетающей (напорной) и откачивающей магистралей и дополняется системой суфлирования масляных полостей двигателя.

Всасывающая магистраль служит для подвода масла из бака к нагнетающему насосу самотеком или с помощью дополнительного маслонасоса.

Чтобы увеличить высотность системы смазки, уменьшают гидравлическое сопротивление всасывающей магистрали и всемерно повышают напор на входе в нагнетающий насос. Поэтому подводящий трубопровод выполняют коротким, достаточно большого диаметра, с плавными поворотами, а бак располагают возможно выше по отношению к насосу. Воздушную полость бака наддувают воздухом повышенного давления или сообщают с атмосферой. Диаметр подводящего трубопровода выбирают из условия, что бы скорость движения масла в нем не превышала 1,5—2 м/с.

Нагнетающая магистраль обеспечивает подачу масла к трущимся деталям под давлением (3,5...5) 10⁵ Па.

Схему масляной системы ГТД рассмотрим также на примере маслосистемы двигателя TJ 100 S.

Масляная система двигателя является автономной, она состоит из следующих компонентов (рис.4.6 и 4.8):

- маслобак; - шестеренчатый масляный насос, приводимый в движение электродвигателем; - радиатор (охладитель) масло - воздух; - масляный фильтр; - напорный выключатель; - смазывающие форсунки; - теплообменник топливо-масло; - предохранительный клапан (составная часть маслобака); - сепаратор масла, приводимый в движение электродвигателем; - соединительный трубопровод с внутренним диаметром d=6 мм.

Масло забирается из маслобака посредством насоса, охлаждается, фильтруется и при помощи системы распределения подается на впрыскивающие форсунки подшипников. Смесь масла и воздуха из полости подшипников проходит через теплообменник в центробежный сепаратор (центрифугу), после которых масло возвращается в маслобак, воздух и пары масла отсасываются двигателем.

Часть отфильтрованного масла перепускается через предохранительный клапан обратно в маслобак, клапан поддерживает приблизительно постоянное избыточное давление масла ~ 100 кПа на входе в смазывающие форсунки. Минимальное давление масла на входе в подшипники на рабочем режиме ~65 кПА.

Температура масла на входе в двигатель (за фильтром масла) не превышает более, чем на 80°С температуру всасываемого воздуха.

Избыточное давление масла в стабилизированном состоянии не опускается ниже 80 кПа и не превышает 380 кПа.

Совместная схема масляной и топливной систем с указанием мест измерения параметров жидкости показана на рисунке 4.8.

Маслобак

Маслобак представляет собой сварное изделие из нержавеющей стали, крепящееся в трех точках на нижней части двигателя под входным всасывающим каналом. С правой стороны маслобака размещены сепаратор масла и гравитационное всасывающее устройство, с левой стороны находится заливная горловина для масла с меркой и предохранительный клапан, который регулирует давление масла на входе в двигатель. С нижней стороны находится сливная пробка. Объем маслобака - 480 мл, до отметки МАХ - 430 мл, до отметки MIN - 370 мл.

Охладитель масло-воздух

Охладитель имеет форму кругового кольца и встроен во входной канал двигателя. Он оснащен перепускным клапаном на случай чрезмерного избыточного гидравлического давления в масляном канале.

Фильтр

Фильтр оснащен фильтроэлементом из нержавеющей стали с величиной ячейки 32 мкм. Фильтроэлемент имеет цилиндрическую форму и демонтируется при помощи ключа OKI2. Головка фильтра обеспечивает распределение масла и снабжена местом забора для проверки давления масла. Фильтр крепится на двигателе в левой передней части.

Напорный выключатель

Давление масла в двигателе контролирует выключатель мембранного типа, который замыкает электрический контакт при достижении минимального давления масла. Выключатель установлен на фланце соединительного масляного трубопровода между фильтром и двигателем.

Теплообменник топливо-масло

Алюминиевый теплообменник топливо-масло размещен в правой передней части двигателя. Теплообменная поверхность образована многоходовой спиральной арматурой со стороны топлива и масла.

Сепаратор масла

Сепаратор масла представляет собой приводимую в движение электродвигателем центрифугу, работающую на оборотах 20000 мин.^-1. Многополюсной трехфазный бесщеточный электродвигатель встроен в корпус сепаратора. Уплотнение масляного пространства обеспечено при помощи сальникового уплотнения. Сепаратор установлен на фланце маслобака. Электропитание двигателя обеспечивает блок управления.

Полный расход масла определяется по формуле

Vq=qt_max ,

где q —часовой расход масла, л/ч;

t_max — максимальная продолжительность полета летательного аппарата, ч.

Вместимость маслобака V_б должна быть на 10—20% больше объема V_з заливаемого масла. Свободный объем бака над уровнем масла необходим для обеспечения увеличения объема масла вследствие нагрева и вспенивания и для суфлирования маслобака.

Количество масла, заливаемого в бак, выражается формулой

V_з = V_д+V_q+V_ц

где V_д — количество масла, необходимое для заполнения радиатора, масляных трубопроводов и гидромеханизмов, применяемых в системах двигателя; V_q—-

полный расход масла; V_ц— циркуляционный запас (минимально допустимое количество масла в баке в конце полета), Последний определяется временем t_ц совершения одного цикла прокачки масла:

V_ц=t_цv_д

где v_д — прокачка масла через двигатель, л/мин.

Время t_ц не должно превышать 0,5—1 мин, так как более медленная оборачиваемость масла требует увеличения объема и массы бака, а также приводит к замедленному прогреву маcла. Емкость масляных баков не превышает 30—40 л и только для мощных ТВД достигает 150—200 л.

Высотность маслосистемы характеризуется высотой, до которой нагнетающий маслонасос поддерживает потребную прокачку масла через двигатель. Высотность системы смазки повышается при увеличении запаса подачи нагнетающего маслонасоса, увеличении избыточного давления в баке, уменьшении гидравлического сопротивления масляных магистралей, улучшении очистки масла от содержащихся в нем газов.

Рис.4.8. Схема мест измерений на двигателе TJ 100 S