Условия работы масла в турбовинтовых двигателях.

На большинстве современных турбовинтовых двигателей (ТВД) применяется короткозамкнутая система смазки. В этой системе масло, минуя бак, циркулирует по схеме: двигатель - радиатор - двигатель. ТВД имеет редуктор, понижающий частоту вращения при передаче мощности от вала турбины на воздушный винт в 10…15 раз. Шестерни редуктора работают при высоких контактных напряжениях. Система смазки турбокомпрессорного агрегата и редуктора общая, поэтому смазочное масло должно обеспечивать быстрый и легкий запуск турбины (маловязкое масло) и одновременно надежную смазку шестерен редуктора, что требует высоковязкого масла с улучшенными смазывающими и противозадирными свойствами.

Из-за наличия редуктора теплоотдача в масло в 3…4 раза больше, чем в ТРД, что требует увеличения прокачиваемости его через двигатель. В зависимости от мощности через двигатель прокачивается масла 135…190 л/мин. Кратность прокачиваемости велика и при емкости масляной системы 80…120 л составляет около 100 раз в течение 1 ч.

В ТВД смазочное масло выполняет не только функции смазки и охлаждающей жидкости, но и роль гидравлической жидкости в механизме управления шагом винта. Диапазон рабочих температур смазочного масла для ТВД лежит в пределах от -45^оС до +(130…150)^оС. В современных двигателях средней мощности температура масла в различных узлах трения распределяется следующим образом:

Узел трения	Температура масла, 0 С
Задний подшипник компрессора	130
Подшипник турбины	160
Редуктор	110-130
Средняя температура масла: на входе в двигатель	80-100
на выходе из двигателя	100-120

Сорта масел для турбовинтовых двигателей

Нефтяные масла. В связи с особенностями работы турбовинтового двигателя и для обеспечения надежной его работы в качестве смазочного материала используются смесевые масла. Они представляют смеси из маловязких дистиллятных масел МК-8, МС-8, трансформаторное ТК с высоковязкими остаточными авиационными маслами МС-20 или МК-22.

На ТВД мощностью около 3000 кВт используются маловязкие смеси, состоящие из 75% МК-8 (МС-8) и 25% МС-20 (МК-22). Они имеют обозначение СМ-4,5. На ТВД большей мощности используются высоковязкие смеси, состоящие из 75% МС-20 (МК-22) и 25% МК-8 (МС-8). и имеют обозначение СМ-11,5.

Перед заправкой летательных аппаратов маслосмесь СМ-11,5 должна иметь температуру не ниже +15°С, а маслосмесь СМ-4,5 - не ниже -5°С.

Синтетические масла. На самолетных ТВД может применяться синтетическое масло ВНИИ НП-7.

Это масло имеет пологую вязкостно-температурную характеристику и обеспечивает запуск двигателя без подогрева до - 30° С. Вязкостная присадка при длительной работе масла «размалывается» и вязкость масла несколько снижается.

2.8.3. СХЕМЫ МАСЛОСИСТЕМ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Масляные системы ГТД подразделяются на разомкнутые и замкнутые (циркуляционные). В разомкнутых системах масло после смазки трущихся поверхностей обычно теряет смазывающие свойства и удаляется из двигателя. Эти системы конструктивно менее сложны, чем замкнутые, так как у них отсутствуют элементы (агрегаты), обеспечивающие подготовку масла к последующему циклу (откачивающие насосы, воздухоотделители, радиаторы). Разомкнутые системы чаще всего находят применение в тепло напряженных двигателях одноразового или кратковременного действия, для которых создание замкнутых систем смазки затруднительно или экономически нецелесообразно.

В циркуляционных системах отработавшее масло после очистки, отделения от него воздуха и охлаждения возвращается в бак или на вход в нагнетающий насос двигателя. В этих системах все высоконагруженные подвижные поверхности узлов и агрегатов (подшипники, зубчатые и шлицевые соединения, втулки и т. п.) смазываются маслом, подводимым под давлением, а малонагруженные поверхности - за счет разбрызгивания (барботажа) масла.

При использовании последнего способа смазки масло вращающимися деталями двигателя раздробляется на мельчайшие капельки. Образующийся масляный туман, проникая в зазоры между трущимися поверхностями, предохраняет детали от заеданий. Кроме того, масло, обладающее достаточной липкостью, покрывает внутренние поверхности масляных полостей пленкой, защищая их от коррозии.

В зависимости от схемы движения масла по магистралям, циркуляционные системы подразделяют на одноконтурные, двухконтурные и короткозамкнутые.

В одноконтурных системах (рис.2.25.) масло циркулирует по схеме: бак –двигатель – радиатор - бак. Эта система имеет три характерных участка. Первый - от масляного бака 2 до нагнетающего насоса 4 - носит название всасывающей магистрали. Для уменьшения потерь давления на этом участке, что благоприятно сказывается на работе насоса в высотных условиях, желательно, чтобы он был по возможности прямым, коротким и с трубопроводами большого диаметра, при этом условия работы нагнетающего насоса улучшаются при установке бака выше насоса.

Р ис. 2.25. Схема одноконтурной масляной системы: 1, 14-краны слива масла; 2- бак; 3-заливная горловина; 4 - нагнетающий насос; 5- указатель уровня масла в баке; 6 - редукционный клапан; 7-датчик температуры; 8- фильтр; 9-центробежный суфлер; 10 датчик давления; 11 - обратный клапан; 12-двигатель; 13 - откачивающие насосы; 15 - воздухоотделитель; 16 - радиатор.

На этом участке следует избегать, несмотря на целесообразность с точки зрения защиты системы от пыли и других механических частиц, попадающих в бак, установку фильтров, так как во всасывающей магистрали они увеличивают потери давления и тем самым понижают высотность масляной системы.

Второй участок - от нагнетающего насоса 4 до откачивающих насосов 13 - нагнетающая магистраль двигателя. Величина давления, создаваемого нагнетающим насосом, выбирается из условия обеспечения необходимой прокачки масла через двигатель на всех режимах работы и высотах полета самолета. Для большинства типов двигателей давление масла на пониженных режимах составляет 200…300 кПа, а на основных – 400… 600 кПа.

На участке внутренней магистрали масло после очистки в фильтрах обеспечивает смазку и охлаждение подшипников ротора двигателя, различных приводов и часто используется как рабочая жидкость в автоматических устройствах.

Кроме очистки в фильтрах, установленных за нагнетающим насосом, масло дополнительно очищается и фильтрами, установленными перед форсунками подачи масла к подшипникам, в автоматических регуляторах и других агрегатах. В ряде случаев на выходе масла из двигателя устанавливают сетчатые фильтры, предохраняющие откачивающие насосы от попадания в них механических частиц. Появление металлической стружки на поверхности этих фильтров является первым признаком, свидетельствующим об отклонениях в работе двигателя.

Для предотвращения протекания масла из бака через зазоры нагнетающего насоса в неработающий двигатель за насосом 8 установлен обратный клапан 11. Он открывается при давлении, превышающем статический напор масла перед насосом. Это исключает накопление масла в маслосборных полостях двигателя, как при неработающем двигателе, так и на выбеге при его отключении.

При недостаточной высотности маслосистемы в нагнетающей магистрали устанавливается дополнительный насос, расположенный после обратного клапана 11, при этом насос 4 выполняет функцию подкачивающего.

На участке внутренней магистрали находятся датчики температуры и давления масла.

Третий участок - от откачивающих насосов 13 до масляного бака 2 - называют откачивающей магистралью. Для надежного отсоса масла при различных положениях двигателя в полете количество насосов обычно совпадает с числом точек откачки. Поданное масло к точкам смазки интенсивно разбрызгивается и перемешивается с воздухом (газами). Получившаяся масловоздушная эмульсия значительно превосходит объем поданного масла, поэтому объемная производительность откачивающего насоса должна быть больше подачи. На участке откачивающей магистрали расположены центробежный воздухоотделитель 15, радиатор 16 и другие устройства, обеспечивающие подготовку масла к повторному циклу работы.

Воздухоотделитель целесообразно устанавливать до радиатора, так как в горячем масле облегчается процесс отделения воздуха, а также улучшается теплоотдача радиатора при протекании через него масла, очищенного от воздушных включений. Кроме того, центрифуга создает напор, достаточный для компенсации потерь давления в радиаторе и других агрегатах, установленных на участке откачивающей магистрали.

По указанной выше схеме обеспечивается циркуляция масла в системах силовых установок большинства современных самолетов с ТРД.

Основные магистрали двухконтурной масляной системы (рис. 2.26) аналогичны одноконтурной. Они отличаются тем, что в двухконтурной системе имеются подкачивающий насос (насос подпитки) и два контура течения масла (основной и дополнительный). Основной контур: нагнетающий насос - двигатель - откачивающие насосы - воздухоотделитель - радиатор нагнетающий насос. Через него прокачивается ~90 % общего расхода масла в системе. Это обеспечивается посредством трубопровода а-б, именуемым короткозамкнутым участком.

В дополнительный контур масло поступает через жиклер 19 в бак 3, что составляет ~10 % общей прокачки контуру. Это количество масла используется для подогрева находящегося там масла. Из бака масло насосом подкачки 5 подается в контур на вход в нагнетающий насос. Вследствие того, что по основному контуру циркулирует только масло, находящееся в двигателе, трубопроводах и агрега тах, ускоряется его прогрев, уменьшается расход ресурса двигателя, сокращается время подготовки самолета к полету.

Рис. 2.26 схема двухконтурной масляной системы: 1-указатель уровня масла в баке; 2, 16-краны слива масла; 3-бак; 4-заливная горловина; 5-насос подкачки; 6,11-редукционные клапаны; 7-обратный клапан; 8-датчик температуры; 9-нагнетающий насос; 10-центробежный суфлер; 12-фильтр; 13- датчик давления; 14-двигатель; 15-откачивающие насосы; 17-воздухоотделитель; 18- радиатор; 19 - жиклер

Вторым преимуществом двухконтурной системы является возможность получения большей высотности, чем при одноконтурной масляной системе. Это достигается установкой во всасывающей магистрали подкачивающего насоса, поддерживающего перед нагнетающим насосом определенное избыточное давление, благодаря чему исключается возможность образования на входе в насос воздушных пробок.

Двухконтурные масляные системы применены в силовых установках самолетов Ту-114, Ил-62.

Разновидностью двухконтурной масляной системы является короткозамкнутая (рис. 2.26а). В этой системе масло, минуя бак, циркулирует по контуру: двигатель - радиатор - двигатель. По такой схеме выполнены масляные системы самолетов Ил-18, Ан-10, Ан-24.

Рис. 2.26а Схема короткозамкнутой масляной системы: 1 -указатель уровня масла в баке; 2, 16 - краны слива масла; 3 - бак; 4 - заливная горловина- 5-насос подкачки; 6, 11 - редукционные клапаны; 7 -обратный клапан; 8 -датчик температуры- 9 - нагнетающий насос; 10 - центробежный суфлер; 12- фильтр; 13 -датчик давления- 14- двигатель; 15 - откачивающие насосы; 17 - воздухоотделитель

Первоначальное заполнение двухконтурных и короткозамкнутых систем маслом, а также пополнение израсходованного двигателем масла производится из бака насосом 2. Нагнетающий насос подпитки 2 через фильтр подает масло в двигатель.

Отработавшее масло при помощи откачивающих насосов 15 поступает в воздухоотделитель 17. Освобожденное от воздуха масло направляется в радиатор 18, откуда после охлаждения попадает на вход в нагнетающий масляный насос 9. Центробежный воздухоотделитель создает подпор масла на входе в нагнетающий насос и противодавление на выходе масла из подкачивающего насоса 5. При давлении масла на входе в нагнетающий насос выше 80 кПа обратный клапан 7 перекрывает подачу масла из бака 3. Оставшееся масло во внутреннем контуре обеспечивает охлаждение и смазку всех элементов двигателя. В процессе работы часть масла «уходит» из контура (угар, потери через лабиринтные уплотнения), что приводит к снижению давления за обратным клапаном 7. В силу этого подкачивающий насос 5 подает дополнительную порцию масла в контур, вызывая в нем повышение давления, и процесс восстанавливается.

В короткозамкнутых масляных системах силовых установок с ТВД предусмотрена циркуляция небольшого количества масла в маслобак, что обеспечивает прогрев масла в баке, а, следовательно, постоянную готовность к работе системы флюгирования при отрицательных температурах окружающего воздуха.

Откачка масла из маслосборных полостей двигателя производится отдельными насосами 15. Откачиваемое масло представляет масловоздушную эмульсию – смесь масла и газов. Воздух, выделенный из масла в центрифуге, направляется в бак 1. Заборный патрубок всасывающей магистрали в двухконтурных и короткозамкнутых масляных системах самолетов с ТВД расположен несколько выше днища маслобака, вследствие чего обеспечивается резервный объем масла для флюгирования воздушного винта.

В зависимости от способа и качества воздухоотделения масляный бак может сообщаться через дренажную магистраль с атмосферой или с системой суфлирования двигателя. Суфлирование бака через центробежный суфлер, предусмотренный на двигателе, получило наибольшее распространение, так как при этом устраняется выброс масла из системы в атмосферу и уменьшается попадание в масляный тракт пыли и влаги.

Существуют маслосистемы, где дренаж масляного бака выводят к специальным маслоуловительным (дренажным) бачкам, откуда воздух по дренажным трубкам отводится в атмосферу, а из дренажного бачка масло сливается в отстойник двигателя или в бак. Однако из-за увеличения веса и усложнения масляной системы применение их ограничено.

Выводить дренажные трубки масляных баков необходимо в утепленное место (например, в туннель радиатора), чтобы устранить опасность их обмерзания или в зону горячих газов на выходе из сопла.

Независимо от схемы масляной системы в ней предусматривают элементы, обеспечивающие заправку, слив и контроль количества масла.

На некоторых типах двигателей агрегаты масляной системы, включая бак и радиатор, размещены непосредственно на корпусе двигателя. В этом случае уменьшается длина трубопроводов, их масса и гидравлические потери давления, упрощается монтаж, повышается надежность работы двигателя.

Для обеспечения хороших условий работы нагнетающего насоса необходимо сообщение воздушной полости бака с атмосферой. В зависимости от способов сообщения масляные системы разделяют на открытые и закрытые. В открытых системах масляный бак сообщается с атмосферой через дренажный трубопровод непосредственно. Иногда в открытых системах к дренажному трубопроводу подключают маслоуловительный (дренажный) бачок, откуда воздух по дренажным трубкам отводится в атмосферу, а масло сливается в отстойник двигателя или в бак. Дренажный бачок предотвращает выброс масла через дренаж при действии на самолет отрицательных перегрузок, однако из-за увеличения массы системы и ее усложнения, применение бачков ограничено. В закрытых системах дренирование осуществляется через предохранительные клапаны или магистраль суфлирования двигателя. Системы с суфлированием бака через двигатель получили более широкое применение.