2.8.4. Маслонасосы

Рис.2.27. Напорная характеристика качающего узла

В масляных системах широко применяются шестеренные насосы. Они компактны, обеспечивают большую подачу, обладают достаточной всасывающей способностью, просты в производстве и надежны в эксплуатации. По назначению шестеренные насосы подразделяют на подкачивающие (насосы подпитки), нагнетающие и откачивающие. В ряде конструкций нагнетающий и откачивающий насосы или несколько откачивающих насосов (именуемые секциями) объединяют в одном корпусе. Каждая секция состоит из двух цилиндрических шестерен, одна из которых является ведущей.

Напорная характеристика качающего узла

Под качающим узлом следует понимать устройство без какого либо регулирования давления масла на выходе из насоса и на рис. 2.27 представлена его характеристика Р_к.у.=f(Q_к.у.).

При постоянной частоте вращения ротора n=const (и Q_к.у.=const) развиваемое давление будет определяться только противодавлением системы (пунктирная линия). В реальных условиях с увеличением давления действительная производительность будет уменьшаться в связи с ростом утечек Q_ут) через неплотности и зазоры насоса. Отсюда следует вывод о недопустимости использования в напорных магистралях объемных нагнетающих устройств без перепускных клапанов.

Рис.2.28. Напорная характеристика насоса (качающий узел+редукционный клапан)

Устройство, объединяющее в себе качающий узел и параллельно подключенный перепускной клапан, называется насосом (см. рис. 2.28).Из схемы следует, при постоянной частоте вращения насоса:

Q_к.у.=Q_нас.+Q_кл.=const

В точке С производительность насоса Q_нас=0. Очевидно, что вся жидкость, нагнетаемая качающим узлом, прокачивается через перепускной клапан, обеспечивая максимальное давление на выходе. По мере роста Q_нас снижается Q_кл ,что уменьшает степень обжатия пружины и перепад давления жидкости на клапане. Количество перепускаемого масла определяется разностью между подачей и потребной прокачкой масла через двигатель, чем объясняется падающий наклон характеристики в рабочей зоне. В точке В перепускной клапан перекрывается и Q_к.у=Q_нас и далее насос работает, как качающий узел.

Интересны по конструктивному выполнению насосы, схема которых приведена на рис. 2.29. Для трех насосов используются всего четыре зубчатых колеса, из которых внутренние являются рабочим элементом одновременно для двух насосов.

Особенности кавитационных характеристик маслонасосов

Рис. 2.29 Трехсекционный масляный насос

Кавитационная характеристика маслонасосов принципиально не отличается от аналогичной характеристики топливных насосов и, тем не менее, срыв подачи масла происходит при более высоком давлении на входе, чем давление насыщенных паров масла (всего несколько мм. рт. ст.). Это объясняется тем, что имеющееся давление на входе не в состоянии преодолеть сопротивление движению масла в силу его повышенной вязкости и заполнить рабочие камеры насоса. Необходимо отметить, что откачиваемое масло из полостей двигателя представляет масловоздушную эмульсию. Наличие растворенного воздуха в масле существенно ухудшает кавитационную характеристику (см. рис.2.30).

Неполное заполнение камер насоса жидкостью не только понижает его подачу и КПД, но и вредно отражается как на насосе, так и на системе. Это вызвано тем, что при подходе такой камеры к полости нагнетания, возникает обратный поток жидкости из полости высокого давления (полости нагнетания), который вызывает гидравлический удар. Гидравлические удары вызывают эрозионный износ аппаратуры, колебания давления и, как следствие, - усталостные разрушения. Амплитуда колебаний давления зависит от величины последнего, а частота пульсаций потока определяется числом рабочих камер и частотой вращения насоса.

2.8.5. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ НАСЫЩЕНИЯ МАСЛА ВОЗДУХОМ

Одной из причин нарушения нормальной работы масляной системы является насыщение масла воздухом. Наличие воздуха в масле уменьшает высотность масляной системы, ухудшает смазку подшипников из-за местных разрывов масляной пленки, снижает охлаждающую способность масла. Вспененное масло переполняет отстойники, внутренние полости двигателя, свободный объем масляного бака и может быть выброшено в атмосферу через дренажные трубопроводы и систему суфлирования. Наличие воздушно-масляной эмульсии в автоматических устройствах увеличивает время срабатывания агрегатов, вызывает отставание в работе следящих систем, приводит к возникновению колебательных процессов.

Р ис.2.30. Влияние воздуха, содержащегося в масле, на работу шестеренного насоса 1-воздух отсутствует(не более 2-10%), 2-10% воздуха; 3- 20% воздуха; 4 - 30% воздуха; 5 -40 % воздуха;

При нормальных атмосферных условиях в масле в растворенном состоянии содержится 8…10 % (по объему) воздуха. Перемешиванию масла с воздухом способствует раздробление его при смазке подшипников и многочисленных приводов и передач.

Для надежной откачки масла из отстойников двигателя производительность откачивающих насосов должна быть больше подачи нагнетающих. Это приводит к дополнительному насыщению масла воздухом, так как насосы, кроме эмульсии, откачивают большое количество свободного воздуха и газов. Перемешанный таким образом воздух находится в масле во взвешенном состоянии в виде пузырьков. В агрегатах откачивающей магистрали (насосах, радиаторах) пузырьки воздуха, в свою очередь, дробятся, и часть воздуха из-за повышенного давления в откачивающей магистрали дополнительно растворяется в масле.

Попадая в бак, крупные пузырьки воздуха всплывают. Так как в баке давление меньше, чем в откачивающей магистрали, то из масла выделяется в виде мельчайших пузырьков и растворенный воздух. Однако скорость всплывания этих пузырьков незначительная, и они не смогут выделиться в надмасляное пространство бака.

Таким образом, количество воздуха, поступающего во всасывающую магистраль, зависит от сорта и температуры масла, давления в откачивающей магистрали, уровня масла в баке, степени раздробленности пузырьков воздуха. Чем больше откачивается из двигателя с маслом воздуха, тем больше его будет и в магистрали подачи в двигатель. С повышением давления в откачивающей магистрали и понижением вязкости масла растворимость воздуха в нем увеличивается, а, следовательно, меньшая часть его выделится за время пребывания масла в баке. При увеличении высоты полета давление в баке и перед нагнетающим насосом уменьшается. Объем воздушных пузырьков, содержащихся в масле, увеличивается, а количество масла, поступающего к насосу, соответственно уменьшается. Наличие воздушных пузырьков увеличивает гидравлические потери давления в трубопроводах, уменьшает теплоемкость и теплопроводность масла, что приводит к ухудшению охлаждения трущихся поверхностей двигателя.

Для снижения процентного содержания воздуха в масле необходимы специальные меры. Например, для уменьшения механического раздробления масла и перемешивания его с воздухом во внутренней полости двигателя отстойники и пути слива масла целесообразно располагать в местах, удаленных от вращающихся деталей. Поскольку увеличение разности в подачах откачивающего и нагнетающего насосов способствует насыщению масла воздухом, то эту разность не следует выбирать чрезмерно большой.

Весьма эффективный способ уменьшения воздуха в окачивающей магистрали – применение контактных уплотнений в области ротора.

Воздухоотделители

Рис. 2.31. Центробежный воздухоотделитель: 1-корпус, 2-гайка, 3-крышка, 4-патрубок; 5-шпонка, 6-ротор, 7-крыльчатка, /, //, /// -полости воздухоотделителя.

Для отделения воздуха от масла применяются воздухоотделители.

Простейший из них называется лотковым воздухоотделителем. Он представляет собой лоток, установленный в маслобаке, по которому растекается масляная эмульсия тонким слоем; при этом время выделения воздуха из эмульсии существенно уменьшается. Такой воздухоотделитель применяется при небольшом количестве циркулирующего масла и небольшом содержании в нем воздуха.

В воздухоотделителях циклонного типа используется центробежный эффект: вращающаяся жидкость удерживается на периферии воздухоотделителя, а воздух (газы), оставаясь в центре, выводятся в дренаж.

При большом циркуляционном расходе масла и суще5ственном содержании в нем воздуха применяется центробежный воздухоотделитель, показанный на рис. 2.31. В корпусе воздухоотделителя находится ротор 6, установленный на двух опорах. На роторе зафиксирована шпонкой 5 и закреплена гайкой 2 крыльчатка. Масло из откачивающего насоса попадает в кольцевую полость /, а оттуда - внутрь ротора. Под действием центробежных сил масло отбрасывается к периферии и попадает в кольцевую полость //, а затем по патрубку 4 в воздушно-масляный радиатор. Воздух проходит в кольцевую полость /// и оттуда - через масляный бак в атмосферу.

Рис. 2.32. Центробежный суфлер: /-окно ротора, 2 и 7-втулки кольцевого уплотнения, 3-крышка, 4-корпус, 5-крыльчатка, 6-ротор, 8-гайка, 9-жиклер.

С увеличением вязкости масла (при пониженной температуре) эффективность работы центрифуг снижается, что может привести при запуске двигателя к переполнению маслом отстойников (в системах с отводом воздушно-масляной эмульсии в двигатель). Для устранения этого в конструкции центрифуг или в магистрали отвода воздушно-масляной эмульсии устанавливают специальные (эмульсионные) клапаны, роль которых сводится к перекрытию указанной магистрали при малых частотах вращения ротора двигателя.

При правильно выбранной центрифуге содержание воздуха в масле уменьшается до 4…5 %.

Нагрев масла, его испарение и прорыв газов в масляные полости приводят к повышению давления масла в баке и выбросу его наружу. Чтобы этого не случилось, применяют суфлер (рис. 2.32), который устанавливают в системе суфлирования и который по своему устройству аналогичен центробежному воздухоотделителю. Масловоздушная эмульсия, попав на вращающуюся крыльчатку 5, отбрасывается на стенки корпуса, при этом масло отделяется от воздуха и стекает в двигатель, а воздух по суфлирующей системе направляется в атмосферу

Фильтры

Масляные фильтры служат для чистки масла от посторонних примесей (продукты разложения масла, частицы от коррозии и износа трущихся поверхностей). Они устанавливаются в откачивающей и нагнетающей магистралях и называются соответственно фильтрами низкого и высокого давлений.

В качестве фильтрующих элементов обычно применяют металлические сетки, изготовленные из латунной или стальной проволоки, с 2500…3600 ячеек на 1 см², для фильтров низкого давления - 10000…12000 ячеек на 1 см² для фильтров высокого давления. Сетчатые фильтры набираются из отдельных секций (дисков) чечевицеобразной формы.

Фильтры подбираются по каталогу, учитывая потребную тонкость фильтрации и допускаемую прокачку масла. Тонкость фильтрации характеризуется номинальными размерами частиц загрязняющих примесей, удерживаемых фильтрующими элементами,

При отсутствии в каталоге подходящего фильтра приближенно оценивается общая площадь фильтрующей поверхности:

F _ф = ,

где Q_ф. - потребная прокачка масла через фильтр, м ³ /с;

v_ф - условная скорость масла, равная отношению количества масла, проходящего через фильтр в единицу времени, к общей площади фильтрующей поверхности, м/с.

Значения v_ф зависят от типа двигателя и равны 0,01…0,06 м/с; верхний предел рекомендуется принимать для ТВД, имеющих увеличенную прокачку масла через фильтр.

Для обеспечения поступления масла в двигатель во время запуска при низких температурах окружающего воздуха (когда масло имеет повышенную вязкость и не может циркулировать через фильтрующие секции), а также при загрязнении секций в конструкции фильтра предусмотрен перепускной клапан. который. При достижении перепада давления на фильтре (80…140) кПа он открывается, перепуская в систему не фильтрованное масло. Металлические сетчатые фильтры задерживают частицы, величина которых превышает (30…40) мкм. В масляных системах двигателей, где требуется более тщательная фильтрация масла, применяются центробежные очистители.

2.8.6. МАСЛОРАДИАТОРЫ

Для охлаждения нагретого масла в системах смазки используются радиаторы, которые выполняются в виде отдельного агрегата и закрепляются непосредственно на двигателе или на элементах мотогондолы

В ТРД и ТРДД масло охлаждается в радиаторах топливом, а в ТВД и ТВВД - воздухом. Охлаждение масла топливом является более рациональным решением, так как в этом случае радиатор, установленный внутри мотогондолы, не создает дополнительного аэродинамического сопротивления в полете. Кроме того, тепло, отводимое от масла, используется для нагрева топлива. Этим предотвращается обмерзание топливных фильтров в случае попадания влаги в топливо.

Рис. 2.33. Принципиальная схема воздушно-масляного радиатора: а -схема циркуляции масла; б -схема теплообменника;1-подъемно-предохранительный клапан; 2-запорный клапан; 3- перегородки; 4-корпус радиатора; 5-шестигранная часть трубки; 6-часть трубки круглого сечения

Использование топливомасляных радиаторов в ТВД и ТВВД не представляется возможным, так как теплоотдача в масло на этих типах двигателей за счет наличия редуктора в 2... 3 раза выше, чем в ТРД и ТРДД. Применение топливо масляных радиаторов в ТВД и ТВВД неизбежно привело бы к перегреву масла. Воздушно-масляный радиатор (рис. 2.33) представляет собой набор тонких латунных трубок 5, концевые части которых имеют шестигранное сечение. Трубки, спаянные по концам, образуют стенки радиатора. Набор трубок помещается в общий корпус. Для достижения оптимальной скорости протекания масла через щели между трубками и уменьшения застойных зон в конструкции маслорадиатора предусмотрены перегородки 3, которые разделяют межтрубочное пространство на секции. Для предотвращения разрушения трубок радиатора от повышенного внешнего давления - при низких температурах масла в агрегате устанавливаются дополнительные клапаны. Реальная опасность переохлаждения масла и повышения давления в маслорадиаторе возникает на этапе снижения самолета, когда двигатель работает на пониженном режиме, а скорость обдува сот маслорадиатора достаточно высока.

Рис. 2.34 Конструктивная схема сотового топливомасляного радиатора: 1-крышка; 2-патрубок подвода масла; 3- корпус; 4 -перепускной клапан; 5-штуцер выхода топлива; 6-перегородки топливной полости; 7-перегородки масляной полости; 8-патрубок выхода масла; 9-штуцер входа топлива.

При нормальной температуре масла клапан 1 открыт, и масло поступает в радиатор. Пройдя радиатор, масло открывает клапан 2 и поступает на выход из радиатора. В случае повышения давления масла на входе клапан 1 под действием этого давления перемещается вверх и закрывает доступ масла в проточную часть радиатора. Одновременно клапан 1 открывает путь масла к клапану 2, который закрывается под действием пружины и перепада давления. Таким образом, масло поступает на выход, минуя проточную часть агрегата.

Маслобаки предназначены для хранения масла, циркулирующего в процессе работы двигателя. В ТВД и ТВВД должен предусматриваться минимально допустимый остаток масла, необходимый для флюгирования лопастей воздушного винта.

На маневренных самолетах для бесперебойной подачи масла к двигателю в маслобаке предусматривается отсек отрицательных перегрузок. Он препятствуют оттоку масла от трубки маслозаборника при отрицательных перегрузках. Этим обеспечивается бесперебойное снабжение маслом двигателя. Количество масла в баке контролируется мерными линейками и электрическими масломерами.

Нормы часового ухода масла из маслобака для различных типов двигателей изменяются в широких пределах: от 0,3 л/ч для двигателя АИ-25 до 1,5 л/ч для современных двигателей большой мощности. Естественный уход масла из системы связан с удалением паров масла через систему суфлирования и испарением легких фракций масла. Масло в процессе работы двигателя увеличивается в объеме за счет нагрева и вспенивания. В связи с этим свободный объем бака составляет 10... 15 % его общей емкости.

2.8.7. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ВЫСОТНОСТНОСТИ МАСЛЯНОЙ СИСТЕМЫ

Высотностью маслосистемы называется предельная высота полета, до которой обеспечивается потребная прокачка масла с необходимым давлением на входе в основной маслонасос двигателя. С увеличением высоты полета давление в полости масляного бака падает, что в итоге вызывает уменьшение давления на входе в основной нагнетающий маслонасос и снижение его производительности. Учитывая недопустимость уменьшения прокачки ниже минимально допустимой, нормальная работа маслонасоса обеспечивается, если:

Р_{вх.расп.} Р_{вх. потр.} ,

где Р _{вх. потр} - минимально допустимое потребное давление на входе в основной маслонасос, Па;

Р_{вх. расп.} - фактическое давление масла перед основным маслонасосом, Па.

Расчет высотности маслосистемы практически сводится к определению такой величины источников давлений, которые, преодолев все потери во всасывающей магистрали, обеспечили бы заданное давление на входе в основной маслонасос.