1 − Насос с боковым входом масла; 2 − насос с торцевым входом (с лопаточным
устройством); 3 − насос со шнеколопаточным входным устройством.
9.3.Некоторые конструктивные особенности шестерённых насосов
Из рассмотрения представленных высотных характеристик видно, что лопаточные решетки (рис.13) и шнеколопаточные устройства (рис.14), предназначенные для принудительного заполнения маслом межзубовых впадин шестерён (за счет центробежных сил, налагаемых на поток масла перед поступлением его к шестерням), позволяют существенно повысить эффективность шестерённых насосов. Конструкция таких насосов показана, соответственно, на рис. 9 и рис.15.
Рис.13. Лопаточное устройство, прикрепляемое к шестерне
Ниже описаны типичные особенности конструкций шестерённых насосов и указаны материалы, используемые при их изготовлении. Шестерни насосов выполняют из сталей 12Х2Н4А или ВКС-4 с закалкой и последующей цементацией. Число зубьев у шестерён обычно находится в диапазоне от 8 до 14.
Рис. 14. Шестерня со шнеколопаточным устройством на входе
Модули зубьев чаще всего имеют значения от 3 до 5, но иногда используют зубья с модулями 6-7,5 (при больших модулях увеличивается объём межзубовых впадин шестерён, т.е. возрастает производительность насоса, но ухудшается его к.п.д. вследствие усложнения условий для заполнения маслом этих впадин ).
Рис.15. Конструкция насоса со шнеколопаточным входным устройством
Цапфы (валики) шестерён вращаются внутри бронзовых втулок, образующих подшипники скольжения. Втулки запрессовывают в корпус насоса (с натягом 0,03-0,07 мм), фиксируя каждую двумя штифтами или резьбовыми пробками для исключения возможности их проворота. Втулки изготавливают из оловянно-свинцовистой бронзы марки БрО10С10 (ТУ1-92-145-89), так как этот материал имеет отличные антифрикционные свойства в условиях высоких нагрузок и скоростей скольжения. Величина радиального зазора между валиком и втулкой выдерживают в диапазоне от 0,03 до 0,1мм (в зависимости от диаметральных размеров сопрягаемых элементов). В конструкции насоса предусмотрены каналы для осуществления непрерывной подачи в зазор чистого масла (из фильтра системы нагнетания). Иногда цапфы шестерён в насосах устанавливают на игольчатых подшипниках.
Корпусы и крышки насосов в зависимости от действующих нагрузок, от теплового состояния масла и климатических условий эксплуатации двигателей отливают из следующих сплавов: алюминиевого (АК-4), магниевого (МЛ9-Т6) или титанового (ВТ-20Л). Герметичность соединения корпуса и крышки насоса обеспечивают за счёт установки резиновых уплотнительных колец (или уплотнительных прокладок), а также за счёт тщательной обработки сопрягаемых поверхностей (контроль их прилегания проводят с использованием краски). Крышку с корпусом стягивают с помощью резьбового крепежа, равномерно размещенного в нескольких точках по периметру соединяемых деталей.
Некоторые особенности организации
процессов подачи и откачки масла в ГТД.
В масляных системах ГТД нашли применение разнообразные по конструкции шестеренные насосы. Это связано не только с различным назначением двигателей, их размерностью, условиями эксплуатации (особенно высотными), но и с разнообразными традиционными подходами каждого из разработчиков, придерживающихся определенного стиля в проектировании масляных систем.
При этом шестерённые насосы, предназначенные для подачи масла в двигатель, имеют конструктивное отличие от откачивающих насосов.
9.3.1.1. Осуществление подачи масла в узлы двигателя.
У ГТД первых трёх поколений, так же, как и у большинства современных двигателей, находящихся в серийном производстве, использована система подачи масла в двигатель с регулируемым давлением. Такая система характеризуется практически постоянной величиной подачи масла в узлы двигателя в широком диапазоне частот вращения его ротора. Это обеспечивается за счёт постановки на выходе из нагнетающего насоса редукционного клапана, ограничивающего величину избыточного давления масла на входе в двигатель на определённом уровне (например, у двигателей «НК» при 0,4 МПа). Открытие клапана происходит на режимах выше «малого газа»
Один из вариантов конструкции редукционного клапана тарельчатого типа показан на рис. 16. Как видно из представленного рисунка, для открытия клапана сила от давления масла на тарелку 1 должна преодолеть усилие пружины 3, прижимающей тарелку к седлу. Для обеспечения стабильности функционирования клапанов у серийных двигателей необходимо, чтобы разброс характеристик пружины был минимальным. Кроме того, конструктивно должна быть обеспечена возможность самоустанавливания тарелки клапана при случайных перекосах пружины. Так, например, в приведённой конструкции клапана, у прижима 2 предусмотрен полусферический подпятник, а в верхней части тарелки 1 в месте её сопряжения с подпятником имеется соответствующая выборка скруглённой формы.
Масло из редукционного клапана может быть отведено либо на вход нагнетающего насоса, либо в маслобак.
При такой схеме подачи масла в двигатель нагнетающий насос должен иметь определённый запас по производительности. Обычно он составляет 30…60% от потребной прокачки масла через двигатель.
В последние годы более широкое распространение получил другой способ подачи масла в двигатель, отличающийся тем, что прокачка масла осуществляется пропорционально частоте вращения ротора ГТД (от которого произведен отбор мощности для привода нагнетающего насоса). При такой схеме подачи масла в двигатель отпадает необходимость в редукционном клапане, и величина давления масла на входе в двигатель будет переменной.
Рис. 16. Редукционный клапан
1-тарелка; 2-прижим; 3-пружина: 4-стакан; 5-корпус;
6-регулировочный винт; 7-предохранительный колпачок
Очевидно, что производительность нагнетающего насоса на максимальном режиме в данном случае должна быть равна расчётной величине прокачки масла через двигатель на указанном режиме (с учётом заданного допуска на неё). Поэтому в технической документации на изготовление нагнетающего насоса должно содержаться требование о том, чтобы его производительность находилась в диапазоне установленной величины прокачки масла, заявленной в основных технических данных двигателя.
Графическое сопоставление двух описанных способов подачи масла в ГТД приведено на рис.17. Линия 1 показывает ограничение количества масла, поступающего в двигатель в схеме с использованием редукционного клапана, а линия 2 описывает линейное изменение количества подаваемого масла пропорционально оборотам ротора (при отсутствии клапана). Символом ΔW обозначено количество масла, перепускаемого через редукционный клапан вследствие избыточной производительности нагнетающего насоса.
Как видно, в обоих рассматриваемых случаях на максимальном режиме в двигатель поступает одинаковое количество масла, но на более низких режимах при регулируемом давлении будет иметь место излишняя подача масла в узлы двигателя. Это обстоятельство приводит к усложнению условий откачки масла из узлов двигателя, особенно на пониженных режимах работы. Кроме того, эатрудняется решение вопроса о предотвращении утечек масла через уплотнения валов при низком перепаде давления воздуха на них в указанных условиях. Именно этим объясняется тот факт, что в настоящее время разработчики ГТД начинают отдавать предпочтение способу подачи масла в двигатель с нерегулируемым давлением (получившим условное название «объёмной подачи масла»).
Редукционные клапаны могут входить в состав конструкции не только у нагнетающих насосов, но и у подкачивающих. Их настраивают на открытие при определенном перепаде давления масла между выходом и входом в насос. При этом обычно на выходе из подкачивающих насосов поддерживают давление на уровне ~ 0,05МПа, а за нагнетающими насосами 0,3 - 0,5МПа. Указанные величины давлений масла за этими насосами после открытия редукционных клапанов весьма незначительно возрастают при дальнейшем повышении оборотов ротора двигателя.
Рис.17. Варианты осуществления подачи масла в двигатель
1. Регулируемая подача с использованием редукционного клапана;
2. Линейная подача масла (пропорционально оборотам ротора)
Следует отметить, что даже в случае использования объёмной подачи масла в двигатель за нагнетающим насосом должен быть установлен предохранительный клапан, который будет перепускать масло на вход в насос (или в маслобак) при достижении давления в линии нагнетания масла более 0,8 МПа. Необходимость этого связана с тем, что при низкотемпературных запусках двигателя вследствие высокой кинематической вязкости масла (которая может на три порядка превышать её уровень при рабочих температурах) нагнетающий насос способен создавать давление величиной в несколько МПа. Поэтому предохранительный клапан здесь необходим для ограничения предельно допустимого уровня давления в магистрали подачи масла в двигатель при низкотемпературных запусках (с целью предотвращения возможных прочностных разрушений конструктивных элементов).
Рассматривая систему подачи масла в двигатель, следует также упомянуть
о необходимости принятия конструктивных мер для исключения возможности перетекания масла из маслобака в неработающий двигатель (на стоянке). Cэтой целью обычно в линии подачи масла в двигатель на выходе из нагнетающего насоса устанавливают запорный клапан, по конструкции подобный редукционному клапану, но с более мягкой пружиной. Пружина создаёт усилие, достаточное для открытия клапана при достижении давления за насосом ~ 0,03 МПа (т.е. превышающее величину давления гидростатического столба масла, находящегося в баке). В случае использования короткозамкнутой схемы масляной системы запорный клапан устанавливают за подкачивающим насосом.
В [7] приведены возможные варианты конструктивного решения данной проблемы без использования запорного клапана. Для этого могут быть предусмотрены антисифонные устройства, предотвращающие возможность перетекания масла из маслобака в двигатель после его останова. Например, трубопроводу подачи масла в двигатель можно придать форму петли, поднятой выше уровня масла в баке, а в верхнюю точку этой петли через жиклёр Ǿ 2-3 мм соединить каналом с воздушной зоной маслобака (для разрыва струи масла при выключении двигателя).
9.3.1.2. Откачка масла из узлов двигателя
1). При проектировании этих систем конструкторы придерживаются незыблемого правила: из каждой масляной полости двигателя откачка масла должна производиться отдельным насосом. Это обусловлено тем, что у насоса, имеющего, например, два входных канала из разных масляных полостей, в случае, если по одному из них пойдет воздух (например, при эволюции самолета), то откачка масла по другому каналу прекратится и может произойти переполнение маслом связанной с ним масляной полости.
2). В ряде отечественных ГТД откачку масла из узлов двигателя осуществляют насосами, установленными в виде отдельных агрегатов на коробках приводов агрегатов. Но в некоторых конструкторских бюро (например, в ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова», ОАО «Сатурн», г. Москва) предпочтение отдают компактным быстроходным насосам, встроенным в конструкцию узлов двигателя.
Рис.18. Откачивающий насос передней опоры
Так, например, у всех ТРДД марки «НК» откачка масла из передней опоры производится насосом простой конструкции (рис.18.), встроенным внутри её масляной полости. Средняя опора и коробка приводов агрегатов у этих двигателей имеют общую масляную полость. И масло, самотеком сливаемое из средней опоры в коробку приводов, далее откачивается насосом, размещенным внутри коробки приводов (на ее поддоне).
Конструкция насоса, откачивающего масло из средней опоры и коробки приводов у двигателей «НК», приведена на рис.Error: Reference source not found, а кроме того, она показана на нижеследующей фотографии (рис.19).
Рис.19. Фотография насоса с торцевым входом и прямыми лопатками
У рассматриваемого насоса лопаточная решетка конструктивно выполнена заодно целое с шестернёй. Причём, из технологических соображений (для простоты изготовления) лопатки выполнены чисто радиальными. Естественно, на данную лопаточную решетку в относительном движении будет иметь место ударное натекание потока. Но тем не менее заполнение межзубовых впадин у такого насоса происходит более эффективно, чем у насосов с боковым входом масла.
Поступающее с торцевого входа в насос масло вращающиеся лопатки отбрасывают радиально к периферии в зону вышеуказанных выборок в крышке насоса. А далее масло из полости в выборках крышек насоса поступает в межзубовые впадины шестерён, заполняя их уже в осевом направлении. Для обеспечения лучшего заполнения маслом межзубовых впадин в крышке насоса симметрично выполнены профилированные выборки (на дуге ≈ 225о). На остальной дуге, соответствующей размещению трёх зубьев в зоне выходного канала насоса, выборки материала в крышке насоса отсутствуют (иначе перетекание масла с выхода на вход насоса будет приводить к ухудшению его к.п.д.). О конфигурации вышеуказанных выборок даёт представление чертёж крышки насоса, приведенный на рис. 20.
Рис.20. Чертёж крышки насоса.
Для создания благоприятных условий откачки масла у указанных двигателей «НК» на всех режимах работы в масляной полости средней опоры (и коробке приводов) абсолютное давление имеет величину не менее 40кПа. Что касается опоры турбины, то у рассматриваемых двухвальных ТРДД откачивающий насос встроен внутри корпуса опоры турбины, а у трёхвальных - откачка масла из указанной опоры осуществляется с использованием двух выносных насосов, установленных на коробке приводов.
3). Для более эффективного использования лопаточной решетки на входе в шестерённую ступень при проектировании откачивающих насосов целесообразно предусматривать профилирование лопаток с целью обеспечения безударного натекания на них потока. При этом в качестве расчётного следует принимать высотный крейсерский режим как наиболее продолжительный.
На рис.13 показана профилированная лопаточная решетка, устанавливаемая на входе в шестерню. Учитывая сложность изготовления такого лопаточного устройства, его выполняют в виде отдельной детали, прикрепляемой к шестерне штифтами или заклёпками. При этом масло из лопаточной решётки поступает в межзубовые впадины радиально, так как зубья по их внутреннему диаметру подрезаны на ширину лопаток, как это показано на рис.21.
Следует отметить, что при такой конфигурации шестерён для разделения входной и выходной полостей насоса используют прикреплённые к корпусу насоса специальные вкладыши, прикрывающие изнутри у шестерён межзубовые впадины на дуге ~100овблизи от
Рис.21. Шестерня с лопаточным устройством
выходного канала насоса (симметрично для обеих шестерён). Об их совмещении с шестернями даёт представление рис.22.
При этом вкладыши, имеющие серповидную форму, отделены радиальными зазорами как от лопаточных решеток, так и от зубьев шестерён. Их назначение заключается в создании препятствий для перетекания масла с выхода насоса на его вход.
Рис.22. Установка вкладышей на крышке насоса
4). В качестве откачивающих устройств в масляных системах ГТД крайне редко используют трёхшестерённые насосы. Конструктивная схема такого насоса приведена на рис. 23. У него средняя шестерня является приводной. При её вращении в направлении, указанном стрелкой, масло будет засасываться в насос из двух входных каналов и отводиться из него также по двум выходным каналам.
Рис.23. Схема трёхшестерённого насоса
Теоретическая производительность такого насоса в два раза больше производительности обычного насоса, состоящего из двух шестерён того же размера. Но фактическая производительность трёхшестерённого насоса будет ниже удвоенной производительности насоса, выполненного по классической схеме. Это связано с тем, что у него в зоне центральной шестерни будут иметь место повышенные утечки масла из выходных полостей во входные, приводящие к снижению объёмного к.п.д. насоса. К тому же у трёхшестерённых насосов трудно обеспечить удовлетворительные высотные характеристики. Поэтому такого рода насосы в масляных системах ГТД не нашли широкого применения.
9.3.2. Блоки шестерённых насосов
Ведущие зарубежные фирмы, а также некоторые отечественные ОКБ предпочитают использовать выносные насосы, устанавливаемые на коробках приводов. Причем нагнетающий насос и насосы, откачивающие масло из всех полостей двигателя, нередко в виде отдельных секций объединяют в общий блок, который имеет единый привод (рис.24.). Поскольку уровень давления в полостях нагнетающего насоса выше, чем у откачивающих насосов (а к тому же в различных секциях откачивающих насосов величины давления также могут существенно отличаться), то для исключения взаимовлияния на производительность рядом стоящих секций в торцевые зазоры между ними подводят очищенное масло (из линии его нагнетания в двигатель). В каждую из секций показанного блока насосов (кроме первой, поз.3) осуществлён боковой подвод масла, т.е. заполнение маслом межзубовых впадин у них происходит от периферии к центру.
Такого рода сблокированные насосы выполняют тихоходными.
Рис.24. Блок насосов
1 – клапан редукционный подкачивающего насоса; 2 – крышка; 3 – насос подкачивающий; 4 – уплотнение контактное; 5 – подшипник скольжения; 6 – насос нагнетающий; 7 – кольцо уплотнительное; 8 – насос откачивающий опоры турбины; 9 – насос откачивающий КПА и средней опоры; 10 – насос откачивающий передней опоры и редуктора; 11 – фланец; 12 – приводная рессора; 13 – корпус.
К достоинствам такого конструктивного решения следует отнести:
- всего один привод для всех насосов;
- при выходе из строя любой из секций насосов произойдет одновременное прекращение подачи и откачки масла (вследствие разрушения приводного валика – «слабого звена»), что исключает возможность переполнения маслом какой-либо из опор и попадания масла в газовоздушный тракт.
Но у блочной конструкции насосов есть и недостатки:
- в случае выхода из строя одной из секций необходимо заменять весь блок насосов;
- большой длинновой размер агрегата (из-за суммирования ширин шестерён всех тихоходных секций).