10. Фильтры

10.1. Требования к чистоте масел в масляных системах гтд

Любая гидравлическая система и, в частности, масляная система оказывается загрязненной уже после заводской сборки. В каждом компоненте системы, будь то агрегаты, масляные полости двигателя или трубопроводы, в масле уже имеются загрязняющие частицы (например, пыль или остатки технологических материалов, используемых при изготовлении соответствующих деталей и при сборке двигателя). С момента ввода двигателя в эксплуатацию, степень загрязнения масляной системы увеличивается вследствие износа смазываемых узлов трения или ее агрегатов. Загрязнения могут попадать в систему также при доливе масла в маслобак (при открывании емкости или вследствие их наличия в свежем масле).

Все жидкости, используемые в качестве рабочих тел в гидравлических, топливных и масляных системах, должны удовлетворять определенным требованиям по допустимому количеству и размерам механических загрязнений в определенном объеме жидкости. Показатель, определяющий чистоту жидкости, согласно отечественной классификации называется классом чистоты, который определяется по ГОСТ 17216-2001. Данный ГОСТ для каждого класса чистоты устанавливает допустимые нормы на количество частиц загрязнений различных размерных групп в объеме 100 см³. Эти нормы показаны в табл. 10.1.

Для авиационных масляных систем установлены нормы на чистоту рабочих жидкостей по ОСТ 1 00160-75. В заправочной системе чистота масла должно быть не хуже 11 класса, а в рабочей - не грубее 13 класса. Уместно отметить, что фильтр с ячейкой 40 мкм автоматически обеспечивает тонкость фильтрации, соответствующую 13-му классу чистоты.

На входе в опоры ГТД дополнительно устанавливают фильтры грубой очистки, не создающие большого сопротивления и предохраняющие узлы трения от особо опасных крупных включений.

10.2. Конструкции применяемых масляных фильтров.

10.2.1.Используемые фильтрующие материалы.

В масляных системах газотурбинных двигателей в качестве фильтрующих элементов применяют в основном металлические сетки квадратного переплетения (рис.25а).

Размер сторон ячейки в свету соответствует номеру сетки по ГОСТ6613-53 и определяет размер площади проходного сечения сетки.

Рис.25. Металлические проволочные сетки:

а – квадратного; б – саржевого переплетения.

Выбор материала сетки определяется свойствами среды и ее допустимой рабочей температурой. Обычно применяют металлические сетки из латуни или более прочной фосфористой бронзы, но когда необходимо обеспечить повышенные антикоррозионные свойства сеток, для их изготовления применяют нержавеющую сталь, никель и т.п.

– КЛАССЫ ЧИСТОТЫ ЖИДКОСТИ ПО ГОСТ 17216 –2001 Таблица 10.1

Класс чистоты жидкостей	Число частиц загрязнителя в (100±0,5) см3жидкости при размере частиц, мкм, не более									Масса загрязнителей %, не более
	от 0,5 до 1	св. 1 до 2	св. 2 до 5	св. 5 до 10	св.10 до 25	св. 25 до 50	св. 50 до 100	Св. 100 До 200	Волокна
00	800	400	32	8	4	1	Отсутствие	АО	АО
0	1600	800	63	16	8	2		Отсутствие
1		1600	125	32	16	3			Отсутствие
2			250	63	32	4	1
3				125	63	8	2
4				250	125	12	3
5				500	250	25	4	1
6				1000	500	50	6	2	1	0,000032
7				2000	1000	100	12	4	2	0,000064
8				4000	2000	200	25	6	3	0,000125
9				8000	4000	400	50	12	4	0,00025
10				16000	8000	800	100	25	6	0,0005
11				31500	16000	1600	200	50	10	0,001
12				63000	31500	3150	400	100	20	0,002
13					63000	6300	800	200	40	0,004
14					125000	12500	1600	400	80	0,008
15						25000	3150	800	160	0,016
16						50000	6300	1600	315	0,032
17							12500	3150	630	0.064
Примечания 1. «Отсутствие» означает, что при взятии одной пробы жидкости частицы заданного размера не обнаружены или при взятии нескольких проб общее число частиц меньше числа взятых проб. 2. «АО»- абсолютное отсутствие частиц загрязнителя. 3. Зависимость класса чистоты жидкостей от массы загрязнителя с учетом числа частиц загрязнителя в жидкости является справочной. Массы приведены для частиц загрязнителя со средней плотностью 4х103кг/м3и плотностью жидкости 1х103кг/м3.

Уменьшение размера ячейки сетки увеличивает тонкость очистки, но приводит к уменьшению ее проходного сечения и, следовательно, увеличивает гидравлическое сопротивление сетки. Иногда для уменьшения размеров ячеек сетку прокатывают. Тонкость очистки масла сплющенными сетками достигает 15 мкм, однако такие сетки имеют повышенное гидравлическое сопротивление. Кроме того, у таких сеток отмечается негативный эффект облитерации, т.е. может происходить постепенное залипание проходного сечения слоем поляризованных молекул, что резко уменьшает пропускную способность фильтра и увеличивает его гидравлическое сопротивление.

Кроме сеток квадратного переплетения, в фильтрах применяются также сетки саржевого переплетения (рис.25 б). При таком переплетении сетка получается более эластичной. Тонкость очистки, достигнутая при применении таких сеток, находится в пределах 10...20 мкм. Вместе с этим они имеют еще более высокое гидравлическое сопротивление по сравнению с сетками квадратного переплетения. К тому же, они быстро засоряются и полностью промыть их практически невозможно. Поэтому в настоящее время в масляных системах ГТД их не используют.

Производством фильтрующих сеток занимаются специализированные предприятия. А при изготовлении фильтроэлементов для ГТД на моторостроительных заводах сетки используются в качестве покупного материала.

2. Типичная конструкция используемых фильтроэлементов.

На первых отечественных авиационных ГТД в масляных системах применяли фильтры с номинальной тонкостью фильтрации от 60 до 100 мкм. Исключением были только все двигатели, созданные под руководством Генерального конструктора Н.Д. Кузнецова, а впоследствии и двигатели ЗМКБ «Прогресс»,

где применяли сетчатые дисковые фильтры с сеткой имеющей размер стороны ячейки 40 мкм. Такие фильтроэлементы (рис.26) обеспечивали абсолютную тонкость фильтрации 56 мкм (максимальный размер частички проходящей через фильтр).

Рис.26. Секция фильтра:

1 и 4–обоймы; 2 и 3–фильтрующие сетки; 5–гофрированный каркас.

На рис.27 показана классическая конструкция масляного фильтра, у которого, фильтропакет состоит из набора дисков, устанавливаемых на полую втулку с отверстиями.

При этом в фильтропакете как бы образуются гофры в поперечном направлении. Масло проходит снаружи через сетки дисков и попадает через отверстия внутрь втулки, из которой оно далее идет в выходную полость. Весь фильтропакет (рис.28) стягивают с помощью гайки и фиксируют пружинной контровкой. Фильтропакет устанавливают в корпус вместе с крышкой, которая фиксируется прижимной планкой через зацепы, закрепленные на корпусе (байонетное зацепление). При демонтаже фильтропакет вынимают путем вращения маховика и, соответственно, винта, который, выворачиваясь по резьбе в прижимной планке, тянет из корпуса крышку с фильтропакетом. После выхода крышки из корпуса прижимную планку выводят из зацепления также при помощи маховика, который передает вращение к планке через торцевые шлицы (для чего на маховик требуется слегка нажать), а далее фильтропакет можно свободно вынуть из корпуса.

Увеличение срока службы фильтра достигается увеличением площади фильтрующей поверхности. Обычно число фильтроэлементов (секций),входящих в состав фильтропакета диаметром 100 мм не превышает 12...14, а при диаметре фильтроэлементов ~ 70 мм их количество в фильтропакете бывает вдвое большим. При выборе суммарной потребной поверхности фильтропакета исходят из того, чтобы скорость течения масла через сетчатый фильтроэлемент не превышала 0,05 метра в секунду.

Так как масло подводится к внешней стороне фильтроэлементов, то секции можно очищать от загрязнений при промывке фильтра. Но при этом необходимо разбирать фильтропакет и поочередно промывать в отдельности каждый диск, устанавливая его на специальную технологическую оправку (чтобы исключить возможность попадания загрязнений в его внутреннюю полость).

Рис.27. Конструкция масляного фильтра с дисковыми фильтроэлементами

1-корпус фильтра; 2-фланец; 3-винт; 4-крышка фильтра; 5-планка; 6-маховик;7-гайка;

8-клапан перепускной; 9-место для датчика перепада давления; 10- фильтропакет

Практика показала, что полностью очистить фильтроэлемент обычной щеткой не удается, поэтому у него постепенно уменьшается пропускная способность.

Рис. 28. Фильтропакет, состоящий из дисковых фильтроэлементов

Среди недостатков применяемых фильтров, использующих фильтроэлементы дискового типа с металлической сеткой, можно выделить следующие:

- более грубая степень очистки масла по сравнению с фильтрами объемной фильтрации, применяемыми на современных зарубежных двигателях;

- склонность металлической сетки к отложению на ней смолистых веществ, выделяемых из масла (в результате чего по мере наработки двигателя возрастает гидравлическое сопротивление фильтра);

- низкая эксплуатационная технологичность, существующих фильтров с точки зрения проведения операции их промывки;

- большая трудоемкость промывки фильтра;

- высокая стоимость фильтроэлементов;

- ограниченный ресурс работоспособности таких фильтроэлементов.

2. О гофрированных фильтроэлементах.

Вторым видом используемых в авиации фильтров являются фильтры с гофрированными фильтроэлементами (рис.29). Эти фильтры обладают некоторыми преимуществами перед фильтрами с дисковыми фильтроэлементами:

- большая эффективность очистки масла от загрязнений;

- меньшая масса;

- относительная простота конструкции.

Они нашли широкое применение в гидравлических системах самолетов, обеспечивая тонкость фильтрации до 5 мкм. Однако результаты испытаний таких фильтров в масляной системе двигателей НК-8 и его модификаций показали, что их применение для очистки масла в циркуляционном контуре масляной системы нерационально, так как они очень быстро засорялись (при наработке от 5 до 20 часов) и промывке не поддавались.

Рис.29. Фильтроэлемент с продольными гофрами

При этом фильтроэлементам гофрированной конструкции с металлической сеткой присущи те же недостатки, что и вышерассмотренным дисковым фильтроэлементам, собранным в пакет. Поэтому гофрированные фильтроэлементы из металлической сетки не нашли применения в масляных системах современных авиационных ГТД.

10.3. Основные требования к масляным фильтрам.

У современных ГТД к конструкции масляных фильтров предъявляются специальные требования, оговоренные в пункте 33.71(b) Авиационных правил (часть 33):

- фильтр должен быть спроектирован так, чтобы в случае полного засорения фильтроэлементов обеспечивалась достаточная прокачка масла через систему;

- должна быть оговорена тонкость фильтрации, при этом заявитель должен показать, что частички, проходящие через фильтр, не ухудшают работу смазываемых узлов трения;

- должна быть обеспечена сигнализация о засорении, которая должна срабатывать до того, как откроется перепускной клапан;

- фильтр должен быть доступен для слива масла и очистки (или замены) его фильтроэлементов.

Поэтому при проведении сертификации двигателя должно быть подтверждено соответствии фильтров масляной системы указанным требованиям.

4. Перепускной клапан фильтра.

Чтобы масло поступало к узлам трения двигателя даже при существенном засорении фильтра и при низких температурах запуска, в конструкцию фильтра устанавливают клапан, перепускающий масло в систему нагнетания в обход фильтроэлементов. Открытие клапана настраивают на определенный перепад давлений между входной и выходной полостью фильтра. Как правило, открытие перепускного клапана происходит при величине указанного перепада давлений 0,08^+0,02 МПа.

Перепускной клапан может быть расположен внутри корпуса фильтра или вне его.

У многих современных двигателей есть сигнализаторы засорения фильтроэлементов, которые срабатывают при достижении заданной величины перепада давления на фильтре. Обычно предупредительный сигнал должен быть сформирован при перепаде давления на фильтре от 0,05 до 0,06 МПа, чтобы получить информацию о засорении фильтра и иметь возможность своевременно заменить фильтроэлемент ещё до момента открытия перепускного клапана. В соответствии с изложенным для вновь разрабатываемых ГТД введено обязательное требование об установке у масляных фильтров таких сигнализаторов.

4. Основные тенденции в развитии систем

фильтрации масла у современных авиационных ГТД.

Из представленных материалов видна важная роль фильтрующих устройств, обеспечивающих требуемую чистоту масла при высокой эксплуатационной технологичности с учетом соответствующих требований Авиационных правил.

При разработке новых фильтров для авиадвигателей в настоящее время конструкторы руководствуются следующими принципами:

- повышение тонкости фильтрации масла при приемлемых габаритах фильтров, малой их массе и минимально возможном гидравлическом сопротивлении;

- переход с очищаемых фильтроэлементов на одноразовые сменные.

1) Как известно, абсолютная тонкость очистки масла определяется максимальным диаметром частицы искусственного загрязнителя, прошедшей через фильтрующий материал. Многочисленные научные исследования показывают, что за счет чистоты рабочей жидкости может быть продлен срок службы узлов трения компонентов. Одно из самых известных исследований, обосновывающее преимущества сверхтонкой очистки, было проведено П. Макферсоном [18]. При испытании подшипников качения изменяли только фильтрующую способность масляного фильтра, а следовательно, чистоту масла на испытательном стенде. Каждый подшипник испытывали до появления “питтинга”. Результаты испытаний (зависимость относительной долговечности подшипника от абсолютной тонкости фильтрации) показаны на рис.30.

Эти результаты четко показывают, что чем выше тонкость фильтрации (т.е. чем чище рабочая жидкость), тем больше относительный срок службы подшипника. Данная зависимость имеет вид гиперболы. Видно, что резкое увеличение относительной долговечности подшипника достигается при тонкости фильтрации менее 10 мкм.

Таким образом, очевидно, что вопрос о повышении тонкости фильтрации в масляных системах ГТД становится все более актуальным, так как, с одной стороны, имеет место увеличение нагрузок на подшипники и усложнение условий их работы (увеличение рабочих температур), а с другой - экономическая ситуация обуславливает необходимость иметь высокий ресурс двигателя для повышения его конкурентоспособности.

Помимо увеличения долговечности подшипников, система тонкой фильтрации обеспечивает:

- уменьшение трудозатрат и времени на обслуживание масляной системы;

- повышение ресурса насосов;

- повышение ресурса и исключение заклинивания клапанов;

- общее увеличение надежности двигателя.

Рис.30. Влияние степени очистки на долговечность подшипника по Макферсону

2) Вторым важным принципом, которым руководствуются конструкторы при разработке новых фильтров, является отказ от использования набора дисковых сетчатых фильтроэлементов (которые в эксплуатации необходимо промывать, что приводит к увеличению трудоемкости обслуживания двигателя) и переход на фильтроэлементы, подлежащие замене при их засорении выше определенной степени.

При этом важным моментом является рациональный выбор фильтрующего материала. Так, например, в масляных системах промышленных установок широко используют бумажные фильтроэлементы (из-за их относительной низкой стоимости). Но для авиационных двигателей, где температура масла превышает 100^оС, их применение практически исключено. Исходя из этого, для авиационных ГТД возникла необходимость в переходе на новые типы фильтроэлементов, лишенные вышеперечисленных недостатков.

Фильтрующий материал для тонкой фильтрации масла в современных авиационных двигателях должен обладать следующими качествами:

- высокой пористостью (живым проходным сечением);

- достаточно высокой удельной грязеемкостью;

- высокими показателями качества фильтрующих свойств (тонкостью фильтрации, удельной пропускной способностью и др.) и не снижать эти показатели в течении заданного времени;

- требуемой механической прочностью, в том числе при воздействии вибрационных и тепловых нагрузок;

- стойкостью к очищаемой жидкости во всем диапазоне рабочих температур;

- отсутствием негативного влияния на физико-химические свойства очищаемого масла и исключение возможности его загрязнения частицами из фильтрующего материала в процессе эксплуатации;

- малым гидравлическим сопротивлением при высокой удельной пропускной способности;

- способностью к полной утилизации (без загрязнения окружающей среды);

-обладать удовлетворительными экономическими показателями – быть недорогим, несложным в производстве, изготавливаться из недефицитного сырья.

В настоящее время рациональным вариантом решения этих проблем является использование материала, состоящего из двух стекловолоконных пористых тканей, между которыми в хаотическом порядке расположены зафиксированные между собой кусочки стеклянных волокон. Размер пор между ними может достигать 0,6 мкм. Стеклянные волокна стойки к агрессивным компонентам синтетических масел. Стекловолоконный фильтрующий материал обладает высокой прочностью и может работать при температуре примерно 400°С. Кроме того, он не склонен к облипанию его волокон слоем поляризованных молекул, резко уменьшающему пропускную способность фильтрующего материала. В процессе работы он не разлагается, а при утилизации из него не выделяются токсические вещества. Материал имеет высокую грязеёмкость и большой срок службы. Фильтрующий материал закрепляют на цилиндрическом гофрированном каркасе фильтроэлемента. В процессе эксплуатации в составе ГТД при срабатывании сигнализации о загрязнении фильтроэлемента его заменяют новым.

Таким образом, необходимо подчеркнуть: по сравнению с металлическими сетками стекловолоконный фильтрующий материал имеет весьма важное преимущество, заключающегося в том, что на нём не происходит прогрессирующего налипания смолистообразных продуктов термического разложения масла. Кроме того, фильтроэлементы из стекловолокна значительно дешевле фильтрующих устройств, использующих металлические сетки. Поэтому прогресс в повышении тонкости фильтрации масла возможен только за счёт использования стекловолоконных фильтрующих материалов.

Конструкция фильтра, представленного на рис.27, после замены в нем фильтропакета гофрированным фильтроэлементом из стекловолокна показана на рис.31.Этот фильтроэлемент состоит из полой втулки (перфорированный цилиндр), гофрированного фильтровального материала и верхнего и нижнего фланцев. В свою очередь фильтровальный материал состоит из наружной и внутренней металлической сетки и двух листов стекловолокна.

Рис.31. Конструкция масляного фильтра с гофрированным фильтроэлементом

1-корпус фильтра; 2-фланец; 3-винт; 4-крышка фильтра; 5-планка; 6-маховик;7-гайка;

8-клапан перепускной; 9-место для датчика перепада давления; 10- фильтроэлемент

Высокие требования, предъявляемые к тонким масляным фильтрам авиационных ГТД, по перечисленным показателям, как было отмечено, отмели все, многие годы используемые традиционные фильтрующие материалы в пользу комбинированного стекловолоконного фильтрующего материала, который будет использован в новых разработках перспективных двигателей.

В настоящее время благодаря развитию фильтрационной техники почти во всех зарубежных крупноразмерных авиационных ГТД абсолютная тонкость очистки масла достигла 25-30 мкм, и ведутся работы по ее дальнейшему повышению. Ведущую роль в этих разработках играет корпорация Pall – крупнейшая в мире фирма в области фильтрации жидкости и газов, работает на этом рынке уже более 50-ти лет. Технический опыт, спектр продукции и сфера влияния компании, в мире, не имеют равных, их продукция широко используется для фильтрации топлива, гидравлических и смазочных масел и др..

Ее партнерами являются такие самолётные компании как Боинг и Эрбас, а также двигательные фирмы Роллс-Ройс, Пратт-Уитни и Дженерал Электрик. В России компания работает уже около 25-ти лет. В настоящее время ведутся совместные разработки с опытно-конструкторскими бюро авиационного моторостроения ЗМКБ «Прогресс» (Запорожье), «Завод им. В.Я. Климова» (Санкт-Петербург), «НПО Сатурн» (Москва). В «ОАО СНТК им Н.Д. Кузнецова» также намечено проведение испытаний на двигателе НК-93 маслофильтра со стекловолоконными фильтроэлементами. с тонкостью очистки масла ~ 20 мкм.

В 2006 году на правительственном уровне было достигнуто соглашение о создании в нашей стране совместного с фирмой Pall предприятия по выпуску фильтроэлементов из стекловолоконного материала, а также фильтров в виде отдельных агрегатов для использования в масляных системах ГТД и в гидросистемах самолётов.