Принципиальные схемы масляных систем

Масляная система ГТД, представляет собой определенную совокупность агрегатов, описанных в разд. 3. В принципиальной схеме масляной системы отражают связи между ними, необходимые для осуществления циркуляции масла по замкнутому контуру с совершением требуемых циклических процессов (тепловых и гидравлических). Кроме того, в принципиальных схемах условно показывают устройства, необходимые для контроля работоспособности масляной системы.

В соответствии с требованиями ЕСКД [11] все элементы и устройства на схеме изображают в виде условных графических обозначений и дают им позиционные порядковые номера.

Принципиальная схема масляной системы является основополагающим документом, определяющим принципы ее работы, возможные регулировки и контроль параметров системы, а также выбор исходных данных для проведения расчета и конструирования, входящих в ее состав агрегатов. Поскольку масляная система функционально связана с системой суфлирования масляных полостей, то обычно эти две системы изображают совместно на общей схеме. Учитывая, что такого рода схема по существу является пневмогидравлической, в соответствии с требованием государственного стандарта [11] ей, как виду документа, присваивают буквенный код «С» (обозначающий «комбинированная схема») с цифрой «3» (как тип схемы – «принципиальная»). Так, например, у двигателя НК-37 принципиальная схема масляной системы имеет обозначение 37.000.000 СЗ.

Ниже приведены некоторые примеры разновидностей схем масляных систем, реализованных в отечественных и зарубежных авиационных ГТД.

5.1 Типичная принципиальная схема масляной системы ГТД представлена на рис..1. Направления движения потоков масла, масловоздушной смеси и воздуха показаны с помощью соответствующих стрелок. Как видно из рассмотрения данной схемы, циркуляция масла в замкнутом контуре осуществлена через маслобак. Причем, из двигателя масло возвращается в маслобак после его охлаждения в теплообменнике. Сепарация откачиваемой из двигателя масло-воздушной смеси производится с помощью приводного центробежного воздухоотделителя (центрифуги). Поэтому на охлаждение в теплообменник поступает масло, практически не содержащее включений воздуха. Воздух из маслобака и из масляных полостей двигателя по системе суфлирования после его очистки в суфлере от частиц масла отводят в атмосферу (обычно на срез сопла).

Такую схему масляной системы можно рассматривать как классическую.

5.2 Довольно распространенной является схема масляной системы, представленная на рис.2. Ее отличительной особенностью является то, что сепарация масловоздушной смеси, откачиваемой из двигателя, производится в статическом воздухоотделителе (циклонного или лоткового типа), размещенном внутри маслобака. У специалистов она получила условное название схемы с «горячим» маслобаком. В такой схеме охлаждение масла происходит в линии подачи его в двигатель. Воздух, отделенный от масла в статическом сепараторе, удаляют по системе суфлирования. Такой тип принципиальной схемы масляной системы, в частности, характерен для двигателей зарубежных фирм «Пратт - Уитни» и «Роллс - Ройс».

Рис.1. Типичная принципиальная схема масляной системы

1 – маслобак; 2 – датчик температуры; 3 – нагнетающий насос (с редукционным клапаном); 4 – запорный клапан; 5 – фильтр (с перепускным клапаном); 6 – датчик сигнализации о загрязнении фильтра; 7 – датчик давления; 8 – суфлёр-сепаратор; 9 – условная масляная полость двигателя; 10 – форсунка; 11 – защитный фильтр; 12 – откачивающий насос; 13 – приводной центробежный воздухоотделитель; 14 – датчик сигнализации наличия стружки в масле; 15 – теплообменник (с перепускным клапаном).

Здесь и на трёх последующих схемах стрелками показано движение потоков:

Интересно отметить, что в масляных системах двигателей последних разработок фирмы «Дженерал Электрик» используют подобную схему циркуляции масла, но с одним существенным отличием: масловоздушную смесь охлаждают перед тем, как она поступает в сепаратор.

Рис. 2. Принципиальная схема масляной системы с «горячим» маслобаком

1 – маслобак; 2 – нагнетающий насос (с редукционным клапаном); 3 – запорный клапан; 4 – фильтр (с перепускным клапаном); 5 – датчик сигнализации о засорении фильтра; 6 – теплообменник (с перепускным клапаном); 7 – датчик температуры; 8 – датчик давления; 9 – суфлёр-сепаратор; 10 – форсунка; 11 – условная масляная полость; 12 – защитный фильтр; 13 – откачивающий насос; 14 – статический воздухоотделитель.

У двигателей с такой схемой циркуляции в маслобак сливается охлажденное масло. При этом, очевидно, что, поскольку охлаждать приходится не только масло, но и содержащийся в нем воздух, то потребные охлаждающие поверхности теплообменников и проходные сечения масляных каналов в них должны быть соответственно увеличены.

5.3 В рассмотренных схемах маслобак включен в состав циркуляционного контура масляной системы. Однако циркуляцию масла можно осуществлять и минуя маслобак. Такая схема, получившая название короткозамкнутой, показана на рис.3.

Рис. 3. Короткозамкнутая схема масляной системы

1 – маслобак; 2 – подкачивающий насос (с редукционным клапаном); 3 – запорный клапан; 4 – нагнетающий насос (с редукционным клапаном); 5 – фильтр (с перепускным клапаном); 6 – датчик сигнализации о засорении фильтра; 7 – датчик давления; 8 – датчик температуры; 9 – суфлёр-сепаратор; 10 – условная масляная полость двигателя; 11 – форсунка; 12 – защитный фильтр; 13 – откачивающий насос; 14 – приводной центробежный воздухоотделитель;15 – датчик сигнализации о наличии стружки в масле; 16 – теплообменник (с перепускным клапаном).

Важной отличительной особенностью такой схемы является наличие в ней подкачивающего насоса, находящегося между маслобаком и нагнетающим насосом. С помощью подкачивающего насоса производится заполнение системы маслом и подпитка циркуляционного контура. Циркуляция масла в процессе работы двигателя осуществляется следующим образом. Нагнетающий насос направляет масло в фильтр, и далее оно поступает в двигатель. Откачиваемая из узлов двигателя масловоздушная смесь поступает в центрифугу, где происходит ее сепарация. Из центрифуги воздух отводят в маслобак (и далее удаляют из двигателя по системе суфлирования), а масло направляют в теплообменник. Затем охлажденное масло возвращается на вход в нагнетающий насос, завершая цикл циркуляции. При работе двигателя такое циркулирование масла происходит непрерывно.

Что касается подкачивающего насоса, то на стационарных режимах масло с его выхода через редукционный клапан постоянно возвращается к нему на вход. Редукционный клапан, настроенный на небольшой перепад давления (~0,05МПа), не является препятствием для указанного возврата масла. На переходных режимах при увеличении оборотов ротора подкачивающий насос подает дополнительное количество масла на вход в нагнетающий насос. При снижении режима работычасть возвращаемого из двигателя масла перепускают в маслобак (через редукционный клапан подкачивающего насоса). Следует отметить, что подпитка маслом циркуляционного контура необходима не только при увеличении режима работы двигателя, но и для компенсации безвозвратных потерь масла в системе.

Впервые короткозамкнутая схема масляной системы была реализована на ТВД НК-12, затем – на двигателе АИ-20. У всех ТРДД, созданных под руководством Генерального конструктора. Н.Д. Кузнецова, масляные системы выполнены по короткозамкнутой схеме.

В такой схеме маслобак служит, главным образом, для заполнения системы, её подпитки на переходных режимах и компенсации эксплуатационного расхода масла. Короткозамкнутая схема имеет ряд преимуществ по сравнению с вышерассмотренными циркуляционными системами. Основные из них:

- уменьшается потребный объём маслобака (на 20-30%);

- сокращается время прогрева масла в циркуляционном контуре при низкотемпературных запусках двигателя;

- повышается «живучесть» масляной системы в случае потери герметичности маслобака;

- уменьшается длина и масса трубопроводов масляной системы;

- создаётся возможность обеспечить увеличенную прокачку масла через узлы двигателя.

5.4 На приведенных схемах масляные полости опор ротора и коробок приводов показаны в виде условной общей полости, в которую с помощью форсунок впрыскивают масло к узлам трения, а отвод масловоздушной смеси из нее осуществляют несколькими откачивающими насосами. Такое схематичное представление вполне оправдано в тех случаях, когда эти насосы объединены в блок, имеющий общий привод. Но, если откачивающие насосы встроены в конструкцию опор или коробок приводов, то в принципиальных схемах масляных систем целесообразно отражать линии подачи и откачки масла, относящиеся к конкретным узлам. С учетом этого на рис.4 приведен вариант изображения принципиальной схемы масляной системы двухвальных ТРДД (НК-8-4, НК-86, НК-22, НК-144).

Рис. 4. Короткозамкнутая схема масляной системы (детализированная)

1 – маслобак; 2 – подкачивающий насос (с редукционным клапаном); 3 – запорный клапан;

4 – нагнетающий насос (с редукционным клапаном); 5 – фильтр (с перепускным клапаном); 6 – передняя опора; 7 – форсунка; 8 – откачивающий насос; 9 –средняя опора; 10 – коробка приводов агрегатов; 11 – суфлёр-сепаратор; 12 – опора турбины; 13 – эжектор; 14 – приводной центробежный воздухоотделитель;15 – датчик температуры; 16 – датчик давления; 17 – сигнализатор наличия стружки в масле; 18 - теплообменник (с перепускным клапаном)

:В данной схеме показана разводка масла к опорам, отражено осуществление откачки масловоздушной смеси из отдельных узлов двигателя. Кроме того, из рассмотрения схемы видно, что опора турбины имеет автономное суфлирование с размещением рабочего колеса суфлера внутри ее масляной полости и что опоры компрессора и маслобак имеют объединенную систему суфлирования, в которой рабочее колесо суфлёра установлено внутри коробки приводов агрегатов.

5.5. В инженерной практике с целью облегчения восприятия и запоминания основных особенностей схемы масляной системы нередко её представляют в мнемоническом исполнении. Так, в качестве примера на рис.5 приведена схема масляной системы двигателя НК-8-2У, а на рис. 6 изображена схема масляной системы двигателя НК-86.

Рис. 5. Схема масляной системы двигателя НК-8-2У

Как видно, в таких схемах, представленных на фоне продольных разрезов двигателей, детализирована разводка масла по узлам, отражено размещение агрегатов масляной системы и системы суфлирования. В них условное изображение агрегатов масляной системы и системы суфлирования, в отличие от требований ЕСКД, выполнено с использованием символов мнемонического характера. Схемы такого вида удобны для практического использования.

Уместно обратить внимание на важное отличие схемы масляной системы двигателя НК-8-2У от соответствующей схемы двигателя НК-86. В последней есть два дополнительных трубопровода: воздух, отделённый в центрифуге от масла, вначале отводится в маслобак, а затем из него поступает в коробку приводов, внутри которой размещён суфлёр. (У двигателя НК-8-2У воздух из центрифуги после открытия клапана при выходе на режим «малый газ» сбрасывается в коробку приводов. А в процессе запуска и останова двигателя вся масловоздушная смесь из центрифуги поступает на вход в нагнетающий насос, и в этих условиях давление масла на входе в двигатель кратковременно имеет пониженный уровень).

Из рис.6 также можно увидеть, что в масляной полости опоры турбины двигателя НК-86 установлены контактные уплотнения (вместо лабиринтных у ГТД НК-8-2У).

В схемах масляных систем, представленных на рис.5 и 6, условно не показан канал пе, репуска незначительного количества горячего масла из центрифуги в маслобак (с целью обогрева последнего). Опыт эксплуатации этих двигателей не подтвердил необходимости осуществления такого перепуска горячего масла, поэтому на создаваемых в дальнейшем двигателях НК-22, НК-144 и НК-25 он не был предусмотрен в схемах масляных систем.

Рис.6. Масляная система двигателя НК-86

Схема масляной системы двигателя RB-211, оформленная в своеобразном стиле с использованием мнемонических символов, показана на рис.7.

Рис.7. Схема масляной системы двигателя RB-211