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.

Центрифуги

Опыт эксплуатации авиационных ГТД показывает, что одной из возможных причин нарушения нормальной работы их масляных систем является недопустимое содержание воздуха в масле, поступающем в двигатель.

В процессе смазки и охлаждения подшипников ротора двигателя, приводов агрегатов и зубчатых передач масло интенсивно раздробляется и перемешивается с воздухом, в результате чего образуется масловоздушная смесь (типа эмульсии). К тому же, как ранее было отмечено, откачивающие насосы имеют многократный запас производительности (относительно количества прокачиваемого масла). Поэтому у ГТД в откачиваемой масловоздушной смеси содержание воздуха составляет от 50 до 80%. Учитывая сжимаемость этой смеси, очевидно, что без осуществления ее сепарации невозможно создать требуемую величину давления масла за нагнетающим насосом. Поэтому одним из необходимых условий обеспечения нормального функционирования масляной системы является непрерывное удаление воздуха из масловоздушной смеси, откачиваемой из узлов двигателя, т.е. отделение от масла воздуха.

В зарубежном двигателестроении для сепарации откачиваемой масловоздушной смеси предпочтение отдают статическим воздухоотделителям. Так, фирмы «Дженерал Электрик» и «Пратт Уитни» используют воздухоотделители циклонного типа (с тангенциальным входом масловоздушной смеси), а фирма «Ролс-Ройс» применяет воздухоотделители типа «лоток» (см. рис. .). В отечественном двигателестроении наиболее распространенным способом сепарации масловоздушной смеси, является использование в системе кондиционирования приводных центробежных воздухоотделителей (центрифуг).

К конструкциям центрифуг у современных ГТД предъявляют следующие требования:

- компактность и высокое конструктивно-весовое совершенство;

- обеспечение эффективной сепарации масловоздушной смеси;

- наличие достаточного запаса по пропускной способности агрегата;

- надёжное функционирование в течение установленного ресурса работы двигателя (особенно это важно для конструкции ГТД, в которой центрифуга выполнена встроенной внутри коробки агрегатов);

- технологичность конструкции агрегата;

- минимальная трудоёмкость технического обслуживания.