Выбор диаметров трубопроводов

При разработке конструкций авиационных двигателей обычно стремятся по возможности повысить скорости течения рабочих жидкостей по магистралям с целью уменьшения потребного диаметра трубопроводов и их массы. Однако при проектировании масляных систем ГТД приходится учитывать ряд гидравлических особенностей рабочей среды, связанных с циклическим изменением физического состояния масла в процессе его циркуляции по замкнутому контуру. Кроме того, должен быть принят во внимание специфический характер двухфазных потоков как откачиваемых масловоздушных смесей, так и воздуха с распылённым в нём маслом в каналах систем суфлирования масляных полостей двигателей [8]. Так, к узлам трения двигателя поступает масло с умеренной температурой, а в откачиваемой масловоздушной смеси объёмное содержание масла составляет не более 50%, к тому же, его температура будет более высокой, чем была на входе в двигатель. При работе двигателя кинематическая вязкость масла (влияющая на режим его течения в соответствующих каналах) в зависимости от уровня его температуры может изменяться от 1 до 100 сСт. А при низкотемпературных запусках двигателя в арктическом регионе у масла, имеющего большую наработку, кинематическая вязкость может достигать 10000 сСт. Что касается систем суфлирования, то вследствие весьма малых скоростей распространения звука в двухфазных воздушно-масляных смесях это обстоятельство должно быть принято во внимание при выборе площадей проходных сечений каналов суфлирования масляных полостей опор ГТД.

В связи с отмеченными особенностями при проектировании масляных систем ГТД и систем суфлирования их масляных полостей при выборе диаметров соответствующих трубопроводов, исходя из рекомендаций [14] и многолетнего опыта ОАО «СНТК им. Н.Д.Кузнецова» по использованию короткозамкнутых схем масляных систем целесообразно руководствоваться следующими ограничениями величин скоростей в магистралях указанных систем:

1). В системе нагнетания допускается следующая величина скорости течения масла в трубопроводах:

- в каналах подвода масла к узлам двигателя не более 2 м/c в случае системы с циркуляцией масла через маслобак и до 3 м/с при использовании короткозамкнутой схемы масляной системы ;

- при циркуляции масла через маслобак: на входе в нагнетающий насос не более 0,8 м/с для высотных ГТД (Н >12 км) и до 1,4 м/с для невысотных двигателей;

-при короткозамкнутой схеме циркуляции масла на входе в подкачивающий насос допускаются вышеуказанные максимальные скорости, а на входе в нагнетающий насос – до 5м/с (независимо от высотности ГТД).

2). Следует учитывать, что в системе откачки масла вначале происходит слив масла самотёком ( в маслосборник или ко входу в трубопровод, соединяющий определённый узел двигателя с откачивающим насосом). При выборе площади проходного сечения сливного канала в расчёте рекомендуется принять скорость самотёка масла не более 0,3 м/с. А скорость потока масла на входе в откачивающий насос должна быть не более 0,4м/с (но допускается её увеличение до 0,8 м/с. при размещении насоса ниже уровня маслосборника опоры более 1 м) [14]. При этом условно принимают, что в трубопроводах откачки течёт масло (а не масловоздушная смесь), равное его объёму, подаваемому в соответствующую полость.

Геометрия выходного канала откачивающего насоса должна обеспечивать скорость потока не более 2 м/с.

3). В случае использования короткозамкнутой схемы масляной системы в магистрали, соединяющей центрифугу с входом в нагнетающий насос, может быть допущена скорость течения масла до 5 м/с.

4). В магистрали отвода воздуха из воздухоотделителя к суфлёру величину скорости течения воздушно-масляной смеси рекомендуется не превышать более 20м/с. А на выходе из суфлёра скорость воздуха, очищенного от масла, может достигать 100 м/с.

При выборе диаметров рассматриваемых трубопроводов следует иметь в виду, что в авиационной промышленности действует перечень-ограничитель типоразмеров труб, которые допускается использовать для трубопроводов в ГТД [23]. Указанные в этом перечне материалы, наружные диаметры и толщины стенок труб приведены в табл. 13.1

В условном обозначении трубы указывают её наружный диаметр и толщину стенки.

Таким образом, при выборе диаметров трубопроводов масляной системы и функционально связанной с ней системы суфлирования необходимо учитывать не только допустимые уровни скоростей потоков в них, но и ограничения, связанные с типоразмерами труб, допущенных к применению.

Таблица 13.1

13.2. Виды напряжений в трубопроводах

Трубопроводы масляных систем постоянно находятся в напряженном состоянии. Даже при неработающем двигателе у них будут иметь место монтажные напряжения. Это связано с тем, что в технической документации на установку агрегатов всегда задают допуски на номинальные размеры соответствующих координат. Кроме того, у каждого агрегата присоединительные размеры для стыковки с трубопроводами в чертежах также задают с определёнными допусками. Несмотря на то, что в серийном производстве трубопроводы, изготавливаемые с использованием стапелей, имеют сравнительно стабильные размеры, для их идеального подсоединения к агрегатам должна быть обеспечена возможность подгонки соответствующих стыков в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях, т.е. должны быть совмещены оси соединяемых деталей и выдержаны их необходимые длинновые размеры.

В связи с этим при использовании металлических труб практически невозможно избежать возникновения в них монтажных напряжений.

При работе двигателя в трубопроводах дополнительно возникают напряжения, связанные с движением в них жидкостей под давлением, термические напряжения, обусловленные линейными удлинениями узлов и деталей двигателя, и переменные нагрузки, вызванные вибрационным состоянием двигателя.

На некоторых участках трубопроводов масляной системы иногда устанавливают фторопластовые гибкие шланги или упругие вставки с металлической оплёткой. Они облегчают монтаж трубопроводов и позволяют компенсировать температурные удлинения.

13.3 Материалы используемых трубопроводов и арматуры

В масляных и топливных системах ГТД наибольшее распространение получили трубы, изготавливаемые из аустенитной стали Х18Н10Т (ГОСТ 19277-78), а также из стали марки ХН60ВТ (ТУ 14-3-571-77). Кроме того, в авиационной промышленности используют трубы из титанового сплава ПТ7М (ТУ 14-3-843-79). У двигателей, имеющих сравнительно небольшой ресурс, находят применение трубы из алюминиевых сплавов. Но для алюминиевых труб характерен низкий предел выносливости и ограничения по уровню допустимых рабочих температур. Поэтому маловероятно, что они найдут применение у перспективных теплонапряженных ГТД

Материал арматуры (штуцеров, угольников, ниппелей) должен обладать высокой твёрдостью, чтобы не допускать смятия поверхностей контакта при многократных затяжках соединения, что необходимо для обеспечения герметичности стыков.

Трубопроводы большой длины для предотвращения их разрушения от действия вибраций и потери герметичности в соединениях должны иметь промежуточные крепления. В этом качестве используют ленточные хомуты, скобы, накладки, зажимы. Основным требованием к материалу для демпфирующих элементов является высокий декремент колебания, так как это определяет интенсивность рассеяния энергии в демпфере. Наиболее полно этому требованию удовлетворяют резины и материал МР.

В заключение следует отметить, что вопросы, связанные с проектированием и обеспечением надёжности трубопроводов, используемых в авиационных ГТД. детально освещены в [24].