С термостатическим клапаном

4) Следует отметить, что в ТЗ на разработку агрегатов системы охлаждения масла и в протоколах согласования их применения обязательно оговаривают требования к ресурсу агрегатов. Желательно, чтобы он соответствовал ресурсу двигателя. Также оговаривают возможные ударные нагрузки (при посадке самолета − до 8g) и ожидаемое вибрационное состояние агрегатов.

Установочные чертежи теплообменников, чертежи их элементов крепления и обвязки трубопроводами подлежат согласованию с разработчиками этих агрегатов.

Как видно из приведенной информации, вопросам рационального осуществления охлаждения масла в авиационном двигателестроении уделяется большое внимание.

Трубопроводы

Агрегаты масляных систем в соответствии с их принципиальными схемами (разд.5) определённым образом соединены трубопроводами между собой или с узлами двигателя. При этом количество трубопроводов зависит от выбранной схемы масляной системы ГТД, а их длина, конфигурация и диаметральные размеры определяются размерностью двигателя, величиной прокачки масла в его циркуляционном контуре, типом и габаритами используемых маслоохладителей а также количеством воздуха, проникающего в масляные полости двигателя через уплотнения валов.

13.1 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].

14. Контроль параметров масляной системы и состояния масла

В процессе проектирования масляной системы должен быть обеспечен уровень её параметров, оговоренный в технических условиях на поставку двигателя. При этом в ТУ указывают допустимые нормы не только на визуально контролируемые параметры масляной системы, но и на ряд параметров, которые при проведении стендовых испытаний двигателя определяют расчетным путём на основе обработки результатов измерений некоторых физических величин (например, вычисляют прокачку масла через двигатель, суммарный теплоподвод в масло внутри двигателя, часовой расход масла и др.).

В процессе создания двигателя, в частности, для изучения особенностей работы его масляной системы в ожидаемых условиях эксплуатации, исследования тепловых и гидравлических характеристик этой системы, а также с целью устранения возможных проявлений дефектов в её работе контролируют значительно большее количество параметров, чем предусмотрено штатным перечнем. При этом следует учесть, что до предъявления создаваемого двигателя на Государственные испытания должен быть проведен комплекс специальных испытаний по программе, согласованной с заказчиком, а также ряд предусмотренных Авиационными правилами [16] испытаний, необходимых для сертификации двигателя, в том числе и по масляной системе. В связи с этим при проектировании двигателя должна быть обеспечена возможность установки соответствующих датчиков не только для контроля его штатных параметров, сигнализации и автоконтроля, но и для проведения дополнительных измерений ряда параметров, относящихся в том числе и к масляной системе.

Для обеспечения надежной эксплуатации в ГТД в числе прочих должен быть предусмотрен непрерывный контроль уровня параметров масляной системы, обеспечивающий своевременную сигнализацию экипажу самолета об их отклонении от нормы и о возможных неисправностях в работе этой системы. Кроме того, в руководстве по технической эксплуатации любого двигателя предусматривают проведение периодического контроля состояния масла в его масляной системе.

1) При эксплуатации ГТД последнего поколения, например НК-32, в кабине экипажа вместо большого количества стрелочных и цифровых приборов контроля, характерных для ранее созданных двигателей, находится единая система отображения информации (СОИ). В частности, по масляным системам с ее помощью контролируют следующие параметры:

– давление масла на входе в двигатель;

– температуру масла на входе в двигатель;

– температуру масла на выходе из опоры турбины;

– уровень масла в маслобаке;

– давление в системе суфлирования масляных полостей двигателя.

Помимо выводимых на дисплей СОИ параметров, предусмотрена также система сигналов:

– минимальное давление масла на входе в двигатель;

– минимальный уровень масла в баке;

– максимальный уровень масла в баке;

– появление стружки в масле;

– опасная температура упорных шарикоподшипников роторов НД, СД, ВД;

– засорение масляного фильтра.

Кроме системы визуального и звукового контроля, производится автоматическое регистрирование указанных параметров масляной системы и перечисленных сигналов.

Действия экипажа в случае срабатывания сигнализации должны предприниматься в соответствии с руководством по эксплуатации двигателя. При этом, учитывая, что потеря времени на принятие экипажем срочного решения о необходимых действиях по конкретному сигналу иногда может приводить к тяжелым последствиям, на экране высвечивают текст с конкретными рекомендациями о мгновенных действиях по каждому из сигналов. Так, например, при срабатывании сигнала «минимальное давление масла» необходимо убедиться, что величина давления масла действительно не соответствует техническим требованиям (т.е. что срабатывание сигнала не является ложным) и выключить двигатель. А при сигнализации «засорение масляного фильтра» необходимо произвести запись в бортовой журнал, на основании чего уже после завершения полета должна быть произведена промывка масляного фильтра или замена в нём фильтроэлемента.

2) Как известно, надежность и ресурс ГТД в значительной мере зависит от работоспособности его узлов трения и смазки: подшипников, зубчатых колес и контактных уплотнений. Если при этом учесть, что смазку трущихся поверхностей и отвод от них тепла (для исключения их перегрева и выхода двигателя из строя), осуществляет масляная система, то важность ее и роль рабочих масел трудно переоценить. Выбор сорта масла для каждого двигателя производится с учетом условий, в котором оно должно длительно работать, не ухудшая своих свойств, т.к. в процессе эксплуатации может происходить старение масла, обусловливаемое тремя причинами:

– окислением масла при перемешивании его с воздухом, проникающим через уплотнения валов в масляные полости опор;

– термическим разложением масла при контакте его с нагретыми стенками опор;

– механической деструкцией молекул масла в нагруженных узлах трения.

Для каждого двигателя в руководстве по его эксплуатации для всех сортов масел, допущенных к применению, указаны основные физико-химические показатели, которым должно соответствовать свежее масло. Кроме того, приведены допустимые нормы на изменение их физико-химических свойств связанных со старением масла при больших наработках. Оценку степени старения масла производят, прежде всего, по изменению его вязкости и кислотного числа.

В качестве примера такие нормы для масла МС-8п, используемого на двигателе НК-86, показаны в табл. 14.14.1.

Разработчика двигателя обязывают устанавливать допустимые нормы на содержание металлических примесей (продуктов износа) в масле. Так, например, для двигателя НК-8-2У и НК-86 были установлены следующие нормы допустимого содержания металлов в масле: железа не более 8 г/т, меди – не более 3 г/т. В соответствии с существующим положением, двигатели, имеющие концентрацию металлов в масле выше указанных норм, подлежат досрочному съему из эксплуатации. На основании этого в течение первых 15 лет эксплуатации более 20 двигателей НК-8-2У было досрочно возвращено на завод-изготовитель. Причем, в шести случаях при разборке этих двигателей износов или повреждений узлов трения не было обнаружено, а из девяти досрочно снятых (за аналогичный период) двигателей НК – 86 у двух также не было замечаний по состоянию узлов трения. Т.е., указанные досрочные съёмы из эксплуатации этих двигателей оказались необоснованными.

У двигателей, досрочно возвращенных из эксплуатации по превышению допустимого содержания в масле железа или меди, выявленные дефекты имели случайный характер. Как правило, отмечался износ одного элемента, например, шлиц приводной рессоры топливного насоса, подшипника скольжения в маслонасосе, демпфера шарикоподшипника и т.п. Причем, один и тот же дефект повторно не проявлялся, к тому же причиной повышенного содержания железа в масле в ряде случаев был начальный износ узлов трения в процессе приработки сопрягаемых элементов или попадание технологических загрязнении в масляные полости опор и коробок приводов.

Требования, предъявляемые к маслу МС-8п Таблица 14.1

*) чистоту масла по гранулометрическому составу загрязнений контролируют при проведении приемо-сдаточных или длительных стендовых испытаний ГТД, а в эксплуатации − только в случае возникшей необходимости (по специальному указанию).

3). При износе узлов трения происходит накопление в масле продуктов разрушения трущихся поверхностей. Поэтому масло в этом плане может служить источником информации о состоянии узлов трения (подшипников, шестерен, контактных уплотнений).

Следует отметить, что при эксплуатации двигателей НК-8-2У и НК - 86 было произведено несколько их досрочных съемов, имевших одинаковую причину - происходил разрыв боковых перемычек сепаратора радиально-упорного шарикоподшипника ротора высокого давления. У этого подшипника (А176130Р2) с четырехточечным контактом шариков сепаратор работал в условиях недопустимого перекоса обойм подшипника. Начальная стадия развития дефекта сопровождалась появлением в масле частиц серебра (как продукта износа покрытия сепаратора). В качестве критической его концентрации была установлена норма - не более 1,5 г/т. После замены указанного шарикоподшипника на трехточечный (А126130Р2) такой дефект больше не проявлялся.

Не все виды разрушений узлов трения могут быть диагностированы методом спектрального анализа масла. Так, например, чешуйчатое выкрашивание на беговых дорожках подшипников или выкрашивание материала на профилях зубьев шестерен характерно образованием сравнительно крупных частиц, которые улавливаются фильтрами или магнитными пробками. Усталостные разрушения в узлах трения также не могут быть обнаружены спектральным анализом масла. Но на рассматриваемых двигателях предусмотрено вполне достаточное количество диагностических средств, позволяющих при износах узлов трения своевременно принимать необходимые меры и предотвращать выход из строя двигателя. К их числу можно отнести сигнализацию о появлении стружки в масле, о повышенном уровне вибрации опор, о перегреве роторных радиально-упорных подшипников. Кроме того, дополнительную информацию даёт периодический осмотр состояния масляного фильтра, магнитных пробок, анализ динамики изменения величины часового расхода масла, теплового состояния масла и др. Уместно отметить, что по превышению концентрации металлов в масле не было досрочных съемов двигателей НК-8-2У в течение последних 15 лет, а двигателей НК-86 - в течение 6 лет.

Исходя из вышеизложенного, может быть сделан вывод о том, что трибодиагностика наиболее эффективна для двигателей, у которых в процессе эксплуатации проявляются повторяющиеся дефекты, связанные с износом узлов трения и попаданием в масло специфических примесей металлов. Такая трибодиагностика имеет конкретную направленность.

Уместно отметить, что при создании двигателя НК-32 его разработчиком по согласованию с заказчиком было принято решение не производить в процессе эксплуатации периодический контроль содержания металлических примесей в масле. Такой вывод был сделан на основании опыта проведения целого ряда длительных и эквивалентно-циклических испытаний, в процессе которых регулярно контролировали наличие в масле продуктов износа узлов трения.