CC BY
121
9. Телешевский В. И., Соколов В. А. Программная коррекция объемных геометрических погрешностей многокоординатных машин // Динамика систем механизмов и машин. 2016. № 1, Т. 1. С. 389-395.
10. Кольцов А. Г. Диагностика технического состояния металлорежущего оборудования // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2011. № 3 (100). С. 79-83.
11. Базров Б. М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков. М.: Машиностроение, 1978. 216 с.
12. Серков Н. А., Никуличев И. В. Методы и средства измерения первичных отклонений звеньев механизмов несущей системы многокоординатных станков с ЧПУ // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2012. № 2. С. 44-52.
БЛОХИН Дмитрий Андреевич, ассистент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты», магистрант гр. КТОм-151 факультета «Элитное образование и магистратура».
КОЛЬЦОВ Александр Германович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». СЕРКОВ Александр Сергеевич, магистрант гр. КТОм-151 факультета «Элитное образование и магистратура».
Адрес для переписки: a.g.koltsov75@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 12.04.2017 г. © Д. А. Блохин, А. Г. Кольцов, А. С. Серков
УДК 6214503 В. Н. КЛИМОВ
Н. И. КЛИМОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
АО «Омское моторостроительное конструкторское бюро», г. Омск
ПЕРСПЕКТИВНАЯ СХЕМА СМАЗКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ КОРОТКОРЕСУРСНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВОЗДУШНО-ТОПЛИВНОЙ СМЕСЬЮ
Статья посвящена нетрадиционной схеме смазки и охлаждения роторных подшипников короткоресурсных газотурбинных двигателей (ГТД): смазка и охлаждение воздушно-топливной смесью. В работе проанализированы известные схемы смазки короткоресурсных ГТД. Предложена перспективная схема смазки ГТД, отличающаяся конструктивной простотой, более благоприятными условиями смазки подшипников, уменьшенным удельным расходом топлива и повышенной пожаробезопасностью. Представлены результаты экспериментальных исследований работоспособности шарикового радиально-упорного подшипника в условиях смазки и охлаждения воздушно-топливной смесью. Даны рекомендации по внедрению предложенной схемы в конструкцию ГТД.
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, схема смазки и охлаждения подшипников, короткоресурсный ГТД.
При проектировании малоразмерных коротко-ресурсных газотурбинных двигателей (ГТД) ключевыми параметрами являются их надежность, величина тяги и удельного расхода топлива, габаритные размеры, вес и стоимость. Одним из основных способов улучшения массогабаритных характеристик, а также уменьшения стоимости короткоресурсных ГТД является упрощение их конструкции, систем и агрегатов. В части системы смазки двигателя эффективным мероприятием для этого может быть использование газодинамических подшипников скольжения [1] или переход от традиционной цир-
куляционной масляной системы смазки [2] к разомкнутой схеме смазки.
Установка газодинамических подшипников скольжения позволяет отказаться от традиционной масляной системы двигателя, однако опыт изготовления и применения таких подшипников в отечественных газотурбинных авиационных двигателях в настоящее время практически отсутствует.
Использование разомкнутой схемы масляной системы ГТД позволяет отказаться от применения охладителя, маслоотделителя, маслонасоса и магистралей откачки масла из опор двигателя. Недостатком
о
го
такой системы является высокии расход масла на смазку и охлаждение подшипников, что существенно ограничивает ресурс двигателя.
Уменьшение расхода масла в разомкнутой системе смазки можно достигнуть, заменив его воздушно-масляной смесью [3]. Такое решение позволяет организовать эффективное охлаждение подшипников воздухом, а смазку малыми объемами масла. При этом за счет уменьшения потерь на перемешивание масла снижается общее трение в подшипниках.
Вместо воздушно-масляной смеси в расходной системе смазки может использоваться воздушно-топливная смесь, что дополнительно упрощает схему за счет отказа от применения маслобака и маслонасоса. Примером такой системы смазки является схема, приведенная в работе [4]. В данной схеме охлаждение подшипников производится за счет подачи воздуха, отбираемого из-за компрессора. Топливо (керосино-масляная смесь) отбирается из топливной магистрали и подается в опору переднего (компрессорного) подшипника. Далее по полому валу смесь воздуха и топлива поступает в опору заднего (турбинного) подшипника и, пройдя через него, выбрасывается перед рабочим колесом турбины. Недостатками такой схемы являются неэффективное охлаждение подшипников, что связано с высокой температурой отбираемого из-за компрессора воздуха, и ухудшение условий смазки подшипников вследствие уменьшения толщины смазочного слоя при испарении топлива. Кроме того, малый расход топлива через форсунку, расположенную в «горячем» месте двигателя, может приводить к ее коксованию.
Использование схемы, в которой охлаждение подшипников осуществляется «холодным» набегающим потоком воздуха, проходящим через фильтр в переднем кожухе входного устройства [5], также имеет существенные недостатки. Консольное расположение ротора на подшипниках, расположенных перед компрессором, увеличивает нагрузку на задний подшипник, уменьшает его долговечность, увеличивает тепловыделение в нем, что, в свою очередь, ухудшает эффективность системы смазки.
Одна из перспективных схем смазки роторных подшипников короткоресурсного ГТД воздушно-топливной смесью, отличающаяся более благоприятными условиями смазки подшипников, представлена в работе [6]. В данной схеме воздух отбирается из проточной части компрессора и смешивается с топливомасляной смесью в специальном смесителе, установленном снаружи двигателя. Далее смесь по магистралям подводится к подшипникам для их смазки и охлаждения. Утилизация использованной смеси производится в проточную часть двигателя перед компрессором (для подшипника опоры компрессора) и на срез реактивного сопла (для подшипника опоры турбины). Недостатком этой схемы является относительно высокий удельный расход топлива двигателя и небезопасность конструкции с точки зрения воспламенения воздушно-топливной смеси, выбрасываемой из опоры турбины на срез реактивного сопла.
В данной статье представлена перспективная схема смазки и охлаждения роторных подшипников короткоресурсного ГТД воздушно-топливной смесью, являющаяся развитием описанной в работе [6] схемы и отличающаяся уменьшенным удельным расходом топлива и повышенной пожаробезопасно-
Рис. 1. Схема смазки и охлаждения роторных подшипников короткоресурсного ГТД воздушно-топливной смесью
стью двигателя. Представлены результаты испытаний шарикового радиально-упорного подшипника со смазкой и охлаждением воздушно-топливной смесью, подтверждающие его работоспособность в подобных условиях. Даны рекомендации по внедрению данной схемы в конструкцию ГТД.
Предлагаемая перспективная схема смазки и охлаждения роторных подшипников короткоресурс-ного ГТД воздушно-топливной смесью представлена на рис. 1. Воздух на охлаждение подшипников отбирается из проточной части компрессора, поступает в смеситель, в котором к нему подводится топливо. Полученная воздушно-топливная смесь подается в полость перед подшипником опоры турбины. Пройдя через подшипник, смесь охлаждает и смазывает его, после чего через полый вал она попадает в полость перед подшипником опоры компрессора. После прохождения подшипника компрессора, при котором также происходит его охлаждение и смазка, смесь выбрасывается на вход в компрессор в зоне наименьшего статического давления. Данная компоновка позволяет организовать движение рабочей смеси за счет разницы давлений в коллекторе отбора воздуха и на входе в компрессор без применения откачивающих насосов. При этом топливо, отбираемое на смазку подшипников, возвращается в камеру сгорания и таким образом участвует в термодинамическом процессе двигателя.
Основной сложностью для внедрения в конструкцию ГТД данной схемы является недостаточная изученность процессов, происходящих в подшипниках при смазке воздушно-топливной смесью. Физико-химические свойства и трибологические характеристики керосина существенно отличаются от традиционных смазочных материалов [7]. Недостаточная вязкость топлива способствует вытеснению его под действием нагрузок из зоны контакта между телами качения и кольцами подшипника. При этом из-за уменьшения толщины смазочного слоя режим трения в подшипнике приближается к условиям сухого трения [8].
Оценка условий смазки и режима трения в подшипнике производится по параметру смазки Л [9], зависящему от толщины смазочного слоя hg и высоты микронеровносте й кольца Яа1 и тел качения Яа2:
Л--
К
^Еа? + На.
(1)
40
толщина смазочного слоя hg рассчитывается по формуле:
1 1ЛП I ТТ V-75 0,6 0,4 -0,15
н0 = 3,17 ЧН-0 • -а'-Рпр- Чн ,
(2)
где |10 — динамическая вязкость керосина; Ц — сумма скоростей движения при вращении внутреннего кольца; а — пьезокоэффициент вязкости керосина; рпр — приведенный радиус кривизны в контакте шарика с дорожкой качения; дн — максимальная гидродинамическая нагрузка на единицу длины линии контакта.
Анализ формулы (2) показывает, что в ней не учитывается расход смазки через подшипник, что недопустимо при смазке малыми объемами смазочной жидкости. Таким образом, традиционные методы расчета не позволяют определить условия смазки и режим трения в подшипниках, что существенно затрудняет прогнозирование их работоспособности и ресурса. В связи с этим возможность реализации приведенной схемы смазки и охлаждения подшипников требует экспериментальной проверки.
Для подтверждения работоспособности подшипников, смазка и охлаждение которых осуществляются воздушно-топливной смесью, в АО ОМКБ были проведены экспериментальные работы на установке для испытания подшипников. При этом задняя опора ротора установки эмитировала расположенную в компрессоре опору ротора ГТД со смазкой и охлаждением подшипника воздушно-топливной смесью, а передняя представляла собой опору с аналогичным подшипником, смазка и охлаждение которого производилась маслом МС-8П (рис. 2). Такое исполнение позволило сравнить эффективность применения топливно-воздушной смеси относительно масла.
В качестве объекта испытания был выбран шариковый радиально-упорный подшипник 45-126205РЯ с керамическими телами качения. Смазка и охлаждение подшипника производились воздушно-керосиновой смесью с добавлением 5 % масла МС-8П. Осевая нагрузка, действующая на подшипники, создавалась пружиной и составляла 1766 Н (180 кгс), что эмитировало нагрузку на наиболее нагруженный подшипник, установ-
ленный в передней (компрессорной) опоре ротора. Температура подаваемой смеси при испытаниях 1-3 (табл. 1) поддерживалась равной температуре корпуса опоры, что исключало тепловое влияние корпуса на смесь. Для оценки работоспособности подшипника производилось измерение температуры его наружного кольца, а также температуры смеси на входе в подшипник. Раскрутка вала установки осуществлялась от электродвигателя.
Результаты испытаний подшипника, смазка и охлаждение которого производились воздушно-топливной смесью, представлены в табл. 1.
Результаты испытания вспомогательного подшипника, смазка и охлаждение которого производились маслом МС-8П, представлены в табл. 2.
Суммарная наработка подшипника, смазка и охлаждение которого производились воздушно-топливной смесью, в ходе всего комплекса испытаний составила 7 часов, при этом состояние подшипника при дефектации было признано удовлетворительным, радиальный и осевой люфты не вышли за пределы ТУ.
Охлаждение подшипника воздушно-топливной смесью показало высокую эффективность. Приращение температуры подшипника относительно температуры смеси на входе даже при минимальной подаче топлива С =0,71 г/с не превысило 18 °С при частоте вращения вала п = 43000 об/мин. При этом приращение температуры вспомогательного подшипника при той же частоте вращения и нагрузке, но смазывающегося и охлаждающегося маслом МС-8П с расходом масла С =8,85 г/с, составило 45 °С.
Малая величина приращения температуры испытываемого подшипника (в том числе и при высоких температурах смеси на входе в подшипник, испытание 4) позволяет использовать для его охлаждения относительно горячий воздух, отбираемый из компрессора, без угрозы перегрева подшипника.
Уменьшение количества подаваемого для смазки подшипника топлива с С =1,57 г/с до С =0,71 г/с незначительно влияло на условия смазки подшипника и изменение момента трения в нем, что подтверждается малым изменением величины приращения температуры подшипника относительно температуры смеси на входе.
Передняя опора Задняя опора
Рис. 2. Опоры ротора установки
о
го
Результаты испытаний подшипника со смазкой и охлаждением воздушно-топливной смесью
Таблица 1
Частота вращения вала п, об/мин Расход топлива С г/с Температура смеси на входе в подшипник Тсмвх, °С Температура наружного кольца подшипника Тп, °С Приращение Тп относительно Тсмвх Ап, °С
Испытание 1
10000 1,57 14 17,5 3,5
20000 1,57 14 19,5 5,5
30000 1,57 20 30 10
43000 1,57 18,5 32 13,5
Испытание 2
10000 1,25 16 19 3
20000 1,25 15 20,5 5,5
30000 1,25 18 28,5 10,5
43000 1,25 19 33,5 14,5
Испытание 3
10000 0,71 25 28 3
20000 0,71 19 25,5 6,5
30000 0,71 17,5 30,5 13
43000 0,71 20,5 38,5 18
Испытание 4
10000 0,72 80 82 2
20000 0,72 81 84 3
30000 0,72 82 90 8
43000 0,72 85 99 14
Таблица 2
Результаты испытаний вспомогательного подшипника со смазкой маслом МС-8П
Частота вращения вала К, об/мин Расход масла См, г/с Температура масла на входе в подшипник Тмвх, °С Температура наружного кольца подшипника Т , °С Приращение Тпвсп относительно Тмвх А , °С
10000 8,85 54 62 8
20000 8,85 53 67 14
30000 8,85 53 74 21
43000 8,85 54 99 45
Полученные результаты подтверждают работоспособность наиболее нагруженного подшипника схемы в течение достаточно большого времени, что делает описанную перспективную схему смазки ко-роткоресурсного ГТД воздушно-топливной смесью осуществимой. При этом при проектировании ГТД необходимо учесть следующее:
1. Расход отбираемого из компрессора воздуха и его температура должны подбираться таким образом, чтобы не допустить интенсивного испарения
топлива [10] в подшипниках и магистралях системы смазки, так как при этом уменьшается толщина смазочной пленки и увеличивается трение в подшипниках.
2. В качестве топлива может использоваться смесь керосина с добавлением 5 % масла МС-8П. Работоспособность подшипника при смазке одним лишь керосином требует дополнительной проверки. Отбор топлива может осуществляться непосредственно из магистрали подвода топлива.
3. Для обеспечения пожаробезопасности необходимо предусмотреть теплоизоляцию опор и магистралей подвода смеси либо обеспечить коэффициент избытка воздуха смеси, при котором ее воспламенение невозможно (менее 0,5 или более 1,5).
Таким образом, внедрение представленной схемы смазки и охлаждения подшипников в конструкцию короткоресурсных ГТД взамен традиционной масляной системы смазки позволит существенно упростить конструкцию, снизить вес, габариты и стоимость двигателя, что сделает его более эффективным.
Библиографический список
1. Пономарев Б. А., Гаврилов В. В. Проблемы создания ВГТД с ротором на газовых подшипниках // Вестник Самарского гос. аэрокосм. ун-та. 2009. № 1 (17). С. 41—55.
2. Бич М. М., Вейнберг Е. В., Сурнов Д. Н. Смазка авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.
3. Доценко В. Н., Доценко В. Н., Ковеза Ю. В., Никитин С. В. Оценка потерь мощности в подшипниках качения со стальными и керамическими шариками при различных условиях смазывания // Авиационно-космическая техника и технология. 2010. № 10 (77). С. 166-169.
4. Schreckling K. Home Built Model turbines. Trapler Publications Limited, 2005. 101 p.
5. Eric. A., Gordon J., Patrie. L. Tammy. Thermal management system for a gas turbine engine. US patent 7475549 (B2); published 13.01.2009.
6. Пат. 2597322 Российская Федерация, МПК F02C7/06. Малоразмерный газотурбинный двигатель / Костогрыз В. Г.,
Дудьев Д. Я., Сигайло В. Я., Гельмедов А. Ш., Климов Н. И., Кошолап Ю. Г., Бугаёв С. И., Климов В. Н., Лиходид П. В., Лаврик А. С., Новиков М. В., Валитова З. Р., Романов А. В. № 2015116235/06; заявл. 28.04.2015; опубл.10.09.2016.
7. Копылов Н. И. Вязкость бензина Б-70, керосина Е-5 в жидкой и газовой фазах при повышенных температурах // Теплофизические свойства некоторых авиационных топлив в жидком и газообразном состоянии: сб. ст. под ред. Н. Б. Вар-гафтика / Труды института. М.: Оборонгиз, 1961. Вып. 132. 162 с.
8. Силаев Б. М. Трибология деталей машин в маловязких смазочных средах: моногр. Самара: Изд-во Самарского гос. аэрокосм. ун-та, 2008. 264 с.
9. Черневский Л. В., Коросташевский Р. В., Яхин Б. А. [и др.]. Подшипники качения. Справочник-каталог / под общ. ред. Л. В. Черневского и Р. В. Коросташевского. М.: Машиностроение, 1997. 896 с.
10. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: пер. с англ. М.: Мир, 1986. 566 с.
КЛИМОВ Виталий Николаевич, соискатель по кафедре «Авиа- и ракетостроение» Омского государственного технического университета; начальник конструкторской бригады отдела турбин и камер сгорания АО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».
Адрес для переписки: Klimov-Vitaliy-asp@yandex.ru КЛИМОВ Николай Иванович, начальник отдела маслосистем и зубчатых передач АО «Омское моторостроительное конструкторское бюро». Адрес для переписки: Klimov.nik.omsk@gmail.com
Статья поступила в редакцию 06.04.2017 г. © В. Н. Климов, Н. И. Климов
