Применение роторно-пульсационных аппаратов в трибологических системах газотурбинных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

УДК 629.7.03:621.899

ПРИМЕНЕНИЕ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫХ АППАРАТОВ В ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

© 2011 Д.В.Воскобойников, Б.А. Кесель

ОАО КПП «Авиамотор», г. Казань

Поступила в редакцию 10.11.2011

Теоретическая часть

Эксплуатационная эффективность смазочных масел определяется совокупностью их физико-химических показателей и свойствами смазываемых поверхностей узлов трения.

В газотурбинных двигателях смазочные масла, кроме смазывания трущихся деталей, выполняют целый ряд дополнительных функций:

- уменьшение потерь на трение и износ элементов ТС;

- защита элементов ТС ГТД при работе и длительной стоянке;

- отвод тепла от смазываемых деталей;

- обеспечение хорошей совместимости с материалами уплотнений;

- нейтрализация кислот образующихся при окислении масла;

- предотвращение нагаров на рабочих поверхностях элементов ТС ГТД;

- предотвращение выпадания осадков в картере, маслопроводах и маслобаке;

- обеспечение работы масляных фильтров в течение гарантийного срока их эксплуатации до замены масла;

- предотвращение роста вязкости масла вследствие загрязнения его сажей;

- предотвращение зальных образований в масле.

Для выполнения выше перечисленных функций моторные масла должны обладать:

- хорошими смазочными свойствами для обеспечения надежной смазки на всех режимах работы ГТД;

- оптимальными вязко-температурными свойствами для обеспечения пуска холодного двигателя и нормальной работы при рабочих температурах;

- хорошими моющими свойствами, предотвращающими образованию нагаров на нагретых деталях двигателя;

- достаточной антиокислительной стабильностью, предотвращающей значительные изменения химического состава масла в процессе работы ГТД;

- высокими антикоррозийными свойствами по отношению к конструкционным материалам элементов ТС при рабочих температурах масла;

- малой пенообразующей способностью и высокой физической стабильностью к выпадению присадок.

От свойств масла зависят его расход и расход топлива двигателем.

Кроме того, свойства масла определяют уровень его собственных потерь в процессе работы двигателей ("угар" масла), обусловленный сгоранием, испарением, утечками, выбросом через систему лабиринтных уплотнений и систему дренажа.

Надежность эксплуатации циркуляционных маслосистем двигателей в значительной мере зависит от противопенных и деэмульсионных свойств масел. Пенообразованию в маслосистемах способствует смешение масла с воздухом при разбрызгивании его форсунками на подшипники и при смазывании зубчатых передач. В ГТД, например, вместе с маслом из мест смазки может поступать до 30 % воздуха [6].

Аэрация — основная причина вспенивания масла. С увеличением в нем смол, воды, с ростом плотности и вязкости ценообразование возрастает. Аэрация оказывает отрицательное влияние на состояние масла и условия его работы в двигателе. Аэрированное масло обладает худшими смазывающими свойствами, меньшей химической стабильностью и повышенной коррозионной агрессивностью. Наличие дисперсной воздушно-масляной эмульсии и пены обусловливает ускоренное окисление масла вследствие его нагрева при сжатии в насосе. В случае увеличения давления до 1,0 МПа температура воздуха в пузырьке может достигать 380°С. При интенсивном пенообразовании возможно образование паровой пробки и как следствие возникновение масляного голодания.

Свойства смазочных масел, влияющие на надежность работы двигателя нормируют. В ГОСТе (ТУ) на масла предусмотрен ряд показателей. К ним относят вязкость, коксуемость, кислотное число, зольность, содержание воды и механических примесей, температуру застывания, термоокислительную стабильность, коррозионность и т.д.

Интенсивно протекающие необратимые процессы в масле вызывают такие изменения его свойств, при которых резко снижается эффективность системы смазки. Растет момент трения на подшипниках из-за увеличения вязкости, снижается интенсивность теплоотвода, возникают коррозионные явления из-за роста кислотности и т.д. В таких случаях для снижения отрицательного влияния свойств масла его заменяют.

Температура масла на выходе из современных теплонапряженных ГТД достигает 165°С [7].

988

Механика и машиностроение

Высокая теплонапряженность и значительная на-груженность опор ТС конвертированных авиационных ГТД обуславливают применение в системах смазки двигателей достаточно дорогих масел типа: «Петрим», «Турбоникойл-210А», ВНИИ НП 50-1-4ф, ИМП-10. Указанные смазочные материалы имеют относительно высокую стоимость, в десять раз большую по сравнению с маслом ТП-22С.

По данным ОАО «Газпром» газотранспортная система, включая ГПА, работает близко к пределу своих возможностей. Это означает, что будут создавать новые ГПА. Время необходимое на создание навой ГПА это 5-7 лет, поэтому необходимость в реконструкции для поддержания и восстановления ГПА становиться всё более острой и актуальной из-за их естественного старения.

Для выдвижения на рынок отечественных газотурбинных приводов кроме к.п.д должны быть конкурентоспособны и срок службы и совокупные затраты за жизненный цикл объектов. По предложению президента Академии проблем качества академика А.В.Гличева, [2] эффективность объекта рассчитывается по формуле:

Е = Пс/Зс

где Пс - полезный эффект объекта за нормативный срок его службы,

Зс - совокупные затраты за жизненный цикл объекта.

В связи с этим, вопрос о продлении срока службы масел в эксплуатации является весьма актуальным.

Увеличение срока службы масел осуществляется их разработчиками за счет внедрения различного рода присадок и преобразователей продуктов износа попадающих в масла в процессе эксплуатации.

Существуют и другие методы увеличения срока службы масел, одним из перспективных методов решения задачи, является его диспергирование в процессе работы за счет включения в кинематическую схему конвертированного авиационного ГТД диспергирующих устройств.

Указанное воздействие на смазочный материал позволяет значительно уменьшить размер частиц, являющихся продуктами износа, соответственно уменьшить и сам износ смазываемых деталей, что в конечном счете должно увеличить срок службы смазочного материала и повысить надежность работы элементов ТС ГТД, то есть уменьшить затраты на ремонтно-техническое обслуживание и затраты на масло. Особенно актуально это для конвертируемых авиационных ГТД применяемых в газовой промышленности и энергетике, где требуется большой ресурс безотказной работы ТС ГТД.

На ОАО Конструкторско-производственном предприятие «Авиамотор» в настоящее время проводятся поисковые работы в области усовершенствования переработки нефтепродуктов, а так же определение изменений физико-химических показателей моторного масла при длительной работе в составе комбинированной опоры установки «ЛИРА-

М», которая разработана, изготовлена и испытана специалистами ОАО КПП «Авиамотор».

Установка «ЛИРА-М» относится к раторно-пульсационным аппаратам.

Основным элементом установки «Лира-М» является вращающийся ротор. Моторное масло, попадая в зазоры между ротором и статором, проходит процесс диспергирования. При этом масло воспринимает комбинированное воздействие, включающее в себя:

-механическое воздействие, которое возникает в зазорах между ротором и статором и приводит к разрушению твёрдых частиц, находящихся в рабочей жидкости [3];

-гидродинамическое воздействие возникает при механическом перемешивании жидкости специальными кольцевыми цилиндрическими элементами, выполненными на поверхности ротора [3];

-кавитационное воздействие происходит в результате многократно повторяющихся гидравлических ударов, в результате резкого изменения давления в жидкости, вызванного мгновенным изменением скорости её течения в трубопроводе под действием растягивающих напряжений, приводящих к образованию пузырьков, наполненных воздухом и паром в потоке жидкости. Это воздействие приводит к разрушению твердых частиц [4];

-акустическое воздействие возникает в результате резкого мощного действия акустического поля на рабочую жидкость [5].

Повышение эффективности работы РПА за счет интенсификации различных физико-химических явлений - основное направление совершенствования данных аппаратов. Комплексное усиление механического, гидродинамического, кавитационного и акустического воздействия актуальная задача совершенствования РПА. В разработанной конструкции установки «ЛИРА-М» сделана попытка решения данной задачи.

Экспериментальная программа обработки масла была разработана специалистами ОАО КПП «Авиамотор».

Исследование образцов масла методом ИК-спектроскопии провел доктор химических наук, академик РАЕН Офицеров Е.Н.

Использование диспергаторов для повышения сроков службы моторных масел малоизученно поэтому на ОАО КПП «Авиамотор» проведены испытания модельной установки с подшипниками от газотурбинного двигателя с замкнутой системой смазки, оснащенной диспергирующим устройством. Указанные испытания проведены за наработку 200 часов.

Испытания проводились на масле МС-8П. Данное масло применяется в системе смазки двигателя НК-16СТ.

Объектом данных испытаний являлась комбинированная опора установки «Лира-М». В качестве устройства, нагружающего подшипники комбинированной опоры импульсными нагрузками, служил

989

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

ротор установки «Лира-М». Крутящий момент на вал ротора передавался от электродвигателя переменного тока мощность 55 кВт и рабочими оборотами 3000 об/мин.

Испытания установки «Лира-М» проводились на специализированном экспериментальном стенде, разработанном на ОАО КПП «Авиамотор» рис.1.

Рис.1 Общий вид стенда и экспериментальной установки

Результаты

В результате проведенных испытаний комбинированной опоры с диспергированием смазывающей среды (масло МС-8П) в циркуляционном режиме установлено [5]:

- в процессе наработки 200 ч. с диспергированием масла, его кислотное число за 120 ч. возросло с 0,01 до 0,03 и далее в течение последующих 80 часов не изменялось. (Кислотное число по нормам ОСТ 38.01163-78 не должно превышать 0,03мг КОН на 1 гр. масла);

- кинематическая вязкость (при 500С) возросла с исходной величины 8,09 сСт до значений 8,47 сСт (по ОСТ кинематическая вязкость должна составлять величину не менее 8,00 сСт);

- за указанную наработку возросло содержание золы с 0,008% до 0,014%;

- размер твердых частиц после диспергирования не превышает 3мкм, что свидетельствует о практически полном отсутствии в масле механических примесей (опора работала без маслофильтра) и воды;

- спектральным анализом установлено отсутствие деструктивных изменений по химическому составу масла (исходного и после наработки 200ч.) табл. 1;

- техническое состояние подшипников, прошедших испытания в составе комбинированной опоры удовлетворительное.

Данные по физико-химическому анализу масла МС-8П на реальном двигателе за наработку 271 час, представленные в табл. 2 и свидетельствуют о том, что параметры масла без диспергирования, но с фильтрацией сопоставимы с параметрами масла с диспергированием без фильтрации.

При исследование образцов масла методом ИК-спектроскопии было исследовано 5 образцов масла:

- исходное;

- 40 часов эксплуатации;

- 80 часов эксплуатации;

- 160 часов эксплуатации;

- 200 часов эксплуатации.

Таблица 1. Результаты физикохимического анализа экспериментальные [6]

Но- мер от- бо- ра Вре- мя ра- боты на режи жи- ме, час Ки- нем. вяз- кость 500С, сСт Ки- слот ное чис ло, мг/г Со- дер жа- ние зо- лы, % Содержание механических примесей Наличие воды

1 0 8,09 0,01 0,00 8 отсутству- ет отсутст- вует

2 40 8,29 0,02 0,01 1 отсутству- ет отсутст- вует

3 80 8,34 0,02 0,01 2 отсутству- ет отсутст- вует

4 120 8,38 0,03 0,01 2 отсутству- ет отсутст- вует

5 160 8,43 0,03 0,01 2 отсутству- ет отсутст- вует

6 200 8,47 0,03 0,01 4 отсутству- ет отсутст- вует

Таблица 2. Результаты физико-химического анализа из эксплуатации [6]

Но ме р от- бо- ра Вре мя ра- бо- ты, час Ки- нем. вяз- кост ь 500 С, сСт Ки- слот- ное чис- ло, мг/г Содер дер- жание золы, % Со- держа- ние меха- ниче- ских приме- сей Нали- чие воды

* 271 8,14 0,008 0,0085 отсут- ствует отсут- сут- ству- ет

* Масло МС-8П из эксплуатации отобр. 01.01.05

с дв. НК-86 с наработкой 271 час

Как следует из сравнения спектров образцов исходного и после 200 часов эксплуатации новых полос или существенного перераспределения интенсивности имеющихся полос не происходит.

В случае окислительной деструкции должны появляться карбонильные группы, имеющие в ИК спектре полосы поглощения в области 1700-1760 см'. Следовая полоса при 1740 см-1 присутствует, однако ее интенсивность не увеличивается.

Не увеличивается и интенсивность полосы свободных валентных колебаний группы -ОН (вода, спирты) при 3660 см-1.

990

Механика и машиностроение

Таблица 3. Стоимость жизненного цикла и оценка конкурентоспособности новых авиационных газотурбинных приводов для ГПА мощностью 20 - 25 МВт [1]

Показатели

Наименование двигате- НК-16- НК- ПС-

ля 20СТ 36СТ 90ГП-

(опытный 3 ед. 25

образец) 1 ед.

Мощность, МВт 20 25 25

Жизненный цикл (на- СТ 100 СТ СТ 100

значенный ресурс), ГГ 100 100 ГГ 100

тыс.ч ГГ

100

Договорная цена, млн. 58 80.47 84.36

руб. 5

КПД в станционных условиях 34 34,5 39,4

Ресурс до капитального ремонта, тыс. ч 20 20 25

Удельные потери масла не более (ТУ), кг/ч 0,9 0,6 0,6

Марка масла ТП-22С Пет- Петрим

рим

Цена масла тыс. руб./т 16,52 132,1 6 132,16

Затраты на капиталь- 39.084 52,07 40,252

ный ремонт за жизнен- 3

ный цикл, млн. руб.

Стоимость потерь мас- 0,768 4,097 4,097

ла за жизненный цикл,

млн.руб

Стоимость масла за 85,33 682,8 682,833

жизненный цикл, 33

млн.руб

Стоимость жизненного 367,237 441,2 397,933

цикла, млн. руб. 50

Стоимость масла с уче- 82,33 682,8 682,83

том замены за жизнен- 3

ный цикл, млн.руб

Стоимость жизненного 452,567 1124, 1080,76

цикла с учетом замены масла, млн. руб. 083 6

Приведенные данные свидетельствуют, что при эксплуатации масла существенных изменений в его структуре не происходит - нет явных признаков термоокислительной деструкции и гидроперекисно-го окисления углеводородной цепи.

Заключение

При введении диспергатора установки «ЛИРАМ» в контур маслосистемы ГТД уменьшается износ смазываемых деталей, что в конечном счете должно увеличить срок службы смазочного материала и повысить надежность работы смазываемых деталей и узлов, увеличивает межремонтный ресурс маслоагрегатов двигателя и увеличивает срок замены масла.

При снижении затрат на ремонт, замену масла за жизненный цикл ГТД эффективность его применения в сравнении с аналогами возрастает. При увеличении срока службы масла дорогих марок типа «Петрим» в 1,5 раза эффект только по маслу может составить 227.61 млн. руб.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника Учебник Для Студентов Вузов 2-Е Издание, М. : Машиностроение, 1989, 328с.

2. Чепкин В.М., Загорицкий Э.Е., Мельситдинова Н.А. Эффективность Применения Новых Отечественных Газотурбинных Авиационных Приводов Для Гпа Мощностью 25мвт Ж. Газотурбинные Технологии №8 (43) Ноябрь-Декабрь/2005 6-9

3. Новицкий Б.Г. Применение Акустических Колебаний В Химико-Технологических Процессах. М.: Химия, 1983. 192 С.

4. Балабышко А.М., Зимин А.И., Ружицкий В.П. Гидродинамическое Диспергирование. М.: Наука, 1998. 331 С.

5. Физические Эффекты В Машиностроении: Справочник /Под Ред. В.А.Лукъянца. М.: Машиностроение, 1993. 224с.

6. Понькин В.Н., Кесель Б.А., Горюнов Л.В., Такмовцев В.В. Повышение Эффективности Трибологических Систем Авиационных Двигателей. Казань.: Кгту Им.Туполева, Препринт 05п1, 2005.80 С.

Инженерные Основы Авиационной Химмотологии. Казань.: Изд-во Казанск. Унив. 2005. 714с

APPLICATION OF ROTOR-PULSATION UNIT IN SYSTEMS OF GAS TURBINE ENGINES TRIBOLOGICAL

© 2011 D.V. Voskoboinikov, B.A. Kesel

JSC DPE “Aviamotor”

991