CC BY
111
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
