CC BY
313
УДК 629.431.75
ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ВГТД С РОТОРОМ НА ГАЗОВЫХ ПОДШИПНИКАХ
© 2009 Б. А. Пономарев, В. В. Гаврилов ФГУП ЦИАМ им. П.И.Баранова, г. Москва
Статья посвящена актуальному вопросу в области разработки и создания газотурбинных двигателей на газовых подшипниках. Применение в ГТД нетрадиционных типов подшипников - газодинамических - представляет практический интерес, так как позволяет в перспективе полностью отказаться от маслосистемы и создать «сухой» двигатель. Это значительно упростит конструкцию двигателя, улучшит его массогабаритные показатели, повысит надежность, снизит стоимость изготовления и эксплуатации.
Проведен анализ состояния и уровень развития указанных технологий за рубежом и в Российской Федерации. Показаны примеры выполненных высокотемпературных турбомашин (турбоагрегатов наддува, ГТУ, мини-ТРД) на газовых подшипниках.
Приведены результаты проектирования и исследований, проведенных в ФГУП ЦИАМ, модельного ротора на газовых подшипниках для малоразмерного ВГТД ТА-20 (эквивалентной мощностью 50 кВт), разрабатываемого на ОАО НПП « Аэросила» совместно с ЦИАМ.
Вспомогательный газотурбинный двигатель(ВГТД), ротор, газодинамический подшипник, лепестковый подшипник, фольговый подшипник, высокотемпературное антифрикционное покрытие.
Увеличение частоты вращения роторов ГТД, которое следует за повышением параметров цикла, связано с определенными проблемами обеспечения работоспособности традиционных шарико-роликовых подшипников, смазываемых маслом. Это требует перехода на нетрадиционные типы подшипников, например газовые или электромагнитные, которые позволяют отказаться от мас-лосистемы.
Использование нетрадиционных видов подшипников - газовых, не требующих смазки маслом, в ГТД представляет практический интерес, так как позволяет в перспективе полностью отказаться от маслосистемы и создать «сухой» двигатель. Это значительно упрощает конструкцию двигателя, улучшает массогабаритные показатели, повышает надежность, снижает стоимость изготовления (за счет исключения маслосистемы с датчиками и упрощения САУ -БСКД) и стоимость эксплуатации (за счет отказа от приобретения масла и упрощения обслуживания).
В отечественном общем машиностроении, например ядерной, криогенной, космической отраслях, накоплен большой опыт применения разнообразных газовых подшипников. Однако опыт применения газодинамических подшипников в отечественных газо-
турбинных авиационных двигателях в настоящее время отсутствует.
Создание «газового» подвеса ротора связано с определенными проблемами, которые в зарубежной практике в ряде областей применения таких подшипников, и в том числе в малоразмерной авиации (беспилотные ТРД), успешно преодолены.
Анализ имеющихся материалов по данному вопросу показывает, что для создания газового подвеса роторов ГТД должны быть разработаны и освоены следующие три технологии:
1 - методы расчета, проектирования и изготовления газовых подшипников с заданными (требуемыми) несущей способностью и упруго-демпферными свойствами для условий применения в авиационных ГТД, в частности, при действии высоких температур;
2 - методы расчета динамических свойств роторов ГТД на газовых подшипниках, поскольку существующие методики для роторов на жестких опорах для этих целей не пригодны;
3 - высокотемпературные смазочные покрытия для уменьшения коэффициента сухого трения в газовых подшипниках в периоды пуска-останова ГТД.
1. Разработка и исследования газодинамических лепестковых и фольговых подшипников
Наиболее привлекательными представляются газодинамические лепестковые подшипники, которые не требуют для своей рабо ты устройств и систем для управления положением ротора двигателя во время работы.
Лепестковые подшипники по классификации зарубежных разработчиков условно могут быть разделены на 1, 2 и 3 поколения, которые отличаются друг от друга возрастающей конструктивной сложностью и несущей способностью (грузоподъёмностью). На рис. 1 показаны схемы подшипников 1-го поколения, а на рис. 2 - последнего, 3-го поколения. В подшипниках 3-го поколения воздушная пленка, возникающая при вращении, формируется между поверхностью вала и гибкой гладкой металлической фольгой, которая опирается на пружинящую (буферную) гофрированную ленту. За счет микроскольжения между слоями фольги (кулоново трение) улучшаются демпфирующие свойства, компенсируются несоосность и температурные деформации. При использовании новых высокотемпературных твердых смазочных покрытий для защиты от износа при запусках и остановах эти подшипники могут работать в широком диапазоне температур от криогенных до + 650°С.
Следует указать на тот факт, что иссле-
дования по данному вопросу, судя по имеющимся открытым публикациям, за рубежом проводятся только в США. Большой опыт практического изготовления газовых подшипников различной конструкции и применения имеет фирма Miti (Mohawk Innovative Technology, Inc.), являющаяся известным в мире поставщиком таких подшипников.
Из отечественных разработок в этой области известен опыт применения лепестковых подшипников в турбохолодильных агрегатах НПО «Наука» для Ту-204 и Ту-214. Известны также разработки газодинамических подшипников на каф. 203 МАИ и на предприятии ООО «Турбоком». В качестве материала лепестков используется сплав 36НХТЮ или 40НХТЮ. Изготавливаются лепестки из фольги толщиной 0,12-0,15 мм. Подвергаются термообработке в вакуумной печи по специальной технологии для придания упругих свойств и покрываются с рабочей стороны мягким покрытием. Рабочая температура покрытий ~ 200°С.
По уровню разработки отечественные газовые подшипники соответствуют 1-му поколению, в связи с чем для создания реально работающих отечественных подшипников для ГТД требуется проведение научных исследований и в любом случае потребуется как экспериментальная доводка изолированных подшипников на стенде, так и их проверка в составе роторной системы.
Рис. 1. Подшипники 1-го поколения
лепесткового типа фольгового типа
1-лепесток, 2 - наружная обойма, 3 - вал 1-лепесток (наружная фольга), 2 - наружная
обойма , 3 - вал, 4 - демпфирующий элемент (внутренняя фольга)
Рис. 2. Подшипник 3-го поколения 1-буферная лента, 2- вал, 3- верхняя фольга, 4- наружная обойма, 5- буферы переменного шага,
6 - разрез ленты в окружном направлении
2. Расчетные методы для роторов на газовом подвесе
При создании газового подвеса роторов овладение расчетными методами имеет большое значение. Во-первых, при расчете несущей способности и упруго-демпферных свойств изолированных подшипников, во-вторых, при расчете динамических свойств роторов на газовых подшипниках. Это позволяет экономить затраты на разработку, так как экспериментальные исследования связаны с большими финансовыми вложениями как из-за стоимости самих экспериментальных исследований, так и изготовления экспериментальных объектов (подшипников, роторов), поскольку это может потребовать исследований большого числа вариантов конструкций, прежде чем будет получен ротор с нужными свойствами. Расчеты динамики необходимы для отстройки от резонансных режимов при различных конфигурациях демпферов подшипников.
Пока также невозможно расчетным путем определить влияние свойств покрытий, наносимых на вал и лепестки, на демпфирующие свойства подшипников. Кроме того, полностью еще не исследовано тепловое состояние опор с газовыми подшипниками и его влияние на несущую способность и упругодемпферные свойства подшипников.
Представляется, что расчетные методы следует развивать в направлении дальнейшего совершенствования моделей расчета (модели 2-го и 3-го уровня), позволяющих достоверно прогнозировать как свойства самих газодинамических подшипников в зависимости от нанесенного покрытия и теплового состояния, так и динамические свойства роторов на таких подшипниках.
3. Антифрикционные покрытия
Обеспечение работоспособности газовых подшипников при высоких температурах в условиях сухого трения является ключевым препятствием при создании таких подшипников. При пуске и останове до образования газового слоя в подшипниках для уменьшения трения и износа необходимо обеспечить твердую смазку.
В открытой печати опубликованы результаты исследований зарубежного покрытия PS304, наносимого на вал или движущуюся поверхность, работающую в контакте с фольгой, которая в свою очередь также может быть покрыта для дополнительной защиты от износа. Это покрытие успешно применено в энергоустановке фирмы Capstone Turbine Corporation, и в дальнейшем предполагается его применение в «сухих» самолетных ГТД.
Таблица 1
Составляющая % по весу Свойства
NiCr (1) 60 основа
СГ2О3 20 придание твердости
Ag 10 низкотемпературная смазка
Вар2/СаБ2 (2) 10 высокотемпературная смазка
Коэффициент теплового расширения 12,4 х 10 -6 / °С
Плотность 5,3 г/см3
Твердость 30 - 34 ЯС
1) №Сг - 80 % N1 и 20% Сг по весу
2) ВаР2/СаР2 - 62 % Ва Б2 и З8 % Са Б2 по весу
РБ304 - плазменное композитное покрытие из соединений хрома и никеля с окисью хрома и смазывающими добавками серебра и фтористого бария/фтористого кальция, его детальный состав приведен в табл.1.
Хром-никель в данном покрытии действует как связующее, окись хрома используется для повышения твердости и смазки при высокой температуре. Серебро добавлено как термохимически устойчивая низкотемпературная смазка. Фтористые соединения действуют как высокотемпературная смазка. Исследования характеристик РБ304 проводились на фольговом подшипнике с одним круговым лепестком, при этом определялось влияние нагрузки и температуры на износ. Была подтверждена работоспособность РБ304 в диапазоне температуры от 25 до 650°С при изменении удельных нагрузок от 10 до 50 КПа. Результаты испытаний показали, что величина коэффициента трения такого покрытия зависит от его температурного состояния и при температуре 650°С составляет 0,33 0,16 в зависимости от приложенной
нагрузки.
Аналогичные отечественные покрытия, способные работать в парах трения такого назначения, отсутствуют. Рабочая температура покрытий, применяемых в турбоагрегатах систем кондиционирования разработки НПО «Наука», не превышает 200-250°С. Марка покрытий ВАП - 2, ВАП - 3 или ЦВСП-3С. В связи с этим требуется проведение работ в этом направлении.
4. Практика применения газового подвеса роторов в турбомашинах
Примером такого комплексного подхода, основанного на разработке фольговых подшипников повышенной несущей способности, высокотемпературных твердых смазок подобных PS304, и расчетных методов определения динамических свойств роторов, является разработка турбоагрегата наддува для дизельного двигателя на 150 л.с., выполненная NASA и Министерством энергетики США. Этот турбоагрегат, не имеющий мас-лосистемы, с двумя радиальными и одним осевым подшипниками, работающий при 95000 об/мин и температуре перед турбиной 650°С, был создан в начале 1999 г. На рис. 3 показаны схема этого турбоагрегата и его препарирование при испытаниях на стенде с подачей горячего газа на турбину.
На рис. 4 показан ТРД WJ24-8, созданный еще в 80-е годы для БЛА, в конструкции горячей опоры которого применён газодинамический подшипник.
Следующим примером возможности создания работоспособных конструкций на газовых подшипниках может служить небольшая газовая турбина без маслосистемы для энергоустановки фирмы Capstone Turbine Corporation (рис. 5). В ней успешно применен высокооборотный (90000 об/мин) обратимый стартер-электрогенератор прямого привода. Установка выпускается в зависимости от модификации на электрическую мощность 30 и 60 кВт. Первоначально задуман -
2
Рис. 3. Схема препарирования турбоагрегата при испытаниях:
1 - радиальные фольговые подшипники, 2- осевой фольговый подшипник, Т1, Т2...Т9 - датчики температуры
1
ная как силовая установка для гибридной тур-боэлектрической автомобильной системы, технически концепция оказалась успешной. Энергоустановка Capstone является первой в мире коммерческой установкой без маслоси-стемы. В ней применены запатентованные подшипники, которые конструктивно весьма сложны и относятся к 3-му поколению.
В печати сообщалось также о создании аналогичной энергоустановки на газовом подвесе этой же фирмы на мощность 200 кВт.
Представляют интерес сведения, опубликованные в работе, в которой сообщается об успешных исследованиях, проводимых в рамках программы Advanced Affordale Turbine Engine (AATE) по созданию вертолетного ГТД мощностью 1250 кВт на газовых подшипниках.
В соответствии с совместной программой, финансируемой Army Aviation Applied Technology Derictorate (AATD) и General Electric Aircraft Engines (GEAE), в которой AATD и GEAE совместно с R&D Dinemics, мировым признанным лидером в разработке технологии фольговых подшипников, спроектировали, разработали и изготовили фольговые подшипники для перспективных турбовальных двигателей типа GEAE (AATE)
и, проведя испытания, продемонстрировали возможность внедрения предложенной технологии в изделие-демонстратор.
Целью было продемонстрировать, что фольговые подшипники могут обеспечивать адекватную подвеску ротора, стабильность работы и ресурс, необходимые для применения в перспективных небольших турбовальных двигателях фирмы GEAE (рис. 6).
Как показали расчеты, несущая способность подшипников 3-го поколения способна поддерживать ротор этого небольшого газотурбинного двигателя. Подшипники диаметром ~ 100 мм способны выдерживать радиальную нагрузку 454 кг при частоте вращения 22000 об/мин. Конфигурация этого подшипника, известного как «реверсивный многолепестковый Фольговый Подшипник», была разработана и запатентована фирмой «R & D Dynamics». На рис. 7 показаны схема поперечного сечения подшипника диаметром ~100 мм и внешний вид реальной конструкции.
Работы, проводимые за рубежом по созданию подшипников еще больших размеров, показывают, что эта технология может быть применена также для газотурбинных двигателей региональных самолетов.
Рис. 4. Внешний вид ТРД WJ24-8 и его ротора с газовым подшипником горячей опоры
Рис. 5. Двигательная часть энергоустановки Capstone Turbine Corporation
Рис. 6. Внешний вид двигателя мощностью 1700 л.с. концепции ААТЕ с газодинамическим лепестковым подшипником в горячей опоре
Рис. 7. Схема и внешний вид газодинамического лепесткового подшипника горячей опоры
двигателя концепции ААТЕ
5. Разработки ВГТД на газовых подшипниках
Компания Honeywell использовала разработанные технологии для создания мини-ВГТД RE50 в классе мощности 50 кВт, который предназначен для применения на небольших самолетах АОН и легких вертолетах (рис. 8).
Мини-ВГТД RE50 разработан на базе ВГТД RE100. Для этого были перепроектированы колеса турбомашин, применены газовые подшипники, встроенный стартер-генератор постоянного тока с безредукторным приводом (стартер-генератор и турбомашины установлены на одном валу). В результате отпала необходимость в применении обыч-
ной системы смазки и коробки приводов. Максимальная частота вращения вала мини-ВГТД составляет 100000 об/мин.
Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью контроллера. Мини-ВГТД обеспечивает силу тока 300 А при напряжении 24 В.
Этот компактный мини-ВГТД весит ~25 кг, имеет на ~60 % меньшее число движущихся деталей, чем любой ранее созданный компанией ВГТД. Габаритные размеры этого двигателя составляют: длина - 500 мм, ширина - 300 мм и высота - 300 мм.
При использовании ЯЕ50 авиакомпании будут иметь независимый источник электроэнергии, который позволит проводить
Улучшенная подача топлива
Г азодинамические подшипники
Высокооборотный
стартер-генератор
Электропривод в топливной системе
Центростремительная турбина и импеллер
"Сухой вал"
Рис. 8. Схема и конструктивные особенности мини-ВГТДRE50
проверку наземного оборудования, осуществлять кондиционирование летательного аппарата или подзаряжать электрические кары в аэропортах, в которых нет никаких наземных источников энергии.
Компания Honeywell рассматривает возможность создания на базе RE50 более мощного ВГТД для удовлетворения требований в электроэнергии перспективных «более электрических» самолетов большей размерности.
В отечественной практике предприятием «Аэросила» ведутся работы по созданию
перспективного безмасляного вспомогательного ГТД «0»-го типоразмера ТА-20, аналогичной схемы и типоразмера. Схема этого ВГТД представлена на рис. 9.
В обеспечение создания ВГТД такого типа в ЦИАМ проведены следующие работы:
- испытаны изолированные осевые и радиальные лепестковые газодинамические подшипники с демпфирующими элементами;
- разработана и передана для изготовления на производстве ЦИАМ конструкция модельного ротора двигателя ТА-20 (рис. 10);
Рис. 9. Схема проточной части ВГТД ТА20
Рис. 10. Схема проточной части модельного ротора ТА-20
- разработаны методики расчета характеристик фольговых газодинамических под -шипников и динамики ротора на газовой смазке.
Разработан стенд на установке У336 для проведения сравнительных испытаний износостойких покрытий с целью повышения ресурсных характеристик газовых подшипников. Оборудование имеет в качестве привода для создания требуемых условий испытания покрытий в условиях, близких к реальным в опорах МГТД с газовым подвесом ротора. Параметры испытуемых подшипников: диаметр вала 40 мм, длина 42 мм. Максимальная частота вращения ~ 55000 об/мин. Температура воздуха в объеме нагревателя ~ до 600°С. Удельная нагрузка ~ до 30 КПА.
На этом стенде проведены испытания по экспериментальной отработке метода измерения эффективного коэффициента трения в газовом лепестковом подшипнике, изготовленном на производстве ЦИАМ и предназначенном для ТА-20. Внешний вид одного из вариантов этого подшипника представлен на рис. 11. Подшипник испытывался в составе
испытательного узла с приводом от импульсной газовой турбины, разработанного на базе турбоагрегата наддува ТКР-7 для дизельного двигателя. Компоновка испытательного узла показана на рис. 12. Внешний вид этого узла при испытаниях на стенде показан на рис. 13.
Проведены также испытания экспериментального ротора, установленного на двух радиальных лепестковых подшипниках диаметром 40 мм, массой 2,5 кг и частотой вращения 55000 об/мин. Схема продольного разреза этого ротора показана на рис. 14. Отдельные детали ротора представлены на рис. 15-17. Частота вращения ротора при его «всплытии», измеренная экспериментально, составляла 8000-10000 об/мин, что примерно соответствовало расчетному значению.
В дальнейшем предполагается проведение следующих работ:
- изготовление деталей и узла модельного ротора ВГТД ТА-20;
- подготовка стенда У-336 к проведению испытаний модельного ротора на холод -ном воздухе;
Рис. 11. Внешний вид подшипника № 1 и лепестка
Рис. 12. Компоновка испытательного узла с приводной турбиной:
1 - корпус узла подшипника, 2 - цапфа - вал, 3 - обойма подшипника, 4 - фланец корпуса, 5 -переходный фланец, 6 - рабочее колесо турбины, 7 - корпус турбины, 8 - датчик перемещений, 9 - датчик частоты вращения, 10 - подвод воздуха на охлаждение, 11 - моментный рычаг, 12 - трос подвески грузов, 13 - болт
- подбор и исследования высокотемпературных антифрикционных противоизнос-ных покрытий с 1раб = 400 - 600°С;
- доработка стенда У-336 и проведение испытаний модельного ротора на подогретом воздухе;
- разработка 3Б модели 2-го уровня для расчета характеристик лепестковых газодинамических подшипников и ротора на газовой смазке.
6. Выводы
В Российской Федерации имеющиеся разработки для авиационных турбохолодиль-ных агрегатов ограничены применением лепестковых газовых подшипников 1-го поколения с низкотемпературными антифрикционными покрытиями с рабочей температурой до 200°С.
В связи с этим работы по созданию газовых подшипников применительно к ВГТД ТА-20 необходимо проводить в направлении развития всех трех обозначенных на стр. 1 технологий с последующей проверкой ре-
зультатов на модельном роторе-демонстрато-ре.
По-видимому, частично проблемы обеспечения требуемого температурного состояния газовых опор могут быть решены за счет их соответствующего расположения внутри конструкции силового агрегата.
При проведении этих работ могут быть полезны результаты исследований, проведенных в ЦИАМ в области газового подвеса роторов для МГТД, в которых за последние несколько лет достигнут определенный прогресс. Значительно продвинуты работы в области расчетного определения несущей способности газовых подшипников, и в том числе газодинамических лепестковых и фольговых в частности. Создан необходимый комплекс расчетных программ. В ЦИАМ изготовлены и затем испытаны на стенде более совершенные лепестковые подшипники под диаметр вала 40 мм по сравнению с применяемыми сейчас в Российской Федерации, принципиально отличающиеся от них нали-
Рис. 13. Внешний вид испытательного узла на стенде:
1 - стойка, 2 - датчики перемещений, 3 - моментный рычаг, 4 - направляющие ролики, 5 - трос уравновешивателя, 6 - трос, 7 - тарировочные грузы, 8 - вибродатчик,
9 -платформа, 10 - трос нагружения
чием демпфирующих элементов. Варьируя форму демпфера, можно управлять упругодемпферными свойствами подшипников и таким образом влиять на динамические свойства ротора турбомашины. Проведена проверка работоспособности таких подшипников в составе модельного экспериментального ротора.
В дальнейшем предполагается проведение работ по изготовлению деталей и узла модельного ротора ВГТД ТА-20; подготовка стенда для проведения его испытаний на холодном и подогретом воздухе; подбор и исследования высокотемпературных антифрикционных противоизносных покрытий с і б = 400 - 600°С.
раб
Рис. 14. Схема экспериментального ротора:
1 - корпус компрессора, 2 - рабочее колесо компрессора, 3 - датчик ІРЕМ12І9505/Б14, 4 - корпус левый, 5 - корпус правый, 6 - корпус турбины, 7 - рабочее колесо турбины, 8 - гайка, 9 - термопара,
10 - радиальный подшипник, 11 - осевой подшипник, 12 - штуцер подвода охлаждающего воздуха,
13 - шпилька, 14 - датчик Холла ІНЕМ12Р1501
Рис. 15. Лепестки подшипников ротора:
1 - гладкий лепесток радиального подшипника, 2 - демпфер радиального подшипника, 3 - гладкий лепесток осевого подшипника, 4 - демпфер осевого подшипника
Рис. 16. Детали экспериментального ротора:
1 - рабочее колесо компрессора, 2 - рабочее колесо турбины, 3 - стяжка, 4 - гайки 5 - вал с диском осевого подшипника
Рис. 17. Экспериментальный ротор в сборе:
1 - рабочее колесо компрессора , 2 - рабочее колесо турбины, 3 - вал с диском осевого подшипника
PROBLEMS OF MAKING AUXILIARY GAS TURBINE ENGINES WITH GAS BEARING ROTORS
© 2009 B. A. Ponomaryov, V. V. Gavrilov Federal State Enterprise Central Institute of Aircraft Engine Design
The paper deals with the topical issue in the area of developing and producing gas turbine engines on gas bearings. The use of non-conventional types of bearings - gasodynamic ones - in gas turbine engines is of practical interest as it will make it possible to give up oil systems completely and to create a “dry” engine in future. This will considerably simplify the engine structure, improve its mass-dimension parameters, increase the reliability and reduce the cost of producing and maintenance.
Analysis of the state and level of the above-mentioned technologies in Russian Federation and abroad is given. Examples of high-temperature turbomachines produced (supercharging turbine-driven set, gas turbine engines, miniturbojet engines) using gas bearings are given.
The paper presents the results of designing and investigations carried out at the Central Institute of Aircraft Engine Design, of a model rotor using gas bearings for a small-size auxiliary gas turbine engine (equivalent capacity 50 kWt) developed at the joint-stock company “Aerosila” jointly with the Central Institute of Aircraft Engine Design.
Auxiliary gas turbine engine, rotor, gasodynamic bearing, lobe bearing, foil bearing, high-temperature antifriction coating.
Информация об авторах
Пономарев Борис Александрович, главный научный сотрудник отделения, ФГУП ЦИАМ им. П.И.Баранова, доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected], область научных интересов: авиационная и наземная газотурбинная техника.
Гаврилов Валентин Владимирович, начальник сектора, ФГУП ЦИАМ им. П.И.Баранова, e-mail: [email protected], область научных интересов: авиационная и наземная газотурбинная техника.
Ponomaryov Boris Alexandrovitch, chief researcher of the department, doctor of technical science, professor, Federal State Enterprise Central Institute of Aircraft Engine Design, e-mail: [email protected]. Area of research: airborne and ground gas turbine facilities.
Gavrilov Valentin Vladimirovitch, head of section, Federal State Enterprise Central Institute of Aircraft Engine Design, e-mail: [email protected]. Area of research: airborne and ground gas turbine facilities.
