Конструкция и компоненты системы смазки

Системы смазки, используемые на коммерческих турбовентиляторных двигателях для выполнения вышеперечисленных задач, являются автономными рециркуляционными системами. В таких системах масло подается в зоны, где оно необходимо, и возвращается в бак при помощи насосов. Тремя необходимыми для рециркуляции масла подсистемами являются:

- система хранения и подачи;

- система откачки;

- система дренажа.

Функцией системы хранения и подачи является доставка необходимого количества масла, в состоянии, обеспечивающим полное выполнение его функций, к подшипникам и зубчатым колесам. Таким образом, масло должно быть отфильтровано и его температура должна быть в допустимом диапазоне. В баке хранится объем масла, необходимый для работы системы. Функцией системы откачки является возврат масла из маслосборников корпуса подшипника и коробок приводов в маслобак. В большинстве масляных систем отработавшее масло проходит фильтр перед попаданием в бак. Для работы уплотнения полости подшипника необходим поток воздуха, проходящий сквозь него. Система дренажа обеспечивает сброс этого воздуха в атмосферу. Она задерживает капельки масла в вентилируемом воздухе внутри системы смазки.

Основными компонентами типичной системы смазки являются (рис. 28.):

Рис. 28. Схема типичной системы смазки двигателя с тремя полостями подшипников [2]

- маслобак;

- нагнетающий насос и линии подачи;

- откачивающие насосы и линии возврата;

- фильтры и сетки;

- масляный радиатор;

- система дренажа;

- датчики для индикации в кабине пилотов и мониторинга состояния.

Дополнительно установлены средства обслуживания. Это заливная горловина заправки масла и соединительные шланги для заправки маслобака.

Т.к. каждая зона, нуждающаяся в смазке, имеет собственные требования по необходимому для правильной смазки количеству масла и охлаждению, расход масла в зоны смазки должен удовлетворять этим требованиям. Это достигается перекрестной секцией линии подачи и масляных форсунок.

Для регулировки давления масла, применяются два типа систем. Система с редукционным клапаном, также называемая системой постоянного давления, и система полного расхода. В системе с редукционным клапаном, давление масла на выходе из насоса сохраняется на определенном значении, находящемся в диапазоне рабочих давлений двигателя, а с помощью редукционного клапана избыточное количество масла перепускается в бак.

Система полного расхода работает без каких-либо приспособлений регулировки давления. Таким образом, количество масла, подаваемого в систему, является функцией величины расхода, подаваемого нагнетательным насосом, характеристик линии подачи, поперечного сечения масляных форсунок и вязкости масла. Это ведет к изменению давления масла с изменением частоты вращения вала двигателя.

Большинство систем разрабатываются как системы полного расхода. Такая система использует насосы, меньшие по размерам в сравнении с насосами системы постоянного давления. Такая система имеет меньший вес, упрощается ее регулировка, поскольку отсутствует клапан регулировки давления.

Независимо от метода регулировки давления подаваемого масла, подсистемы обоих типов систем практически идентичны. На рисунке 3.1 показаны основные компоненты типичной системы смазки. На этом примере показана система полного давления с топливно-масляным радиатором. Система дренажа (суфлирования) использует центральный маслоотделитель, установленный в коробке приводов [2].

Зоны смазки

В турбовентиляторных двигателях используются шариковые и роликовые подшипники. Они находятся внутри уплотняемых полостей. Масло, подаваемое нагнетающим насосом, направляется по отдельным линиям подачи и распыляется на подшипник с помощью одной или нескольких масляных форсунок. На рисунке 29. показано расположение масляных форсунок в полости переднего шарикового подшипника двигателя CFM56-3.

Рис. 29. Вид сзади на переднюю половину передней полости подшипника CFM56-3 после снятия с двигателя. Видны масляные форсунки подшипника №1 [2]

Маслом смазываются только зоны внутри полости подшипника. Масло не вступает в контакт с компонентами ротора снаружи полости подшипника и с газовым трактом. Для обеспечения этого стенки полости подшипника герметизируются вплотную к вращающимся валам. Для этого используются два типа герметизации: графитовое и лабиринтное уплотнения. Для постоянной эффективной герметизации используется поток воздуха, проходящий через уплотнения в корпус подшипника, как показано на рисунке 30.

Рис. 30. Передняя полость подшипника CFM56-7В с 3 передними подшипниками. Показаны пути движения уплотняющего воздуха внутри полости

В коробке приводов шариковые и роликовые подшипники используются в качестве опор валов шестерен. На зубчатые колеса и подшипники коробок приводов масло подается, как и на подшипники ротора двигателя, с помощью масляных форсунок. Масло, распыляемое на подшипники и зубчатые колеса, собирается на дне корпуса подшипника и коробки приводов. Эти зоны называются картером (маслоотстойником). Через линии возврата откачивающий насос засасывает масло из картера с производительностью, превышающей его подачу нагнетающим насосом. Таким образом предотвращается скопление масла в картере. Из-за большей емкости откачивающего насоса, он возвращает масло с существенным количеством воздуха из каждого отстойника в бак. Линии возврата и откачивающие насосы должны быть спроектированы для прокачки масляно-воздушной смеси. Это требует индивидуального откачивающего насоса для каждого картера (отстойника) и приводит к необходимости организации дренажа маслобака.

Компоненты системы

3.4.1. Масляные баки

Масло для системы смазки хранится в баке. С помощью бака обеспечивается обслуживание, заправка и дренаж системы. Для проверки уровня масла применяется смотровое стекло или щуп. Для индикации уровня масла на расстоянии используется электрический датчик уровня масла, который находится в баке.

Система рециркуляции в основном обеспечивает два различных варианта подключения масляных радиаторов к системе смазки. Если масло направляется из отстойника в бак без охлаждения, это так называемая система с горячим баком. Если масло проходит масляный радиатор перед тем, как попадает в бак – это система с холодным баком.

Типичным местоположением для маслобаков на двигателе является корпус вентилятора или коробка приводов. Если маслобак находится на корпусе газогенератора, доступ к баку для обслуживания не такой хороший, как если бы он находился на корпусе вентилятора.

Типичный маслобак имеет три соединения с системой смазки. Это линия подачи масла к нагнетающему насосу, линия возврата от откачивающего насоса и линия дренажа. Откачивающий насос подает масляно-воздушную смесь в бак. Этот воздух удаляется через статический воздухоотделитель (маслоотделитель) внутри бака в приводной маслоотделитель или в одну из полостей подшипника. В некоторых маслобаках установлен клапан наддува в соединении с линией дренажа. Этот клапан поддерживает давление воздуха несколько выше атмосферного в баке после останова двигателя. Это облегчает подачу масла в нагнетающий насос во время запуска двигателя.

Для передачи информации о количестве масла в баке установлен датчик, соединенный с соответствующим компьютером в кабине. На рис. 31. – маслобак двигателя CFM56-7B.

Рис. 31. Маслобак двигателя CFM56-5B с левой стороны корпуса вентилятора (фотография выполнена автором дипломной работы)

Масляный бак можно заправлять непосредственно через заправочную горловину или через штуцера удаленной заправки. На маслобаке установлено смотровое окно для проверки уровня масла. Если используется заправка под давлением, масло заливается в бак до тех пор, пока оно не покажется в шланге перелива.

Вместимость маслобака, главным образом, зависит от размера двигателя. Ниже приведены три примера вместимости (объёмов) маслобаков:

CFM56-7B – 22 литра;

PW4000 (94 дюйма) – 35 литров;

GE90 – 30 литров.

3.4.2. Насосы и фильтры

Масляные насосы, используемые в системе смазки, шестеренные или лопастные. Шестеренные насосы классического типа с параллельными валами или героторного типа с коаксильными шестернями. Обычно используется один нагнетающий насос и по одному откачивающему насосу на каждый маслоотстойник. Это приводит к установке от 4 до 6 откачивающих насосов. Насосы либо являются отдельными агрегатами, т.е. отдельный нагнетающий и откачивающие насосы, либо все необходимые для системы насосы объединены в один агрегат. Они установлены на определенных площадках коробки приводов. У двигателей GE и CFM масляные насосы объединены вместе с фильтрами в один блок. Здесь такие блоки называются маслоагрегатами. На рис. 32. показана установка маслоагрегата на двигателе CFM56-5В.

Рис. 32. Маслоагрегат двигателя CFM56-5В, состоящий из одного нагнетающего и 4-х откачивающих насосов, героторного типа (фотография выполнена автором дипломной работы): 1 – фильтр подачи

Во входных патрубках откачивающих насосов, либо в линии откачки выше по потоку относительно насосов, где обеспечивается хороший доступ, установлены магнитные стружкосигнализаторы для мониторинга частиц износа в масле.

Система фильтрации является очень важным элементом для обеспечения надежности рециркуляции масла в системе смазки. Т.к. масло должно проходить через маленькие отверстия и каналы, даже мельчайшие частицы загрязнения могут блокировать поток масла, что приведет к отказу в системе смазки. Обычно загрязняющие частицы – это абразивный материал, появляющийся в подшипниках и шестернях во время нормального износа. Маслом частицы вымываются из подшипников и шестерен и уносятся системой откачки из маслоотстойников. В фильтрах загрязнения почти полностью удаляются из масла. После этого масло можно снова подавать к подшипникам и шестерням. Если обнаруживается отказ подшипника или шестерни, в фильтрах и на магнитных сигнализаторах будет найдено бóльшее, чем обычно, количество частиц.

Классическим расположением фильтров в системе смазки является: один фильтр системы нагнетания расположен ниже по потоку от нагнетающего насоса и один фильтр системы откачки - ниже по потоку от откачивающих насосов. В этом случае фильтр системы откачки должен иметь более тонкий фильтрующий элемент. Применяются и системы только с одним фильтром в системе нагнетания (например, в маслосистемах двигателей PW4000; CFM56-5B, CFM56-5C). В таких системах устанавливается дублирующий фильтр для обеспечения фильтрации в случае засорения основного фильтра. Каждый масляный фильтр снабжен перепускным клапаном для обеспечения расхода масла при засорении фильтра. Фильтрующие элементы, используемые в масляных фильтрах, имеют размеры отверстий от 15 до 65 микрон (от 0,015 до 0,065 мм).

Состояние фильтра, имеющего наибольшую тонкость фильтрации, контролируется на засорение с помощью датчика перепада давлений. Предупреждение о засорении информирует экипаж об ограниченной фильтрующей способности маслосистемы.

В некоторых системах установлены дополнительные сетчатые фильтры в линии подачи выше по потоку от масляных форсунок. Эти фильтры называют «сетками последней надежды» (или «фильтрами последней надежды»). Они предотвращают засорение масляных форсунок твердыми частицами, которые могут там появиться при открытом перепускном клапане.

3.4.3. Охлаждение масла

Во время процесса смазки от компонентов двигателя маслу передается теплота, которая в дальнейшем должна быть удалена для поддержания температуры масла в заданных пределах. Это требует установки в системе масляного радиатора. Охлаждающим агентом может быть топливо, воздух, либо, как в некоторых системах, теплообменник с комбинацией топливного и воздушного радиаторов.

Теплообменник (радиатор) может быть установлен либо в линии подачи, либо - откачки масла в системе смазки в зависимости от типа системы: с горячим или холодным баком.

Типичным радиатором, применяемым в турбореактивных двигателях, является топливно-масляный теплообменник. Он имеет меньшие объемы по сравнению с воздушно-масляным теплообменником с той же охлаждающей способностью. Кроме того, использование топлива как охлаждающего агента обеспечивает подогрев холодного топлива, поступающего из баков воздушного судна. Топливно-масляный теплообменник также эффективен во время работы двигателя на земле и не нуждается в обдуве воздушным потоком. В системе смазки некоторых двигателей применяется дополнительный воздушно-масляный радиатор для обеспечения возможности регулирования контроля температуры масла и топлива во время работы с низким расходом топлива.

На некоторых топливно-масляных радиаторах установлен термостатный перепускной клапан. Он поддерживает правильную температуру масла, изменяя количество масла проходящего через масляный радиатор, и, соответственно, перепускаемого, минуя его. Этот клапан позволяет изменять охлаждающий эффект при изменении расхода топлива на разных режимах работы двигателя. В конструкцию всех остальных масляных радиаторов включен перепускной клапан, реагирующий на перепад давлений на радиаторе. Наибольший перепад давлений получается при наибольшем охлаждении масла. При слишком низкой температуре масла оно перепускается, минуя радиатор.

3.4.4. Компоненты дренажной системы

Для поддержания постоянного расхода воздуха, идущего снаружи полости подшипника через уплотнение вала внутрь этой полости, необходимо организовать дренаж уплотняющего воздуха по дренажным линиям из полости подшипника. Когда дренажный воздух или воздух суфлирования покидает полость подшипника, он содержит большое количество капелек масла. Уплотняющий воздух смешивается с откачиваемым маслом, которое по линиям откачки подается обратно в бак. Необходимо отделить масло от воздуха для сохранения масла в системе и выпуска практически чистого воздуха в атмосферу.

После того, как дренажный воздух покидает систему смазки, он проходит через маслоотделитель (суфлер). Это центробежное устройство для отделения масла от воздуха. Дренажный воздух из бака так же проходит через маслоотделитель перед выбросом в атмосферу.

Внутри маслоотделителя дренажный воздух проходит через радиальные отверстия в роторе по направлению к центру вала. Большинство капель масла под действием центробежных сил выбрасываются из ротора и ударяются о стенки корпуса. В нижней части корпуса маслоотделителя капли масла собираются и возвращаются в бак по системе откачки. Воздух из центра вала выбрасывается в атмосферу через выходное дренажное отверстие. Вместе с выпускаемым воздухом выходит небольшое количество масла. Нормальный расход масла двигателя находится в пределах (от 0,1 до 0,5 л/час). На рис. 33. показан маслоотделитель и его выходное дренажное отверстие на коробке приводов двигателя V2500-А5.

Рис. 33. Суфлёр двигателя V2500-А5 на передней части коробки приводов [2]

При дренаже воздуха из полостей подшипников через вал (у двигателей CFM и GE) в заднюю часть маслоотделитель называется воздушно-масляным отделителем. На рис. 33. видны трубки воздушно-масляного отделителя. Не требуются дренажные линии для воздуха к центральному маслоотделителю, когда используется воздушно-масляный отделитель для каждой полости подшипника.