Масляная система газотурбинного двигателя
GAS TURBINE ENGINE OIL SYSTEM

Изобретение относится к циркуляционным масляным системам авиационных газотурбинных двигателей и может найти применение в двигателестроении и других областях техники.
В циркуляционных масляных системах масло, откачиваемое из маслосборников масляных полостей опор роторов и коробки приводов газотурбинного двигателя, после восстановления его смазывающих свойств (очистки от механических примесей, отделения воздуха и охлаждения) подается снова в масляные полости двигателя, т.е. используется многократно.
Традиционная циркуляционная масляная система включает всасывающую, нагнетающую и откачивающую магистрали, а также магистраль суфлирования масляных полостей двигателя. По всасывающей магистрали масло поступает на вход нагнетающего насоса самотеком. Нагнетающая магистраль обеспечивает подвод масла в масляные полости под повышенным давлением и содержит насос с редукционным и отсечным клапанами, фильтр и топливомасляный теплообменник, а также форсунки. Откачивающая магистраль с помощью откачивающих маслонасосов отводит масло из маслосборников масляных полостей двигателя в маслобак. Суфлирующая магистраль через центробежный суфлер-сепаратор сообщает все масляные полости двигателя, включая воздушную полость маслобака, с атмосферой (УДК 629.7.036, Чигрин B.C., Белова С.У. «Системы ГТД», Учебное пособие, г. Рыбинск, РГАТА им. П.А. Соловьева, 2011 г.).
Исследованием физических процессов в традиционных циркуляционных масляных системах установлено, что вследствие высокой устойчивости масловоздушной смеси процесс свободного выделения масла из нее составляет несколько минут, в то время как порция масла проходит всю гидравлическую цепь масляной системы за 5…12 секунд (УДК 629.7.063.7, Щуровский Ю.М. «Особенности математического моделирования системы смазки газотурбинных двигателей», Труды МАИ, выпуск №92, г. Москва, 2017 г.). Поэтому масляные полости опор выполняют с увеличенным объемом и расположенными в их нижней части сборниками масла, выделяющегося из двухфазной масловоздушной смеси в условиях совместного воздействия на нее сил поверхностного натяжения и гравитации (Лисицин А.Н. «Повышение эффективности проектирования масляных полостей опор ГТД на основе метода численного моделирования двухфазного течения», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, РГАТУ им П.А. Соловьева, специальность 05.07.05, г. Рыбинск, 2015 г.). Маслобак также выполняют с увеличенными габаритными размерами с учетом объема его свободной воздушной полости.
Недостатки известных масляных систем следующие. При выполнении самолетом эволюций с переменной ориентацией его в гравитационном поле и высокими линейными и угловыми ускорениями и соответствующими им перегрузками, возникает неопределенность пространственного положения объема масла в жидкой фазе в масляных полостях опор и в маслобаке. Это ведет к резкой потере производительности насосов откачивающей магистрали, нестабильности работы магистралей суфлирования и всасывания, что ухудшает условия работы маслонасоса магистрали нагнетания и, как следствие, ведет к масляному голоданию двигателя. Таким образом, они не обеспечивают надежную работу двигателя во время эволюций самолета.
Наиболее близкой по технической сущности предлагаемой масляной системе является масляная система газотурбинного двигателя, которая содержит масляные полости опор роторов и коробки приводов агрегатов, маслобак, магистраль нагнетания с нагнетающий насосом, фильтром и топливомасляным теплообменником, и магистраль откачки-суфлирования с вакуумным маслокольцевым насосом, выходы которого сообщены с масляной полостью маслобака и атмосферой для удаления очищенного воздуха (патент РФ №2731978, F04C 7/00, F02C 7/06, опубл. 09.09.2020 г.).
Недостатком известной масляной системы является нестабильная работа магистрали всасывания, что ухудшает условия работы маслонасоса магистрали нагнетания и, как следствие, ведет к масляному голоданию двигателя. Таким образом, они не обеспечивают надежную работу двигателя во время эволюций самолета.
Технической задачей изобретения является расширение арсенала технических средств обеспечения бесперебойной работы масляной системы газотурбинного двигателя при выполнении самолетом эволюций с переменной ориентацией его в гравитационном поле и высокими перегрузками.
Поставленная задача решается тем, что масляная система газотурбинного двигателя содержит масляные полости опор роторов и коробки приводов агрегатов, маслобак, магистраль нагнетания с нагнетающий насосом, фильтром и топливомасляным теплообменником и магистраль откачки-суфлирования с вакуумным маслокольцевым насосом, выходы которого сообщены с масляной полостью маслобака и атмосферой, при этом маслобак выполнен в виде герметичного сосуда, внутренний объем которого разделен упругим металлическим сильфоном на масляную и воздушную полости, причем в масляной полости размещен погружной нагнетающий насос, а воздушная полость сообщена с воздушным трактом компрессора газотурбинного двигателя.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема масляной системы газотурбинного двигателя; на фиг. 2 показан маслобак (вид А на фиг. 1).
Масляная система газотурбинного двигателя 1 содержит масляные полости 2 опор роторов и коробки приводов агрегатов, маслобак 3. Магистраль откачки-суфлирования 4 соединяет масляные полости 2 опор роторов с входом 5 вакуумного маслокольцевого насоса 6, а выход 7 насоса 6 сообщен посредством отсечного клапана 8 с маслобаком 3. Выход 9 маслокольцевого насоса 6 предназначен для удаления очищенного воздуха и сообщен с атмосферой. Магистраль нагнетания 10 обеспечивает подачу масла под повышенным давлением в масляные полости 2. Она посредством отсечного клапана 11 соединена с погружным нагнетающим насосом 12, расположенным внутри маслобака 3, и имеет в своем составе фильтр 13 и топливомасляный теплообменник 14. Маслобак 3 выполнен в виде герметичного сосуда, внутренний объем которого разделен упругим металлическим сильфоном 15 на масляную 16 и воздушную 17 полости. В его масляной полости 16 размещен погружной нагнетающий насос 12, а воздушная полость 17 сообщена с воздушным трактом компрессора 18 газотурбинного двигателя 1. Маслобак имеет клапан заправки маслом 19 воздушный фильтр 20.
Данную масляную систему целесообразно выполнять с электрическим приводом клапанов 8 и 11. Привод нагнетающего насоса 12 и вакуумного маслокольцевого насоса 6 целесообразно выполнять с приводом от электродвигателей с регулируемой частотой вращения. Это существенно упрощает коробку приводов агрегатов двигателя и позволяет организовать гибкое управление работой масляной системой от цифровой системы управления двигателя.
Перед запуском газотурбинного двигателя 1 масляную полость 16 его маслобака 3 через клапан 19 заправляют маслом. При этом воздушная полость 17 маслобака через воздушный фильтр 20 сообщена с воздушным трактом компрессора 18 и, соответственно, с атмосферой. Упругий металлический сильфон 15 находится в сжатом состоянии и контактирует с маслом в масляной полости 16 по всей своей наружной поверхности, обеспечивая тем самым отсутствие свободного воздушного объема в масляной полости 16. Отсечные клапаны 8 и 11 закрыты, погружной нагнетающий 12 и вакуумный маслокольцевой насос 6 отключены. Циркуляция масла в масляной системе отсутствует, при этом в масляных полостях 2 опор роторов и коробки приводов газотурбинного двигателя 1 содержится некоторый неоткачиваемый объем масла, достаточный для режима запуска газотурбинного двигателя и его работы на режиме «Малый газ».
После запуска газотурбинного двигателя 1 на режим «Малый газ» включаются погружной нагнетающий 12 и вакуумный маслокольцевой 6 насосы, а также открываются отсечные клапаны 8 и 11. Масло из маслобака 3 погружным нагнетающим насосом 12 через отсечной клапан 11 подается в магистраль нагнетания 10. После прохождения фильтра 13 и топливомасляного теплообменника 14 оно поступает в масляные полости 2 опор ротора и коробки приводов агрегатов. Откачка масла из масляных полостей 2 опор роторов и коробки приводов агрегатов газотурбинного двигателя 1 в виде двухфазной масловоздушной смеси осуществляется по магистрали откачки-суфлирования 4 с помощью вакуумного маслокольцевого насоса 6, на вход 5 которого она подается, и в котором осуществляется сепарация. Отсепарированное масло через выход 7 и открытый отсечной клапан 8 поступает в маслобак 3. Очищенный воздух через выход 9 удаляется в атмосферу. Воздух из воздушного тракта компрессора 18 поступает через фильтр 20 в воздушную полость 17 маслобака 3. Упругий металлический сильфон 15 под действием перепада давлений в масляной 16 и воздушной 17 полостях маслобака 3 контактирует с маслом в масляной полости 16 по всей своей наружной поверхности, обеспечивая тем самым отсутствие свободного воздушного объема в масляной полости 16.
Работа масляной системы циркуляционного типа газотурбинного двигателя 1 на других режимах аналогична изложенному с той разницей, что режим работы нагнетающего 12 и вакуумного маслокольцевого насоса 6, задается цифровой системой управления двигателя 1.
Выполнение в полете самолетом эволюций с переменной ориентацией его в гравитационном поле и высокими перегрузками не оказывает влияния на откачку двухфазной масловоздушной смеси из масляных полостей 2 опор роторов и коробки приводов агрегатов газотурбинного двигателя 1. Маслобак с внутренним объемом, разделенным упругим металлическим сильфоном 15 на воздушную полость 17, сообщающуюся с воздушным трактом компрессора 18 газотурбинного двигателя 1, и масляную полость 16 с погружным нагнетающим насосом 12 и выходным отсечным клапаном 11 обеспечивает отсутствие свободного воздушного объема в масляной полости 16 независимо от ориентацией его в гравитационном поле и уровня перегрузок.
Происходящие при работе двигателя 1 невозвратные потери масла, ведущие к уменьшению его объема в масляной полости 16 маслобака 3, компенсируются упругим металлическим сильфоном 15, что позволяет обеспечить бесперебойную работу масляной системы газотурбинного двигателя, в том числе при выполнении самолетом эволюций с переменной ориентацией его в гравитационном поле и высокими перегрузками.