Исследование теплового состояния подшипников опор перспективных авиационных двигателей

УДК 621.822

Н.К. Аксенов, Н.И. Петров, А.А. Струков

ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И.Баранова», г. Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВ ОПОР ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В обеспечение создания конструкции перспективного газотурбинного двигателя проведены экспериментальные исследования тепловыделения в роликовых и шариковых подшипниках опор роторов и приводов современных авиационных ГТД. В рамках работы модернизированы подшипниковые стенды для моделирования вариантов вращения колец подшипников разных типов. С использованием методов математического планирования многофакторного эксперимента определены диапазоны значений параметров, определяющих тепловыделение в подшипниках, и необходимое количество проводимых экспериментов. Получены предварительные эмпирические зависимости тепловыделения в исследованных подшипниках от частоты вращения, действующих нагрузок, расхода и температуры масла.

Тепловыделение, подшипник, опора ротора, подшипниковый стенд, газотурбинный двигатель, экспериментальные исследования.

Введение

В обеспечение создания конструкции перспективного ТРДД большого ресурса наряду с работоспособностью основных деталей двигателя необходимо учитывать работоспособность подшипников опор роторов. Одним из основных факторов, влияющих на работоспособность этих подшипников, является тепловыделение в подшипнике.

При разработке конструкции опор роторов и маслосистемы двигателя необходимо на этапе проектирования определять величину тепловыделения в подшипниках и количество масла, требуемого для отвода этого тепла.

Результаты ранее проведенных экспериментальных исследований теплового состояния масляной системы двигателя показывают, что теплоподвод к маслу в подшипниковых узлах составляет ~ 90% суммарного теплоподвода к маслу в двигателе.

При недостаточном теплоотводе в подшипнике может возникать значительный градиент температур между кольцами подшипника, что приводит к выборке радиального зазора в подшипнике и его заклиниванию.

В связи с этим в настоящее время для разработки уточненной методики расчета теплового состояния подшипников ГТД проводятся экспериментальные исследования по оценке тепловыделения в подшипниках качения разных типов.

1. Формулирование проблемы

Источниками нагрева масла в подшипниковых узлах являются: тепловыделение трения в

подшипниках и контактных уплотнениях; теп-лоподвод от воздуха, проникающего в масляные полости; теплопередача через стенки масляной полости и передача тепла теплопроводностью от элементов двигателя, сопряженных с подшипниковыми узлами.

В зависимости от конструкции подшипниковых узлов опор роторов двигателя тепловыделение за счет трения в подшипнике может достигать ~ 50% от суммарного теплоподвода к маслу в опоре.

Причинами значительного тепловыделения в подшипниках являются:

— трение между слоями кристаллической решетки материала подшипника при взаимной деформации тела качения и дорожки качения в пятне контакта;

— проскальзывание тел качения в пятне контакта;

— трение тел качения в гнездах сепаратора, а в роликоподшипниках трение торцов роликов о направляющие бортики колец, и др.

Расчет тепловыделения трения в подшипнике можно провести либо на основании гидродинамической теории смазки [1], либо по эмпирическим зависимостям, полученным на основе экспериментальных исследований. В связи с тем, что расчет тепловыделения в подшипниках на основании гидродинамической теории смазки сложен и недостаточно точен, основным является расчет по эмпирическим зависимостям. Исполь-

© Н.К. Аксенов, Н.И. Петров, А.А. Струков, 2008

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008

- 69 -

зуемая в настоящее время методика расчета тепловыделения в подшипниках качения [2, 3] разработана в 60-х годах прошлого века на базе испытаний, проводимых ранее при невысоких параметрах быстроходности подшипника (ёп < 1,5106 мм об/мин) и меньших, чем у современных двигателей, нагрузках. В связи с этим, в настоящее время для разработки уточненной методики расчета теплового состояния подшипников ГТД возникла необходимость в проведении экспериментальных исследований по оценке тепловыделения в подшипниках качения разных типоразмеров.

2. Решение проблемы. Экспериментальные исследования

Подшипниковые стенды ЦИАМ позволяют воссоздавать условия эксплуатации подшипника в опоре ротора газотурбинного двигателя. При испытаниях подшипников на разных частотах вращения, при разных нагрузках и прокачках масла, по разнице температур масла на входе и выходе из подшипника определяется величина тепловыделения в подшипнике.

На разных этапах исследования тепловыделения были проведены испытания шариковых и роликовых подшипников, типы и габариты которых соответствуют подшипникам, устанавливаемым в опорах роторов перспективных ТРДД. Кроме того, проведены исследования для шарикоподшипников меньших габаритов, устанавливаемых в опорах коробок приводов.

На основании полученных результатов определены эмпирические зависимости тепловыделения в подшипниках ^тр) от следующих факторов в диапазонах их значений, характерных для современных авиационных газотурбинных двигателей:

— параметра быстроходности внутреннего кольца ёвПв (ёв — диаметр внутреннего кольца, Пв — частота вращения внутреннего кольца),

— параметра быстроходности наружного кольца ёнПн (¿н — диаметр наружного кольца, Пн — частота вращения наружного кольца),

— радиальной нагрузки

— осевой нагрузки БА,

— прокачки масла через подшипник Ум,

— температуры масла tмвx на входе в подшипник.

2.1. Математическое планирование эксперимента

в настоящее время при проведении экспериментальных исследований широко применяются математические методы планирования эксперимента, позволяющие решать поставленные задачи при существенном сокращении количества экспериментов.

Планирование эксперимента заключается в выборе числа опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи [4]. При этом объект исследования должен отвечать следующим требованиям: результаты эксперимента должны воспроизводиться на объекте исследования и объект исследования должен быть управляемым, т.е. в каждом эксперименте можно устанавливать заранее выбранные значения первичных факторов, определяющих состояние объекта. Данные факторы должны быть контролируемыми, то есть заданное значение фактора должно поддерживаться постоянным в течение всего опыта.

К совокупности факторов предъявляется требование совместимости и отсутствия линейной корреляции между ними. выбранное множество факторов должно быть достаточным, а точность фиксации высокой.

Принципиальной особенностью метода планирования эксперимента является многофакторный подход к исследованию объекта. При этом вместо традиционного поочередного варьирования факторов по одному (при постоянстве всех остальных) оптимальный план эксперимента сводится к одновременному варьированию всеми факторами от опыта к опыту по определенным правилам. в теории эксперимента показано и практически многократно подтверждено, что по результатам такого эксперимента можно выяснить влияние каждого из факторов точнее, чем по данным серии однофакторных экспериментов.

Данному сочетанию значений факторов однозначно соответствует состояние объекта — функция отклика. По измеренным значениям отклика при выбранных значениях факторов строится математическая модель — уравнение регрессии.

Поставленная задача решается методами регрессионного анализа. Применение методов регрессионного анализа для обработки результатов многофакторного эксперимента требует выполнения следующих условий:

— Погрешность в величинах факторов должна быть меньше погрешности измерения выходного параметра — функции отклика.

— Интервал между значениями факторов в соседних точках должен быть больше погрешности, с которой могут быть установлены значения факторов в заданных точках.

2.2. Исследования роликового межроторного подшипника при одновременном вращении колец

Для проведения исследований выбран роликовый подшипник типоразмера 110x140x19 мм, эксплуатируемый в межроторных опорах турбин высокого давления. внутреннее кольцо подшипника с направляющими бортами. наружное кольцо гладкое, без бортов. Подшипник имеет 34 ролика диаметром 8 мм и длиной 10 мм. Кольца и ролики подшипника изготовлены из теплостойкой

вольфрамовой стали ЭИ347. Сепаратор подшипника массивный, неразборный, бронзовый с антифрикционным серебряным покрытием.

Испытательный узел (рис. 1) позволил испытать роликовые подшипники при разных направлениях одновременного вращения наружного и внутреннего колец в следующих диапазонах значений факторов, определяющих тепловыделение в подшипнике: ёвпв = (0,77...1,21)*106 мм об/мин, ёнпн = (1,26.1,82)*106 мм об/мин,

= 150.1500 кг, Ум = 1,5.4,5 л/мин, 1М вх = 31.77 (30.86) °С.

Л

Qтр ^

ы.

^ е пе 105

^ н пн 105

,УМ, I Мех

БА = 300.1000 кг, = 300.700 кг, Ум = 3,21.5,02 л/мин, вх = 35 -128 °С.

Рис. 2 Схема стенда для испытания шариковых подшипников

По результатам исследований была получена эмпирическая зависимость тепловыделения в шариковом радиально-упорном подшипнике вида

к 2,

/ , л а е пе

105

, ,УМ, I Мех

Рис. 1 Схема стенда для исследования роликового подшипника при одновременном вращении наружного и внутреннего колец

При испытаниях подшипник нагружался постоянной радиальной нагрузкой, создаваемой поршнем месдозы, в которую под определенным давлением подавалось масло.

По результатам исследований была получена эмпирическая зависимость тепловыделения в роликовом межроторном подшипнике вида

2.3. Исследования шарикового радиально-упорного подшипника

Для проведения испытаний на подшипниковом стенде был установлен радиально-упорный шарикоподшипник с 3-точечным контактом. Габаритные размеры подшипника 130x200x33 мм. Внутреннее кольцо подшипника разрезное. Подшипник имеет 17 шариков диаметром 24,6 мм. Материал колец и шариков подшипника — теплостойкая сталь ЭИ347.

Сепаратор подшипника массивный, центрируемый по наружному кольцу, из бронзы марки БрАЖМц 10-3-1,5, с антифрикционным покрытием серебром.

Испытательный узел (рис. 2) позволил провести испытания подшипников в следующих диапазонах значений факторов, определяющих тепловыделение в подшипнике:

ёвпв = (0,78.1,82) *106 мм об/мин,

2.4. Исследования роликового подшипника опоры ротора

Для исследования зависимости тепловыделения был выбран роликовый подшипник с короткими цилиндрическими роликами. Габаритные размеры подшипника 130x200x33 мм.

в подшипник установлено 22 ролика диаметром 18 мм и длиной 18 мм. Материал колец и шариков подшипника — теплостойкая сталь ЭИ347.

Сепаратор подшипника массивный, центрируемый по наружному кольцу, из бронзы марки БрАЖМц 10-3-1,5, с антифрикционным покрытием серебром.

Испытательный узел (рис. 3) позволил провести испытания подшипников в следующих диапазонах значений факторов, определяющих тепловыделение в подшипнике:

Ж

Рис. 3 Схема стенда для испытания роликовых подшипников

ёвпв = (1,1.71,82) *106 мм об/мин, Бр, = 200.2000 кг,

1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008

- 71 -

Ум = 2,55...5,7 л/мин, 1мвх = 42-112 °С.

По результатам исследований была получена эмпирическая зависимость тепловыделения в роликовом подшипнике вида

Qmp F

Г /

k 3,

d в пв 105

л л

FR ,VM, t Мвх

2.5. Исследования шарикового радиально-упорного подшипника опор приводов

Для исследования тепловыделения был выбран радиально-упорный шарикоподшипник с 3-точечным контактом шариков. Габаритные размеры подшипника 30x62x16 мм. Подшипник имеет 11 шариков диаметром 9,525 мм. Материал колец и шариков подшипника — теплостойкая сталь ЭИ347.

Сепаратор подшипника массивный, центрируемый по наружному кольцу, из бронзы марки БрАЖМц 10-3-1,5 с антифрикционным покрытием серебром.

Факторы, определяющие тепловыделение в подшипнике, находились в следующих диапазонах: ёвпв = (0,18...1,35)*106 мм об/мин, Ба = 50.350 кг, = 10.100 кг, Ум = 1,0.3,5 л/мин, 1мвх = 60.100 °С.

По результатам исследований была получена эмпирическая зависимость тепловыделения в быстроходном шарикоподшипнике вида

Qmp F

Г /

k 4

v

de пв 105

Л Л

FA, FR ,VM, tMex

У

2.6. Анализ результатов

Сравнение результатов расчета тепловыделения по полученным формулам с результатами экспериментальных исследований показало, что погрешность расчета не превышает ~ 10.15%.

Таким образом, полученные эмпирические зависимости тепловыделения в шариковых и роликовых подшипниках можно рекомендовать использовать на этапе проектирования ТРДД нового поколения для оценки величины тепловыделения в подшипниках, устанавливаемых в опоры роторов и приводов, и количества масла, требуемого для их охлаждения.

По результатам проведенных исследований предполагается разработка комплексной методики определения тепловыделения в шариковых и роликовых подшипниках опоры роторов и приводов ТРДД нового поколения.

Заключение

Полученные по результатам выполненных экспериментальных исследований эмпирические зависимости тепловыделения в подшипниках рекомендуются к применению на этапе проектирования, для оценки величины тепловыделения в шариковых и роликовых подшипниках, устанавливаемых в опоры роторов и приводов ТРДД нового поколения, и количества масла, требуемого для их охлаждения.

Литература

1. КоднирД.С. «Контактная гидродинамика смазки деталей машин».— М., «Машиностроение», 1976.—304с.

2. Демидович в.М. «К расчету теплового режима роликоподшипников ГТД».— «Труды КАИ», 1961, вып. 66, - С. 49-62.

3. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. «Расчет на прочность деталей машин». Справочник.-М., «Машиностроение», 1979.-702 с.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е.в., Грановский Ю.в. «Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий». - М., «Наука», 1976. - 278 с.

Поступила в редакцию 30.05.08

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Шахнов в.А., Московский Государственный Технический Университет «МГТУ им. Н.Э.Баумана», Москва.

Узабезпечення створення конструкцИ перспективного газотурбтного двигуна проведет екс-периментальт доЫдження тепловидлення вроликових i кулькових тдшипниках опор роторгв i приводгв сучасних авiацiйних ГТД. В рамках роботи модертзоват пiдшипниковi стенди для моделювання варiантiв обертання кыець тдшипнишв рiзних титв. 3 використанням методiв математичного планування експерименту багаточинника визначет дiапазони значень пара-метрiв, що визначають тепловидыення в тдшипниках, i необхiдну кыькють експериментiв, що проводяться. Отримат попередт емтричт залежнот тепловидыення в досмджених тдшипниках вiд частоти обертання, навантажень, що дють, витрати i температури масла.

In providing of creation of perspective gas-turbine engine construction experimental researches of heat release in the roller and ball-shaped bearings of supports of rotors and drives of modern aviation GTD are conducted. Within the framework of this work bearing test rigs are modernized for the design of any variants of different types bearings rings rotation. With the use of the mathematical planning of multifactor experiment methods the ranges of values ofparameters, determining heating in bearings, and necessary amount of the conducted experiments, are certain. Preliminary empiric dependences of heat release in the probed bearings from frequency of rotation, operating loadings, expense and oil temperature are received.