Радиально-упорный подшипник является одним из наиболее ответственных элементов газотурбинного двигателя. Повреждения и отказы в работе радиально-упорных подшипников являются достаточно частой причиной аварийных остановов двигателей и газотурбинных приводов [1]. За время эксплуатации двигателей НК-37 и НК-36СТ произошло несколько случаев разрушения радиально-упорного шарикового подшипника компрессора высокого давления в средней опор со значительным разрушением материальной части.
Данный подшипник является одним из самых нагруженных деталей газотурбинного двигателя. Он работает при высоких скоростях вращения, испытывает воздействие температурного градиента, влияющего на величину радиального зазора в подшипнике и, следовательно, на его долговечность. Разность температур возникает из-за различного охлаждения наружной и внутренней обойм подшипника. Наружная обойма омывается холодным маслом (40-50ºС), подаваемого на тела качения и отбрасываемого от сепаратора центробежной силой. К внутренней обойме масло практически не поступает. Кроме этого, во внутренней полости вала проходит относительно горячий воздух (350ºС), поступающий на охлаждение турбины, который подогревает вал и внутреннюю обойму подшипника.
Поэтому было сделано предположение, что возможной причиной разрушения подшипников является недостаточный расход масла, подводимого на охлаждение внутренней обоймы подшипника. В связи с этим было предложено осуществлять подвод масла от форсунки через внутреннюю обойму подшипника при помощи вращающегося кольца с центростремительными спиралевидными каналами, так называемого маслозахватного кольца (рис. 1) [2].
Маслозахватное кольцо (рис. 2) представляет собой деталь цилиндрической формы с центральным отверстием, в которой в окружном направлении выполнены наклонные пазы, которые заканчиваются коническими раскрывающимися к торцу подшипника канавками.
Рисунок 1. Подвод масла через маслозахватное кольцо:
1 – опора двигателя; 2 – форсунка; 3 – маслозахватное кольцо; 4 — каналы в подшипнике; 5 — подшипник
Рисунок 2. Разрез маслозахватного кольца
Струя масла из форсунки, направленная в сторону маслозахватного кольца, взаимодействует с поверхностью входного участка канала кольца, и его кинетическая энергия преобразуется в статическое давление потока масла в канале. Главной сложностью при осуществлении такого способа подвода масла является то, что масло должно двигаться в направлении, противоположном центробежным силам. В связи с этим важное значение для работоспособности такого подвода смазки имеют следующие параметры: частота вращения ротора, скорость истечения масла из форсунки, число каналов и их геометрия. Данный способ подачи масла позволяет, не увеличивая габариты опоры, подавать масло непосредственно в зону контакта тел качения и беговой дорожки подшипника.
Выполнена модернизация опоры газотурбинного двигателя путем внедрения в конструкцию узла радиально-упорного подшипника ротора высокого давления подвода смазки через маслозахватное кольцо. Так как экспериментальная отработка конструкции требует значительных временных и материальных затрат, то предварительно была использована технология её «виртуальной» разработки.
Была построена компьютерная модель конструкции подшипникового узла и проведено моделирование течения смазки с целью выбора оптимальных параметров. Моделирование течения смазки проведено с использованием пакета ANSYS CFX. Использовалась неструктурированная тетраэдрическая сетка с призматическим подслоем, 7,2 млн. элементов. Размер элементов сетки составлял 0,2 мм, пристеночный слой на наклонной поверхности маслозахватного кольца выполнен пятью слоями с максимальной толщиной 0,2 мм. На рис. 3 представлен фрагмент модели течения масла на входе в канал маслозахватного кольца.
Рисунок 3. Фрагменты модели подвода масла к маслозахватному кольцу и внутренних каналов в подшипнике
Расчет проводился при следующих исходных данных:
— давление масла на входе 0,5 МПа;
— давления на выходе и в полостях 0,1 МПа;
— скорость вращения ротора 9600 об/мин;
— температура масла 80°С.
Проводился стационарный расчет с использованием модели турбулентности k-epsilon, а также с учётом двухфазности среды (масло и воздух).
Для определения оптимальных геометрических параметров системы подвода масла через маслозахватное кольцо были определены зависимости расхода масла от:
— числа захватов;
— угла наклона форсунки;
— угла наклона захвата;
— расстояния форсунки до кольца;
— ширины кольца.
На рис. 4 представлена зависимость расхода масла от числа захватов. Анализ расчётных данных показал, что имеется явно выраженный максимум при числе захватов равным четырем.
Рисунок 4. Зависимость расхода масла Q от числа захватов k
Для определения оптимального угла наклона форсунки были построены расчетные модели с четырьмя захватами и углами наклона форсунки навстречу захвату 10°, 25°, 40°, 50°, 60° и вслед захвату 60°.
При направлении струи вслед направлению вращения захвату масло практически не захватывается (расход составляет 0,2 г/с). В случае направления струи навстречу захвату при увеличении угла наклона форсунки количество захватываемого масла уменьшается (рис. 5).
Рисунок 5. Зависимость расхода масла от угла наклона форсунки
Значительное влияние оказывает угол наклона стенки захвата. При больших углах центробежные силы отбрасывают значительную часть масло, а при малых углах невозможно конструктивно выполнить необходимое количество каналов в заданных габаритах. Для определения оптимального угла наклона стенки были построены расчетные модели с углами 23°, 25°, 27°, 29°, 31°. Результаты расчета представлены на рис. 6. Зависимость имеет максимум. Также на этом рисунке продемонстрировано влияние давления подачи масла.
Рисунок 6. Зависимость расхода масла от угла наклона стенки захвата при различных значениях давления подачи масла: –– 0,5МПа; —- 0,3 МПа
Для определения зависимости расхода масла через маслозахватное кольцо от диаметра расположения форсунки d, который определяет удалённость форсунки от маслозахватного кольца Наружный диаметр маслозахватного кольца равен 195 мм), были построены модели с различными диаметрами и выполнен расчёт, результаты которого представлены на рис. 7.
Рисунок 7. Зависимость расхода масла от диаметра расположения форсунки
Также были выполнены расчеты с различной шириной маслозахватного кольца (рис. 8).
Рисунок 8. Зависимость расхода масла от ширины кольца H
Начиная с ширины, равной 5,5 мм, увеличения расхода масла не происходит из-за ограничения пропускной способности каналов в подшипнике.
Из полученных результатов можно сделать вывод, что для радиально-упорного подшипника для ротора с скоростью вращения 9600 об/мин, смазываемого маслом с давлением 0,5 МПа через две форсунки с диаметром жиклёра 1,2мм, оптимальная конструкция маслозахватного кольца включает четыре захвата с наклоном стенки 27 градусов, шириной не менее 5 мм, диаметром расположения форсунки не более 210 мм и углом наклона форсунки 0°. Подшипник с маслозахватным кольцом с выбранными по результатам моделирования течения смазки параметрами был успешно испытан на стенде [3] и в настоящее время эксплуатируется в составе двигателя НК-36СТ на компрессорной станции «Тольяттинская» (ООО «Газпром трансгаз Самара).
Преимуществом способа подвода смазки через маслозахватное кольцо является то, что возможно его применение не только на вновь проектируемых двигателях, но и на существующих авиационных двигателях, позволяя увеличить ресурс одних из самых высоконагруженных подшипников с незначительным изменением конструкции. Особенно актуально это решение для конвертируемых двигателей (их ресурс по сравнению с базовым двигателем должен быть увеличен в десятки раз), позволяя достичь требуемых показателей надёжности с максимальным сохранением материальной части.
Список литературы
- Медведев С.Д., Фалалеев С.В., Новиков Д.К., Балякин В.Б. Повышение эксплуатационной надежности ГПА развитием конвертированных авиационных технологий. – Самара: Самарский научный центр Российской академии наук, 2008. — 371с.
- Боев А.А., Петрухин А.Г., Шкловец А.О. О перспективном подводе масла к подшипниковому узлу ГТД // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2013. Том 15, №6(4). — С. 1022-1026.
- Боев А.А., Петрухин А.Г., Михайлов А.А. Испытание подвода масла к подшипниковому узлу газотурбинного двигателя через маслозахватное кольцо // Вестник самарского государственного аэрокосмического университета, Том 14, №3 ч. 2. — С. 460-466.[schema type=»book» name=»РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И АНАЛИЗ СИСТЕМЫ «ПОДШИПНИК-МАСЛОЗАХВАТНОЕ КОЛЬЦО» ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ » description=»В статье рассмотрен дефект радиально-упорного подшипника ротора высокого давления, выраженный в его разрушении. Разрушение подшипника возможно из-за недостаточного объёма охлаждающей жидкости. Поэтому предложен способ подачи масла к подшипниковому узлу газотурбинного двигателя через маслозахватное кольцо. Представлена и описана конструкция маслозахватного кольца. Особенностью такого кольца является способность его подавать жидкость вопреки действию центробежных сил. Отмечены недостатки и преимущества такого способа подвода смазки. Создана модель и описан расчёт виртуальной конструкции, представлены входные данные и полученные результаты. В заключительной части, сделаны выводы о применении маслозахватных колец, подтверждающие эффективность использования такого способа подвода смазки.» author=»Боев Александр Алексеевич, Фалалеев Сергей Викторинович» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-07″ edition=»euroasia-science_30_22.09.2016″ ebook=»yes» ]