Василий Юрьевич Критский, заместитель главного конструктора Опытного конструкторского бюро им. А. Люльки, филиала ОАО УМПО Алексей Игоревич Зубко, инженер-конструктор Опытного конструкторского бюро им. А. Люльки, филиала ОАО УМПО, соискатель Московского авиационного института (национального исследовательского университета)
Рассматриваются вопросы, связанные с оценкой возможности использования керамических подшипников скольжения в опорах газотурбинных двигателей. Приводятся результаты экспериментальных работ.
The possibility of using of ceramic glade-bearings in the supports of gas-turbine engines is studied in this article. The results of the experimental works are presented.
Ключевые слова: газотурбинные двигатели, подшипники скольжения, спектральный (орбитальный) анализ вибрации. Keywords: gas-turbine engines, bearings, spectral (orbital) vibration analysis.
Из уравнения существования летательного аппарата вывод о том, что для решения перспективных задач завтрашнего дня в части создания самолетов с высокими показателями эффективности требуются увеличение удельной тяги двигателя и снижение удельного расхода топлива (что позволит при прочих равных условиях снизить его запас на борту). Это заставляет разработчиков силовых установок предусматривать все более высокие значения газодинамических параметров рабочего цикла двигатель и, в частности, стремиться к уменьшению аэродинамического сопротивления элементов газо-воздушного тракта путем сокращения числа рабочих ступеней лопаточных машин, более профилирования их элементов, повышения рабочих вращения роторов и т.д.
Однако при более высоких оборотах роторов резко увеличиваются нагрузки на все детали двигателя, особенно на элементы роторных систем. Это вызвано, прежде всего, зависимостью сил, возникающих из-за дисбалансов, от квадрата частоты вращения, ростом давлений и скоростей в критических сечениях двигателя и, в связи с этим, ростом сил реакции, которые полностью или частично передаются на корпус двигателя через опоры. нагрузки носят переменный характер по величине, интенсивности и частоте воздействия приложенных сил. И, как следствие, 6 подшипники опор роторов оказываются в очень сложных рабочих, что значительно сокращает их ресурс.
Уже сегодня у серийно выпускаемых двигателей подшипников приближается к верхнему теоретическому пределу. Это заставляет разработчиков изыскивать новые вариб анты конструкции подшипниковых опор роторов для применения в перспективных двигателях. Из сложившейся ситуации можно выйти несколькими способами, к примеру, путем увеличения изготовления подшипников качения или применением других типов.
Работы по совершенствованию подшипников качения ведутся по различным направлениям уже не один год, обеспечивающих значительное увеличение их работоспособности, пока не отмечено. Виной этому многие проблемы, качества изготовления материалов для изготовления заканчивая технологическими возможностями производства, не позволяющими достичь требуемых результатов. Поэтому в ОКБ им. А. Люльки была предпринята попытка оценить возможность применения керамических подшипников скольжения в конструкции опор газотурбинных двигателей (ГТД).
Подшипник скольжения, появившийся намного раньше качения, уступил место последнему во многих устройствах. Это произошло вследствие выявившегося преимущества подшипников качения низкого коэффициент та трения, поэтому такие подшипники характеризуются меньшими потерями механической энергии и более высоким к.п.д. Но наряду с этими достоинствами подшипникам качения присущи и недостатки, к которым можно отнести высокую чувствительность к чистоте и качеству смазки, большее количество в их конструкции, и соответственно, меньшую надежность, меньшую устойчивость к внешней вибрации и т.д.
В настоящее время появились новые керамические материалы, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения. В таких подшипниках удается резко уменьшить трения в рабочей паре и получить величину потерь к подшипникам качения. Таким образом, применение скольжения позволяет получить более высокие результаты при оценке параметров газотурбинного двигателя в целом.
В состав металлокерамических материалов входят порошок с добавлением присадок в виде карбидов, металлов и неметаллов в различных соотношениях. Получаемый спеканием при температурах около 1000…2000 °С и давлениях от вакуума до 7000 кг/см2 и более, они не в своем составе дорогостоящего вольфрама. Керамические материалы могут иметь высокую, на уровне микроструктуры, пористость (от 15 до 35 %). С увеличением пористости механические свойства получаемых материалов и, соответственно, изготовлен из них деталей ухудшаются. Поэтому для обеспечения качеств керамических материалов необходимо проводить поиск компромиссов в части выбора размеров частиц структуры, элементов входящих в состав присадок и их пропорций.
Необходимо отметить, что под одним названием материалов могут выпускаться десятки их разновидностей, имеющих различные составы и свойства. Для сравнения приведены обобщенные данные по конструкционным подшипников.
До появления композиционных керамических материалов поколения на основе карбида кремния, карбонитрида титана т.д., которые обладают низким коэффициентом трения, использование подшипников скольжения в конструкции опор роторов ГТД было неб возможно из-за напряженных условий их работы. Например, расчетные значения удельной нагрузки для скольжения опоры турбины высокого давления ГТД должны составлять до 17 кгс/см2 при окружной скорости в зоне контакта поверхностей скольжения до 40 м/с. Для ранее конструкционных материалов подшипников скольжения, где использовались пары трения чугун бронза, при удельной нагрузке в 20 кгс/см2 предельная скорость не превышала 1 м/с. Это меньше необходимых значений параметров.
Результаты сравнения значений показателей, характеризуют свойства материалов, которые традиционно используются в конструкции подшипников скольжения (чугун, бронза, баббиты, капрон и т.д.) и керамики нового поколения позволяют дать, что последние обладают более высокой твердостью и теплопередачи, меньшим удельным весом, ентом термического расширения, близким к стали, и, что самое важное, значительно более низким коэффициентом трения.
Варьируя составом компонентов и свойствами керамических материалов, можно добиться получения не только работоспособных в условиях ГТД керамических подшипник скольжения, но и получить лучшие рабочие характеристики по сравнению с аналогичными характеристиками металлических и гибридных подшипников качения: расширенный рабочий температурный диапазон (ограничил характеристиками смазывающих материалов); высокую виброустойчивость; химическую стойкость к различным агрессивным средам; бесшумность в работе; сохранение работоспособности при работе с недостаточно количеством смазки или с полным ее отсутствием; постепенное развитие отказа подшипника, что позволяет легко его диагностировать на начальных стадиях развития.
Опоры скольжения изнашиваются сильнее всего при работе без смазки (при начале вращения опоры на этапе запуска ) или в условиях ее недостаточного количества, т.е. в условиях граничного трения, когда выступы шероховатостей одной из деталей касаются выступов шероховатостей другой детали. Поэтому значение коэффициента трения является главным критерием для оценки эффективности работы подшипника, так как от него зависит величина потерь в узле. Для обеспечения работоспособности подшипника необходимо иметь меньший коэффициент трения скольжения пары, а тепло, в зоне трения, должно легко отводиться в детали конструкции опоры и через них в окружающую среду. Высокая теплопроводность деталей из керамики позволяет реализовать все представленные выше требования.
Керамические конструкционные материалы позволяют изготавливать деталь из нескольких слоев с разными свойствами, что дает возможность интегрировать подшипник в узлы и сборочные единицы отдельных модулей газотурбинных двигателей. Для примера на рис. 1 приведен фрагмент образца многослойной конструкционной панели, разработанной фирмой Диапром (Москва). Каждыйиз слоев имеет собственные, заданные разработчиком конструкции, уникальные свойства. Такое решение, благодаря соответствующему подбору характеристик материалов в зависимости от величины напряжений в каждом сечении, позволяет значительно уменьшить массу деталей при улучшении их прочностных свойств.
В то же время подшипники скольжения имеют и недостатки, которые необходимо учитывать при комплексной оценке всех факторов на этапе принятия решения об их использовании и, в частности: повышенные требования к соосности деталей подшипника; недостаточно исследованные склонности к автоколебаниям на некоторых режимах работы двигателя и подшипника.
Для оценки возможности реализации в конструкции опор роб торов ГТД подшипников скольжения из керамических материалов нового поколения специалистами нашего предприятия были испытаны варианты гладких гидродинамических подшипников скольжения. Их геометрические характеристики были выбраны таким образом, чтобы возможность их взамен роликового подшипника качения, применяемого в одном из двигателей.
Исследования проводились на испытательном стенде подшипников ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова, где для получения и анализа параметров работы подшипника были установлены датчики температур на наружной внутренней втулки подшипника скольжения и масла на входе и выходе в экспериментальный узел. В процессе проведения проводился мониторинг вибросостояния подшипника. Для этой цели использовался анализатор спектра и комплект программно обеспечения Sirius фирмы DeweSoft с датчиками вибрации тиб па 4513 фирмы В&К. Средствами вибродиагностики определялись режимы, на которых появлялось граничное трение. Также орбитальный анализ движения центров валов, что визуализировать характер движения ротора, его колебания, прецессии и т.д. Общий вид собранного экспериментального узла стенда показан на рис. 2.
В качестве одного из критериев для сравнения подшипников был выбран расчетный коэффициент потерь в рабочей паре. Как известно, эффективность любого механического устройства оценить величиной потерь. В нашем случае под потерями снимается величина механической энергии, перешедшей в тепловую. Измеряя температуру колец и разность температур теплоносителя (масла) на выходе и входе в подшипниковый узел, его количество (определяется по расходу в единицу времени) и полученный из справочных таблиц коэффициент его тепло емкости, можно вычислить количество выделившегося и перед данного маслу тепла.
Необходимо отметить, что коэффициент потерь, вычислено таким образом, имеет погрешности из-за отсутствия учета количества тепла, переданного более холодным деталям стенда, а также количества тепла, лившегося при трении стендовых деталей и отданного в масло. Но так как испытания всех подшипник проходили на одном и том же стенде, величину погрешностей можно принять постоянной и для упрощения расчетов не учитывать.
В ходе экспериментов были получены следующие зависимость , характеризующие работоспособность керамического скольжения: зависимость температуры деталей подшипника от величины радиальной нагрузки; зависимость разности температур деталей подшипника и масла на его входе при различных частотах вращения; зависимость разности температур масла на выходе и входе подшипника от собственной частоты вращения подшипника.
Результаты экспериментов
Наилучшие показатели работоспособности подшипника скольжения достигнуты при использовании в паре трения нового поколения (композит на основе карбида кремнияна основе карбонитрида титана).
В ходе исследований оценивалась работоспособность скольжения при пониженных расходах масла. По сравнению с реализованным на сегодняшний день расходом масла в подшипниках качения опор турбины изделий 96ФП и 99 он уменьшился в 60 раз.
Значения температуры, измеренной на поверхности детали керамического подшипника нового поколения, в зависимости от осевой нагрузки представлены на рис. 3. Заметим, что полученные зависимости необходимо анализировать с учетом особенностей конструкции стенда и системы сбора данных, вносящих собственные погрешности.
После начала испытаний с расходом масла 1 л/мин. проходила приработка рабочих поверхностей подшипника, поэтому количество выделяемого тепла было больше, а полученные температуры выше (синяя линия), чем при расходе в 0,3 л/мин. (светло зеленая линия).
Для имитации рабочих условий в опоре двигателя температур масла на входе в испытуемый подшипник (путем подогрева или охлаждения в системах стенда) поддерживалась на уровне 80… 100 °С. Количество выделяемого тепла из-за гидро потерь при трении слоев в масляном клине и трении между деталями можно оценить путем измерения разности температур подшипника и масла на его входе (рис. 4).
Отсутствие на графике участков с высоким положительным градиентом и значениями температур свидетельствует о работоспособности экспериментального подшипника на режимах с расб ходами масла до 0,1 л/мин.
Температуры, измеренные на наружной поверхности подшипника, имели максимальное значение, на 34 °С температуру масла на входе в подшипниковый узел.Ддопустимая расчетная разность данных температур была принята равной 80 °С. В результате испытаний зафиксирован более чем двукратный запас по данному критерию.
При проведении испытаний с расходом масла 0,1 л/мин., нагрузке 500 кгс и скорости скольжения около 40 м/с коэффициент потерь в металлокерамическом подшипнике, определенный расчетным путем, составил 0,018. Для подшипника качения при таких же нагрузках и рабочих скоростях деталей, но при расходе масла 1 л/мин., расчетный коб коэффициент потерь составил 0,02. Полученное более расчетного коэффициента потерь у металлокерамического подшипника скольжения по сравнению с металлическими ролик об подшипниками качения свидетельствует о его большей эффективности благодаря снижению энергетических потерь на трение и увеличению к.п.д.
Отмеченная в литературных источниках склонность гладких подшипников скольжения к возникновению автоколебаний на масляном клине при проведении серии экспериментов не проявилась. Возможно, условия их возникновения не были полностью смоделированы на испытательном стенде. Не исключено также, что подшипник скольжения в ходе экспериментов на других режимах, за зоной возникновения автоколебаний.
При прохождении критических режимов ротора отмечался кратковременный всплеск уровня вибрации, не приводящий к развитию колебательных процессов, что свидетельствует о превалировании сил демпфирования над воздействием сил. Но в областях, близких к критическим режимам, из-за характера распределения нагрузок и режимов взаимодействия контактирующих поверхностей наблюдалось некоторое повышение тепловыделения, что вызвало смещение некоторых точек относительно расчетных (рис. 4).
В зонах, удаленных от критических режимов, отмечалась низкая виброактивность роторов. Орбита центра вала ротора на одном из таких режимов представлена на рис. 5. Перемещение центра вала ротора носит равномерный характер по окружности, близкой к й, с наклоном орбиты в вертикаль плоскости. Такая траектория свидетельствует об отсутствии колебательного процесса в системе и отсутствии проявлений нелинейных характеристик изменения жесткости опор исследуемых роторов.
Вывод
Конструкция гидродинамического гладкого подшипника скольжения из керамических материалов нового поколения работоспособность в условиях работы в составе опоры ротора турбины ГТД при уменьшенных расходах масла до 0,1 л/мин. и радиальных нагрузках до 500 кгс.
Созданная конструкция не только не уступает, но и по параметрам превосходит характеристики аналогичных металлических роликовых подшипников качения, исследовавшихся ранее в таких же условиях на этом стенде.
Исследованные металлокерамические подшипники подтвердили работоспособность в условиях, характерных для работы межроторных подшипников ГТД. 71
Литература
І.Чернавский С.А. Подшипники скольжения. М.: Машгиз, 1963, 245 с.