Разработка метода анализа теплового состояния межроторных роликовых подшипников газотурбинных двигателей

Рабочая температура подшипника является одним из важнейших критериев оценки надежности и долговечности его работы. Поэтому при подборе подшипников качения опор роторов газотурбинных двигателей (ГТД), наряду с общепринятыми расчетами, необходимо производить расчет их теплового состояния. В проектировочном варианте такого расчета должно определяться требуемое количество прокачиваемого масла, обеспечивающее надежную работу подшипника при заданной по условиям эксплуатации его температуре. Если же подшипниковый узел ГТД уже спроектирован и изготовлен, то в поверочном варианте расчета его теплового режима необходимо оценить температуру подшипника, которую он будет иметь при заданной условиями эксплуатации прокачке масла.

Радиальные роликовые подшипники опор ГТД относятся к числу наиболее ответственных деталей, определяющих срок службы и надежность работы двигателей. Долговечность, грузоподъемность и надежность работы подшипников в значительной степени зависят от их рабочей температуры, осевых и радиальных градиентов температур колец.

Эксплуатация двигателей АЛ-31Ф, у которых в опоре турбины высокого давления (ТВД) установлен межроторный подшипник (МРП), показала, что на некоторых двигателях такие подшипники воспринимают нагрузки, значительно превышающие расчетные значения [22]. При этом наблюдаются неоднократные случаи появления дефекта межроторного подшипника с характерными признаками действия на опору повышенных нагрузок [23]:

— наружное кольцо — усталостное выкрашивание, выработка дорожки качения глубиной до 1,5 мм на дуге 9 0-^140°, раскатка, налипание материала сепаратора (бронзы) на дорожку качения.

— внутреннее кольцо — выкрашивание, раскатка дорожки качения и направляющих бортов по всей окружности, растрескивание по торцам, на посадочном диаметре следы проворота;

— сепаратор — износ по наружному и внутреннему диаметрам, трещины на продольных перемычках, оплавление материала сепаратора;

— ролики — выкрашивание поверхности качения, раскатка, потемнение.

Для выяснения причины возникновения данного дефекта, в 2002 г. на подшипниковом стенде ЦИАМ были проведены испытания МРП 5−272 822Р2 с имитацией разных условий сборки подшипникового узла и эксплуатации.

Была исследована работоспособность роликоподшипника, при его испытаниях с повышенной радиальной нагрузкой, повышенной величиной несоосности и с разными радиальными зазорами. Проведенными исследованиями не было выявлено явной причины появления дефектов в эксплуатации. Однако во время испытаний был обнаружен конструктивный недостаток подачи масла в подшипник из отверстий серийных коллекторов: при частоте вращения вала ротора низкого давления свыше 1000 об/мин струи масла на выходе из отверстий коллектора отклоняются под действием центробежных сил и практически не попадают в зазор между внутренним кольцом и сепаратором подшипника [25].

В результате проведенных исследований высказано предположение, что такая подача масла в подшипник может явиться причиной недостаточного охлаждения внутреннего кольца и в сочетании с другими факторами, вызывающими высокие контактные нагрузки, приведет к повышенному радиальному градиенту температур между кольцами, как следствие, к выборке радиального зазора и к заклиниванию подшипника. Для более эффективного охлаждения подшипника и выравнивания температурных значений между кольцами рекомендовано изменить схему подачи масла в подшипник.

Специалистами НТЦ им. А. Люльки была предложена конструкция роликоподшипника 5−272 822Р2У с отверстиями во внутреннем кольце. Для оценки эффективности данного предложения на подшипниковом стенде Т14−15/1 ЦИАМ проведены в июле-августе 2006 г. [26] сравнительные испытания с целью исследования работоспособности и температурного состояния колец межроторного подшипника при разных способах подачи масла в подшипник.

В соответствии с вышесказанным была определена основная цель диссертационной работы — проведение экспериментальных исследований температурных условий работы межроторных подшипников и на основе этих исследований разработка инженерного метода анализа теплового состояния подшипников ГТД.

Актуальность работы определяется растущей теплонапряженностью современных авиационных ГТД, применением биротативных схем роторов с использованием межроторных подшипниковых опор. Эксплуатация межроторных подшипников требует уточнения расхода масла по сравнению с подшипниками, работающими при неподвижном одном кольце, так как масла, необходимого для прокачки через межроторный подшипник, требуется меньше. Это позволяет перераспределить расходы подаваемого масла на подшипник и элементы опоры, улучшая при этом тепловое состояние опоры в целом.

Научная новизна заключается в том, что впервые в России проведено экспериментальное исследование теплового состояния межроторного роликоподшипника с измерением температур внутреннего и наружного колец с помощью двух ртутных токосъемников. При этом осуществлялся подвод масла на тела качения подшипника через отверстия, выполненные во внутреннем кольце. В процессе экспериментальных исследований установлен характер влияния скольжения колец на изменение суммарных затрат мощности на привод подшипника, на изменение температуры наружного и внутреннего колец подшипника.

Практическая ценность. Разработан инженерный метод, позволяющий оценивать тепловой режим межроторных роликоподшипников при любых значениях скольжения роторов. Применение разработанного метода анализа позволяет оптимально распределить потребные расходы масла на подшипники качения и на элементы конструкции. Тем самым, снижаются осевые и радиальные градиенты температур элементов подшипников и силовых элементов опор.

Достоверность результатов работы подтверждается:

Разработанный метод анализа теплового состояния подшипников внедрен в практику работы НТЦ им. А. Люльки. С его помощью определена и реализована потребная прокачка масла через опоры двигателей АЛ-55И и 117С.

Впервые разработана и реализована конструкция межвального радиально-упорного шарикоподшипника с подводом масла через внутренние полукольца. Работоспособность опоры подтверждена ресурсными и летными испытаниями в составе АЛ-55И.

Решена проблема проскальзывания межвального роликового подшипника в составе изделия 117С путем переноса наружного кольца подшипника с вращающегося вала на неподвижный корпус центрального привода агрегатов. Экспериментально определен оптимальный расход масла через подшипник.

Таким образом, настоящая диссертационная работа посвящена решению сложной проблемы по определению теплового состояния подшипников главной трансмиссии авиационных ГТД.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Научно-техническом совете «НТЦ им. А. Люльки ОАО «НПО Сатурн», а также следующих конференциях: на V международной конференции «Научнотехнические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» в г. Санкт-Петербурге в 2003 г., на II научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» в г. Москве в 2004 г., на XIV международной научно-технической конференции по компрессорной технике в г. Казань в 2007 г., на десятом международном салоне «Двигатели — 2008» «Научно-технический конгресс по двигателестроению НТКД-2008» в г. Москве в 2008 г., на XIV международном конгрессе двигателестроителей в п. Рыбачье, Украина, Крым в 2009 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований имеется 11 печатных работ, в том числе четыре патента, две работы опубликованы в ведущем рецензируемом научном издании «Вестник МАИ», 5 публикаций — в тематических сборниках и трудах конференций. [17, 18, 19, 20, 29, 30, 31, 32, 33,34,35].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов к главам и общих выводов. Она изложена на 146 страницах, содержит 58 рисунков, 13 таблиц и список использованных источников, включающий 62 наименования.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

1. Выполнен анализ влияния скольжения колец подшипника на его кинематические параметры. Составлен критерий кинематического подобия.

2. Получены экспериментальные зависимости температур колец подшипника от скольжения роторов при подводе масла через боковые вращающиеся коллекторы и через внутреннее кольцо подшипника, а также при биротативном вращении колец.

3. Разработано критериальное выражение для расчета теплового потока в каналах геометрически подобных роликовых подшипников ГТД, работающих с учетом скольжения колец, с соблюдением условий гидродинамического подобия течения жидкости.

4. Разработан инженерный метод анализа теплового состояния межроторных роликовых подшипников ГТД, позволяющий оценить их основные параметры при скольжении колец без учета внешнего подогрева. Проведены расчеты тепловых параметров роликовых подшипников реальных и проектируемых опор роторов ГТД.

5. Использование предлагаемого метода на практике позволяет существенно снизить время на доводку подшипниковых узлов ГТД, увеличить их работоспособность и, как следствие, повысить надежность и долговечность работы самих ГТД.

6. На основе проведенных исследований разработаны и запатентованы конструкции опор для двигателей 55И и 117С. Ресурсные и летные испытания двигателей подтвердили высокую надежность работы предложенных конструкций.