Масла для реактивных двигателей

В авиации применяются два вида газотурбинных двигателей (ГТД) – турбореактивные (ТРД) и турбовинтовые (ТВД).  В турбореактивных авиационных двигателях масло применяют для смазки и охлаждения крупногабаритных высокоскоростных подшипников качения турбокомпрессорного агрегата (газовой турбины, компрессора), шестерен коробки привода агрегатов и других узлов трения; оно используется также как гидравлическая жидкость в различных системах регулирования и автоматики. В турбовинтовых двигателях масло служит еще и для смазки и охлаждения тяжелонагруженного силового редуктора.

Различные узлы и детали газотурбинных двигателей смазываются по-разному. Так, наиболее нагруженные подшипники, зубчатые и шлицевые соединения имеют принудительную смазку под давлением, осуществляемую при помощи центробежных или струйных форсунок. Остальные трущиеся детали смазываются разбрызгиванием.

Маслосистемы газотурбинных двигателей сконструированы по принципу «сухого картера». В современных двигателях применяют циркуляционные, замкнутые (одноконтурные и двухконтурные), незамкнутые и комбинированные системы смазки. Системы смазки ГТД независимо от особенностей их конструкций включают следующие элементы: масляный бак, масляный радиатор, насосы, фильтры, воздухоотделитель, масляные форсунки и маслопровод. Поскольку ГТД установлены преимущественно на летательных аппаратах, к надежности их работы предъявляют гораздо более высокие требования, чем к двигателям, используемым на наземной технике. Исходя из этого повышенные требования предъявляют и к системам смазки газотурбинных двигателей. В целом в этих двигателях по сравнению с поршневыми двигателями наземной техники повышена система контроля за количеством масла в системе смазки.

В ТРД самолетов и вертолетов используют маловязкие масла, а в ТВД самолетов – более вязкие, что обусловлено применением в этих двигателях редуктора воздушного винта, для которого требуются масла с повышенной несущей способностью.

Требования к качеству масел

В связи с конструктивными особенностями газотурбинных двигателей условия работы смазочных масел в них существенно отличаются от условий работы масел в поршневых двигателях внутреннего сгорания. В отличие от поршневых двигателей, например, смазочное масло в ГТД изолировано от камеры сгорания (зоны горения топлива); кроме того, в наиболее ответственных узлах трения реализуется в основном трение качения, а не трение скольжения, как в поршневых двигателях (коэффициент трения качения на порядок ниже коэффициента трения скольжения). Вал турбокомпрессора в ГТД хорошо уравновешен в отличие от поршневых двигателей и, несмотря на большие обороты и высокие осевые и радиальные нагрузки, работает без резких переменных нагрузок.

Современные газотурбинные двигатели характеризуются повышенной напряженностью работы: высокие температуры – до 300 °С, большие рабочие нагрузки в узлах трения – 3·10³ МПа, огромные скорости вращения газовых турбин – 12000-20000 мин^-1. Напряженность работы масла в таких условиях эксплуатации ГТД определяется количеством тепла, которое необходимо отвести от трущихся деталей, и при прочих равных условиях характеризуется скоростью прокачивания масла через двигатель. В турбореактивных авиационных двигателях масло прокачивается через подшипники ротора турбокомпрессора, приводы агрегатов, а в турбовинтовых и через редуктор. Количество тепла, выделяемого в процессе эксплуатации, зависит от режима работы двигателя.

Температура масла на входе в ГТД колеблется от 20 до 50 °С, а на выходе существенно зависит от условий эксплуатации. В частности, температура масла на выходе в двигателях самолетов, летающих с дозвуковыми скоростями, не превышает 125 °С. При переходе на сверхзвуковую скорость полета температура масла повышается до 140-150 °С, а при скорости полета около 2М (М – число Маха, обозначающее скорость, равную скорости звука)  она достигает 200 °С.

Особенности конструкции турбовинтовых двигателей связаны с наличием в них шестереночных редукторов, которые предназначены для передачи больших усилий и работают при высоких контактных нагрузках. Выдержать такие нагрузки, как показывает опыт эксплуатации, могут масла с повышенной вязкостью. По этой причине, как правило, масла для турбовинтовых двигателей имеют более высокую вязкость, чем масла для турбореактивных двигателей.

Помимо общих требований, связанных с необходимостью иметь высокие смазочные, антиокислительные, вязкостно-температурные, противокоррозионные и другие свойства масла для современных ГТД должны иметь возможно более узкий нормированный фракционный состав. Такое ограничение позволяет обеспечить минимальные потери от испарения и постоянство вязкостных характеристик в процессе эксплуатации. Последнее особенно важно для поддержания надёжной работы систем регулирования.

Особенность работы масла в корабельных газотурбинных установках – возможность обводнения. Поэтому к маслам, предназначенным для корабельных газотурбинных установок, выдвигается дополнительное требование повышенной водостойкости. Следует иметь также в виду, что наличие воды приводит к гидролизу масел, полученных с использованием сложных эфиров. И это обстоятельство необходимо учитывать как при эксплуатации масла, так и при его хранении, особенно во влажной атмосфере.

Масла для реактивных двигателей и в частности тех, которые устанавливают на летательных аппаратах, проходят наиболее тщательную проверку. При оценке качества масла учитывают возможные условия эксплуатации и напряженность работы его в двигателе. Последняя характеризуется по температуре масла на выходе из двигателя. По этому показателю двигатели летательных аппаратов условно можно разделить на 4 группы: с температурой масла на выходе соответственно не более 150, 200, 250 и 300 °С. Условия работы, определяемые первой группой, как правило, реализуются в дозвуковой авиации и сверхзвуковых самолетах, летающих со скоростью, не превышающей 1,5М. Ко второй группе относятся самолеты со скоростью полета до 2,0-2,2М, к третьей – до 2,5-2,8М и к четвертой до 3,0-3,2М.

Исходя из этого осуществляется всесторонняя оценка качества масел разными методами, позволяющими получать полное представление об интересующих свойствах. Наиболее информативные методы, используемые при исследовании масел для реактивных двигателей, сгруппированы в два комплекса методов – комплекс методов квалификационной оценки масел для авиационных ГТД и редукторов вертолетов и комплекс методов квалификационной оценки масел для судовых паротурбинных и газотурбинных установок.

Например, комплекс методов квалификационной оценки масел для авиационных ГТД и редукторов вертолетов включает в себя определение термоокислительной стабильности масел в объёме и в тонком слое, кинематической вязкости, фракционного состава, степени чистоты, смазочных и в том числе противопиттинговых свойств, стабильности вязкости масел и т.д. Наряду с перечисленными в комплекс входят также методы, определяющие содержание в маслах функциональных присадок.

Литература

1. Гуреев А.А., Фукс И.Г., Лашхи В.Л. / Химмотология. - М.: Химия, 1986.
2. Химмотология. Свойства и применение топлив, смазочных и специальных материалов: Учеб. пособие для студентов вузов: Часть II Свойства и применение смазочных и специальных материалов / В.Г. Спиркин, И.Г. Фукс, И.Р. Татур и др.; Под ред. В.Г. Спиркина, В.Л. Лашхи. - М.: Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, 2014.
3. Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. - М.: Инфра-М, 2014.