Способ увеличения срока службы моторного масла и повышение надежности трибологической системы ГТД

няют целый ряд дополнительных функций:

• -    уменьшение потерь на трение и износ элементов ТС;

• -    защита элементов ТС ГТД при работе и длительной стоянке;

• -    отвод тепла от смазываемых деталей;

• -    обеспечение хорошей совместимости с материалами уплотнений;

• -    нейтрализация кислот, образующихся при окислении масла;

• -    предотвращение нагаров на рабочих поверхностях элементов ТС ГТД;

• -    предотвращение выпадания осадков в картере, маслопроводах и маслобаке;

• -    обеспечение работы масляных фильтров в течение гарантийного срока их эксплуатации до замены масла;

• -    предотвращение роста вязкости масла вследствие загрязнения его сажей;

• -    предотвращение зальных образований в масле.

Для выполнения вышеперечисленных функций моторные масла должны обладать хорошими вязкостно-температурными свойствами, низкой температурой застывания, высокими температурами вспышки, минимальной испаряемостью и вспениваемостью, быть инертными к различным конструктивным материалам, высокой термической и термоокислительной стабильностью.

Относительные перемещения контактирующих поверхностей трибологической системы двигателя, их механические взаимодействия приводят не только к изменению физико-химических свойств масла, но и к их разрушению. То есть происходит изнашивание – отделение от поверхности трения частиц материала. Если не рассматривать сухое трение, то при жидкостном трении контакт трущихся поверхностей заменяется трением слоёв смазки. Коэффициент трения можно выразить соотношением [5]:

A • ц -V f = -------

J N , где А – коэффициент пропорциональности; µ -коэффициент динамической вязкости масла, кг/ м3; V – скорость относительного перемещения, м/с; N – нормальная сила, Н

Загрязнения, попадая между трущимися поверхностями, нарушют коэффициент трения и условия смазки.

Тяжелые условия работы смазываемых поверхностей ГТД, попадание в масло абразивных частиц многократно увеличивает износ этих поверхностей. Твердые частицы неорганических загрязнений, воздействующие на трущиеся поверхности узлов двигателя, нарушают смазывающую пленку масла между этими поверхностями, что в свою очередь приводит к возникновению сухого трения, существенно повышает износ сопряженных деталей и, в конечном счете, приводит к сокращению наработки и надежности как самих деталей, так и двигателя в целом. От 20 до 50 % отказов авиационных гидравлических систем происходит вследствие загрязнения рабочих жидкостей.

Образующиеся во время эксплуатации авиационных масел загрязнения забивают отверстия в масляных каналах, накапливаются в маслоочистительных устройствах и изнашивают уплотнительные устройства. Забитые масляные каналы являются причиной ограничения поступления необходимого количества масла к смазываемым узлам, что, в конечном итоге, приводит к нарушению температурного режима работы этих узлов двигателя. В определённых диапазонах температур возникает возможность образования коксовых отложений в трубопроводах системы смазки, для поддержания требуемых расходов масла затрачивается дополнительная энергия, что, в конечном результате, приводит к повышенному расходу топлива и уменьшению надежности ГТД. На рис. 2 представлена зависимость температуры подшипника от расхода масла.

Согласно гидростатической теории смазки износ поверхностей при жидкостном трении наблюдается в результате физико-химических и электростатических процессов, возникающих между трущимися поверхностями и контакта их со смазочным материалом, Известны такие виды износа как: механический, молекулярномеханический, коррозионно-механический, эрозионный, кавитационный которые зависят не только от материалов деталей и качества их поверхностей, но и от свойств масла, так как в некоторых случаях смазочный материал становится причиной активации износа, или даже выхода из строя узлов и агрегатов.

Износ является причиной выхода из строя более 80% деталей различных агрегатов. Различают

Рис. 2. Зависимость температуры подшипника t_В от расхода масла ∆m:

1 – минеральное масло ( ν _-50°С = 40 мм²/с);

2 – загущенное масло ( ν _-50°С = 50 мм²/с)

три вида изнашивания:

• -    механическое

• -    коррозионно-механическое

• -    молекулярно-механическое

Каждый их этих видов изнашивания зависит в той или иной степени от физико-химических свойств масла.

В связи с тем, что сегодня в эксплуатации находится значительное количество ГТД с большой наработкой повышение надежности трибологической системы становится актуальной задачей.

По данным ОАО «Газпром» газотранспортная система, включая ГПА, работает близко к пределу своих возможностей. Это означает, что будут создавать новые ГПА. Время необходимое на создание новой ГПА это 5-7 лет, поэтому необходимость в реконструкции для поддержания и восстановления ГПА становиться всё более острой и актуальной из-за их естественного старения [11].

Одной из составляющих стоимости затрат ГТД за жизненный цикл является стоимость замены моторного масла. Согласно регламенту ОАО «Газпром» замену масла производят при наработке 3000 часов, в среднем ГПА в год нарабатывают 4500 часов. Объём масляных баков, в зависимости от ГТД, составляет от 1000 до 1500 литров. В связи с этим, вопрос о продлении срока службы масел в эксплуатации является весьма актуальным.

Увеличение срока службы масел осуществляется их разработчиками за счет внедрения различного рода присадок и преобразователей продуктов износа попадающих в масла в процессе эксплуатации.

Существуют и другие методы увеличения срока службы масел. Одним из перспективных методов решения задачи, является комплексное гидродинамическое воздействие на масло в процессе работы за счет включения в кинематическую схему конвертированного авиационного ГТД специальных устройств.

Указанное воздействие на смазочный материал позволяет значительно уменьшить размер частиц, являющихся продуктами износа, соответственно уменьшить и сам износ смазываемых деталей, что в конечном счете сказывается на увеличении срока службы смазочного материала и повышении надежности работы элементов ТС ГТД, то есть уменьшить затраты на ремонтнотехническое обслуживание и затраты на масло. Особенно актуально это для конвертируемых авиационных ГТД применяемых в газовой промышленности и энергетике, где требуется большой ресурс безотказной работы ТС ГТД.

На ОАО КПП «Авиамотор» в период 2010 -2012 годов проводились поисковые работы в области усовершенствования переработки нефтепродуктов, а также определение изменений физикохимических показателей моторного масла при длительной работе в составе комбинированной опоры установки «ЛИРА-М», которая специально разработана и изготовлена для подтверждения экспериментальным путем новой методики увеличения срока службы моторных масел.

Установка «ЛИРА-М» относится к роторнопульсационным аппаратам [4].

Основным элементом установки «Лира-М» является вращающийся ротор. Моторное масло, попадая в зазоры между ротором и статором, проходит процесс диспергирования. При этом масло воспринимает комбинированное воздействие, включающее в себя:

– механическое воздействие , которое возникает в зазорах между ротором и статором и приводит к разрушению твёрдых частиц, находящихся в рабочей жидкости [8];

– гидродинамическое воздействие возникает при механическом перемешивании жидкости специальными кольцевыми цилиндрическими элементами, выполненными на поверхности ротора [8];

– кавитационное воздействие происходит в результате многократно повторяющихся гидравлических ударов, в результате резкого изменения давления в жидкости, вызванного мгновенным изменением скорости её течения в трубопроводе под действием растягивающих напряжений, приводящих к образованию пузырьков, наполненных воздухом и паром в потоке жидкости. Это воздействие приводит к разрушению твердых частиц [3];

– акустическое воздействие возникает в результате резкого мощного действия акустического поля на рабочую жидкость [12].

Повышение эффективности работы маслоси-стемы ГТД за счет интенсификации различных физико-химических явлений - основное направление совершенствования кинематической схемы авиационного конвертированного ГТД. Комплексное усиление механического, гидроди- намического, кавитационного и акустического воздействия на различные загрязнения в масле актуальная задача совершенствования маслоси-стем. В разработанной конструкции установки «ЛИРА-М» сделана попытка решения данной задачи. В комбинированной опоре были установлены подшипники, используемые в коробке самолетных агрегатов 75-206 Б1 ЕТУ-100/3.

Использование диспергаторов для повышения сроков службы моторных масел малоизученно поэтому были проведены испытания модельной установки с подшипниками от газотурбинного двигателя с замкнутой системой смазки, оснащенной диспергирующим устройством. Указанные испытания проведены за наработку 280 часов.

Разработана экспериментальная программа длительной обработки масла в совмещенной опоре установки «ЛИРА-М». целью данного эксперимента было определение изменений физико-химических показателей моторного масла в течении всего испытания.

Испытания проводились на масле МС-8П. Данное масло применяется в системе смазки как двигателя НК-16СТ для наземных газотурбинных установок, так и в систему смазки НК-8-2У [6].

Объектом данных испытаний являлась комбинированная совмещенная опора установки «Лира-М». В качестве устройства, нагружающего подшипники комбинированной опоры импульсными нагрузками, служил ротор установки

«Лира-М». Крутящий момент на вал ротора передавался от электродвигателя переменного тока мощность 55 кВт и рабочими оборотами 3000 об/мин. Диспергирование масла в совмещенной комбинированной опоре шло непрерывно по замкнутому циклу. После заправки масла в опору, под действием центробежных сил, возникающих при передаче крутящего момента от электродвигателя к подвижным элементам установки, возникает циркуляция масла. При циркуляции масло проходя через опору проходит процесс диспергирования в специальном элементе совмещенной опоры. Загрузочным устройством установки «Лира-М» было РПА включенное в цикл прогонки воды.

Испытания установки «Лира-М» проводились на специализированном экспериментальном стенде, схема экспериментальной установки показана на рис. 3.

Исследование образцов масла методом ИК-спектроскопии провел доктор химических наук, академик РАЕН Офицеров Е.Н.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате проведенных испытаний комбинированной опоры с диспергированием смазывающей среды (масло МС-8П) в циркуляционном режиме установлено [10]:

• -    в процессе наработки 200 ч. с диспергированием масла, его кислотное число за 120 ч. возрос-

  

  Рис. 3. Схема экспериментальной установки:

  1 – ёмкость для воды с рубашкой охлаждения, 2 – РПА, 3 – совмещенная комбинированная опора (СКО), 4 – электродвигатель, 5 – муфта, 6 – вентиль для рабочей жидкости в РПА, 7 – магистраль подачи рабочей жидкости, 8 – вентиль для регулирования расхода рабочей жидкости, 9 – магистраль отвода рабочей жидкости из РПА, 10 – манометр для измерения давления на входе в РПА, 11 – счётчик турбинный холодной воды, 12 – заземление установки «Лира-М», 13 – магистраль слива охлаждающей жидкости из рубашки ёмкости для воды, 14 - магистраль подачи охлаждающей жидкости в рубашку ёмкости для воды, 15 – термометр для измерения температуры воды в баке, 16 – манометр для измерения давления на выходе из РПА, 17 – кран слива из РПА, 18 – бак масляный, 19 – водо-масляный теплообменник, 20 – магистраль слива масла из СКО, 21 – кран для слива проб масла, 22 – датчик температуры, 23 – магистраль подачи масла в СКО.

  
  

  ло с 0,01 до 0,03 и далее в течение последующих 80 часов не изменялось. (Кислотное число по нормам ОСТ 38.01163-78 не должно превышать 0,03мг КОН на 1 гр. масла);

• -    кинематическая вязкость (при 500С) возросла с исходной величины 8,09 сСт до значений 8,47 сСт (по ОСТ кинематическая вязкость должна составлять величину не менее 8,00 сСт);

• -    за указанную наработку возросло содержание золы с 0,008% до 0,014%;

• -    размер твердых частиц после диспергирования не превышает 1мкм, что свидетельствует о практически полном отсутствии в масле механических примесей (опора работала без маслофильтра) и воды (штатные фильтры маслосистем ГТУ имеют ячейки размером 10 мкм);

• -    спектральным анализом установлено отсутствие деструктивных изменений по химическому составу масла (исходного и после длительной наработки) таблица 1;

• -    техническое состояние подшипников, прошедших испытания в составе комбинированной опоры удовлетворительное.

Данные по физико-химическому анализу масла МС-8П на реальном двигателе за наработку 271 час, представленные в таблице 2 и свидетельствуют о том, что параметры масла без диспергирования, но с фильтрацией сопоставимы с параметрами масла с диспергированием без фильтрации.

При исследование образцов масла методом ИК-спектроскопии было исследовано 5 образцов масла:

• -    исходное;

• -    40 часов эксплуатации;

• -    100 часов эксплуатации;

• -    200 часов эксплуатации;

• -    280 часов эксплуатации.

Как следует из сравнения спектров образцов исходного и после длительной эксплуатации новых полос или существенного перераспределения интенсивности имеющихся полос не происходит.

В случае окислительной деструкции должны появляться карбонильные группы, имеющие в ИК спектре полосы поглощения в области 1700-1760 см-1. Следовая полоса при 1740 см-1 присутствует, однако ее интенсивность не увеличивается.

Не увеличивается и интенсивность полосы свободных валентных колебаний группы –ОН (вода, спирты) при 3660 см-1.

Приведенные данные свидетельствуют, что при эксплуатации масла существенных изменений в его структуре не происходит – нет явных признаков термоокислительной деструкции и ги-дроперекисного окисления углеводородной цепи.

ВЫВОДЫ

Проведенные испытания СКО с гидродинамической обработкой авиационного масла МС-8П на экспериментальной установке в непрерывном циркуляционном режиме показали, что основные физико-химические показатели масла, выявленные стандартными методами, находятся в пределах нормы, при этом отсутствуют механические примеси в масле и вода.

При введении диспергатора установки «ЛИРА-М» в контур маслосистемы ГТД уменьшается износ смазываемых деталей, что в конечном счете должно увеличить срок службы смазочного материала и повысить надежность работы смазываемых деталей и узлов, увеличивает межремонтный ресурс маслоагрегатов двигателя и увеличивает срок замены масла.

Таблица 1. Результаты физико-химического анализа экспериментальные [10]

Номер отбора	Время работы на режиме, час	Кинем. вязкость 50 0 С, сСт	Кислотное число, мг/г	Содержание золы, %	Содержание механических примесей	Наличие воды
1	0	8,09	0,01	0,008	отсутствует	отсутствует
2	40	8,29	0,02	0,011	отсутствует	отсутствует
3	80	8,34	0,02	0,012	отсутствует	отсутствует
4	120	8,38	0,03	0,012	отсутствует	отсутствует
5	160	8,43	0,03	0,012	отсутствует	отсутствует
6	200	8,47	0,03	0,014	отсутствует	отсутствует
7	240	8,48	0,03	0,014	отсутствует	отсутствует

Таблица 2. Результаты физико-химического анализа из эксплуатации [6]

Номер отбора	Время работы, час	Кинем. вязкость 50 0 С, сСт	Кислотное число, мг/г	Содержание золы, %	Содержание механических примесей	Наличие воды
«и	271	8,14	0,008	0,0085	отсутствует	отсутствует

* Масло МС-8П из эксплуатации отобр. 01.01.05 с дв. НК-86 с наработкой 271 час

Применение таких устройств в составе мас-ло-систем конвертированных авиационных двигателей в наземных условиях является перспективным направлением, способствующим увеличения надежности трибологической системы двигателя, увеличение ресурса и повышением экологичности с учетом уменьшением объёмов утилизированного масла.