При создании авиационных двигателей для новых поколений гражданских самолетов приходится решать проблемы, отличные от тех, какие характерны для современных двигателей другого назначения. Одна из них связана с необходимостью уменьшения нагрева топлива перекачивающими агрегатами.

По современным представлениям перспективные авиационные двигатели должны иметь в 1,5…2 раза увеличенные ресурс и надёжность, на 10…15 % улучшенную экономичность, в 1,5…2 раза меньшие массу и трудоёмкость технического обслуживания, пониженный уровень шума на 20…30 ЕРМ дБ и уменьшенную в 2…3 раза эмиссию вредных веществ. Столь значительное улучшение характеристик двигателя требует решения ряда научно-технических проблем, в числе которых создание более совершенной системы топливоподачи двигателя.

Топливные агрегаты силовой установки, объединяющие, как правило, насос низкого давления (ННД), насос высокого давления (НВД), пусковой насос (ПН) и подшипниковые узлы, целесообразно выполнять в едином корпусе с одним валом для привода рабочих колёс насосов во вращение. В этом случае не менее чем на 30 % уменьшается масса коробки приводов двигателя и суммарная масса топливных агрегатов за счет сокращения числа подшипниковых узлов и соединений между агрегатами.

Для обеспечения ресурса и надёжности приходится отказываться от традиционных конструктивных схем насосных агрегатов (НА), состоящих из последовательно включённых ННД и шестерённого насоса. Дело в том, что ресурс шестерённого насоса ограничен величиной в 15 000 ч, в то время как центробежные насосы, не имеющие трущихся поверхностей, работают с ресурсом до 30 000 ч. В связи с этим конструктивную схему перспективного НА предлагается разрабатывать на базе лопастных насосов.

Важным моментом при конструировании НА является выбор максимальной частоты вращения вала насосного агрегата.

Известно, что рациональной области применения центробежных насосов соответствует коэффициент быстроходности ns (150 > ns > 40), для вихревых насосов - диапазон 2 < ns < 40, а для оседиагональных коэффициент ns должен быть не менее 150. С учетом этого, максимальная частота вращения вала НА составляет ~ 4500 рад/с. Тогда в качестве ННД рационально использовать оседиагональный насос, в качестве НВД - центробежный насос, а ПН создавать на основе вихревого насоса. В начале запуска двигателя частота вращения вала НА составляет 180 рад/с (4 % от максимальной угловой скорости вращения), при этом параметр ns вихревого насоса равен 1,37, что меньше рекомендованного значения. Указанную трудность можно преодолеть, если применить трехступенчатый вихревой насос специальной конструкции, ns которого превышает 2,8.

Для обеспечения технических требований по самовсасыванию топлива в состав НА следует включить нетрадиционный ННД - рабочее колесо с особым образом спрофилированными лопатками. В ходе поисковых экспериментальных и конструкторских работ было показано, что устойчивая работа НА обеспечивается на двухфазном топливе с параметрами: объем свободных газов во всасывающем трубопроводе составляет 63 % объёма жидкости, давление топлива на входе примерно 0,022 МПа, а его расход меньше 3 % максимального.

Технические требования по минимизации подогрева топлива в НА являются наиболее трудновыполнимыми. На этапе снижения самолёта двигатель работает в режиме полётного малого газа, при этом расход топлива меньше максимального более чем в 30 раз, частота вращения вала НА составляет только треть, а потребный напор топлива НВД - всего 20 % от максимального значения на взлётном режиме. Проведенный анализ показывает, что основной вклад в нежелательный подогрев топлива вносит именно НВД (до 75 %). С целью снижения подогрева в конструктивной схеме НА целесообразно применить центробежный насос переменной производительности. Расчётно-экспериментальные исследования показывают, что подогрев в НВД с центробежным насосом переменной производительности можно снизить приблизительно вдвое. Снижения подогрева топлива можно достигнуть, применив специальный центробежный насос постоянной производительности, максимальное значение к.п.д.-характеристики которого смещено в область минимальных расходов топлива. В этом случае можно ожидать уменьшения подогрева топлива НВД почти в 1,3 раза.

Разработка предлагаемого НА производится в три этапа:

• - разработка отдельных насосов и подшипников скольжения;
  
• - экспериментальное исследование характеристик НА при максимальной частоте вращения вала (2826 рад/с);
  
• - проектирование (с использованием опыта разработки насосов на первом этапе), изготовление и экспериментальное подтверждение ожидаемых характеристик НА в целом при частоте вращения вала 4500 рад/с.
  

Наилучшие характеристики ННД получены в случае применения осецентробежного насоса с увеличенными углами поворота потока, непрерывными по всей длине рабочего колеса лопастями, перепускной камерой и крестовиной перед рабочим колесом. Здесь для максимального режима, когда (Q/n)=2,25·10-7 м3·мин/(с·об), где Q - объемная подача насоса, было получено газосодержание в жидкости Qг/Qж=0,61 при перепаде давлений 0,024 МПа. С уменьшением подачи критическое газосодержание в потоке непрерывно возрастает и достигает на режиме глубокого дросселирования 90 % от объёма жидкости. Во всём испытанном диапазоне подач наблюдалась устойчивая работа без возникновения автоколебательных режимов.

Уменьшения подогрева топлива на режимах глубокого дросселирования добивались выбором соответствующего расчётного режима, в пределах (Q/n)р=(0,6…0,67)·(Q/n)мах.

Для всех насосов в области (Q/n)р ~1,5·10-7 м3·мин/(с·об) напор насоса имеет максимальное значение. При (Q/n) < (Q/n)р с уменьшением подачи напор насоса не увеличивается, а, наоборот, уменьшается, что очень важно для топливного НА двигателя.

Разработан и частично испытан НВД переменной производительности с экспериментальным рабочим колесом. Рабочее колесо и трубчатый отвод НВД представляют собой сложные узлы по сравнению с аналогичными узлами традиционных центробежных насосов. Для минимизации средств, потребных для разработки НВД переменной производительности, проводится пошаговое внедрение экспериментальных узлов и деталей насоса. В настоящее время разработан и испытан базовый вариант рабочего колеса с устройством включения / выключения лопастей разного диаметра.

Напор НВД переменной производительности при включённых в работу лопастях с малым диаметром равен 2,36 МПа, а при включённых в работу лопастях с большим диаметром он составляет 3,5 МПа на режиме земного малого газа. На этом режиме снижение подогрева топлива приблизительно на 40 % достигается только из-за уменьшения напора при использовании лопастей с малым диаметром.

Из анализа к.п.д.-характеристики НВД переменной производительности видно, что к.п.д. насоса при включённых в работу лопастях с малым диаметром меньше, чем у насоса с лопастями большого диаметра. Это вполне объяснимо, ведь площадь горла отвода у насоса неизменна, однако при работе лопастей с малым диаметром гидравлический к.п.д. ниже из-за большого радиального зазора между лопастями и языком спирального отвода. В ходе испытаний подогрев топлива на глубоком дроссельном режиме работы НВД с колесом переменной производительности (с включёнными в работу лопастями малого диаметра) не превышал 28 °С. Расчеты свидетельствуют, что к.п.д. насоса на глубоком дроссельном режиме возможно повысить еще приблизительно на 50 %. В этом случае подогрев топлива не будет превышать 18 °C.

В качестве прототипа пускового насоса экспериментально исследован вихревой насос с боковыми каналами и боковыми зазорами, составлявшими 0,1; 0,2; 0,3 мм. Анализ результатов исследований показывает, что с уменьшением бокового зазора коэффициент напора увеличивается. Так, например, при относительном расходе Q = 0,124 с уменьшением бокового зазора с 0,25 до 0,1 мм коэффициент напора увеличивается на 22 %. Вихревой насос целесообразно выполнить двух- или даже трехступенчатым с боковым зазором между рабочим колесом и корпусом, не превышающим 30 мкм в момент вступления в работу камеры сгорания двигателя. По мере возрастания давления за НВД зазор можно увеличивать.

В составе НА, вал которого имеет частоту вращения менее 3000 рад/с, может быть применён пусковой насос поршневого типа. Частоту вращения, при которой целесообразен переход от поршневого на центробежный насос, целесообразно выбрать равной 1200 рад/с. В насосах, максимальные частоты вращения вала которых больше 3000 рад/с, целесообразно применять пусковой насос лопастного типа.

Осевой подшипник НА необычен: роль его внешней обоймы выполняет само рабочее колесо. Зазор торцевого щелевого уплотнения составляет по 50 мкм по обе стороны уплотняющих поясков рабочего колеса и корпуса. Радиальные подшипники скольжения - гидродинамические. Их корпуса изготовлены из силицированного графита (СГ-П), а вал - из стали. Поверхности контакта вала с графитом покрыты твердым сплавом типа ВК8.

Результаты расчета подогрева топлива при применении НВД постоянной и переменной производительности для трёх температур топлива на входе НА: +55, +20, -55 °С. Из анализа полученных данных следует, что подогрев топлива на режиме полётного малого газа для насоса переменной производительности при Твх = 55 °С равен ~ 42 °С, в то время как у насоса постоянной производительности величина подогрева достигает 77 °С. На всех других режимах работы НА подогрев топлива при применении НВД переменной производительности также всегда меньше.

Расчеты проводились для максимальной частоты вращения вала НА, равной 2826 рад/с. Максимальный подогрев топлива в НА ожидается не более 42 °С. Применение конструктивных мероприятий, направленных на снижение осевой и радиальной сил на валу до величины не более 200 Н, позволяет уменьшить подогрев топлива до 33 °С. Повышение частоты вращения вала НА до 4500 рад/с приведет к улучшению к.п.д.-характеристик ННД и НВД и, как следствие, к дальнейшему уменьшению подогрева топлива до 25 °С.

Таким образом, применение насосного комплекса, разработанного на базе лопастных агрегатов, позволяет значительно уменьшить подогрев топлива при вращении вала двигателя в широком диапазоне частот.