Высокопроизводительные механические углеродные материалы для уплотнений в авиации

Самосмазывающиеся углеродные материалы в авиационных уплотнениях: шестерни, пускатели, основные валы

Современные механические углеродные материалы применяются в широком спектре: редукторы самолётов, воздушно-турбинные пускатели, основные валовые уплотнения как турбинных двигателей, так и вспомогательных энергоблоков (APU). Эти самосмазывающиеся материалы состоят из мелкозернистых электрографитовых веществ, пропитанных проприетарными неорганическими химикатами для улучшения смазывающих качеств и окислительного сопротивления. Идеальны для авиации благодаря низкому коэффициенту трения, низкому износу при высоких скоростях скольжения, высокой теплопроводности и сопротивлению окислению в высокотемпературном воздухе.

Уплотнения редукторов самолётов

Редикторы снижают обороты основного вала двигателя от 26 000 об/мин до ~3 400 об/мин для привода гидронасосов, генераторов, компрессоров кондиционеров. Для герметизации масла в редукторе и защиты от утечки в точке входа/выхода вала большинство редукторов используют торцевые уплотнения. Обычно содержат стационарное кольцо из карбоната-графита и вращающееся кольцо из карбида кремния или вольфрама. Оба кольца динамического торцевого уплотнения шлифованы плоско и прижимаются пружинами или магнитами — жидкость не течёт между гранями даже при высоких оборотах (рис. 1).

Два кольца в относительном движении запечатываются к валу или корпусу редуктора статическими уплотнениями (полимерные O-кольца). Конструкторы используют спиралевидные канавки, прямые канавки, клины для создания тонкой плёнки воздуха или масла между скользящими гранями — аэродинамическая/гидродинамическая подъёмная сила, сильно снижающая трение и износ граней.

Воздушно-турбинные пускатели

Используют те же материалы динамических торцевых уплотнений (карбонат-графит vs SiC/WC), но скорость скольжения намного выше. Это малые турбины, использующие отработающий газ APU для создания мощности запуска основных двигателей.

Осевая скорость на воздушных пускателях до 180 000 об/мин, скорость скольжения ~1000 фут/с (305 м/с) — близко к скорости звука. Уплотнения проектируются с клинами и газовыми проходами для создания аэродинамической/гидродинамической подъёмной силы.

Основные валовые уплотнения турбинных двигателей

Торцевые кольца с карбонат-графитовыми первичными кольцами и карбонат-графитовыми окружностными кольцами контролируют поток воздуха и газов сгорания внутри двигателя (рис. 2). Также герметизируют масло в основных опорах вала, позволяя компрессорному валу и валу турбины вращаться свободно. Используются оба типа: окружностные и торцевые.

Для окружностных основных валовых уплотнений используются карбонат-графитовые сегменты с близким зазцом по торцам в слотах стационарного корпуса. Сегменты натянуты "jarretière" пружиной к керамическому или твёрдому металлическому покрытию на вращающемся валу. Подъёмные клины и механические конфигурации создают подъём — уплотнения работают на аэродинамической/гидродинамической плёнке. Вращательные скорости до 26 000 об/мин, температуры в кольцах уплотнений до 800 °F (427 °C).

Вспомогательные энергоблоки (APU)

Малые газотурбинные двигатели для электроэнергии, кондиционирования, отопления кабинки когда основные двигатели выключены на стоянке для экономии топлива. APU содержат карбонат-графитовые уплотнения, похожие на основные двигатели, но меньшие.

Преимущества материалов

Бесмасляные, самосмазывающиеся механические углеродные материалы обладают уникальным сочетанием характеристик, идеальным для коммерческой и военной авиации. Материалы самосмазывающиеся, самополирующиеся, размерно-стабильные — гарантируют хорошее контактное уплотнение. Теплоустойчивы, высокая теплопроводность — выводят трение тепло со скользящей поверхности. Легко обрабатываются до строгих авиационных допусков, поставляются шлифованными и полированными до плановидности в один гелиевский световой полос.