Высокопроизводительные механические углеродные материалы для авиационных уплотнений

Metallized Carbon Corporation, Оссининг, Нью-Йорк

Современные механические углеродные материалы используются в самых разных областях, включая коробки передач самолетов, стартеры двигателей воздушных турбин и уплотнения главного вала как авиационных газотурбинных двигателей, так и авиационных вспомогательных силовых установок (ВСУ). Эти самосмазывающиеся материалы состоят из мелкозернистых электрографитовых веществ, пропитанных запатентованными неорганическими химическими веществами для улучшения их смазочных качеств и устойчивости к окислению. Эти современные материалы на основе углерода идеально подходят для использования в самолетах из-за их низкого коэффициента трения, низкой скорости износа при высокой скорости скольжения, высокой теплопроводности и устойчивости к окислению в высокотемпературном воздухе.

Рисунок 1. Механические уплотнительные кольца используются для герметизации зазора между вращающимся валом и неподвижным корпусом в таком оборудовании, как насосы и миксеры, чтобы жидкость не могла вытечь через этот зазор. Эти уплотнительные механизмы часто называют «уплотнениями вала» или «уплотнениями насоса».

Редукторы самолетов используются для снижения скорости вращения главного вала двигателя с 26 000 об/мин до примерно 3 400 об/мин, поэтому вал может приводить в движение такие компоненты системы, как гидравлические насосы, генераторы и компрессоры кондиционеров. Чтобы герметизировать смазочное масло внутри коробки передач и защитить его от вытекания в местах входа и выхода вала из коробки передач, в большинстве авиационных коробок передач используются торцевые уплотнения. Торцовые уплотнения обычно содержат неподвижное кольцо из углеграфита и вращающееся кольцо из карбида кремния или карбида вольфрама. Кольца, из которых состоит динамическое торцевое уплотнение, притерты и скреплены пружинами или магнитами, так что жидкости не могут течь между поверхностями колец, даже если они вращаются друг против друга на высоких оборотах (рис. 1).

Два относительно движущихся кольца, образующие динамическое уплотнение, герметизируются с валом или корпусом коробки передач с помощью статических уплотнительных колец, таких как полимерные уплотнительные кольца. Конструкторы уплотнений используют спиральные канавки, прямые канавки и клинья для направления или нагнетания тонкой пленки воздуха или масла между двумя скользящими уплотняющими поверхностями. Это создает аэродинамическую или гидродинамическую подъемную силу, что значительно снижает трение и износ поверхностей уплотнения.

В пускателях пневмотурбинных двигателей обычно используются те же материалы динамических торцевых уплотнений из углеграфита, а не из карбида кремния или карбида вольфрама, которые используются в уплотнениях коробки передач, но скорость скольжения намного выше. Эти стартеры двигателей с воздушной турбиной на самом деле представляют собой небольшие турбины, которые используют выхлопные газы вспомогательной силовой установки для создания мощности, необходимой для запуска главных двигателей.

Скорость вала пускателей пневматических двигателей может достигать 180 000 об/мин, а скорость скольжения — около 1000 футов/с, что почти соответствует скорости звука. Уплотнения разработаны производителями авиационных уплотнений с клиньями и каналами для потока газа для обеспечения аэродинамического или гидродинамического отрыва.

Рисунок 2. Торцевые уплотнительные кольца с углеграфитовыми первичными кольцами и углеграфитовыми кольцевыми уплотнительными кольцами используются в уплотнениях главного вала авиационных двигателей для регулирования потока воздуха и газов сгорания внутри двигателя.

Торцевые уплотнительные кольца с углеграфитовыми первичными кольцами и углеграфитовыми кольцевыми уплотнительными кольцами используются в уплотнениях главного вала авиационных двигателей для регулирования потока воздуха и газов сгорания внутри двигателя (рис. 2). Они также герметизируют смазочное масло в главных подшипниках двигателя, что позволяет валу компрессора и валу газовой турбины свободно вращаться. Используются как кольцевые, так и торцевые уплотнительные кольца.

В качестве кольцевых уплотнительных колец главного вала используются углеграфитовые сегменты, которые с малым торцевым зазором входят в пазы неподвижного корпуса. Угольно-графитовые сегменты прижимаются к керамическому или твердометаллическому покрытию на вращающемся валу с помощью «подвязочной» пружины. Подъемные клинья и механически обработанные конфигурации используются для создания подъемной силы, так что эти уплотнения работают на аэродинамической или гидродинамической пленке. Скорость вращения может достигать 26 000 об/мин, а температура уплотнительных колец может достигать 800 °F.

Вспомогательные силовые установки (ВСУ) — это небольшие газотурбинные двигатели, которые используются для создания электроэнергии, кондиционирования воздуха или обогрева кабины при выключении основных двигателей на воротах для экономии топлива. ВСУ содержат углеграфитовые уплотнения, похожие на уплотнения главного двигателя, но меньшего размера.

Безмасляные, самосмазывающиеся механические углеродные материалы обладают уникальным сочетанием характеристик, что делает их идеальными для использования в уплотнениях как коммерческих, так и военных самолетов. Материалы самосмазывающиеся, самополирующиеся и стабильные по размерам, что обеспечивает хорошее уплотнение. Материалы термостойки и обладают высокой теплопроводностью, что помогает отводить тепло трения от поверхности скольжения. Кроме того, эти материалы легко поддаются механической обработке с соблюдением строгих размерных допусков в аэрокосмической отрасли, и их можно поставлять притертыми и полированными до плоскостности, равной одной полосе гелиевого света.

Эта статья была написана Гленном Х. Фелпсом из Metallized Carbon Corporation. Для получения дополнительной информации нажмите здесь