Hoogwaardige mechanische koolstofmaterialen voor afdichtingstoepassingen in vliegtuigen

Gemetalliseerde Carbon Corporation, Ossining, New York

Moderne mechanische koolstofmaterialen worden gebruikt in een grote verscheidenheid aan toepassingen, waaronder vliegtuigversnellingsbakken, luchtturbinemotorstarters en hoofdasafdichtingen voor zowel vliegtuigturbinemotoren als hulpaggregaten (APU's) voor vliegtuigen. Deze zelfsmerende materialen zijn samengesteld uit fijnkorrelige elektrografietstoffen die zijn geïmpregneerd met gepatenteerde anorganische chemicaliën om hun smerende eigenschappen en oxidatieweerstand te verbeteren. Deze moderne, op koolstof gebaseerde materialen zijn ideaal voor gebruik in vliegtuigtoepassingen vanwege hun lage wrijvingscoëfficiënt, lage slijtagesnelheid bij hoge glijsnelheid, hoge thermische geleidbaarheid en weerstand tegen oxidatie in lucht met hoge temperaturen.

Figuur 1. Mechanische afdichtingsringen worden gebruikt om de speling tussen de roterende as en de stationaire behuizing in apparatuur zoals pompen en mixers af te dichten, zodat vloeistof niet via deze speling naar buiten kan lekken. Deze afdichtingsmechanismen worden vaak “asafdichtingen” of “pompafdichtingen” genoemd.

Vliegtuigversnellingsbakken worden gebruikt om de rotatiesnelheid van de hoofdmotoras te verlagen van wel 26.000 tpm tot ongeveer 3.400 tpm, zodat de as systeemcomponenten zoals hydraulische pompen, generatoren en airconditioningcompressoren kan aandrijven. Om het oliesmeermiddel in de versnellingsbak af te dichten en te beschermen tegen lekken op het punt waar de as de versnellingsbak binnenkomt en verlaat, gebruiken de meeste vliegtuigversnellingsbakken gezichtsafdichtingen. De gezichtsafdichtingen bevatten meestal een stationaire koolstof-grafietring en een roterende ring van siliciumcarbide of wolfraamcarbide. De ringen die de dynamische gezichtsafdichting vormen, zijn plat gelept en bij elkaar gehouden met veren of magneten, zodat vloeistoffen niet tussen de ringvlakken kunnen stromen, ook al draaien ze met hoge toerentallen tegen elkaar aan (Figuur 1).

De twee relatief bewegende ringen die de dynamische afdichting vormen, zijn op de as of het versnellingsbakhuis afgedicht met statische afdichtingsringen zoals polymere O-ringen. Afdichtingsontwerpers gebruiken spiraalvormige groeven, rechte groeven en wiggen om een ​​dunne film lucht of olie tussen de twee glijdende afdichtingsvlakken te kanaliseren of te pompen. Hierdoor ontstaat een aerodynamische of hydrodynamische lift, waardoor de wrijving en slijtage van de afdichtingsvlakken aanzienlijk wordt verminderd.

Starters voor luchtturbinemotoren gebruiken doorgaans dezelfde dynamische vlakafdichtingsmaterialen van koolstofgrafiet en siliciumcarbide of wolfraamcarbide die worden gebruikt in afdichtingen van versnellingsbakken, maar de glijsnelheid is veel hoger. Deze luchtturbinemotorstarters zijn eigenlijk kleine turbines die het uitlaatgas van de hulpaggregaat gebruiken om het vermogen te creëren dat nodig is om de hoofdmotoren te starten.

De assnelheid bij luchtmotorstarters kan oplopen tot 180.000 tpm, of een glijsnelheid van ongeveer 300 meter per seconde, wat bijna de geluidssnelheid is. De afdichtingen zijn ontworpen door fabrikanten van vliegtuigafdichtingen met wiggen en gasstroomdoorgangen om aerodynamische of hydrodynamische lancering te produceren.

Figuur 2. Gezichtsafdichtingsringen met primaire ringen van koolstof-grafiet en omtreksafdichtingsringen van koolstof-grafiet worden gebruikt in hoofdasafdichtingen van vliegtuigmotoren om de luchtstroom en de verbrandingsgasstroom in de motor te regelen.

Gezichtsafdichtingsringen met primaire ringen van koolstofgrafiet en omtrekafdichtingsringen van koolstofgrafiet worden gebruikt in hoofdasafdichtingen van vliegtuigmotoren om de luchtstroom en de verbrandingsgasstroom in de motor te regelen (Figuur 2). Ze dichten ook het oliesmeermiddel in de hoofdmotorlagers af, waardoor de compressoras en de verbrandingsgasturbine-as vrij kunnen draaien. Er worden zowel omtrek- als vlakafdichtingsringen gebruikt.

Voor omlopende hoofdasafdichtingsringen worden koolstofgrafietsegmenten gebruikt die met een kleine eindspeling in sleuven in de stationaire behuizing passen. De koolstofgrafietsegmenten worden met behulp van een “kousenveer” tegen een keramische of hardmetalen coating op de roterende as gespannen. Er worden hefwiggen en machinaal bewerkte configuraties gebruikt om lift te creëren, zodat deze afdichtingen op een aerodynamische of hydrodynamische film lopen. Rotatiesnelheden kunnen oplopen tot wel 26.000 tpm, en de temperaturen in de afdichtingsringen kunnen oplopen tot wel 800 °F.

Auxiliary power units (APU's) zijn kleine gasturbinemotoren die worden gebruikt om elektrische energie, airconditioning of cabinewarmte te creëren wanneer de hoofdmotoren bij de poort zijn uitgeschakeld om brandstof te besparen. APU's bevatten koolstof-grafietafdichtingen die vergelijkbaar zijn met, maar kleiner dan, de afdichtingen van de hoofdmotor.

Olievrije, zelfsmerende mechanische koolstofmaterialen hebben een unieke combinatie van eigenschappen die ze ideaal maakt voor gebruik in zowel commerciële als militaire vliegtuigafdichtingstoepassingen. De materialen zijn zelfsmerend, zelfpolijstend en maatvast, wat een goede afdichting garandeert. De materialen zijn hittebestendig en hebben een hoge thermische geleidbaarheid, waardoor wrijvingswarmte weggeleid wordt van het glijoppervlak. Bovendien zijn deze materialen gemakkelijk machinaal te bewerken volgens veeleisende maattoleranties in de lucht- en ruimtevaart, en kunnen ze gelept en gepolijst worden geleverd tot een vlakheidsspecificatie van één lichte heliumband.

Dit artikel is geschreven door Glenn H. Phelps van Metallized Carbon Corporation. Klik hier voor meer informatie