现代机械碳材料正在广泛应用,包括飞机齿轮箱,空气涡轮发动机启动器,以及飞机涡轮发动机和飞机辅助动力单元(apu)的主轴密封。这些自润滑材料是由细粒度的电石墨物质组成,并浸渍了专有的无机化学品,以提高其润滑质量和抗氧化性。这些现代碳基材料由于其低摩擦系数,在高滑动速度下的低磨损率,高导热性,以及在高温空气中抗氧化,是飞机应用的理想材料。

图1。机械密封圈用于密封设备(如泵和混合器)中旋转轴和固定壳体之间的间隙,以便液体不会通过该间隙泄漏。这些密封机构通常被称为“轴封”或“泵密封”

飞机齿轮箱用于将主机轴的转速从高达26000 rpm降至3400 rpm左右,因此该轴可以驱动液压泵、发电机和空调压缩机等系统部件。为了密封齿轮箱中的润滑油,并防止其在轴进出齿轮箱的位置泄漏,大多数飞机齿轮箱使用端面密封。端面密封通常包含碳石墨固定环和碳化硅或碳化钨旋转环。形成动态端面密封的环都是平搭接的,并用弹簧或磁铁固定在一起,这样液体就不能在环面之间流动,即使它们在高转速下相互旋转(图1)。

形成动态密封的两个相对运动的环用静态密封圈(如聚合O形圈)密封到轴或齿轮箱壳体上。密封设计人员使用螺旋槽、直槽和楔块在两个滑动密封面之间引导或泵送一薄层空气或油。这会产生空气动力或流体动力升力,从而大大减少密封面的摩擦和磨损。

与齿轮箱密封中使用的碳化硅或碳化钨动态端面密封材料相比,空气涡轮电机起动器通常使用相同的碳石墨材料,但滑动速度要高得多。这些空气涡轮机电机起动器实际上是小型涡轮机,利用辅助动力装置的废气产生启动主机所需的动力。

空气马达启动器的轴速可高达180,000转/分,或滑动速度约为1000英尺/秒,接近音速。这种密封是由飞机密封制造商设计的,带有楔形和气体流动通道,以产生气动或流体动力升力。

图2。碳石墨主环面密封圈和碳石墨周向密封圈用于航空发动机主轴密封,以控制发动机内部的气流和燃烧气体流动。

表面密封圈,带有碳-石墨初级密封圈,和碳石墨圆周密封环用于航空发动机主轴密封控制引擎内的气流和燃烧气体流(图2)。他们还封主发动机轴承的润滑油,使压缩机轴和燃烧燃气轮机轴自由旋转。采用周向型和端面型密封环。

对于周向主轴密封环,碳-石墨节段与固定外壳槽的封闭端间隙相匹配。碳-石墨段是用“吊带”弹簧在转轴上的陶瓷或硬金属涂层张力。提升楔和机械结构用于产生升力,使这些密封在空气动力或流体动力薄膜上运行。旋转速度可高达26000 rpm,密封环温度可高达800°F。

辅助动力装置(apu)是小型燃气涡轮发动机,当主发动机在舱门关闭以节省燃料时,它被用来产生电力、空调或舱内热量。apu含有碳石墨密封,类似于主发动机密封,但比主发动机密封小。

无油、自润滑的机械碳材料具有独特的特性组合,使其成为商用和军用飞机密封应用的理想选择。材料具有自润滑、自抛光和尺寸稳定性,确保良好的密封配合。这些材料具有耐热性和高导热性,有助于将摩擦热从滑动表面传导出去。此外,这些材料易于加工到严格的航空航天尺寸公差,并且可以提供搭接和抛光到一个氦光带的平面度规格。

本文作者是Metallized Carbon公司的Glenn H. Phelps。有关更多信息,请单击在这里


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本文首次发表于2015年9月号NASA技金宝搏官网术简介杂志。

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