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Jul 07, 2023

Mechanische Kohlenstoffmaterialien für Flugzeugdichtungsanwendungen

Metallized Carbon Corporation, Ossining, New York Moderne mechanische Kohlenstoffmaterialien werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Flugzeuggetriebe, Anlasser für Luftturbinenmotoren usw

Metallized Carbon Corporation, Ossining, New York

Moderne mechanische Kohlenstoffmaterialien werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Flugzeuggetriebe, Anlasser für Luftturbinenmotoren und Hauptwellendichtungen sowohl für Flugzeugturbinentriebwerke als auch für Flugzeughilfsaggregate (APUs). Diese selbstschmierenden Materialien bestehen aus feinkörnigen Elektrographitsubstanzen, die mit proprietären anorganischen Chemikalien imprägniert sind, um ihre Schmiereigenschaften und Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Diese modernen Materialien auf Kohlenstoffbasis eignen sich aufgrund ihres niedrigen Reibungskoeffizienten, der geringen Verschleißrate bei hoher Gleitgeschwindigkeit, der hohen Wärmeleitfähigkeit und der Oxidationsbeständigkeit in Luft mit hoher Temperatur ideal für den Einsatz in Flugzeuganwendungen.

Flugzeuggetriebe werden verwendet, um die Drehzahl der Haupttriebwerkswelle von bis zu 26.000 U/min auf etwa 3.400 U/min zu reduzieren, sodass die Welle Systemkomponenten wie Hydraulikpumpen, Generatoren und Klimakompressoren antreiben kann. Um das Ölschmiermittel im Getriebe abzudichten und es vor dem Austreten an der Stelle zu schützen, an der die Welle in das Getriebe eintritt und austritt, verwenden die meisten Flugzeuggetriebe Gleitringdichtungen. Die Gleitringdichtungen enthalten normalerweise einen stationären Ring aus Kohlenstoff-Graphit und einen rotierenden Ring aus Siliziumkarbid oder Wolframkarbid. Die Ringe, aus denen die dynamische Gleitringdichtung besteht, sind beide flach geläppt und werden durch Federn oder Magnete zusammengehalten, sodass keine Flüssigkeiten zwischen den Ringflächen fließen können, selbst wenn sie sich bei hoher Drehzahl gegeneinander drehen (Abbildung 1).

Die beiden sich relativ zueinander bewegenden Ringe, die die dynamische Dichtung bilden, werden mit statischen Dichtungsringen wie Polymer-O-Ringen an der Welle oder dem Getriebegehäuse abgedichtet. Dichtungskonstrukteure verwenden Spiralnuten, gerade Nuten und Keile, um einen dünnen Luft- oder Ölfilm zwischen den beiden gleitenden Dichtflächen zu leiten oder zu pumpen. Dadurch entsteht ein aerodynamischer oder hydrodynamischer Auftrieb, der die Reibung und den Verschleiß der Dichtflächen erheblich reduziert.

Bei Anlassern von Luftturbinenmotoren werden in der Regel dieselben dynamischen Gleitringdichtungsmaterialien wie Kohlenstoffgraphit oder Siliziumkarbid oder Wolframkarbid verwendet, die auch für Getriebedichtungen verwendet werden. Allerdings ist die Gleitgeschwindigkeit viel höher. Bei diesen Luftturbinenmotorstartern handelt es sich eigentlich um kleine Turbinen, die das Abgas des Hilfsaggregats nutzen, um die zum Starten der Haupttriebwerke erforderliche Leistung zu erzeugen.

Die Wellengeschwindigkeit von Luftmotorstartern kann bis zu 180.000 U/min oder eine Gleitgeschwindigkeit von etwa 1000 Fuß/s betragen, was nahezu der Schallgeschwindigkeit entspricht. Die Dichtungen werden von Herstellern von Flugzeugdichtungen mit Keilen und Gasströmungskanälen entwickelt, um einen aerodynamischen oder hydrodynamischen Abtrieb zu erzeugen.

Gleitringdichtungen mit Kohlenstoff-Graphit-Primärringen und Kohlenstoff-Graphit-Umfangsdichtringen werden in Hauptwellendichtungen von Flugzeugtriebwerken verwendet, um den Luftstrom und den Verbrennungsgasstrom im Inneren des Triebwerks zu steuern (Abbildung 2). Sie dichten auch das Ölschmiermittel in den Haupttriebwerkslagern ab, wodurch sich die Kompressorwelle und die Welle der Verbrennungsgasturbine frei drehen können. Es werden sowohl Umfangs- als auch Gleitringdichtungen verwendet.

Für umlaufende Hauptwellendichtringe werden Kohlenstoff-Graphit-Segmente verwendet, die mit geringem Endspiel in Schlitze im stationären Gehäuse passen. Die Kohlenstoff-Graphit-Segmente werden mittels einer „Garter“-Feder gegen eine Keramik- oder Hartmetallbeschichtung auf der rotierenden Welle gespannt. Hebekeile und bearbeitete Konfigurationen werden verwendet, um Auftrieb zu erzeugen, sodass diese Dichtungen auf einem aerodynamischen oder hydrodynamischen Film laufen. Die Drehzahlen können bis zu 26.000 U/min betragen und die Temperaturen in den Dichtungsringen können bis zu 800 °F erreichen.

Auxiliary Power Units (APUs) sind kleine Gasturbinentriebwerke, die zur Erzeugung von Strom, Klimaanlage oder Kabinenwärme eingesetzt werden, wenn die Haupttriebwerke am Gate abgeschaltet werden, um Treibstoff zu sparen. APUs enthalten Kohlenstoff-Graphit-Dichtungen, die den Hauptmotordichtungen ähneln, aber kleiner sind.

Ölfreie, selbstschmierende mechanische Kohlenstoffmaterialien verfügen über eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, die sie ideal für den Einsatz in Dichtungsanwendungen in kommerziellen und militärischen Flugzeugen machen. Die Materialien sind selbstschmierend, selbstpolierend und formbeständig, was eine gute Abdichtung gewährleistet. Die Materialien sind hitzebeständig und verfügen über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch die Reibungswärme von der Gleitfläche abgeleitet wird. Darüber hinaus lassen sich diese Materialien leicht bearbeiten, um genaue Maßtoleranzen für die Luft- und Raumfahrt einzuhalten, und sie können geläppt und poliert werden, um die Ebenheit eines Helium-Lichtbandes zu erreichen.

Dieser Artikel wurde von Glenn H. Phelps von Metallized Carbon Corporation verfasst. Für weitere Informationen klicken Sie hier

Dieser Artikel erschien erstmals in der Septemberausgabe 2015 des NASA Tech Briefs Magazine.

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