航空機シール用途向けの高性能メカニカルカーボン材料

Metallized Carbon Corporation、ニューヨーク州オシニング

最新のメカニカルカーボン材料は、航空機のギアボックス、エアタービンモータースターター、航空機タービンエンジンと航空機補助動力装置（APU）の両方のメインシャフトシールなど、幅広い用途で使用されています。これらの自己潤滑性材料は、潤滑性と耐酸化性を向上させるために独自の無機化学物質が含浸された微粒子エレクトログラファイト物質で構成されています。これらの最新のカーボンベースの材料は、摩擦係数が低く、高い滑り速度での摩耗率が低く、熱伝導率が高く、高温空気中での酸化に対する耐性があるため、航空機用途での使用に最適です。

図1. メカニカルシールリングは、ポンプやミキサーなどの機器の回転軸と固定ハウジングの間の隙間をシールし、この隙間から液体が漏れないようシールするために使用されます。これらのシール機構は、「シャフト シール」または「ポンプ シール」と呼ばれることがよくあります。

航空機のギアボックスは、メイン エンジン シャフトの回転速度を最高 26,000 rpm から約 3,400 rpm まで減速するために使用され、シャフトが油圧ポンプ、発電機、空調用コンプレッサーなどのシステム コンポーネントを駆動できるようになります。ギアボックス内に潤滑油を密封し、シャフトがギアボックスに出入りする箇所での潤滑油の漏れを防ぐために、ほとんどの航空機のギアボックスではフェイスシールが使用されています。フェイスシールには通常、カーボングラファイトの固定リングと炭化ケイ素または炭化タングステンの回転リングが含まれています。動的面シールを構成するリングは両方とも平らにラップされ、ばねまたは磁石で固定されているため、たとえリングが高速回転で互いに回転していても、液体がリング面の間を流れることはありません (図 1)。

動的シールを形成する相対運動する 2 つのリングは、ポリマー O リングなどの静的シール リングでシャフトまたはギア ボックス ハウジングにシールされます。シール設計者は、らせん状の溝、直線状の溝、およびくさびを使用して、2 つのスライドするシール面の間に空気または油の薄膜を送り込んだり、ポンプで送り込んだりします。これにより、空気力学的または流体力学的揚力が生成され、シール面の摩擦と摩耗が大幅に軽減されます。

エア タービン モーター スターターは通常、ギアボックス シールに使用されるのと同じカーボン グラファイトと炭化ケイ素または炭化タングステンのダイナミック フェイス シール材料を使用しますが、滑り速度ははるかに高速です。これらのエア タービン モーター スターターは、実際には補助電源ユニットからの排気ガスを使用して主エンジンを始動するために必要な電力を生成する小型タービンです。

エアモータースターターのシャフト速度は 180,000 rpm、または音速に近い約 1000 フィート/秒の滑り速度になります。このシールは、航空力学的または流体力学的リフトオフを生み出すためのウェッジとガス流路を備えた航空機シール メーカーによって設計されています。

図2. カーボングラファイト一次リングを備えた面シールリングとカーボングラファイト円周シールリングは、航空機エンジンの主軸シールに使用され、エンジン内の空気流と燃焼ガス流を制御します。

航空機エンジンの主軸シールには、カーボングラファイト一次リングを備えた面シールリングとカーボングラファイト外周シールリングが使用され、エンジン内の空気の流れと燃焼ガスの流れを制御します（図2）。また、メイン エンジンのベアリング内に潤滑油を封入し、コンプレッサー シャフトと燃焼ガス タービン シャフトが自由に回転できるようにします。シールリングは円周タイプと面タイプの両方を使用しています。

周方向主軸シールリングには、固定ハウジングのスロットに閉端クリアランスを持って嵌合するカーボングラファイトセグメントが使用されています。カーボン グラファイト セグメントは、「ガーター」スプリングを使用して、回転シャフト上のセラミックまたは硬質金属のコーティングに対して張られています。リフティングウェッジと機械加工構成を使用して揚力を生成し、これらのシールが空気力学的または流体力学的フィルム上で動作するようにします。回転速度は 26,000 rpm に達し、シール リング内の温度は 800 °F に達することがあります。

補助動力装置 (APU) は、燃料を節約するためにゲートで主エンジンが停止されているときに、電力、空調、または客室の暖房を生成するために使用される小型のガス タービン エンジンです。 APU には、メイン エンジン シールに似ていますが、メイン エンジン シールより小さいカーボン グラファイト シールが含まれています。

オイルフリーで自己潤滑性のあるメカニカルカーボン材料は、民間航空機と軍用航空機のシール用途の両方での使用に理想的な特性を独自に組み合わせています。この材料は自己潤滑性、自己研磨性があり、寸法安定性があり、良好なシール嵌合を保証します。この材料は耐熱性があり、熱伝導率が高いため、摺動面から摩擦熱を逃がします。さらに、これらの材料は、航空宇宙分野の厳しい寸法公差に合わせて容易に機械加工でき、ヘリウム ライト バンドの 1 つの平坦度仕様に合わせてラッピングおよび研磨して供給することができます。

この記事は、Metallized Carbon Corporation の Glenn H. Phelps によって書かれました。詳細については、 ここをクリックしてください