Торцевое уплотнение воздушного турбинного стартера (ATS)

Торцевое уплотнение воздушного турбинного стартера (ATS) — это пара вращающихся колец на выходном валу редуктора стартера, которая отделяет масло редуктора от воздушного тракта и от окружающей среды. Оно строится вокруг углеграфитового кольца и металлического сильфона, чтобы сохранять герметичность при повторно-кратковременном режиме, очень высокой частоте вращения, быстрой смене температуры и тонкой масляной плёнке.

Физика та же, что и у уплотнения промышленного насоса; отличаются граничные условия. В насосе среда непрерывна, температура стабильна, а смазка надёжна. В ATS пуск длится секунды, частота вращения очень высока, температура резко растёт, и на отдельных фазах к парам трения почти не поступает масло. Поэтому авиакосмические применения образуют отдельную дисциплину проектирования. Основы принципа работы описаны в руководстве что такое торцевое уплотнение.

Руководство последовательно разбирает принцип работы ATS, условия, нагружающие уплотнение, конструктивные ответы на эти условия и данные, которые нужно передать при запросе. Общую классификацию конструкций смотрите в руководстве виды торцевых уплотнений.

ATS преобразует сжатый воздух в крутящий момент на валу. Воздух поступает от вспомогательной силовой установки (ВСУ), от наземной установки воздушного запуска или по перекрёстной линии отбора от другого работающего двигателя. Он раскручивает турбинное колесо, редуктор понижает частоту вращения и повышает момент, а муфта передаёт момент на коробку приводов двигателя и расцепляется, когда двигатель выходит на самостоятельный режим.

Несмотря на небольшой размер и лёгкий вес, системы ATS способны создавать значительный крутящий момент для раскрутки двигателя, пока он не начнёт работать самостоятельно. Режим работы повторно-кратковременный: пуск короток, затем агрегат долго простаивает. Поэтому уплотнение оценивают не по непрерывной работе, а по повторяющимся коротким и напряжённым циклам.

Торцевое уплотнение установлено на выходном валу редуктора и отделяет масло — жидкое или в виде масляного тумана — от воздушного тракта или от окружающей среды. Утечка вредна в обе стороны: выход масла на воздушную сторону означает потерю смазки и загрязнение, а попадание воздуха и частиц в редуктор сокращает ресурс зубчатых колёс и подшипников.

Первое — частота вращения. Турбинная сторона вращается с частотой порядка десятков тысяч об/мин; хотя редуктор понижает её на выходном валу, скорость скольжения на парах трения остаётся заметно выше, чем у промышленных насосов. Высокая скорость скольжения одновременно увеличивает тепловыделение на парах трения и динамические нагрузки от неуравновешенных масс.

Второе — переходная температура и смазка. За время пуска температура колец быстро растёт, после расцепления муфты агрегат остывает, и уплотнение повторяет этот цикл при каждом запуске двигателя. Масло подаётся струёй или туманом, поэтому в первые мгновения вращения плёнка очень тонкая, а работа, близкая к сухой, считается нормальной фазой.

Третье — среда и ресурс. Агрегат работает при вибрации и ударах; с изменением высоты давление и температура окружающей среды меняются в широком диапазоне. К этому добавляются ограничения по массе и габаритам, длинные межремонтные интервалы и требование прослеживаемости каждой детали вплоть до истории её изготовления.

Таблица ниже связывает каждое характерное для ATS условие напрямую с конструктивным решением. Конструкция есть сумма этих решений; улучшение одного узла при неизменных остальных результата не меняет.

Углеграфит — мягкое кольцо уплотнения ATS, и выбор опирается на три его свойства. Слоистая структура оставляет на ответном кольце тонкую переносную плёнку, то есть материал смазывает себя сам; плотность ниже, чем у металлов и твёрдой керамики, что уменьшает вращающуюся массу и момент инерции; стойкость к термоудару позволяет переносить повторяющиеся циклы пуска.

Ответное кольцо выполняют из закалённой стали или с твёрдым покрытием. Цель — сосредоточить износ на углеграфитовой стороне, то есть пожертвовать более дешёвой сменной деталью. Общее сравнение твёрдых материалов пар трения приведено в руководстве карбид кремния и карбид вольфрама; в ATS к этому выбору добавляются масса и согласование теплового расширения.

Пара из двух твёрдых колец здесь не подходит: при утончении масляной плёнки она быстро наращивает тепло трения. Несимметричная пара — мягкий углеграфит против твёрдого ответного кольца — удерживает и коэффициент трения, и тепловыделение на низком уровне и переносит почти сухое вращение в момент пуска.

Металлический сильфон выполняет в одной детали три задачи: обеспечивает вторичное уплотнение, создаёт усилие прижатия кольца пары трения к ответному кольцу и передаёт вращение. В конструкции с резиновым уплотнительным кольцом эти задачи распределены по разным деталям, а заедание резинового кольца на валу или втулке может помешать кольцу пары трения следовать за ответным в осевом направлении.

Отказ от эластомера в условиях ATS — прямой выигрыш. Не остаётся детали, которая стареет, получает остаточную деформацию или упирается в температурный предел; рабочий диапазон задаёт сплав сильфона, а не эластомер. В промышленных применениях выбор эластомера по-прежнему решающий; логика этой стороны изложена в руководстве FFKM и выбор эластомера.

Сильфон формируют из жаропрочного сплава в виде тонкостенных гофров. Критические величины конструкции — запас осевого хода и усталостный ресурс: сильфон должен быть достаточно податливым, чтобы воспринять биение вала и износ колец, и достаточно прочным, чтобы не устать за повторяющиеся циклы пуска. Вращение передаётся принудительно, а не трением, и малая масса позволяет кольцу следовать за ответным на высокой частоте.

В авиации вместе с деталью передают и её историю. Применяемую систему менеджмента качества и критерии приёмки определяет спецификация заказчика. Применимый набор меняется от программы к программе, и обязывающим источником служит файл заказа.

На практике ожидается следующее: партия материала, процессы термообработки и нанесения покрытий зафиксированы в записях, каждая деталь прослеживается до этих записей, выполнены контроль размеров и поверхности, проведены функциональные испытания и испытание на утечку в представительных условиях, а результаты переданы с деталью в виде комплекта документов.

Авиационные уплотнения не выбирают из каталога, их изготавливают по проектным данным. Перечисленные ниже пункты — минимум сведений при запросе предложения; каждый пропущенный пункт вынуждает конструктора делать допущения.

• Частота вращения: диапазон на турбинной стороне и на выходе редуктора, а также пиковое значение при пуске.
• Температура: температура масла на входе, ожидаемый переходный пик при пуске и минимальная температура окружающей среды.
• Смазка: тип масла, способ подачи (струя, туман или разбрызгивание) и допустимое время работы без масла.
• Воздушная сторона: диапазон давления, скачок давления в момент пуска и ожидаемые загрязнения.
• Вал и компоновка: диаметр вала или втулки, допуск на биение, осевое перемещение и схема опор.
• Габариты: допустимые наружный диаметр, осевая длина и предел массы.
• Целевой ресурс: число пусков, суммарная наработка и планируемый межремонтный интервал.
• Документация: требования к прослеживаемости, приёмочным испытаниям и сдаточному комплекту, а также действующая спецификация заказчика.

Сочетание, определяющее уплотнение ATS, — углеграфитовое кольцо малой массы, металлический сильфон без эластомера, разгруженная конструкция и принудительная передача вращения — не является исключительно авиационным. Тот же подход встречается в газовых турбинах авиационного типа, в наземных энергоустановках и во вспомогательных системах платформ оборонной промышленности.

В промышленности условия сопоставимы: высокооборотные компрессоры, турбомашины и испытательные стенды сочетают повторно-кратковременную работу с ограниченной смазкой. Как уплотнения выходят из строя в такой среде и что означают следы на кольцах, описано в руководстве отказы и обслуживание торцевых уплотнений.

Meccanotecnica Umbra Turkey — турецкая компания итальянского производителя торцевых уплотнений Meccanotecnica Umbra S.p.A. Из промышленной зоны Икителли в Стамбуле компания производит и поставляет торцевые уплотнения, сальниковые набивки, прокладки и вращающиеся соединения для автомобильной промышленности, бытовой техники и промышленных насосов.

Группа отдельно проектирует и производит системы торцевых уплотнений для авиационного сектора и полностью адаптирует решения к переданным проектным данным; помимо воздушных турбинных стартеров (ATS) и вспомогательных силовых установок в этот объём входят редукторы вертолётов. Системы уплотнений для редукторов вертолётов разрабатывают в Центре компетенций в Кампелло-суль-Клитунно с применением таких технологий, как текстурирование поверхности.

Авиационную линейку не выбирают из каталога: каждое применение оценивается отдельно по проектным данным. Чтобы увидеть объём, откройте каталог авиационных применений группы, а промышленные линейки уплотнений и прокладок — в нашем каталоге продукции. Передайте данные по частоте вращения, температуре, смазке и габаритам вашего применения и свяжитесь с нами; наша команда в Турции направит запрос в авиационное конструкторское подразделение группы.