先進建模優化液壓密封

寂靜天花板 · 發表于 2016-11-18 11:02:54

液壓密封對高度敏感，可能會帶來問題，包括不能從轉子上充分起降、不穩定的表現或徹底失敗。Technetics集團通過利用在2015年的一種新的液壓密封設計上的動態密封經驗，解決了困擾著這項技術的問題，他們將現有的液壓密封的漏氣率從0.00035磅/分鐘減至0.00016磅/分鐘，同時實現了超過兩倍的起降速度。
這意味著液壓系統密封能成為可供范圍廣泛的航空應用選擇的密封解決方案，從推進發動機到變速箱，再到輔助動力裝置（APU），它能實現高達10倍的使用壽命，同時大幅減少維修和停機時間。

自從這一概念最先在20世紀60年代提出后，航空航天工業就對液壓密封具有濃厚的興趣，但是它還需要面對碳面接觸式密封以及其他接觸式密封解決方案的競爭，后者是可靠的，但性能受限，并且由于摩擦和由此產生的高溫而需要定期服務。隨著飛機運營商在提升正常運行時間以及降低成本方面承受著巨大的壓力，通過在飛機的多個部件改用液壓密封來減少檢修計劃，這成為一種極富吸引力的選擇。
一家主要的Tier 1航空供應商希望Technetics集團為其輔助動力裝置的主軸和變速箱提供液壓密封。碳面密封曾在該應用中得到使用，但是由于它們與轉子接觸，所以每隔2000-5000小時飛行時間就必須進行更換。Technetics的液壓密封設計預計能提供至少2萬小時的服務壽命。
“要更換輔助動力裝置上的一個密封，其過程可能需要花費數天時間，在許多情況下，技術人員不得不從飛機中移除引擎來進行這個過程，”Technetics集團高級市場經理Jason Riggs說，“密封通常靠近軸承，對其進行更換是一個大工程。”
在Technetics加入這個項目時，其競爭的液壓密封在發動機測試中未能達到客戶的性能要求。根據Riggs介紹，考慮到航空航天工程師們歷來所遇到的與液壓系統密封相關的問題，現在這種情況并不足為奇。
“液壓密封已經遇到過大量設計和制造方面的問題，包括在高空中的飛機上的性能挑戰，”Riggs指出，“這些失敗的一個根本原因就是用于優化在這些條件下的流體動力學特征的設計理論和工具并不精確。”
當發動機加速和轉子旋轉時，將會在密封和轉子之間創造所需的壓縮氣膜，使得密封從轉子上起降，就像在濕路打滑過程中輪胎從路面分離一樣。每個液壓密封都會有一個起降（liftoff）速度，即空氣壓力超過彈簧或波紋管將密封保持在對面端面的壓力（此時系統未激發）。設計一個起降快速的密封，以在引擎啟動以及在高空飛行時更快地實現有效密封，這已被證明是難以捉摸的。
“我們的一個競爭對手的密封不能完全起降，”Riggs說，“這里仍然有一些壓縮氣膜，但它通常是處于起降和充分接觸之間的工作狀態。這會讓液壓密封設計的優勢被邊緣化。”
另一種競爭技術使用密封面上的磁鐵讓不同的密封端面分開。這種系統需要非常特定的潤滑劑、O環以及安裝方法，否則可能會帶來災難性的泄漏和軸承失效。

Technetics集團與一位行業顧問合作來開發可以分析和預測高空性能的代碼，主要是依靠來自ADINA的建模軟件。ADINA公司是由美國麻省理工學院（MIT）Klaus-Jürgen Bathe教授創立的，他是一位有限元分析的創新者。

Riggs提到ADINA時表示：“和其他建模工具相比，它有一個非常強大的解算器和更好的算法。這使得我們可以比競爭對手更準確地預測所需的密封錐度。我們就能夠考慮以下因素所帶來的變形：熱膨脹、碳和容器在熱梯度上的不匹配以及部件旋轉和意圖扭曲而帶來的離心負載。在高空稀薄的空氣與低的絕對壓力情況下，大多數工具做出的理論假設并不準確。我們能做出更有根據的假設，并設計一個最優的液壓槽。”
Riggs說，因為槽是靜態的，而海拔高度會自然地發生變化，他們團隊在模型中考慮了不同的高度和速度，但主要圍繞密封發揮作用的最高海拔高度來設計。
要求絕對精度
設計這些液壓密封只是第一個挑戰。Technetics團隊隨后很快就發現傳統制造設備和工藝并不足以精確到能以足夠緊密的公差來切割液壓槽，以獲得最佳性能。
切割這些液壓槽的傳統方法是通過侵蝕介質來蝕刻。
Riggs說：“我們發現需要創建一個專有的工藝來實現比現有的一切要嚴格得多的公差。這是主要的任務，但我們通過比之前所見過的所有方法都更復雜的方法，設計了一個能控制液壓槽位置、形狀以及深度的工藝。”
由于緊張的項目截止日期和一些材料需要長時間的提前期，工程和采購不得不同時運行。13周的時間線要求該公司在原材料的提前期之外構建原型。
在客戶主導的引擎測試中，Technetics集團的液壓密封在起降、溫度和高空性能方面與建模性能只差幾個百分點。
“起降速度是一個性能和設計余量的很好指標，我們取得的起降速度比他們的次選方案低了一半，”Riggs說，“我們也比現有的液壓密封選項具有更好的性能。”
測試也體現了新的密封設計和舊的之間耐久性的比較。“這種密封可以應付更多振動和極端條件，而且不會接觸，”Riggs說，“我們也做了一些耐久性測試，在運行約2500個小時后，我們的液壓密封完全沒有磨損跡象。而競爭的液壓密封技術顯示出明顯的磨損，主要是因為它們在高空中的起降速度較高以及氣膜厚度較低，而且它們由于振動或高空而不能一致起降和接觸。”
廣泛深遠的影響
這些液壓密封的技術創新讓航空航天工程師們可以更自信地在幾個應用中使用它們。
Riggs說：“液壓密封現在可以用在任何有旋轉軸和需要氣體密封或氣霧密封的地方。你可以將它們用于推進發動機和輔助動力裝置，以及其他應用，例如運行低溫液體的火箭發動機的渦輪泵、變速箱和空氣渦輪機起動裝置。”
該技術具有與現有選項相比5倍到10倍的使用壽命，因而對軍事和商業用航空領域都有著深遠影響。
Riggs說：“我們的液壓密封讓客戶能設計自己的裝配組件具有較高的轉速。而如果具有較高的速度，你將獲得更高的效率，無論是發動機還是變速箱。”
未來的潛力
時間會告訴我們液壓密封將多么快速地取代航空應用中的接觸式密封。在客戶意圖降低飛機生命周期成本的壓力下，原始設備制造商（OEMs）將迅速轉向新的飛機。他們也會期望OEMs可以改造現有的液壓密封組件，以降低維護成本和增加有效服務時間。

universal · 發表于 2016-11-18 11:32:25

Technetics的金屬密封不錯，不然它也上不了發動機

雷神、plus · 發表于 2016-11-18 12:14:32

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