先进建模优化液压密封

寂静天花板 · 发表于 2016-11-18 11:02:54

液压密封对高度敏感，可能会带来问题，包括不能从转子上充分起降、不稳定的表现或彻底失败。Technetics集团通过利用在2015年的一种新的液压密封设计上的动态密封经验，解决了困扰着这项技术的问题，他们将现有的液压密封的漏气率从0.00035磅/分钟减至0.00016磅/分钟，同时实现了超过两倍的起降速度。
这意味着液压系统密封能成为可供范围广泛的航空应用选择的密封解决方案，从推进发动机到变速箱，再到辅助动力装置（APU），它能实现高达10倍的使用寿命，同时大幅减少维修和停机时间。

自从这一概念最先在20世纪60年代提出后，航空航天工业就对液压密封具有浓厚的兴趣，但是它还需要面对碳面接触式密封以及其他接触式密封解决方案的竞争，后者是可靠的，但性能受限，并且由于摩擦和由此产生的高温而需要定期服务。随着飞机运营商在提升正常运行时间以及降低成本方面承受着巨大的压力，通过在飞机的多个部件改用液压密封来减少检修计划，这成为一种极富吸引力的选择。
一家主要的Tier 1航空供应商希望Technetics集团为其辅助动力装置的主轴和变速箱提供液压密封。碳面密封曾在该应用中得到使用，但是由于它们与转子接触，所以每隔2000-5000小时飞行时间就必须进行更换。Technetics的液压密封设计预计能提供至少2万小时的服务寿命。
“要更换辅助动力装置上的一个密封，其过程可能需要花费数天时间，在许多情况下，技术人员不得不从飞机中移除引擎来进行这个过程，”Technetics集团高级市场经理Jason Riggs说，“密封通常靠近轴承，对其进行更换是一个大工程。”
在Technetics加入这个项目时，其竞争的液压密封在发动机测试中未能达到客户的性能要求。根据Riggs介绍，考虑到航空航天工程师们历来所遇到的与液压系统密封相关的问题，现在这种情况并不足为奇。
“液压密封已经遇到过大量设计和制造方面的问题，包括在高空中的飞机上的性能挑战，”Riggs指出，“这些失败的一个根本原因就是用于优化在这些条件下的流体动力学特征的设计理论和工具并不精确。”
当发动机加速和转子旋转时，将会在密封和转子之间创造所需的压缩气膜，使得密封从转子上起降，就像在湿路打滑过程中轮胎从路面分离一样。每个液压密封都会有一个起降（liftoff）速度，即空气压力超过弹簧或波纹管将密封保持在对面端面的压力（此时系统未激发）。设计一个起降快速的密封，以在引擎启动以及在高空飞行时更快地实现有效密封，这已被证明是难以捉摸的。
“我们的一个竞争对手的密封不能完全起降，”Riggs说，“这里仍然有一些压缩气膜，但它通常是处于起降和充分接触之间的工作状态。这会让液压密封设计的优势被边缘化。”
另一种竞争技术使用密封面上的磁铁让不同的密封端面分开。这种系统需要非常特定的润滑剂、O环以及安装方法，否则可能会带来灾难性的泄漏和轴承失效。

Technetics集团与一位行业顾问合作来开发可以分析和预测高空性能的代码，主要是依靠来自ADINA的建模软件。ADINA公司是由美国麻省理工学院（MIT）Klaus-Jürgen Bathe教授创立的，他是一位有限元分析的创新者。

Riggs提到ADINA时表示：“和其他建模工具相比，它有一个非常强大的解算器和更好的算法。这使得我们可以比竞争对手更准确地预测所需的密封锥度。我们就能够考虑以下因素所带来的变形：热膨胀、碳和容器在热梯度上的不匹配以及部件旋转和意图扭曲而带来的离心负载。在高空稀薄的空气与低的绝对压力情况下，大多数工具做出的理论假设并不准确。我们能做出更有根据的假设，并设计一个最优的液压槽。”
Riggs说，因为槽是静态的，而海拔高度会自然地发生变化，他们团队在模型中考虑了不同的高度和速度，但主要围绕密封发挥作用的最高海拔高度来设计。
要求绝对精度
设计这些液压密封只是第一个挑战。Technetics团队随后很快就发现传统制造设备和工艺并不足以精确到能以足够紧密的公差来切割液压槽，以获得最佳性能。
切割这些液压槽的传统方法是通过侵蚀介质来蚀刻。
Riggs说：“我们发现需要创建一个专有的工艺来实现比现有的一切要严格得多的公差。这是主要的任务，但我们通过比之前所见过的所有方法都更复杂的方法，设计了一个能控制液压槽位置、形状以及深度的工艺。”
由于紧张的项目截止日期和一些材料需要长时间的提前期，工程和采购不得不同时运行。13周的时间线要求该公司在原材料的提前期之外构建原型。
在客户主导的引擎测试中，Technetics集团的液压密封在起降、温度和高空性能方面与建模性能只差几个百分点。
“起降速度是一个性能和设计余量的很好指标，我们取得的起降速度比他们的次选方案低了一半，”Riggs说，“我们也比现有的液压密封选项具有更好的性能。”
测试也体现了新的密封设计和旧的之间耐久性的比较。“这种密封可以应付更多振动和极端条件，而且不会接触，”Riggs说，“我们也做了一些耐久性测试，在运行约2500个小时后，我们的液压密封完全没有磨损迹象。而竞争的液压密封技术显示出明显的磨损，主要是因为它们在高空中的起降速度较高以及气膜厚度较低，而且它们由于振动或高空而不能一致起降和接触。”
广泛深远的影响
这些液压密封的技术创新让航空航天工程师们可以更自信地在几个应用中使用它们。
Riggs说：“液压密封现在可以用在任何有旋转轴和需要气体密封或气雾密封的地方。你可以将它们用于推进发动机和辅助动力装置，以及其他应用，例如运行低温液体的火箭发动机的涡轮泵、变速箱和空气涡轮机起动装置。”
该技术具有与现有选项相比5倍到10倍的使用寿命，因而对军事和商业用航空领域都有着深远影响。
Riggs说：“我们的液压密封让客户能设计自己的装配组件具有较高的转速。而如果具有较高的速度，你将获得更高的效率，无论是发动机还是变速箱。”
未来的潜力
时间会告诉我们液压密封将多么快速地取代航空应用中的接触式密封。在客户意图降低飞机生命周期成本的压力下，原始设备制造商（OEMs）将迅速转向新的飞机。他们也会期望OEMs可以改造现有的液压密封组件，以降低维护成本和增加有效服务时间。

universal · 发表于 2016-11-18 11:32:25

Technetics的金属密封不错，不然它也上不了发动机

雷神、plus · 发表于 2016-11-18 12:14:32

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