Materiais de Carbono Mecânico de Alto Desempenho para Aplicações de Vedação em Aeronaves

Materiais de carbono mecânicos modernos estão sendo usados em uma ampla variedade de aplicações, incluindo caixas de engrenagens de aeronaves, partidas de motor a turbina a ar e vedantes de eixo principal para motores de turbina a gás de aeronaves e unidades de potência auxiliares (APUs) de aeronaves. Estes materiais auto-lubrificantes são compostos de substâncias de eletrografita de grão fino que são impregnadas com produtos químicos inorgânicos proprietários para melhorar suas qualidades lubrificantes e resistência à oxidação. Estes materiais modernos baseados em carbono são ideais para uso em aplicações aeronáuticas devido ao seu baixo coeficiente de atrito, baixa taxa de desgaste em alta velocidade de deslizamento, alta condutividade térmica e resistência à oxidação em ar de alta temperatura.

Caixas de engrenagens de aeronaves são usadas para reduzir a velocidade de rotação do eixo principal do motor de até 26.000 rpm para cerca de 3.400 rpm, para que o eixo possa acionar componentes do sistema como bombas hidráulicas, geradores e compressores de ar condicionado. Para vedar o lubrificante de óleo dentro da caixa de engrenagens e protegê-lo de vazamento no ponto onde o eixo entra e sai da caixa de engrenagens, a maioria das caixas de engrenagens de aeronaves usa vedações de face. As vedações de face geralmente contêm um anel estacionário de carbono-grafita e um anel rotativo de carbeto de silício ou carboneto de tungstênio. Os anéis que fazem a vedação de face dinâmica são ambos lapidados planos e mantidos juntos com molas ou ímãs para que líquidos não possam fluir entre as faces dos anéis, mesmo girando um contra o outro em alto rpm (Figura 1).

Os dois anéis em movimento relativo que fazem a vedação dinâmica são vedados ao eixo ou à carcaça da caixa de engrenagens com anéis de vedação estáticos como O-rings poliméricos. Projetistas de vedação usam ranhuras espirais, ranhuras retas e cunhas para canalizar ou bombear uma fina película de ar ou óleo entre as duas faces de vedação deslizantes. Isso cria sustentação aerodinâmica ou hidrodinâmica, que reduz grandemente o atrito e desgaste das faces de vedação.

Partidas de motor a turbina a ar tipicamente usam os mesmos materiais de vedação de face dinâmica de carbono-grafita versus carbeto de silício ou carboneto de tungstênio que são usados em vedações de caixa de engrenagens, mas a velocidade de deslizamento é muito maior. Estas partidas de motor a turbina a ar são na verdade pequenas turbinas que usam gás de exaustão da unidade de potência auxiliar para criar a potência necessária para dar partida nos motores principais.

A velocidade do eixo em partidas de motor a ar pode ser tão alta quanto 180.000 rpm, ou velocidade de deslizamento de cerca de 1000 ft/s, que é quase a velocidade do som. As vedações são projetadas por fabricantes de vedações de aeronaves com cunhas e passagens de fluxo de gás para produzir sustentação aerodinâmica ou hidrodinâmica.

Anéis de vedação de face, com anéis primários de carbono-grafita, e anéis de vedação circunferenciais de carbono-grafita são usados em vedações de eixo principal de motor de aeronave para controlar o fluxo de ar e fluxo de gás de combustão dentro do motor (Figura 2). Eles também vedam o óleo lubrificante nos mancais principais do motor que permitem que o eixo do compressor e o eixo da turbina de gás de combustão girem livremente. Ambos os tipos de anéis de vedação circunferencial e de face são usados.

Para anéis de vedação de eixo principal circunferenciais, segmentos de carbono-grafita que se ajustam com folga final próxima em ranhuras na carcaça estacionária são usados. Os segmentos de carbono-grafita são tensionados contra um revestimento cerâmico ou de metal duro no eixo rotativo usando uma mola "garter". Cunhas de sustentação e configurações usinadas são usadas para criar sustentação para que estas vedações rodem em um filme aerodinâmico ou hidrodinâmico. Velocidades de rotação podem ser tão altas quanto 26.000 rpm, e temperaturas nos anéis de vedação podem alcançar até 800 °F.

Unidades de potência auxiliares (APUs) são pequenos motores a turbina a gás usados para criar energia elétrica, ar condicionado ou aquecimento de cabine quando os motores principais são desligados no portão para economizar combustível. APUs contêm vedações de carbono-grafita que são similares, mas menores que vedações de motor principal.

Materiais de carbono mecânicos sem óleo, auto-lubrificantes têm uma combinação única de características que os torna ideais para uso em aplicações de vedação em aeronaves comerciais e militares. Os materiais são auto-lubrificantes, auto-polidores e dimensionalmente estáveis, o que garante um bom par de vedação. Os materiais são resistentes ao calor e têm alta condutividade térmica, o que ajuda a conduzir calor de atrito para longe da superfície de deslizamento. Adicionalmente, estes materiais são prontamente usináveis a tolerâncias dimensionais aeroespaciais exigentes, e podem ser fornecidos lapidados e polidos a uma especificação de planicidade de uma banda de luz de hélio.