Materiais mecânicos de carbono de alto desempenho para aplicações de vedação de aeronaves

Metallized Carbon Corporation, Ossining, Nova York

Materiais mecânicos modernos de carbono estão sendo usados em uma ampla variedade de aplicações, incluindo caixas de engrenagens de aeronaves, partidas de motores de turbinas a ar e vedações de eixo principais para motores de turbinas de aeronaves e unidades de energia auxiliares (APUs) de aeronaves. Esses materiais autolubrificantes são compostos de substâncias de eletrografite de granulação fina que são impregnadas com produtos químicos inorgânicos patenteados para melhorar suas qualidades lubrificantes e resistência à oxidação. Esses materiais modernos à base de 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 em alta temperatura.
Figura 1. Os anéis de vedação mecânica são usados para vedar a folga entre o eixo giratório e a carcaça estacionária em equipamentos como bombas e misturadores, para que o líquido não possa vazar através dessa folga. Esses mecanismos de vedação são frequentemente chamados de “vedações de eixo” ou “vedações de bomba”.
As caixas de engrenagens de aeronaves são usadas para reduzir a velocidade de rotação do eixo principal do motor de 26.000 rpm para cerca de 3.400 rpm, de modo que o eixo possa acionar componentes do sistema, como bombas hidráulicas, geradores e compressores de ar condicionado. Para vedar o óleo lubrificante dentro da caixa de engrenagens e protegê-lo contra vazamentos no ponto onde o eixo entra e sai da caixa de engrenagens, a maioria das caixas de engrenagens de aeronaves usa vedações faciais. As vedações faciais geralmente contêm um anel estacionário de carbono-grafite e um anel giratório de carboneto de silício ou carboneto de tungstênio. Os anéis que formam a vedação facial dinâmica são planos e mantidos juntos com molas ou ímãs para que os líquidos não possam fluir entre as faces do anel, mesmo que eles estejam girando um contra o outro em altas rotações (Figura 1).

Os dois anéis em movimento relativo que formam a vedação dinâmica são vedados ao eixo ou à carcaça da caixa de engrenagens com anéis de vedação estáticos, como anéis de vedação poliméricos. Os projetistas de vedações usam ranhuras em espiral, ranhuras retas e cunhas para canalizar ou bombear uma fina película de ar ou óleo entre as duas faces deslizantes de vedação. Isto cria sustentação aerodinâmica ou hidrodinâmica, o que reduz bastante o atrito e o desgaste das faces da vedação.

As partidas de motores de turbina a ar normalmente usam os mesmos materiais de vedação facial dinâmica de carbono-grafite versus carboneto de silício ou carboneto de tungstênio usados em vedações de caixa de engrenagens, mas a velocidade de deslizamento é muito maior. Essas partidas de motores de turbina a ar são, na verdade, pequenas turbinas que usam os gases de escape da unidade de potência auxiliar para criar a energia necessária para dar partida nos motores principais.

A velocidade do eixo nas partidas de motores pneumáticos pode chegar a 180.000 rpm, ou uma velocidade de deslizamento de cerca de 1.000 pés/s, que é quase a velocidade do som. As vedações são projetadas por fabricantes de vedações para aeronaves com cunhas e passagens de fluxo de gás para produzir decolagem aerodinâmica ou hidrodinâmica.
Figura 2. Anéis de vedação facial com anéis primários de carbono-grafite e anéis de vedação circunferenciais de carbono-grafite são usados em vedações do eixo principal de motores de aeronaves para controlar o fluxo de ar e o fluxo de gases de combustão dentro do motor.
Anéis de vedação facial, com anéis primários de carbono-grafite e anéis de vedação circunferenciais de carbono-grafite são usados em vedações do eixo principal de motores de aeronaves para controlar o fluxo de ar e o fluxo de gases de combustão dentro do motor (Figura 2). Eles também vedam o óleo lubrificante nos mancais principais do motor, permitindo que o eixo do compressor e o eixo da turbina a gás de combustão girem livremente. São usados ​​anéis de vedação circunferenciais e de face.

Para anéis de vedação do eixo principal circunferenciais, são usados segmentos de carbono-grafite que se ajustam com folga final estreita nas ranhuras do alojamento estacionário. Os segmentos de carbono-grafite são tensionados contra um revestimento de cerâmica ou metal duro no eixo rotativo por meio de uma mola “liga”. Cunhas de içamento e configurações usinadas são usadas para criar sustentação, de modo que essas vedações funcionem em um filme aerodinâmico ou hidrodinâmico. As velocidades de rotação podem chegar a 26.000 rpm e as temperaturas nos anéis de vedação podem chegar a 800 °F.

Unidades de energia auxiliares (APUs) são pequenos motores de turbina a gás usados para gerar energia elétrica, ar condicionado ou aquecimento da cabine quando os motores principais são desligados no portão para economizar combustível. As APUs contêm vedações de carbono-grafite que são semelhantes, mas menores que as vedações do motor principal.

Os materiais mecânicos de carbono autolubrificantes e isentos de óleo possuem uma combinação única de características que os tornam ideais para uso em aplicações de vedação de aeronaves comerciais e militares. Os materiais são autolubrificantes, autopolintes e dimensionalmente estáveis, o que garante uma boa vedação. Os materiais são resistentes ao calor e possuem alta condutividade térmica, o que ajuda a conduzir o calor de fricção para longe da superfície deslizante. Além disso, esses materiais são facilmente usináveis ​​para tolerâncias dimensionais aeroespaciais exatas e podem ser fornecidos lapidados e polidos com uma especificação de planicidade de uma faixa leve de hélio.

Este artigo foi escrito por Glenn H. Phelps da Metallized Carbon Corporation. Para mais informações, clique aqui