Materiales de carbono mecánico de alto rendimiento para aplicaciones de sellos de aeronaves

Metallized Carbon Corporation, Ossining, Nueva York

Los materiales de carbono mecánicos modernos se están utilizando en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas cajas de engranajes de aviones, arrancadores de motores de turbinas de aire y sellos de eje principal tanto para motores de turbinas de aviones como para unidades de potencia auxiliar (APU) de aviones. Estos materiales autolubricantes están compuestos de sustancias de electrografito de grano fino que están impregnadas con productos químicos inorgánicos patentados para mejorar sus cualidades lubricantes y su resistencia a la oxidación. Estos modernos materiales a base de carbono son ideales para su uso en aplicaciones aeronáuticas debido a su bajo coeficiente de fricción, baja tasa de desgaste a alta velocidad de deslizamiento, alta conductividad térmica y resistencia a la oxidación en aire a alta temperatura.

Figura 1. Los anillos de sello mecánico se utilizan para sellar el espacio entre el eje giratorio y la carcasa estacionaria en equipos como bombas y mezcladores para que el líquido no pueda escaparse a través de este espacio. Estos mecanismos de sellado a menudo se denominan "sellos de eje" o "sellos de bomba".

Las cajas de cambios de los aviones se utilizan para reducir la velocidad de rotación del eje del motor principal desde 26.000 rpm hasta aproximadamente 3.400 rpm, de modo que el eje pueda impulsar componentes del sistema como bombas hidráulicas, generadores y compresores de aire acondicionado. Para sellar el aceite lubricante dentro de la caja de cambios y protegerlo de fugas en el punto donde el eje entra y sale de la caja de cambios, la mayoría de las cajas de cambios de aviones utilizan sellos faciales. Los sellos faciales suelen contener un anillo estacionario de grafito de carbono y un anillo giratorio de carburo de silicio o carburo de tungsteno. Los anillos que forman el sello de la cara dinámica están planos y se mantienen unidos con resortes o imanes para que los líquidos no puedan fluir entre las caras del anillo, aunque giren entre sí a altas revoluciones (Figura 1).

Los dos anillos en movimiento relativo que forman el sello dinámico están sellados al eje o a la carcasa de la caja de engranajes con anillos de sello estáticos, como juntas tóricas poliméricas. Los diseñadores de sellos utilizan ranuras en espiral, ranuras rectas y cuñas para canalizar o bombear una fina película de aire o aceite entre las dos caras de sellado deslizantes. Esto crea elevación aerodinámica o hidrodinámica, lo que reduce en gran medida la fricción y el desgaste de las caras del sello.

Los arrancadores de motores de turbinas de aire suelen utilizar los mismos materiales de sello de cara dinámica de grafito de carbono que de carburo de silicio o carburo de tungsteno que se utilizan en los sellos de las cajas de engranajes, pero la velocidad de deslizamiento es mucho mayor. Estos arrancadores de motores de turbina de aire son en realidad pequeñas turbinas que utilizan los gases de escape de la unidad de potencia auxiliar para crear la energía necesaria para arrancar los motores principales.

La velocidad del eje en los arrancadores de motores neumáticos puede llegar a 180.000 rpm, o una velocidad de deslizamiento de aproximadamente 1.000 pies/s, que es casi la velocidad del sonido. Los sellos están diseñados por fabricantes de sellos para aviones con cuñas y conductos de flujo de gas para producir un despegue aerodinámico o hidrodinámico.

Figura 2. Los anillos de sello frontal con anillos primarios de grafito de carbono y los anillos de sello circunferenciales de grafito de carbono se utilizan en sellos del eje principal de motores de aeronaves para controlar el flujo de aire y el flujo de gas de combustión dentro del motor.

Los anillos de sello frontal, con anillos primarios de carbono-grafito y los anillos de sello circunferenciales de carbono-grafito se utilizan en los sellos del eje principal de los motores de aeronaves para controlar el flujo de aire y el flujo de gas de combustión dentro del motor (Figura 2). También sellan el aceite lubricante en los cojinetes del motor principal que permiten que el eje del compresor y el eje de la turbina de gas de combustión giren libremente. Se utilizan anillos de sellado de tipo circunferencial y frontal.

Para los anillos de sello circunferenciales del eje principal, se utilizan segmentos de grafito de carbono que encajan con un espacio reducido en las ranuras de la carcasa estacionaria. Los segmentos de grafito de carbono se tensan contra un revestimiento cerámico o de metal duro en el eje giratorio mediante un resorte tipo liga. Se utilizan cuñas de elevación y configuraciones mecanizadas para crear elevación de modo que estos sellos se deslicen sobre una película aerodinámica o hidrodinámica. Las velocidades de rotación pueden alcanzar hasta 26 000 rpm y las temperaturas en los anillos de sellado pueden alcanzar hasta 800 °F.

Las unidades de energía auxiliar (APU) son pequeños motores de turbina de gas que se utilizan para generar energía eléctrica, aire acondicionado o calefacción en la cabina cuando los motores principales se apagan en la puerta para ahorrar combustible. Las APU contienen sellos de grafito de carbono que son similares a los sellos del motor principal, pero más pequeños.

Los materiales de carbono mecánicos autolubricantes y libres de aceite tienen una combinación única de características que los hace ideales para su uso en aplicaciones de sellos de aeronaves comerciales y militares. Los materiales son autolubricantes, autopulimentantes y dimensionalmente estables, lo que asegura un buen sellado. Los materiales son resistentes al calor y tienen una alta conductividad térmica, lo que ayuda a conducir el calor por fricción lejos de la superficie deslizante. Además, estos materiales se pueden mecanizar fácilmente según las estrictas tolerancias dimensionales aeroespaciales y se pueden suministrar lapeados y pulidos hasta alcanzar la especificación de planitud de una banda de luz de helio.

Este artículo fue escrito por Glenn H. Phelps de Metallized Carbon Corporation. Para obtener más información, haga clic aquí