Materiales de carbono mecánico de alto rendimiento para aplicaciones de sellado en aeronaves

Los materiales de carbono mecánico modernos se usan en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo cajas de cambios de aeronaves, arrancadores de motores de turbina de aire, y sellos de eje principal para motores de turbina de aeronaves y unidades de potencia auxiliares (APU). Estos materiales auto-lubricantes están compuestos de sustancias electrográfico de grano fino impregnadas con químicos inorgánicos propietarios para mejorar sus cualidades lubricantes y resistencia a la oxidación. Estos materiales modernos basados en carbono son ideales para uso en aplicaciones aeronáuticas por 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.

Sellos en cajas de cambios de aeronaves

Las cajas de cambios de aeronaves reducen la velocidad de rotación del eje principal del motor de hasta 26.000 rpm a unas 3.400 rpm, para que el eje pueda accionar componentes del sistema como bombas hidráulicas, generadores y compresores de aire acondicionado. Para sellar el lubricante de aceite dentro de la caja de cambios y protegerlo de fugas en el punto donde el eje entra y sale, la mayoría de cajas de cambios usan sellos frontales. Estos suelen contener un anillo estacionario de carbono-grafito y un anillo rotativo de carburo de silicio o carburo de tungsteno. Los anillos que forman el sello frontal dinámico son ambos rectificados planos y mantenidos juntos con resortes o imanes para que los líquidos no fluyan entre las caras, aunque giren una contra otra a altas rpm (Figura 1).

Los dos anillos en movimiento relativo que forman el sello dinámico se sellan al eje o carcasa de la caja de cambios con anillos de sello estáticos como juntas tóricas poliméricas. Los diseñadores de sellos usan ranuras en espiral, rectas y cuñas para canalizar o bombear una película fina de aire o aceite entre las dos caras deslizantes. Esto crea sustentación aerodinámica o hidrodinámica, que reduce enormemente la fricción y desgaste de las caras del sello.

Arrancadores de motor de turbina de aire

Los arrancadores de motor de turbina de aire típicamente usan los mismos materiales de sello frontal dinámico de carbono-grafito versus carburo de silicio o carburo de tungsteno que los sellos de caja de cambios, pero la velocidad de deslizamiento es mucho mayor. Estos arrancadores son en realidad turbinas pequeñas que usan el gas de escape de la unidad de potencia auxiliar para crear la potencia necesaria para arrancar los motores principales.

La velocidad del eje en arrancadores de motor de aire puede ser de hasta 180.000 rpm, o una velocidad de deslizamiento de unos 1000 pies/segundo, cerca de la velocidad del sonido. Los sellos son diseñados por fabricantes de sellos aeronáuticos con cuñas y pasos de flujo de gas para producir despegue aerodinámico o hidrodinámico.

Sellos de eje principal de motores de turbina

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

Para anillos de sello circunferencial principal, se usan segmentos de carbono-grafito que encajan con holgura de extremo cercana en ranuras en la carcasa estacionaria. Los segmentos se tensionan contra un recubrimiento cerámico o metálico duro en el eje rotativo usando un resorte "garter". Cuñas de elevación y configuraciones mecanizadas crean sustentación para que estos sellos funcionen sobre una película aerodinámica o hidrodinámica. Las velocidades de rotación pueden ser de hasta 26.000 rpm, y las temperaturas en los anillos de sello pueden alcanzar 800 °F.

Unidades de potencia auxiliar (APU)

Las APU son pequeños motores de turbina de gas usados para crear energía eléctrica, aire acondicionado o calor de cabina cuando los motores principales están apagados en la puerta para ahorrar combustible. Las APU contienen sellos de carbono-grafito similares a, pero más pequeños que, los sellos de motor principal.

Ventajas únicas

Los materiales de carbono mecánico sin aceite y auto-lubricantes tienen una combinación única de características que los hace ideales para aplicaciones de sellado en aeronaves comerciales y militares. Los materiales son auto-lubricantes, auto-pulidores y dimensionalmente estables, lo que asegura un buen contacto de sellado. Son resistentes al calor y tienen alta conductividad térmica, lo que ayuda a conducir el calor por fricción lejos de la superficie deslizante. Además, estos materiales son fácilmente mecanizables a tolerancias dimensionales aeroespaciales exigentes, y pueden suministrarse rectificados y pulidos a una especificación de planicidad de una banda de luz de helio.

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