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Jul 07, 2023

Materiali meccanici in carbonio per applicazioni di tenuta di aeromobili

Metallized Carbon Corporation, Ossining, New York I moderni materiali meccanici in carbonio vengono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, tra cui scatole ingranaggi per aerei, avviatori di motori di turbine ad aria e

Metallized Carbon Corporation, Ossining, New York

I moderni materiali meccanici in carbonio vengono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, tra cui scatole ingranaggi per aeromobili, avviatori di motori a turbina ad aria e guarnizioni per alberi principali sia per motori a turbina per aeromobili che per unità di potenza ausiliarie (APU) per aeromobili. Questi materiali autolubrificanti sono composti da sostanze elettrografitiche a grana fine impregnate con sostanze chimiche inorganiche brevettate per migliorarne le qualità lubrificanti e la resistenza all'ossidazione. Questi moderni materiali a base di carbonio sono ideali per l'uso in applicazioni aeronautiche grazie al loro basso coefficiente di attrito, basso tasso di usura ad alta velocità di scorrimento, elevata conduttività termica e resistenza all'ossidazione nell'aria ad alta temperatura.

I riduttori degli aerei vengono utilizzati per ridurre la velocità di rotazione dell'albero motore principale da un massimo di 26.000 giri al minuto fino a circa 3.400 giri al minuto, in modo che l'albero possa azionare componenti del sistema come pompe idrauliche, generatori e compressori dell'aria condizionata. Per sigillare l'olio lubrificante all'interno della scatola del cambio e proteggerlo da perdite nel punto in cui l'albero entra ed esce dalla scatola del cambio, la maggior parte delle scatole del cambio degli aerei utilizza guarnizioni facciali. Le tenute frontali contengono solitamente un anello stazionario in grafite di carbonio e un anello rotante in carburo di silicio o carburo di tungsteno. Gli anelli che compongono la tenuta frontale dinamica sono entrambi lappati e tenuti insieme da molle o magneti in modo che i liquidi non possano fluire tra le facce dell'anello, anche se ruotano l'una contro l'altra ad alto numero di giri (Figura 1).

I due anelli in movimento relativo che realizzano la tenuta dinamica sono sigillati all'albero o all'alloggiamento della scatola del cambio con anelli di tenuta statici come gli O-ring polimerici. I progettisti delle tenute utilizzano scanalature a spirale, scanalature diritte e cunei per incanalare o pompare un sottile film di aria o olio tra le due facce di tenuta scorrevoli. Ciò crea una portanza aerodinamica o idrodinamica, che riduce notevolmente l'attrito e l'usura delle facce della tenuta.

Gli avviatori dei motori delle turbine ad aria utilizzano in genere gli stessi materiali per guarnizioni facciali dinamiche in grafite di carbonio rispetto a carburo di silicio o carburo di tungsteno utilizzati nelle guarnizioni del cambio, ma la velocità di scorrimento è molto più elevata. Questi avviatori per motori a turbina ad aria sono in realtà piccole turbine che utilizzano i gas di scarico dell'unità di potenza ausiliaria per creare la potenza necessaria per avviare i motori principali.

La velocità dell'albero sugli avviatori dei motori pneumatici può arrivare fino a 180.000 giri al minuto o una velocità di scorrimento di circa 1.000 piedi/s, che è quasi la velocità del suono. Le guarnizioni sono progettate dai produttori di guarnizioni per aeromobili con cunei e passaggi del flusso di gas per produrre un decollo aerodinamico o idrodinamico.

Gli anelli di tenuta frontale, con anelli primari in grafite di carbonio e gli anelli di tenuta circonferenziali in grafite di carbonio, vengono utilizzati nelle tenute dell'albero principale dei motori aeronautici per controllare il flusso d'aria e il flusso dei gas di combustione all'interno del motore (Figura 2). Inoltre sigillano l'olio lubrificante nei cuscinetti principali del motore che consentono all'albero del compressore e all'albero della turbina a gas di combustione di ruotare liberamente. Vengono utilizzati sia anelli di tenuta circonferenziali che di tipo frontale.

Per gli anelli di tenuta circonferenziali dell'albero principale, vengono utilizzati segmenti di grafite di carbonio che si adattano con gioco terminale chiuso nelle fessure dell'alloggiamento stazionario. I segmenti in grafite di carbonio vengono tensionati contro un rivestimento in ceramica o metallo duro sull'albero rotante mediante una molla "giarrettiera". I cunei di sollevamento e le configurazioni lavorate a macchina vengono utilizzati per creare portanza in modo che queste guarnizioni funzionino su una pellicola aerodinamica o idrodinamica. Le velocità di rotazione possono raggiungere i 26.000 giri al minuto e le temperature negli anelli di tenuta possono raggiungere gli 800 °F.

Le unità di potenza ausiliarie (APU) sono piccoli motori a turbina a gas utilizzati per creare energia elettrica, aria condizionata o calore in cabina quando i motori principali sono spenti al cancello per risparmiare carburante. Le APU contengono guarnizioni in grafite di carbonio simili, ma più piccole, alle guarnizioni del motore principale.

I materiali in carbonio meccanico autolubrificanti e privi di olio presentano una combinazione unica di caratteristiche che li rendono ideali per l'uso in applicazioni di tenuta per aerei commerciali e militari. I materiali sono autolubrificanti, autolucidanti e dimensionalmente stabili, il che assicura un buon accoppiamento di tenuta. I materiali sono resistenti al calore e hanno un'elevata conduttività termica, che aiuta a dissipare il calore dovuto all'attrito dalla superficie di scorrimento. Inoltre, questi materiali sono facilmente lavorabili secondo precise tolleranze dimensionali aerospaziali e possono essere forniti lappati e lucidati secondo una specifica di planarità di una banda leggera di elio.