Matériaux mécaniques en carbone haute performance pour les applications de joints d'étanchéité d'avions

Metallized Carbon Corporation, Ossining, New York

Les matériaux mécaniques modernes en carbone sont utilisés dans une grande variété d'applications, notamment les boîtes de vitesses d'avions, les démarreurs de moteurs de turbines à air et les joints d'arbre principal pour les moteurs de turbine d'avions et les groupes auxiliaires de puissance (APU) d'avions. Ces matériaux autolubrifiants sont composés de substances électrographites à grains fins imprégnées de produits chimiques inorganiques exclusifs pour améliorer leurs qualités lubrifiantes et leur résistance à l'oxydation. Ces matériaux modernes à base de carbone sont idéaux pour une utilisation dans les applications aéronautiques en raison de leur faible coefficient de friction, de leur faible taux d'usure à vitesse de glissement élevée, de leur conductivité thermique élevée et de leur résistance à l'oxydation dans l'air à haute température.

Figure 1. Les bagues d'étanchéité mécanique sont utilisées pour sceller l'espace entre l'arbre rotatif et le boîtier fixe dans des équipements tels que les pompes et les mélangeurs afin que le liquide ne puisse pas s'échapper par cet espace. Ces mécanismes d’étanchéité sont souvent appelés « joints d’arbre » ou « joints de pompe ».

Les boîtes de vitesses d'avion sont utilisées pour réduire la vitesse de rotation de l'arbre du moteur principal d'un maximum de 26 000 tr/min à environ 3 400 tr/min, afin que l'arbre puisse entraîner des composants du système tels que des pompes hydrauliques, des générateurs et des compresseurs de climatisation. Pour sceller l'huile lubrifiante à l'intérieur de la boîte de vitesses et l'empêcher de s'échapper au point où l'arbre entre et sort de la boîte de vitesses, la plupart des boîtes de vitesses d'avion utilisent des joints faciaux. Les joints faciaux contiennent généralement un anneau fixe en carbone-graphite et un anneau rotatif en carbure de silicium ou en carbure de tungstène. Les anneaux qui composent le joint facial dynamique sont tous deux rodés à plat et maintenus ensemble par des ressorts ou des aimants afin que les liquides ne puissent pas circuler entre les faces de l'anneau, même s'ils tournent l'un contre l'autre à un régime élevé (Figure 1).

Les deux bagues en mouvement relatif qui constituent l'étanchéité dynamique sont scellées à l'arbre ou au carter de la boîte de vitesses avec des bagues d'étanchéité statiques telles que des joints toriques en polymère. Les concepteurs de joints utilisent des rainures en spirale, des rainures droites et des cales pour canaliser ou pomper un mince film d'air ou d'huile entre les deux faces d'étanchéité coulissantes. Cela crée une portance aérodynamique ou hydrodynamique, ce qui réduit considérablement la friction et l'usure des faces du joint.

Les démarreurs de moteurs de turbines à air utilisent généralement les mêmes matériaux de joint facial dynamique en graphite de carbone que en carbure de silicium ou en carbure de tungstène qui sont utilisés dans les joints de boîte de vitesses, mais la vitesse de glissement est beaucoup plus élevée. Ces démarreurs de moteurs de turbine à air sont en fait de petites turbines qui utilisent les gaz d'échappement du groupe auxiliaire de puissance pour créer la puissance nécessaire au démarrage des moteurs principaux.

La vitesse de l'arbre sur les démarreurs de moteurs pneumatiques peut atteindre 180 000 tr/min, soit une vitesse de glissement d'environ 1 000 pieds/s, ce qui correspond presque à la vitesse du son. Les joints sont conçus par les fabricants de joints d'avion avec des cales et des passages d'écoulement de gaz pour produire un décollage aérodynamique ou hydrodynamique.

Figure 2. Des bagues d'étanchéité frontales avec des bagues primaires en carbone-graphite et des bagues d'étanchéité circonférentielles en carbone-graphite sont utilisées dans les joints d'arbre principal des moteurs d'avion pour contrôler le débit d'air et le débit de gaz de combustion à l'intérieur du moteur.

Des bagues d'étanchéité frontales, avec des bagues primaires en carbone-graphite, et des bagues d'étanchéité circonférentielles en carbone-graphite sont utilisées dans les joints d'arbre principal des moteurs d'avion pour contrôler le débit d'air et le débit de gaz de combustion à l'intérieur du moteur (Figure 2). Ils scellent également l’huile lubrifiante dans les roulements du moteur principal qui permettent à l’arbre du compresseur et à l’arbre de la turbine à gaz de tourner librement. Des bagues d'étanchéité de type circonférentiel et facial sont utilisées.

Pour les bagues d'étanchéité circonférentielles de l'arbre principal, des segments en carbone-graphite qui s'ajustent avec un jeu d'extrémité étroit dans les fentes du boîtier fixe sont utilisés. Les segments en carbone-graphite sont tendus contre un revêtement en céramique ou en métal dur sur l'arbre rotatif à l'aide d'un ressort « jarretière ». Des cales de levage et des configurations usinées sont utilisées pour créer une portance afin que ces joints fonctionnent sur un film aérodynamique ou hydrodynamique. Les vitesses de rotation peuvent atteindre 26 000 tr/min et les températures dans les bagues d'étanchéité peuvent atteindre 800 °F.

Les unités de puissance auxiliaires (APU) sont de petits moteurs à turbine à gaz utilisés pour créer de l'énergie électrique, de la climatisation ou du chauffage dans la cabine lorsque les moteurs principaux sont éteints à la porte pour économiser du carburant. Les APU contiennent des joints en carbone-graphite qui sont similaires, mais plus petits, aux joints du moteur principal.

Les matériaux mécaniques en carbone sans huile et autolubrifiants présentent une combinaison unique de caractéristiques qui les rendent idéaux pour une utilisation dans les applications de joints d'avions commerciaux et militaires. Les matériaux sont autolubrifiants, autopolissants et dimensionnellement stables, ce qui garantit une bonne étanchéité. Les matériaux sont résistants à la chaleur et ont une conductivité thermique élevée, ce qui aide à évacuer la chaleur de friction de la surface de glissement. De plus, ces matériaux sont facilement usinables selon des tolérances dimensionnelles rigoureuses de l'aérospatiale, et ils peuvent être fournis rodés et polis selon une spécification de planéité d'une bande lumineuse à l'hélium.

Cet article a été rédigé par Glenn H. Phelps de Metallized Carbon Corporation. Pour plus d'informations, cliquez ici