Hochleistungs-Mechanische Carbon-Materialien für Flugzeugdichtungen

Moderne mechanische Carbon-Werkstoffe in der Luftfahrt

Moderne mechanische Carbon-Materialien finden breite Anwendung: Flugzeuggetriebe, Luftturbinenschlüsselmotoren, Hauptwellendichtungen für Turbinentriebwerke und Auxiliary Power Units (APUs). Diese selbstschmierenden Werkstoffe bestehen aus feinkörnigem Elektrographit, imprägniert mit proprietären anorganischen Chemikalien zur Verbesserung von Schmiereigenschaften und Oxidationsbeständigkeit. Ideal für Luftfahrt: niedriger Reibungskoeffizient, geringer Verschleiß bei hoher Gleitgeschwindigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, Oxidationsbeständigkeit in heißer Luft.

Funktionsprinzip: Dynamische Flachdichtungen

Abb. 1: Mechanische Dichtringe dichten Spalt zwischen rotierender Welle und stehendem Gehäuse (Pumpen, Mischer) ab – „Wellendichtungen“ oder „Pumpendichtungen“. Zwei Ringe in Relativbewegung bilden dynamische Dichtung: beide plan geschliffen, durch Federn/Magnete zusammengepresst → keine Flüssigkeit zwischen Ringflächen trotz hoher Drehzahl.

Die beiden Ringe werden über statische Dichtringe (z. B. Polymer-O-Ringe) an Welle/Gehäuse abgedichtet. Spiralnuten, Geradenuten, Keile leiten dünnen Luft-/Ölfilm zwischen die Gleitflächen → aerodynamischer/hydrodynamischer Auftrieb → drastische Reibungs- und Verschleißreduzierung.

Anwendungsbereiche

Flugzeuggetriebe

Reduzieren Hauptwellen-Drehzahl von bis zu 26.000 rpm auf ~3.400 rpm für Hydraulikpumpen, Generatoren, Klimaanlagenkompressoren. Abdichtung des Schmieröls im Getriebe am Wellenein-/austritt: Flachdichtungen mit Carbon-Graphit-Stativring + Siliciumcarbid- oder Wolframcarbid-Rotierring.

Luftturbinenschlüsselmotoren (Air Turbine Motor Starters)

Gleiche Dichtwerkstoffe (Carbon-Graphit vs. SiC/WC), aber deutlich höhere Gleitgeschwindigkeit. Kleine Turbinen, die APU-Abgasgas nutzen, um Haupttriebwerke zu starten. Wellendrehzahl bis 180.000 rpm → Gleitgeschwindigkeit ~1000 ft/s (nahe Schallgeschwindigkeit). Dichtungen mit Keilen/Gasströmungskanälen für aerodynamischen/hydrodynamischen Auftrieb (Lift-off).

Hauptwellendichtungen Turbinentriebwerke

Abb. 2: Flachdichtringe (Carbon-Graphit Primärringe + Carbon-Graphit Umfangsringe) steuern Luft- und Verbrennungsgasströmung im Motor. Ölabdichtung in Hauptlager (Verdichterwelle, Turbinenwelle). Beide Ringtypen (Umfangs- und Flachdichtung) im Einsatz.

Umfangs-Hauptwellendichtringe: Carbon-Graphit-Segmente mit engem Stirnspiel in Nuten des stehenden Gehäuses. Gegen keramische/hartmetallbeschichtete Welle mittels „Garter“-Feder vorgespannt. Auftriebskeile/bearbeitete Konfigurationen erzeugen aerodynamischen/hydrodynamischen Film. Drehzahlen bis 26.000 rpm, Temperaturen in Dichtringen bis 800 °F (427 °C).

Auxiliary Power Units (APUs)

Kleine Gasturbinen für Strom, Klima, Kabinenheizung bei abgeschalteten Haupttriebwerken (Gate, Treibstoffeinsparung). APU-Dichtungen ähnlich, aber kleiner als Haupttriebwerksdichtungen.

Einzigartige Vorteile ölfreier, selbstschmierender Carbon-Werkstoffe

• Selbstschmierend, selbstpolierend, dimensionsstabil → sichere Dichtungspaarung
• Hitzebeständig, hohe Wärmeleitfähigkeit → Reibungswärme von Gleitfläche ableiten
• Gut zerspanbar auf enge Luftfahrttoleranzen
• Lieferbar geläppt/poliert auf Ebenheit von einem Helium-Lichtband

Verfasst von Glenn H. Phelps, Metallized Carbon Corporation. Mehr Info: hier.