Proyecto de Selección de Materiales

Transcripción

1 Universidad de Concepción Facultad de Ingeniería Dpto. Ingeniería Mecánica Proyecto de Selección de Materiales Selección de Material para estructura primaria de un soporte de una turbina de un avión Alumnos: Arturo Padilla B. Nicolás Meynet B. Eduardo Koller L. Profesor: Michel Ignat Fecha: 27 de noviembre de 2003

2 Descripción del problema: encontrar el o los materiales óptimos para la sección primaria de la estructura que soporta la turbina de un avión comercial. La estructura en cuestión se muestra en la Fig. 1. Material Unión con Ala Unión trasera Estructura secundaria Adelante Estructura secundaria trasera Estructura primaria Unión trasera Estructura Primaria soporte Estructura Secundaria aerodinámica Fig. 1. Estructuras soporte de turbina Se buscaron datos para solucionar el problema en Internet. Algunas especificaciones para la turbina de un Boeing 747 son las siguientes: Diámetro = 2,0 m Masa en seco = 4 ton Máximo empuje en seco = 250 kn A continuación se analizan los factores que se han considerado para la selección de material de la estructura mencionada. 1- Índice de límite elástico v/s densidad. Para obtener este índice se utilizó el siguiente modelo simplificado para la geometría y las cargas: 3000 F P/2 P/2

3 El índice que se obtuvo es el siguiente: ( ) σ L = 6M f + Feh ρ m donde: M f : momento flector e: espesor de la viga h: altura de la viga L: largo de la viga 2- Máxima Temperatura de Servicio La temperatura máxima estimada en la turbina es de 1200 ºC. La temperatura máxima de servicio estimada en la pieza en estudio es 550 K. 3- Mínima Fractotenacidad La fractotenacidad recomendada para aplicaciones típicas es de 15 MPa m 0.5, con el fin de obtener una mayor seguridad se escoge 20 Mpa m Precio Se escogen materiales bajo los 100 USD/kg. 5- Resistencia a la corrosión por agua fresca Para esta aplicación es de vital importancia la resistencia a la corrosión por agua fresca. Se escoge el nivel más alto (Very Good). 6- Resistencia a la flamabilidad La cercanía con el proceso de combustión que se desarrolla en la turbina hace necesario que el material seleccionado sea poco flamable. Se escoge el nivel más alto (Very Good). 7- Conductividad La turbina trabaja a altas temperaturas y es necesario que no se transmitan las altas temperaturas al ala, debido a que esta contiene combustible. Se escoge un valor límite máximo en 10 W/mK. Resultados Los materiales que se obtienen de la intersección de todos los requisitos se muestran en la Fig 2:

4 Fig. 2. Etapas y resultados Fig. 3. Etapas de Limites y grafica Dentro de las soluciones se encuentran 3 familias de materiales: Nickel Chromium, Titanium y Wrought Nickel Chromium Alloy. Además se encuentran aleaciones de titanio y una aleación de níquel-cromo especificas. Si se revisan las fichas de cada aleación (ver anexos), se puede notar que la densidad del titanio es la mitad de la del níquel, pero su precio es el doble. Como se trata de una aplicación aeronáutica es importante considerar el peso siempre y cuando el costo no sea prohibitivo. Es por esto que el material escogido es una aleación de titanio.

5 Esta solución es la misma que entrega el fabricante, esto se puede ver en la Fig. 4 donde se especifica el material T-A6V, es decir, Aleación de Titanio, aluminio y Vanadio. Aleaciones de Titanio Las propiedades de las aleaciones de titanio están determinadas principalmente por el contenido de aleación y el tratamiento térmico. Bajo condiciones de equilibrio el titanio tiene estructura alfa hasta los 882 C, sobre esta se transforma a beta. Por debajo de los 150 C y por sobre los 370 C se puede esperarse deformación creep por debajo de los esfuerzos de fluencia. Algunos Aleaciones de titanio utilizadas son las siguientes: Aleaciones de Titanio Apha y Near-Alpha Ti-5Al-2.5Sn (Alpha) Ti-8Al-1Mo-1V (Near-Alpha) Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Near-Alpha) Aleaciones de Titanio Alpha- Beta Ti-6Al-4V Ti-6Al-6V-2Sn Aleaciones de Titanio Beta, Near-Beta y Meta estables Ti-13V-11Cr-3Al Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al Ti-10V-2Fe-3Al Fig. 4. Materiales soporte de turbina

6 Conclusiones Con el programa CES, la aplicación de criterios de selección, ya sea por limites numéricos o índices gráficos, resulta fácil e intuitiva. La continua intersección de los criterios durante el proceso de selección, permite cambiar los parámetros y tener una solución inmediata de los materiales que pasan todos los criterios impuestos. Esto agiliza el proceso de decisión para optar por uno u otro material bajo cierto requerimiento. Creemos que la utilización de índices y sus correspondientes gráficos, ayuda para optimizar la selección de una material bajo dos o más propiedades del material. Sin embargo, la utilización de valores numéricos para posicionar la recta sobre los gráficos pierde sentido si el modelo matemático utilizado es una aproximación simple del problema. Por otro lado, si el problema es simple y por ej. se trata de optimizar el peso de una pieza, la utilización de índices y graficas nos permite de inmediato imponer un peso máximo, lo cual puede ser conveniente. La solución obtenida para este problema fue una aleación de Titanio, la cual coincidió con la solución original del fabricante del soporte de turbina. Esto prueba la eficacia y correcto enfoque del software en la selección de materiales.

7 Anexos -Ficha de una aleación de Titanio

8 -Ficha de una aleación de níquel