JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003 07-06 ANÁLISIS DE FALLA DE HÉLICES DE PASO FIJO a/b a a/b a/b a V.E. Fierro , P. Ratto , F.R. Agüera , H.N. Alvarez Villar , y A.F. Ansaldi a CITEFA, Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas de las Fuerzas Armadas, Juan Bautista de Lasalle 4397 (1603), Bs. As, Argentina. [email protected] b UdeMM, Universidad de la Marina Mercante, Rivadavia 2258 (1034), Cap. Fed, Argentina. [email protected]. Debido al desprendimiento en vuelo de las punteras de hélices de paso fijo, se realizó un análisis de falla. Se analizó el material base, su composición, características metalúrgicas y propiedades mecánicas. Se estudiaron las superficies de fractura. Se analizaron las tensiones actuantes y su perfil en el tiempo. Finalmente se estableció la causa de la falla. La fractura ocurrió por fatiga, iniciada en marcas de impactos sobre las hélices en zonas críticas respecto de la concentración de tensiones alternativas. Palabras claves: análisis de falla, fatiga, hélice 1. INTRODUCCIÓN A solicitud de la Junta de Investigaciones de Accidentes de Aviación Civil se realizó un análisis de falla sobre dos hélices de paso fijo que fallaron en vuelo. El interés radica en que ambas hélices correspondían al mismo fabricante y modelo, montadas sobre motores similares en distintos aviones. La falla de la hélice es de gran peligrosidad pues produce un desequilibrio del motor del avión que puede ocasionar la rotura de los soportes con desplazamiento del motor, fuerte vibración, corte de tuberías, choque de pala o sus fragmentos contra las alas, pérdida de control y peligro de incendio inmediato. Las hélices están sometidas a tensiones variables periódicamente, el número de ciclos de trabajo es relativamente elevado y puede haber causas que provoquen la concentración de tensión en algunos sitios ya sea por problemas de diseño, estados de vibración, defectos del material u otras causas externas; todo esto las hace susceptibles al fenómeno de fatiga. En particular, en la acción de un motor a explosión sobre una hélice hay excitaciones de naturaleza mecánica debido a la intermitencia de los impulsos motrices. También se producen excitaciones externas de naturaleza aerodinámica producidas por los cambios en el ángulo de ataque del viento relativo a la pala durante el vuelo; las más importantes ocurren en el despegue y el aterrizaje. Estas solicitaciones ejercen vibraciones forzadas en flexión en la pala de la hélice y es problema de diseño que éstas puedan acoplarse en resonancia con los modos fundamentales de la pala. La existencia de concentradores de tensión no contemplados en el diseño puede generar la aparición de problemas. Es objeto del trabajo establecer las causas de las fallas y brindar recomendaciones al respecto. 2. DESARROLLO Las hélices, en adelante A y B, tienen un diámetro de 193,04 cm (76”) y las fracturas ocurrieron a 61 y 82 cm, respectivamente, medidos desde el centro (Fig. 1). Las superficies del intradós de las hélices mostraban gran cantidad de pequeños impactos La hélice A presentaba lejos de la zona de fractura marcas y rayas de apariencia reciente probablemente generadas durante el accidente o en el posterior desmonte y traslado, pero además tenía, cercana a la zona de la fractura, una marca de impacto opaca y sucia que evidenciaba cierta antigüedad (Fig. 2) . Figura 1. Vista de la hélice B al momento de recibirla Figura 2. Detalle de un impacto cercano a la superficie de fractura. Nótese la presencia de partículas sueltas en su interior. Hélice A, 2x. 2.1 Ensayo no destructivo 623 JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003 La gran cantidad de impactos pequeños es provocada comúnmente por la absorción por parte de la hélice, de guijarros y partículas presentes en las pistas de aterrizaje. Esta condición de las pistas, si bien no recomendada, es bastante común en aeródromos pequeños de nuestro país. Se realizó entonces un ensayo de tintas penetrantes sobre las contrapalas sanas y parte del intradós de las palas fracturadas, manteniendo protegidas las superficies de fractura y sus zonas aledañas. El examen no reveló la existencia de otras fisuras de extensión subcrítica. 2.2 Composición química y metalografía La composición química del material base (Tabla I) lo califica como aluminio AA 2024. Hélice A B Cu 4,49 3,40 Mg 1,32 1,51 Mn 0,77 0,65 Si 0,66 0,80 07-06 rotando desde la posición de contacto con la zona A3 hasta terminar a 45º de las superficies externas del intradós y del extradós de la pala. Una observación con microscopía óptica revela un patrón radial que señala a la muesca como origen de un proceso de fatiga (Fig. 5 a y b). La evolución de la fisura por fatiga parte de la muesca y acaba al finalizar la zona A3, correspondiendo la zona A4 a la fractura dúctil catastrófica final de la pieza. La reducción de sección producida por el avance de la fisura por fatiga llega al 50 %. Este hecho sumado a la existencia de múltiples marcas de playa nos habla de un nivel de tensiones bajo o medio. Fe 0,8 -- Tabla I. Porcentaje en peso de aleantes, el resto es aluminio. Las hélices han sido fabricadas por forjado y posterior tratamiento térmico T6 según se deduce del análisis [1] metalográfico (Fig. 3). Figura 4. Superficie de fractura de la hélice A. (a) Figura 3. Microestructura típica de forja en aluminio AA 2024. Hélice A, 100x. 2.3 Fractografía [2,3] El estudio de la superficie de fractura de la hélice A muestra a simple vista cuatro zonas (Fig. 4). Primero una zona (A1) que aparece como una muesca en el borde de fuga y parte del intradós cercano al borde. Luego dos zonas lisas y brillantes (A2 y 3) con su superficie bastante plana y que se halla en un ángulo de alrededor de 8º respecto de la sección transversal al eje de la pala, medidos con centro en el borde de fuga y siguiendo el eje de la pala. La primera (A2) cercana a la muesca (A1) es algo menos brillante y rugosa que la segunda (A3). En esta última (A3) variando la iluminación pueden detectarse múltiples marcas de playa que evolucionan concéntricamente al borde de fuga. Finalmente la cuarta zona (A4) es gris, opaca y fibrosa y el plano de la superficie de fractura va 624 (b) Figuras 5. Hélice A. a) Detalle de la región circundante a la muesca A1, 1,6x. b) Patrón radial de líneas que parten de la muesca, 25x. JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003 El estudio de la superficie de fractura de la hélice B muestra a simple vista la presencia de dos zonas (Fig. 6). Una (B1) brillante, rugosa con presencia de un patrón intrincado de lomadas mas o menos rectas que nacen principalmente en el intradós. Esta superficie no es un plano como las (A2) y (A3) sino que forma un arco con centro hacia el extremo desprendido. La otra zona (B2) es gris, opaca, fibrosa y con la superficie plana a 45º de las superficies externas del intradós y del extradós. Un estudio detallado por microscopía óptica reveló que en el intradós había una muy pequeña muesca (Fig. 7) , donde se observa un patrón de líneas radiales y otras concéntricas, siendo estas últimas marcas de playa. La fractura evolucionó entonces por fatiga desde la región de la muesca hacia el borde de fuga hasta que la sección remanente no fue capaz de soportar las cargas. Se produjo entonces la fractura dúctil catastrófica. La reducción de sección previa a la rotura fue de más del 70% lo que implica que las tensiones actuantes son muy bajas. 07-06 Figura 8. Estría de fatiga en la superficie de fractura de la hélice B. 3. DISCUSIÓN Figura 6. Superficie de fractura de la hélice B. La muesca en el intradós está aproximadamente en el 9. Figura 7. Detalle de la muesca. Las líneas concéntricas son marcas de playa. Hélice B, 30x 2.4 Microscopía electrónica [4] El estudio de la superficie de fractura mediante ESEM reveló la presencia de estrías de fatiga en ambas superficies de fractura (Fig., 8), que confirman el análisis fractográfico previo. 625 Las fracturas ocurrieron en ambos casos lejos del empotramiento pala-cubo, hecho que descarta una sobrecarga en el modo de nodo único fundamental de trabajo de la hélice. Por otra parte, los motores poseen antivibradores pendulares sintonizados para evitar que las acciones excitatrices del motor generen resonancia. Sin embargo, en este caso existía un boletín del [5] fabricante y de la FAA (Federal Aviation Administration) que señalaba que debía evitarse el rango de revoluciones de 2150 a 2350 r.p.m. para esta combinación de hélice y motores, ya que producía fallas por fatiga en el propulsor debido al er acoplamiento resonante del 2º orden del 1 modo de vibración en flexión. Una circular posterior señalaba que el fabricante modificaría las hélices existentes [6,7] restaurándolas y disminuyendo su espesor, esto provocaría un beneficio importante disminuyendo el pico de resonancia por debajo de las 2250 r.p.m. Dichas hélices modificadas incorporarían el sello K al número de serie. En nuestro caso ambas hélices poseen dicho sello. Aún así han sufrido procesos de fatiga, sin embargo, debemos discutir y distinguir entre ambos casos. En la hélice A existe un iniciador macroscópico, la muesca por impacto (A1), que debió ser detecta por un simple control visual e incluso estaba acompañado por otro impacto cercano y antigüo en el intradós (Fig. 2). La ubicación de la muesca (A1) es crítica pues esta en el borde de fuga y sobre el intradós aledaño, dicha zona sostiene las mayores tensiones de origen aerodinámico y posee la menor sección, por lo que el proceso de fatiga se ve favorecido. La reducción de sección del 50% previo a la rotura significa que el diseño es adecuado en cuanto a la resistencia estática. Por otra parte, las abundantes marcas de playa (A3), que en principio deben ser atribuidas a despegues y aterrizajes, muestran que ha fallado el control y mantenimiento del equipo. Una correcta inspección visual o la sencilla costumbre de los viejos pilotos de JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003 pasar la mano con cuidado sobre los bordes de la hélice antes de volar, pudo haber detectado la anomalía. En la hélice B también existe un iniciador pero éste es francamente pequeño y no es detectable por simple control visual. De hecho, es de menor tamaño que otros impactos encontrados en el intradós. El avance extremo de la fatiga con una reducción de sección del 70% muestra un adecuado diseño en cuanto a las cargas estáticas. La posición de la fractura alejada respecto del centro de la hélice, así como la ubicación del defecto origen en el intradós y su tamaño pequeño favorecen la hipótesis que el proceso de fatiga es provocado por vibraciones resonantes de la hélice. La presencia de un impacto pequeño cerca de la superficie de fractura que presenta una propagación incipiente de fisura (Fig. 9) establece la presencia de importantes tensiones alternativas en esa región de la pala. 07-06 Las evidencias fractográficas revelan que ambas fallas ocurrieron por fatiga originadas en concentradores de tensión producidos por impacto. En la hélice A, la fatiga debió ser impulsada inicialmente por las fuerzas aerodinámicas que se ejercen sobre el borde de fuga. La presencia de impactos de magnitud detectables a simple vista evidencian la ineficiencia o falta de control. En la hélice B, la fatiga evolucionó a causa de vibraciones resonantes. La magnitud del concentrador origen es muy pequeño para que los procedimientos diarios de control lo detecten. En cualquier caso se recomienda acortar los tiempos de inspección de este tipo y modelo de hélice; y efectuar ensayos no destructivos como tintas penetrantes ó partículas magnéticas, para establecer la existencia de defectos peligrosos . 5. REFERENCIAS Figura 9 . Vista de un impacto en el intradós con una incrustación. A partir de su extremo ha progresado una fisura. Hélice B, 25x. El acople resonante de las excitaciones motrices puede deberse a una perdida de sintonía por desgaste de los antivibradores o al vuelo en un régimen de r.p.m. desfavorable en presencia de una hélice susceptible. El control de los motores permite descartar el primer caso. En cuanto al segundo, los pilotos no brindan una información clara acerca del régimen habitual de revoluciones que usan. Pero, a partir de los antecedentes, es claro que puede existir un rango de revoluciones que favorezca la fatiga no ya en una hélice completamente sana pero sí en una que presente un concentrador de tensiones en una zona de la pala desfavorable. Creemos que este es el caso de la hélice B. 4. CONCLUSIONES El material base y su estado metalúrgico corresponden, en ambos casos, a los presciptos para estos propulsores. 626 [1] Metals Handbook ,Volume 7, Atlas of Microstructures of Industrial Alloys, ASM International, Metals Park, Ohio, Usa ,1972, pag. 246-247. [2] ASM Handbook ,Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, Metals Park, Ohio, Usa ,1995, pag. 125. [3] G. Jacoby, “Observation of Crack propagation on the fracture surface”, Current Aeronautic and Astronaiutics Fatigue Problems, Simpòsio Held, Roma, 23-25 de abril de 1965, Ed. J. Schijve, J. R. Heath- Smith y E. R. Welbourne, 1965, 165-199. [4] Metals Handbook ,Volume 9, Fractography and atlas of fractographs, ASM International, Metals Park, Ohio, Usa ,1974, pag. 245-249. [5] Service Bulletin Nº R-13 11 april 1969, Sensenich Propeller Manufacturing Company, 14 Citation LaneLititz PA 17543, 1969. [6] Service Bulletin Nº R-14 July 28 1995, Sensenich Propeller Manufacturing Company, 14 Citation LaneLititz PA 17543, 1970 revisado en 1995. [7] 69-09-03 R3 Service Bulletin, Sensenich Propeller Manufacturing Company, 14 Citation Lane- Lititz PA 17543, 1969 revisado 1996