ANÁLISIS DE FALLA DE HÉLICES DE PASO FIJO

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
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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