Descripción del problema: encontrar el o los

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
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.
Unión trasera
Material Unión
con Ala
Estructura secundaria
Adelante
Estructura secundaria
trasera
Unión trasera
Estructura primaria
Estructura Primaria Æ soporte
Estructura Secundaria Æ 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
75
500
F
P/2
P/2
El índice que se obtuvo es el siguiente:
σ (6M f + Feh )L
=
ρ
m
donde:
Mf : 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 m0.5, con el fin
de obtener una mayor seguridad se escoge 20 Mpa m0.5.
4- 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:
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.
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
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.
Anexos
-Ficha de una aleación de Titanio
-Ficha de una aleación de níquel