Alabes Para Turbinas 5p394h
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- Pages: 50
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA ALABES DE AVIÓN
1
1. Planteamiento del problema
La aeronáutica siempre demanda el uso de materiales avanzados y dentro de esta, la industria militar y la aeroespacial son las mas exigentes
2
1. Planteamiento del problema
Un motor a reacción presenta los mismos pasos de un motor de combustión interna 3
1. Planteamiento del problema
Fotografía de un compresor 4
1. Planteamiento del problema
Detalles de la cámara de combustión ¡La temperatura puede alcanzar los 2000°C en la cámara de combustión!
5
1. Planteamiento del problema
Refrigeración en la cámara de combustión 6
1. Planteamiento del problema
La turbina permite la conversión de la energía mecánica en energía eléctrica
7
1. Planteamiento del problema
Figura 2 : Esquema de turbia y alabe [2]
8
1. Planteamiento del problema
Las toberas de escape maximizan la velocidad de los gases y permiten la realización de algunas maniobras 9
2. Requerimientos de los materiales para alabes • Resistencia al creep: debe resistir el uso durante algún tiempo sometido a esfuerzos y temperaturas altos sin deformarse considerablemente
10
2. Requerimientos de los materiales para alabes • Resistencia al creep; Entre mayor sea la temperatura de trabajo, mayor la eficiencia de la maquina
11
2. Requerimientos de los materiales para alabes • Resistencia al creep; Entre mayor sea la temperatura de trabajo, mayor la eficiencia de la maquina
12
2. Requerimientos de los materiales para alabes • Baja densidad: Debe tener el mínimo peso posible, esto se refleja en el rendimiento de la aeronave • Resistencia a la fatiga: Debido a los cambios en la potencia de la turbina • Tenacidad: Posibles colisiones con aves, hielo o arena
13
2. Requerimientos de los materiales para alabes REQUERIMIENTOS Función
Alabe para turbinas
Objetivo
Minimizar el porcentaje de deformación a una temperatura dada (Resistencia al creep)
Restricciones
Tamaño especifico El alabe gira a una velocidad determinada Mínimo peso Temperaturas de trabajo > 850ºC Tenacidad
14
3. Deformación por termofluencia (Creep) Deformación a baja T
Deformación a alta T
El porcentaje de deformación debida al creep en función de la temperatura y esfuerzo viene dado por • 15 •
3. Deformación por termofluencia (Creep) Para un alabe con sección transversal uniforme y densidad ρ, el esfuerzo en la base del alabe viene dado por
Por lo que la ecuación para el creep queda como
16
4. Métodos de selección
17
Carta de selección de esfuerzo de falla vs densidad
4. Métodos de selección
Temperatura de fusión (K)
Por temperatura de fusión los cerámicos son la mejor elección (mejor que las aleaciones de Ni)
Material Temperaturas de fusión vs material
Para hallar materiales resistentes al creep lo primero que se observa son sus temperaturas de fusión dado que este se presenta a partir de
18
4. Métodos de selección
En los polímeros el creep se presenta aun a T ambiente
Temperaturas de fusión vs material
5. Selección (cerámicos) En general las cerámicas presentan
• Baja densidad
menos peso
• Alta resistencia Alto esfuerAo de fluencia • Alto punto de Fusión Resistencia al creep • Resistencia a la corrosión • Baja conductividad térmica térmico • Baja tenacidad •
choque
muy frágiles
20
5. Selección (cerámicos) De todas las cerámicas, la mejor elección serian las sialonas, los carburos y nitruros de silicio presentando:
• • • •
Resistencia al creep hasta 1300 ° C Baja expansión térmica Alta conductividad (mejor que aleaciones de níquel!) Baja tenacidad
Un alabe se puede obtener por:
• Prensado en caliente polvos finos • Nitruración de silicio que ya está presionado con la forma del alabe 21
5. Selección (metales) Súper aleaciones de base níquel
22
5. Selección (metales)
Esfuerzos de ruptura para la superaleaciones base níquel usadas para alabes
23
5. Selección (metales)
Refrigeración en alabes Alabes obtenidos por distintos métodos de crecimiento 24
Composición de las supera aleaciones con distintas formas de crecimiento
25
5. Selección (compuestos) Cerámicos Baja densidad Alta resistencia Muy alto punto de Fusión Excelente resistencia a la corrosión Baja conductividad térmica Baja tenacidad
• • • • • •
Superaleaciones Alta densidad Alta resistencia Alto punto de fusión Buena resistencia a la corrosión Alta conductividad Alta tenacidad
• • • • • •
• 26
5. Selección (compuestos) Un primer esfuerzo…
La eficiencia y la relación P/W son limitadas por la temperatura de los gases y esta por los materiales
El uso de los sistemas refrigeración permitió aumentar la temperatura de trabajo hasta en 100ºC
Aumento en la temperatura de trabajo por e uso de canales refrigerantes
27
5. Selección (compuestos)
Sustrato: Superaleacion de base Ni rico en elementos refractarios Ta, W y Re a expensas del Al y Cr. Soporta las propiedades mecánicas del alabe. Bond Coat: Conformado por alúminas (NiAl, Ni2Al3, α-Al2O3 , Pt – Aluminas y MCrAlY donde M es un Fe, Cr o Ni). Provee las propiedades de resistencia a la corrosión y permite la adherencia de la TCB. TBC: Compuesta por Zirconia, mejora la resistencia al creep al proteger la superaleacion Alabes de materiales compuestos
28
5. Selección (compuestos)
La barrera térmica es permeable a los óxidos 29
5. Selección (compuestos)
Evolución de las técnicas para aumentar la temperatura de trabajo
30
5. Selección (compuestos) El uso de recubrimientos de barreras térmicas (TBC) con espesores de 1/5mm permiten aumentar las temperaturas de 100300ºC
Avances en T de trabajo usando distintas técnicas
31
5. Selección (compuestos) Desafortunadamente no se ha podido conseguir recubrimientos térmicos que duren tanto como el alabe, es común que los alabes sean recubiertos varias veces
32
5. Selección (formación de Bond coat) Alúminas: Proceso CVD, problemas de fatiga termomecánica El componente se sumerge en una mezcla en polvo de Al2O3 y partículas de aluminio Se agrega 1-2%wt de activadores de haluros de aluminio Se calienta entre 800-1000ºC en una atmosfera rica en Ar o H2 El haluro se difunde y reacciona sobre el sustrato depositando Al metálico. La actividad del Al permite clasificar el proceso Baja actividad: el recubrimiento se forma por difusión de Ni, conformando NiAl (1000-1100ºC) Alta actividad: La capa se forma por difusión hacia adentro de Al formando Ni2Al3 y posiblemente β-NiAl (700-1100ºC) 33
5. Selección (formación de Bond coat) Pt -Aluminas: Similar al anterior Se deposita una capa de unos 5-10um de Pt (esto aumenta hasta en tres veces el tiempo de vida del alabe) El Pt permite una mejor difusión del Al, mejora la adherencia y la resistencia a la corrosión
34
5. Selección (formación de Bond coat) MCrAlY: Procesos de proyección por plasma, proyección de plasma a baja presión, EBPVD. La presencia del Cr ofrece buena resistencia a la corrosión y a la oxidación. Son difíciles de obtener ya que se debe controlar la actividad de cada elemento Posterior a la deposición, se realiza un tratamiento térmico para mejorar la difusión
Proyección térmica y sputtering EBPVD
35
5. Selección (formación de TCB) Proceso: EBPVD. Aumenta la resistencia a los esfuerzos α parecida a la del sustrato, baja k Materiales: yttria(Y2O3)-zirconia estabilizada(ZrO2) (YSZ) Zirconia (ZrO2): satisface ambos los requerimientos α=1113x10-6 K-1 y k=2.3 W/(m.K) A 1000 oC es bastante denso lo que reduce la porosidad previniendo la oxidación del alabe. YSZ: Presenta una muy baja conductividad térmica debido a una alta concentración de defectos de punto 36
5. Selección (formación de TCB) Proyección térmica
EBPVD
Comparación de las microestructuras obtenidas por proyección térmica y sputtering EBPVD
37
5. Selección (alabes con recubrimiento)
Alabes antes y después del recubrimiento 38
6. MATERIALES AVANZADOS PARA ALABES DE AVIÓN
39
6.1. Compuestos de Matriz Metálica
Los nuevos materiales para alabes se centran en compuestos de cerámicos dentro de una matriz metálica
Conformación del material compuesto
40
6.1. Compuestos de Matriz Metálica
Estos compuestos presentan las siguientes características:
• Alto punto de fusión • Mayor resistencia al creep • La matriz metálica mejora las propiedades de tenacidad
Cerámicas típicas utilizados y la respectiva matriz
41
6.1. Compuestos de Matriz Metálica
• La unión de las fibras y la matriz se da a nivel atómico por lo que se obtiene una estructura fina (Ø~µm)
• • Por la razón anterior, la ruptura de una fibra tienen pocos efectos sobre el material como un todo.
•
Si el compuesto resulta exitoso, se aumenta la temperatura de trabajo en ~100ºC con respecto a las solidificaciones direccionales de Ni y aun mas por el uso de refrigeración
42
6.2. Compuestos Cerámico-Cerámico
Temperatura > 1000ºC. Presentan excelente resistencia al creep a 1000ºC En las alúminas el alto α y las bajas k y tenacidad generan poca resistencia al choque térmico
Comparación entre las cerámicas de uso estructural y las superaleaciones de Ni
43
6.2. Compuestos Cerámico-Cerámico La fragilidad de las cerámicas es su punto débil, para tratar de superarla, se piensa en crear un compuesto de cerámicas con una estructura fibrosa, como una especie de madera.
• La combinación de fibras (tales como carburo de silicio o alúmina crecidas por técnicas especiales) en una matriz cerámica (carburo de silicio o alúmina nuevamente), hecha de manera convencional podría resultar en un material en el que se puede pensar como una madera de alta temperatura. Estos materiales se hallan actualmente bajo intensivo estudio
44
6.3. Estudios
Investigación para compuestos de cerámica
45
6.3. Estudios • Programa de Tecnología de Motores de Ultra Alta Eficiencia (UEET) • • Se fabrico y analizo experimentalmente un aspas de turbinas hecha completamente de una mezcla de fibra de carburo de silicio dentro de una matriz de carburo de silicio (SiC/SiC ) • El aspa es sometida a 1000 h a T= 1315ºC
Aspas puestas a prueba
46
6.3. Estudios • Modelación del proceso
Modelado por elementos finitos
47
6.3. Estudios
Resultados de las pruebas
48
7. REFERENCIAS 1. 2. 3. 4. 5.
http://idoc-pub.sitiosdesbloqueados.org/posts/videos/919256/Megapost-turbinas-de-aviones.html http://personales.ya.com/universal/TermoWeb/Turbinas/Gas/PDFs/7-Turbinasgas.pdf Ashby Michael. Materials selection in mechanical desing, segunda edición. Butterworth Michael F. Ashby, David R.H. Jones, Engineering Materials 1. Cambridge U.England 1993 6. Espejo E. Notas de clase 7. http://www.ultraligero.net/Cursos/mecanica/TURBINAS_DE_AVIACION__.pdf 8. M. Ashby y H. Shercliff. Materials Enginering, Science Processing and Desing. UK 2007 9. http ://www.msm.cam.ac.uk/phase-traris/2003/Superallovs/coatings/inde... 10. D. Brewer. Probabilistic Analysis of a SiC/SiC Ceramic Matrix Composite Turbine Vane. NASA/TM-2004-213331
1. 2. 49
1
1. Planteamiento del problema
La aeronáutica siempre demanda el uso de materiales avanzados y dentro de esta, la industria militar y la aeroespacial son las mas exigentes
2
1. Planteamiento del problema
Un motor a reacción presenta los mismos pasos de un motor de combustión interna 3
1. Planteamiento del problema
Fotografía de un compresor 4
1. Planteamiento del problema
Detalles de la cámara de combustión ¡La temperatura puede alcanzar los 2000°C en la cámara de combustión!
5
1. Planteamiento del problema
Refrigeración en la cámara de combustión 6
1. Planteamiento del problema
La turbina permite la conversión de la energía mecánica en energía eléctrica
7
1. Planteamiento del problema
Figura 2 : Esquema de turbia y alabe [2]
8
1. Planteamiento del problema
Las toberas de escape maximizan la velocidad de los gases y permiten la realización de algunas maniobras 9
2. Requerimientos de los materiales para alabes • Resistencia al creep: debe resistir el uso durante algún tiempo sometido a esfuerzos y temperaturas altos sin deformarse considerablemente
10
2. Requerimientos de los materiales para alabes • Resistencia al creep; Entre mayor sea la temperatura de trabajo, mayor la eficiencia de la maquina
11
2. Requerimientos de los materiales para alabes • Resistencia al creep; Entre mayor sea la temperatura de trabajo, mayor la eficiencia de la maquina
12
2. Requerimientos de los materiales para alabes • Baja densidad: Debe tener el mínimo peso posible, esto se refleja en el rendimiento de la aeronave • Resistencia a la fatiga: Debido a los cambios en la potencia de la turbina • Tenacidad: Posibles colisiones con aves, hielo o arena
13
2. Requerimientos de los materiales para alabes REQUERIMIENTOS Función
Alabe para turbinas
Objetivo
Minimizar el porcentaje de deformación a una temperatura dada (Resistencia al creep)
Restricciones
Tamaño especifico El alabe gira a una velocidad determinada Mínimo peso Temperaturas de trabajo > 850ºC Tenacidad
14
3. Deformación por termofluencia (Creep) Deformación a baja T
Deformación a alta T
El porcentaje de deformación debida al creep en función de la temperatura y esfuerzo viene dado por • 15 •
3. Deformación por termofluencia (Creep) Para un alabe con sección transversal uniforme y densidad ρ, el esfuerzo en la base del alabe viene dado por
Por lo que la ecuación para el creep queda como
16
4. Métodos de selección
17
Carta de selección de esfuerzo de falla vs densidad
4. Métodos de selección
Temperatura de fusión (K)
Por temperatura de fusión los cerámicos son la mejor elección (mejor que las aleaciones de Ni)
Material Temperaturas de fusión vs material
Para hallar materiales resistentes al creep lo primero que se observa son sus temperaturas de fusión dado que este se presenta a partir de
18
4. Métodos de selección
En los polímeros el creep se presenta aun a T ambiente
Temperaturas de fusión vs material
5. Selección (cerámicos) En general las cerámicas presentan
• Baja densidad
menos peso
• Alta resistencia Alto esfuerAo de fluencia • Alto punto de Fusión Resistencia al creep • Resistencia a la corrosión • Baja conductividad térmica térmico • Baja tenacidad •
choque
muy frágiles
20
5. Selección (cerámicos) De todas las cerámicas, la mejor elección serian las sialonas, los carburos y nitruros de silicio presentando:
• • • •
Resistencia al creep hasta 1300 ° C Baja expansión térmica Alta conductividad (mejor que aleaciones de níquel!) Baja tenacidad
Un alabe se puede obtener por:
• Prensado en caliente polvos finos • Nitruración de silicio que ya está presionado con la forma del alabe 21
5. Selección (metales) Súper aleaciones de base níquel
22
5. Selección (metales)
Esfuerzos de ruptura para la superaleaciones base níquel usadas para alabes
23
5. Selección (metales)
Refrigeración en alabes Alabes obtenidos por distintos métodos de crecimiento 24
Composición de las supera aleaciones con distintas formas de crecimiento
25
5. Selección (compuestos) Cerámicos Baja densidad Alta resistencia Muy alto punto de Fusión Excelente resistencia a la corrosión Baja conductividad térmica Baja tenacidad
• • • • • •
Superaleaciones Alta densidad Alta resistencia Alto punto de fusión Buena resistencia a la corrosión Alta conductividad Alta tenacidad
• • • • • •
• 26
5. Selección (compuestos) Un primer esfuerzo…
La eficiencia y la relación P/W son limitadas por la temperatura de los gases y esta por los materiales
El uso de los sistemas refrigeración permitió aumentar la temperatura de trabajo hasta en 100ºC
Aumento en la temperatura de trabajo por e uso de canales refrigerantes
27
5. Selección (compuestos)
Sustrato: Superaleacion de base Ni rico en elementos refractarios Ta, W y Re a expensas del Al y Cr. Soporta las propiedades mecánicas del alabe. Bond Coat: Conformado por alúminas (NiAl, Ni2Al3, α-Al2O3 , Pt – Aluminas y MCrAlY donde M es un Fe, Cr o Ni). Provee las propiedades de resistencia a la corrosión y permite la adherencia de la TCB. TBC: Compuesta por Zirconia, mejora la resistencia al creep al proteger la superaleacion Alabes de materiales compuestos
28
5. Selección (compuestos)
La barrera térmica es permeable a los óxidos 29
5. Selección (compuestos)
Evolución de las técnicas para aumentar la temperatura de trabajo
30
5. Selección (compuestos) El uso de recubrimientos de barreras térmicas (TBC) con espesores de 1/5mm permiten aumentar las temperaturas de 100300ºC
Avances en T de trabajo usando distintas técnicas
31
5. Selección (compuestos) Desafortunadamente no se ha podido conseguir recubrimientos térmicos que duren tanto como el alabe, es común que los alabes sean recubiertos varias veces
32
5. Selección (formación de Bond coat) Alúminas: Proceso CVD, problemas de fatiga termomecánica El componente se sumerge en una mezcla en polvo de Al2O3 y partículas de aluminio Se agrega 1-2%wt de activadores de haluros de aluminio Se calienta entre 800-1000ºC en una atmosfera rica en Ar o H2 El haluro se difunde y reacciona sobre el sustrato depositando Al metálico. La actividad del Al permite clasificar el proceso Baja actividad: el recubrimiento se forma por difusión de Ni, conformando NiAl (1000-1100ºC) Alta actividad: La capa se forma por difusión hacia adentro de Al formando Ni2Al3 y posiblemente β-NiAl (700-1100ºC) 33
5. Selección (formación de Bond coat) Pt -Aluminas: Similar al anterior Se deposita una capa de unos 5-10um de Pt (esto aumenta hasta en tres veces el tiempo de vida del alabe) El Pt permite una mejor difusión del Al, mejora la adherencia y la resistencia a la corrosión
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5. Selección (formación de Bond coat) MCrAlY: Procesos de proyección por plasma, proyección de plasma a baja presión, EBPVD. La presencia del Cr ofrece buena resistencia a la corrosión y a la oxidación. Son difíciles de obtener ya que se debe controlar la actividad de cada elemento Posterior a la deposición, se realiza un tratamiento térmico para mejorar la difusión
Proyección térmica y sputtering EBPVD
35
5. Selección (formación de TCB) Proceso: EBPVD. Aumenta la resistencia a los esfuerzos α parecida a la del sustrato, baja k Materiales: yttria(Y2O3)-zirconia estabilizada(ZrO2) (YSZ) Zirconia (ZrO2): satisface ambos los requerimientos α=1113x10-6 K-1 y k=2.3 W/(m.K) A 1000 oC es bastante denso lo que reduce la porosidad previniendo la oxidación del alabe. YSZ: Presenta una muy baja conductividad térmica debido a una alta concentración de defectos de punto 36
5. Selección (formación de TCB) Proyección térmica
EBPVD
Comparación de las microestructuras obtenidas por proyección térmica y sputtering EBPVD
37
5. Selección (alabes con recubrimiento)
Alabes antes y después del recubrimiento 38
6. MATERIALES AVANZADOS PARA ALABES DE AVIÓN
39
6.1. Compuestos de Matriz Metálica
Los nuevos materiales para alabes se centran en compuestos de cerámicos dentro de una matriz metálica
Conformación del material compuesto
40
6.1. Compuestos de Matriz Metálica
Estos compuestos presentan las siguientes características:
• Alto punto de fusión • Mayor resistencia al creep • La matriz metálica mejora las propiedades de tenacidad
Cerámicas típicas utilizados y la respectiva matriz
41
6.1. Compuestos de Matriz Metálica
• La unión de las fibras y la matriz se da a nivel atómico por lo que se obtiene una estructura fina (Ø~µm)
• • Por la razón anterior, la ruptura de una fibra tienen pocos efectos sobre el material como un todo.
•
Si el compuesto resulta exitoso, se aumenta la temperatura de trabajo en ~100ºC con respecto a las solidificaciones direccionales de Ni y aun mas por el uso de refrigeración
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6.2. Compuestos Cerámico-Cerámico
Temperatura > 1000ºC. Presentan excelente resistencia al creep a 1000ºC En las alúminas el alto α y las bajas k y tenacidad generan poca resistencia al choque térmico
Comparación entre las cerámicas de uso estructural y las superaleaciones de Ni
43
6.2. Compuestos Cerámico-Cerámico La fragilidad de las cerámicas es su punto débil, para tratar de superarla, se piensa en crear un compuesto de cerámicas con una estructura fibrosa, como una especie de madera.
• La combinación de fibras (tales como carburo de silicio o alúmina crecidas por técnicas especiales) en una matriz cerámica (carburo de silicio o alúmina nuevamente), hecha de manera convencional podría resultar en un material en el que se puede pensar como una madera de alta temperatura. Estos materiales se hallan actualmente bajo intensivo estudio
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6.3. Estudios
Investigación para compuestos de cerámica
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6.3. Estudios • Programa de Tecnología de Motores de Ultra Alta Eficiencia (UEET) • • Se fabrico y analizo experimentalmente un aspas de turbinas hecha completamente de una mezcla de fibra de carburo de silicio dentro de una matriz de carburo de silicio (SiC/SiC ) • El aspa es sometida a 1000 h a T= 1315ºC
Aspas puestas a prueba
46
6.3. Estudios • Modelación del proceso
Modelado por elementos finitos
47
6.3. Estudios
Resultados de las pruebas
48
7. REFERENCIAS 1. 2. 3. 4. 5.
http://idoc-pub.sitiosdesbloqueados.org/posts/videos/919256/Megapost-turbinas-de-aviones.html http://personales.ya.com/universal/TermoWeb/Turbinas/Gas/PDFs/7-Turbinasgas.pdf Ashby Michael. Materials selection in mechanical desing, segunda edición. Butterworth Michael F. Ashby, David R.H. Jones, Engineering Materials 1. Cambridge U.England 1993 6. Espejo E. Notas de clase 7. http://www.ultraligero.net/Cursos/mecanica/TURBINAS_DE_AVIACION__.pdf 8. M. Ashby y H. Shercliff. Materials Enginering, Science Processing and Desing. UK 2007 9. http ://www.msm.cam.ac.uk/phase-traris/2003/Superallovs/coatings/inde... 10. D. Brewer. Probabilistic Analysis of a SiC/SiC Ceramic Matrix Composite Turbine Vane. NASA/TM-2004-213331
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