Eleccion De Material Para Un Alabe

Selección de material para un álabe
2012
Olvera Ponce Eduardo
García Montero Franco Martín
Profesor: Ing.Yamamoto Ángel Darío
05/12/2012

Planteamiento del Problema
En el siguiente documento se mostrará la selección de un material para la fabricación de un álabe localizado en el compresor de un motor British Aerospace (Commercial Aircraft) Ltd 7A9 Argosy AW.650 Series 101 con lassiguientes dimensiones:

Las condiciones que se deben a tomar en consideración son las siguientes:
* Fluencia del material (deformación progresiva debida a la carga aerodinámica).
* Fatiga térmica (motivada por las fuertes variaciones de temperatura a que están sometidos que da origen a la aparición de grietas).
* Corrosión y oxidación.
* Agravamiento de los esfuerzos debidos a fuerzascentrífugas y vibraciones.

Requerimientos del álabe
De entrada hay que definir las propiedades necesarias para la selección del material del álabe para ello es necesario tener en consideración las condiciones antes mencionadas, para ello se definirán cuales son las condiciones de operación y así tener en cuenta los requerimientos en cuanto a propiedades del material.
Las condiciones deoperación son las siguientes (obtenidas del DEPARTMENT OF TRANSPORTATION FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION)

Como podemos observar las condiciones máximas de operación en cuanto a velocidad en el compresor es de 15000 r.p.m, y la máxima temperatura a la que es sometido es de 825°C.
De la siguiente forma tomando en consideración lo anterior definimos los requerimientos del álabe:
Requerimientos delálabe |
Función | Álabe localizado en el compresor |
Objetivo | Resistir el esfuerzo tensil, la resistencia a la corrosión, el porcentaje de deformación por termo fluencia y las altas temperaturas. |
Restricciones | Tenacidad, tamaño especifico, radio de motor, el álabe gira a una velocidad de 1500 r.p.m, una temperatura de trabajo> 825 |
Nota | Se pueden mejorar sus propiedadesmecánicas con algún recubrimiento. |

Justificación
Como primer paso observamos que una de las condiciones importantes es que el esfuerzo tensil al que está sometido el álabe no rebase el yield strength, pues si no el álabe se deformaría afectando su funcionamiento, para sacar el esfuerzo tensil es necesaria la siguiente fórmula:
σ=FA Ecu 0
Donde F es fuerza y A es área.
Ahora el área está dadapor las dimensiones que condiciona el problema (tomándola como un rectángulo). El siguiente paso es hacer el análisis dinámico del movimiento del álabe que se asemeja o mejor dicho es un movimiento circular, entonces lo que se requiere es el esfuerzo tensil, por tanto necesitamos la fuerza que actua sobre el álabe y realiza este esfuerzo, que es la fuerza centrípeta, es decir la fuerza que estirael álabe, esa fuerza está dada por la siguiente relación:
Fc=ac*m Donde ac=aceleración centrípeta y m=masa
ac=v2r Donde v= velocidad lineal y r= radio
Entonces
Fc=m*v2r Ecu. 1
También se tiene la relación v=wr donde w=velocidad angular
Entonces
Fc=m*w2r Ecu.2
Además de las anteriores tenemos la siguiente relación:
Fc=ρAw2ro2- ri22 Donde p= densidad y A=área Ecu.3 m=ρv
Comopudimos observar en el análisis matemático en las tres ecuaciones es necesario o la masa o la densidad en el último caso, teniendo en cuenta esto es necesario conocer estas pero no vienen especificadas, por ende se recurrirá a elegir un tipo de aleación usando la restricción de temperatura de operación y después obtener los datos con las propiedades físicas de la aleación.
Ahora bien indagando un pocohemos encontrado que los álabes la mayormente son fabricados de súper-aleaciones base níquel o base titanio.
De lo anterior tenemos que las aleaciones de base níquel tienen las siguientes características:
* Buena resistencia a la tracción a temperaturas elevadas
* Buena resistencia a la oxidación en caliente
* Buena resistencia a fatiga térmica con alto y bajo número de ciclos....