materiales compuestos en la construccion de aeroreactores

5/21/2018 Materiales Compuestos en La Construccion de Aeroreactores

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Nuevos Desarrollos y Aplicaciones de los Materiales Compuestos Avanzados

El empleo de Materiales Compuestos en la Construccin de Aeroreactores

Industria de Turbo Propulsores

Nuevos Desarrollos y Aplicaciones de losMateriales Compuestos Avanzados

Aranjuez, 23-27 de Julio de 2007

El empleo de Materiales Compuestos en la Construccin deAeroreactores

Plcido Mrquez


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Aranjuez, 26 de Julio de 2007 Universidad Rey Juan Carlos

2Nuevos Desarrollos y Aplicaciones de los Materiales Compuestos Avanzados



El uso de CFRP est plenamenteextendido en la clula

Cul es la extensin en el motor?


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En relacin con la clula, el motor e encuentra un ambiente tremendamente hostil. Altas temperaturas, cargas aerodinmicas, gases de escape

No muy diferente del motor cohete, donde los MMC son ya un estndar.

Pero la vida en servicio es de miles de horas, frente a los minutos de los lanzadores.


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-- 30%30%-- 30%30%

Coste ciclo de vidaCoste ciclo de vida

-- 50%50%-- 50%50%TimeTime toto marketmarket

-- 60%60%-- 60%60%FiabilidadFiabilidad

-- 30%30%-- 20%20%CostCost ofof ownweshipownweship

-- 80%80%-- 60%60%NOxNOx (ICAO96)(ICAO96)

-- 20%20%-- 12%12%CO2 y humosCO2 y humos

2015201520082008Disponibilidad EESDisponibil idad EES

Los nuevos requisitos, tanto en aviacin militar como en aviacin civil DEMANDAN solucionesva Materiales Avanzados

Estos requisitos, pueden obtenerse en laboratorio.

Industrialmente es mas difcil.


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PMC: Compuestos matriz orgnica. La gndola es ya prcticamente PMC

1 Electronic Control Unit Casing: Epoxy carbon Prepregs2 Acoustic Lining Panels: Carbon/glass Prepregs, high temperature adhesives, aluminum honeycomb3 Fan Blades: Epoxy carbon Prepregs or Resin Transfer Molding (RTM) construction

4 Nose Cone: Epoxy glass Prepreg, or RTM5 Nose Cowl: Epoxy glass Prepreg or RTM construction6 Engine Access Doors: Woven and UD carbon/glass Prepregs, honeycomb and adhesives7 Thrust Reverser Buckets: Epoxy woven carbon Prepregs or RTM materials, and adhesives8 Compressor Fairing: BMI/epoxy carbon Prepreg. Honeycomb and adhesives9 Bypass Duct: Epoxy carbon Prepreg, non-metallic honeycomb and adhesives10 Guide Vanes: Epoxy carbon RFI/RTM construction11 Fan Containment Ring: Woven aramid fabric12 Nacelle Cowling: Carbon/glass Prepregs and honeycomb

Cortesa de HEXCEL


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Fabricacin por Bombardier (Irlanda) de la toma del GE90 Proceso muy similar al de la clula con: Mayores temperaturas, resistencia al fuego,

aislamiento acstico..

Centramos la evaluacin en las partes de motor.


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En 1989, ITP evalu la substitucin del bypass ductde Ti (isogrid) por uno realizadoen CF-PMR-15.

El componente metlico era superior por la

solucin de las bridas y el alto nmero detubos pasantes, que requeran muchosretrabajos.

Por coste se abandon.

Actualmente slo se utiliza una pieza noestructural, en los pasantes de los tubos,realizada en PK 33 y Polibom M


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La misma solucin exhiba el motor M88, pero solamente en 1996, se puso enproduccin (M88-2)

Slo por ser motores militares es comercialmente viable?


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V2500 @1988. Ti

BR 710 @1995. PMR-15 BR 715 @1998. Ti


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BRR 715. Ti 6-4 Isogrid By pass duct. Un retroceso? Nuevos requisitos de diseo:

Over rating del anterior

Orientado al coste.

El material compuesto es un recurso mas del diseador.


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GFRP, Todos los nose conede RR CFRP, OGV (no estructurales) de Tretn 700 (experimental)

CF6, CF34, CFM 56 en produccin.

Otros componentes fros tambin en OCM

Borde de ataque de

Acero, Ti o Al.

GFRP CFRP


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Contencin de alabes de fan.

Familia de Motores RR.

Varios criterios

Ultimo motor certificado de RR.

Contencin con titanio.

V2500

Trent 700

Tay

RB254-254

Trent 800

BR710

RB254-535

FJ44 Trent 900


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GE 90. Contencin por Titanio Kevlar (desarrollo)

En produccin, slo con Titanio.

GE 90. Las palas del fan son de CFRP.


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El primer fabricante en introducir fanes de cuerda ancha, y fabricados enCFRP, fue Rolls-Royce, para el RB211 (Lockheed 1011) en 1972-1980.

Problemas con la ingestin de objetos y los impactos de pjaro, obligaron alretraso del programa, y el retrofit de muchos componentes.

Rolls, diseo un sandwich Ti-honeycomb-Ti (mas tarde SPF DB)

La tecnologa se introdujo en produccion prematuramente.

GE, con la experiencia de RR, y la obtenida a partir del OGV de CF6 y CF34

Introdujo por primera vez en servicio el fan de material compuesto.

Muchos problemas en certificacin: por fan blade offy bird strike.


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Borde Ataque de Ti

Recubrimiento de poliuretano

IM7/ 8551 CFRP

GE 90 CF 6 CF56


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Un antes y despus del ensayo de desprendimiento de alabe en el GE 90. El material demuestra una gran tolerancia al dao.

El mayor efecto se traduce en el aligeramiento de los rodamientos y sussoportes.


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Cincinnati Milacrom encintando un alabe.

El procedimiento manual, es inasumible en el rotor, por los desequilibrios.


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Fan en CFRP para el F136 (JSF)

Pero globalmente, el fan de GFRP compite conel de Ti SPF DB

Nuevamente: No es una solucin nica.


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EJ200, 1989-1990. Estudio para sustituir el cono refrigerado de Ni, por C-SiC

Compuestos de Matriz Cermica

El nuevo cono no cumpla la vida.


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M88-2, Con los fairings flaps en SiC/ SiC (1996)

Aunque los ptalos convergentes, todava no estn en servicio


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Otros componentes en proceso de desarrollo

Combustor liner

Combustor liner, Tech 56

Flame holder M88


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El prximo motor de SNECMA: SAM 146, ofrece de serie el mixer en SiC / SiC

Sera el primer motor civil con SiC/SiC en servicio.


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Desarrollo tecnolgico en 1998 para las barras de la tobera del EJ200

Compuestos de Matriz Cermica


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Proceso costossimo. Propiedades mecnicas superiores.

Orientado a la tobera vectorial, cuyo desarrollo se interrumpi.

La investigacin se abandon por falta de una aplicacin que lo necesitara.


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El coste del proceso con fibra continua es muy alto ( x10 ).

Todos los esfuerzos hacia simplificar el proceso.

En realidad, el proceso es necesariamente mas caro.

Todos los esfuerzos se centran en un proceso industrialcompetitivo.

Una va: el refuerzo corto generado in situ


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Agujas de TiB, generadas por INASMET, mediante su proceso SHS: Sintesis porAutoignicin a alta temperatura:

Mejora las propiedades.

Obtiene componentes transformables por procesos convencionales.

ll li i d l i l d


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Hasta el presente:

Los materiales de matriz orgnica, se emplean, cuando suponen una ventaja y sus procesoest moy normalizado.

CMC, Asistimos a una inflexn, por cuanto los compuestos arrojan, a pesar de su mayor costeinicial, una gran ventahja en el coste de ciclo de vida.

Su aplicacin estar condicionada sin embargo por consorcios comerciales entre el fabricantedel motor y del componente.

Los MMC, estn en uso en aplicaciones muy restringidas (y simblicas),

Requieren mucho desarrollo tecnolgico, especialmente buscando procesos de y aplicacionesque puedan pagarlo.

Hacia el futuro:

N D ll A li i d l M t i l C t A d


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Previsiones de Rolls-Royce en 1989. Otra vez tarde?

Materiales Avanzados

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

%masa

Acero Niquel Titanio Alum inio CMC MMC Otros



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Los nuevos desarrollos presentan nuevas necesidades.

E incluso, componentes nuevos cuya arquitectura est por definir.



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Sin comentarios.



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Reduccin de coste:

Costes directos debidos al motor = 30%

DOC, cos tes de operacin

Personal

30%

Tasas9%

Combustible

12%

Mantenimiento

13%

Aquisicin

36%

DMC

motor

55%

DMC

otros

45%

AC

motor

30%

AC

otros

70%



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Ciclo de v ida Motor m ilitar

Desarrollo

19%

Adquisicin

24%Repuestos

30%

Mantenimiento

11%

Combustibles

16%

Domina el coste de piezas, repuestos y desarrollo.

Fuel es mnimo.



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