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Simulando el comportamiento de superaleaciones para mejorar el diseño de motores de avión

Actualmente las turbinas de los aviones utilizan componentes de superaleaciones o aleaciones de alto rendimiento. Estos materiales deben tener unas propiedades específicas para poder utilizarse en aquellas zonas del motor donde mayores temperaturas se alcanzan.

Un ejemplo de este tipo de materiales son las superaleaciones de base-Níquel, que poseen un elevado rendimiento mecánico y una gran resistencia a la oxidación. Esto los convierte en materiales óptimos para su uso en estructuras y componentes sometidos a altos niveles de estrés y a temperaturas elevadas. Pero además de la industria aeronáutica, estas aleaciones son fundamentales también en el sector espacial y en reactores nucleares.

Las superaleaciones base-Níquel se utilizan en varias partes del motor como son los discos del compresor, el disco de turbina, rodamientos, carcasa, álabes y en otras áreas de alta temperatura donde se alcanzan entre 760 y 980 grados centígrados.

Pero, ¿sería posible predecir el comportamiento a altas temperaturas de estas superaleaciones antes incluso de fabricarse? Esto es viable hoy en día gracias a las herramientas computacionales multiescala, capaces de desarrollar modelos que relacionan el comportamiento real de estos materiales con la microestructura obtenida en los procesos de fabricación.

Desarrollar este tipo de herramientas ha sido el objetivo principal del proyecto europeo MICROMECH (Microstructure based material mechanical models for superalloys), que ha permitido crear modelos computacionales para simular el comportamiento mecánico a altas temperaturas de superaleaciones base-Níquel utilizadas en motores de aviones. De esta manera se puede predecir la resistencia mecánica de superaleaciones policristalinas en función de su microestructura real (tamaño de grano, distribución de forma y orientación). MICROMECH ha sido desarrollado en el Instituto IMDEA Materiales en colaboración con la empresa española ITP y ha contado con financiación del programa de investigación aeronáutico europeo Clean Sky. Como referencia para este estudio se ha utilizado la aleación Inconel 718, ampliamente utilizada en el sector aeroespacial.

Tal y como explica Koldo Ostolaza (Ingeniero de Materiales y Procesos en ITP), “las herramientas desarrolladas en el marco del proyecto MICROMECH han proporcionado información muy valiosa para nuestros ingenieros, particularmente en la predicción de resistencia a la fatiga. Estamos trabajando con IMDEA Materiales para mejorar las funcionalidades actuales del modelo que nos permita solucionar fenómenos adicionales en otros materiales metálicos”.

El planteamiento llevado a cabo por el Instituto IMDEA Materiales en el proyecto está basado en la homogeneización computacional de policristales, una técnica que relaciona la microestructura y el comportamiento cristalino del material con su respuesta mecánica mediante ensayos virtuales. En pocas palabras, se puede decir que esta técnica necesita una serie de datos de la microestructura real del material y unos sencillos y económicos ensayos mecánicos a esta escala microscópica  y con ellos es capaz de reproducir las curvas que describen el comportamiento mecánico del material.

El gran número de ensayos micromecánicos realizados, así como la base física de los modelos mecánicos desarrollados, han permitido obtener un modelo realista y preciso capaz de predecir las propiedades mecánicas de probetas usadas como referencia en el diseño de componentes. Entrando en detalles más técnicos, los modelos obtenidos son capaces de predecir el comportamiento monótonico (curva tensión-deformación), comportamiento en fluencia (deformación vs. tiempo en función de la tensión aplicada), resistencia a la fatiga (número de ciclos de vida para una carga cíclica determinada), en función de la temperatura y la microestructura real. Además, también se ha desarrollado un modelo estocástico para predecir el efecto de algunos defectos en el comportamiento final (acabado superficial, presencia de carburos).

El Proyecto MICROMECH (Ref.: CS-GA-2013-620078) ha sido financiado dentro del programa Sustainable and Green Engines (SAGE) Integrated Technology Demonstrators (ITD) de Clean Sky, que tiene como objetivo mejorar el impacto medioambiental de las tecnologías aeronáuticas europeas y garantizar la futura competitividad internacional del sector europeo de la aeronáutica.

Fuente: http://www.madrimasd.org/notiweb/noticias/simulando-comportamiento-superaleaciones-mejorar-diseno-motores-avion?origen=notiweb_suplemento&dia_suplemento=miercoles&seccion=europanoticias

 

 

‘Clean Sky’, el futuro motor ecológico aeronáutico

Clean Sky Joint Technology Initiative, una iniciativa, en la que participan las principales compañías motoristas, se puso en marcha en 2008 y finalizará en 2017. Constituye, según ITP, “de una de las más importantes apuestas” de I+D, entre las promovidas por la Unión Europea.

ITP ha aportado alrededor de 40 millones a la iniciativa europea “Clean Sky” para avanzar en el desarrollo del futuro motor ecológico aeronáutico. La empresa vasca considera clave en su estrategia el desarrollo de estos motores y está ultimando la fabricación de su primer demostrador (SAGE 3) en sus instalaciones de Zamudio, que, a finales de año, se llevará al banco de pruebas.

El proyecto está dotado con un presupuesto total de 1.600 millones de euros, de los que el 50% es aportado por la UE y el resto por las propias compañías participantes.

En una entrevista a Europa Press, el director de Ingeniería y Desarrollo en ITP, Jaime Fernández Castañeda, ha subrayado que la aportación de la compañía a este proyecto es de aproximadamente 40 millones para el periodo comprendido entre 2008 y 2015.

Fernández Castañeda ha señalado que, con esta iniciativa, se pretende que todas las empresas europeas fabricantes de motores de aviones lleguen a cumplir los objetivos que fija la UE en términos de reducción de emisión de contaminantes y de CO2.

En concreto, la UE estableció un objetivo de reducir las emisiones de CO2 para el año 2020 en un 15% y las emisiones de óxido de nitrogeno en un 50%.

El proyecto europeo establece dos fases, una primera, que ya está concluyendo, y que incluye varios programas de demostradores aeronáuticos con diferentes tecnologías. En la actualidad, según ha precisado Fernández Castañeda, se habrían cumplido la “mitad” de los objetivos marcados por la UE y el resto se espera cumplir en una segunda fase, al finalizar 2017.

El reto que se han marcado es que los motores que vayan a estar en funcionamiento en las líneas áreas en 2020 cumplan esos requisitos, de manera que pueda ser una realidad el motor ecológico aeronáutico europeo.

“Tendremos motores que emitan un 15% menos de CO2 y se espera una reducción de coste del 20% en operación para la aerolínea y menos coste significa menos precio que se va a tener que pagar por cada vuelo”, ha añadido. Por ello, ha pronosticado que la entrada en servicio de los motores ecológicos europeos conllevará una reducción del precio de los billetes de avión.

DEMOSTRADORES

La iniciativa cuenta con seis programas de demostradores aeronáuticos, de los cuales uno es relativo a motor, llamado Sustainable and Green Engine (SAGE), que se traduciría como “Motor Verde y Sostenible”. El presupuesto para los trabajos encaminados a la realización de este motor es de más de 400 millones de euros.

La participación de ITP se centra fundamentalmente en el SAGE 3, donde se prueban nuevas tecnologías aplicadas a turbinas de baja presión, módulo en el que ITP es referente y líder a nivel mundial en su diseño y fabricación.

Martínez Castañeda ha señalado que se está en la fase de terminar de fabricar el primer demostrador en sus instalaciones en Zamudio. En concreto, se prevé concluir el módulo en otoño, Antes de que termine el año, el motor correrá en un banco de pruebas.

ITP no se encarga de todo el desarrollo del SAGE 3, sino que Rolls Royce también realiza una parte del demostrador y, una vez que ITP le envíe a Inglaterra sus piezas, la empresa británica montará el motor completo.

Martínez Castañeda ha señalado que se tendrá que realizar todo un trabajo de conocimiento de los distintos parámetros del motor y, cuando ITP analice todos esos datos a principios de 2015, se comprobará si funciona la tecnología que han desarrollado.

En los motores que estarán volando dentro de tres o cuatro años esperan incorporar todas estas mejoras en las que están trabajando y, posteriormente, se realizará otro paquete de mejoras para ir cumpliendo con los objetivos de la UE.

El responsable de ITP ha manifestado que el desarrollo de motores ecológicos es clave para el futuro de la empresa, y la “supervivencia” para la compañía. Según ha destacado, es lo que demanda el mercado y lo que también están haciendo sus competidores. “Lo tenemos que hacer sí o sí”, ha añadido. En todo caso, Martínez Castañeda se ha mostrado convencido de que ITP desempeñará un papel relevante en el desarrollo de este tipo de motores.

INVERSIÓN DE ITP EN I+D

Fernández Castañeda ha destacado el esfuerzo inversor que viene realizando ITP en I+D, que durante 2013 ascendió a 54 millones, de los cuales el 75% es de aplicación a factores medioambientales de reducción de combustible y emisión de gases y ruido.

La previsión para este año es destinar una cantidad similar, si bien, a la vista de que se esperan “cambios significativos” en la tecnología de los motores, habrá un incremento de las inversiones en I+D para los próximos años. En concreto, durante 2015 se podría dar un incremento del 50% en la inversión en I+D y una parte sustancial se centrará en todo el desarrollo de motores ecológicos.

La empresa ITP tiene previsto su instalación en uno de los edificios que conforman los Centros Tecnológicos de la Universidad Politécnica de Madrid en TecnoGetafe y la puesta en funcionamiento del Laboratorio de Ensayos Fluodinámicos (LEF). La implantación se enmarca dentro de un programa de Investigación denominado NEAT (“New Efficient AeroengineTurbomachinery”) con la participación de ITP y la propia Universidad.

Fuente: ecoticias

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ITP organiza la reunión de I+D para el futuro motor ecológico aeronáutico europeo

Industria de Turbo Propulsores, S. A. (ITP) organizará en Bilbao, del 24 al 27 de junio, la reunión anual de seguimiento con un total de 40 representantes de las principales compañías motoristas que participan en la iniciativa de Investigación y Desarrollo “Clean Sky” (“Cielo limpio”) de la Unión Europea, dotada con un presupuesto total de 1.600 millones de euros.

Clean Sky Joint Technology Initiative, que se creó en 2008 y finalizará en 2017, es una de las más importantes apuestas de I+D entre las promovidas por la Unión Europea. Dotada con un presupuesto total de 1.600 millones de euros, el 50% es aportado por la UE y el resto por las propias compañías participantes. Su objetivo es contribuir a la mejora en el transporte aéreo mediante la reducción de consumo de combustible y emisiones (CO2 y NOx), del ruido externo y del coste del ciclo de vida del avión.

Motor verde y sostenible

La iniciativa cuenta con 6 programas de demostradores aeronáuticos, de los cuales uno es relativo a motor, llamado Sustainable and Green Engine (SAGE), que se traduciría como “Motor Verde y Sostenible”. El presupuesto para los trabajos encaminados a la realización de este motor es de más de 400 millones de euros.

La reunión de Bilbao, que desarrollará sus jornadas de trabajo entre los días 24 y 27 de junio contará con un número de 40 representantes de las empresas principales que participan, además de ITP, como socios en el SAGE (la británica Rolls-Royce, las francesas Airbus, Snecma, Turbomeca y Aircelle, las alemanas Rolls-Royce Deutschland y MTU, las italianas AVIO y Alenia y la sueca GKN).

En la revisión anual de los diferentes demostradores, se pondrán en común las diferentes líneas de actividad y lo logros obtenidos en cada uno de ellos.

SAGE 1 – Open Rotor
SAGE 2 – Geared Open Rotor
SAGE 3 – Large 3-Shaft Turbofan
SAGE 4 – Geared Turbofan
SAGE 5 – Turboshaft
SAGE 6 – Lean Burn

Participación de ITP

La participación de ITP se centra fundamentalmente en el SAGE 3, donde se prueban nuevas tecnologías aplicadas a turbinas de baja presión, módulo en el que ITP es referente y líder a nivel mundial en su diseño y fabricación.

En la actualidad ITP es responsable, entre otras, de las turbinas de baja presión del Trent 900, para el Airbus A380, del Trent 1000 para el Boeing 787 y de dos nuevos motores de Rolls-Royce, el Trent XWB-97, para el Airbus A350-1000, y el Trent TEN, diseñado para el Boeing 787-10.

Durante el ejercicio 2013 el esfuerzo inversor de ITP en I+D ha ascendido a 54 millones de euros, cifra de la cual el 75% es de aplicación a factores medioambientales de reducción de combustible y emisión de gases y ruido. ITP está a la cabeza de las empresas industriales españolas en inversión en materia de I+D en relación a sus ventas, con una media superior al 10% en la última década.

La empresa ITP tiene previsto su instalación en uno de los edificios que conforman los Centros Tecnológicos de la Universidad Politécnica de Madrid en TecnoGetafe y la puesta en funcionamiento del Laboratorio de Ensayos Fluodinámicos (LEF). La implantación se enmarca dentro de un programa de Investigación denominado NEAT (“New Efficient AeroengineTurbomachinery”) con la participación de ITP y la propia Universidad.