Estudio Comparativo de la Respuesta Estructural de Álabes de Turbina de Material Compuesto

Abstract

La aplicación de materiales compuestos en la industria automotriz y aeronáutica, así como en las diversas ramas de la ingeniería ha crecido notablemente en las últimas décadas. Esta situación ha impulsado un importante esfuerzo para analizar el comportamiento de componentes estructurales derivados de ellos. Los materiales compuestos ofrecen ventajas únicas sobre sus contrapartes metálicas, pero también presentan problemas complejos y desafiantes para analistas y diseñadores. Los materiales compuestos laminados se utilizan principalmente en aplicaciones donde la relación rigidez- peso o resistencia-peso resultan críticas. Como ventaja adicional, la configuración del laminado, es decir: la orientación de las fibras, espesor de las capas, secuencia de apilamiento, geometrías del refuerzo (fibras largas continuas, cortas, partículas), fracción de volumen del refuerzo, se puede adaptar para reducir su peso sin poner en peligro su rendimiento, o mejorar la eficacia sin aumentar su peso. Esto se puede lograr a través de un proceso de optimización del diseño del material.
Teniendo en cuenta los aspectos mencionados, en este trabajo se analiza y compara el comportamiento de los álabes de un rotor de turbina conformados con material compuesto laminado. Se toma como base para el estudio paramétrico la rigidez y el estado tensional producido por la carga hidráulica aplicada en los álabes del rotor de una turbina axial. Para el análisis se considera el dispositivo mecánico de material compuesto de matriz epoxi reforzada con fibras de carbono, variando el ángulo de orientación de las fibras y la secuencia de apilamiento de manera de lograr la mayor rigidez con el menor peso. Para el análisis se utiliza el código de elementos finitos explícito “Compack Aero (CIMNE-Quantech 2008),que permite trabajar con piezas conformadas en materiales compuestos con una cinemática de grandes deformaciones y desplazamientos.
En el estudio que se ha realizado demuestra la importancia que tiene la orientación de las fibras en un material compuesto. Para ello se comparan los estados de tensión máxima y las rigideces en un álabe constituido por una matriz polimérica reforzada con fibras de carbono según tres orientaciones distintas (±45º, 0º/45º y 0º/90º). La simulación numérica del álabe de material compuesto, se hace a partir de una formulación basada en la teoría de mezclas generalizada anisótropa, que puede consultarse en las fuentes (Oller A. Sergio et al. (2010), Rastellini F. (2008), Oller S. (2003)).