Turbinas más Eficientes
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La evolución de las turbinas de gas está vinculada con el desarrollo de aleaciones de níquel Por John MilneRevista de Níquel, Marcha 2007 -- Un motor de reacción típico de hoy contiene aproximadamente 1.8 toneladas de aleaciones de níquel e incluye una larga lista de aleaciones base níquel hechas a la medida para satisfacer las necesidades específicas. La vida útil de un motor de reacción comercial moderno es de casi 20,000 horas de operación entre revisiones, comparada con las solo 5 horas para los motores prototipo de finales de los años 40. Hace sesenta años, Alemania e Inglaterra comenzaron a experimentar con turbinas de gas como una fuente de energía para los aviones. El ventilador de aspiración de la turbina comprimía aire y lo alimentaba hacia una cámara de combustión donde la quema de un combustible líquido causaba que el gas caliente se expandiera; esta expansión impulsaba la sección caliente de la turbina y el ventilador de aspiración de aire. Las turbinas de gas actuales funcionan por mucho de la misma manera. La vida de las primeras turbinas de gas estaba limitada a aproximadamente 5 horas debido a que las aleaciones de acero entonces disponibles no podían soportar las altas temperaturas (950-1,100 °C) en la sección de combustión del motor de reacción. El motor funcionaba, pero su uso práctico estaba limitado por la corrosión de los materiales en aquel tiempo disponibles para la sección caliente de gas. Para que la turbina de gas se convirtiera en el motor eficiente y confiable que es hoy, fue necesario utilizar mejores aleaciones. El níquel, debido a su inherente fuerza, resistencia a la corrosión, y habilidad para alearse con otros metales, fue el metal base de elección para el desarrollo de mejores aleaciones para los motores de reacción. Los metalúrgicos en las décadas de 1940 y 50 supieron que las aleaciones níquel-cromo y cobalto-níquel-cromo eran más fuertes y más resistentes a la corrosión y oxidación que las aleaciones del acero inoxidable en aquel momento en uso general. Esas aleaciones níquel-cromo y cobalto podrían extender la vida de las turbinas de gas. Las primeras aleaciones, tal como la N06600 (conteniendo 72% de níquel), motivaron a los metalúrgicos a desarrollar aleaciones más eficientes y durables para los motores de reacción. ¿El desarrollo de las aleaciones base níquel y las técnicas de tratamiento posteriores para sus formas de producto forjado y moldeado ha alcanzado el límite? La eficiencia de una turbina de gas depende de la diferencia en la temperatura entre la entrada de aire, aire del ambiente y la cámara de combustión. Cuanto más caliente es la zona de combustión, mayor es la cantidad de energía que puede ser derivada del combustible. Esto es por lo que nosotros necesitamos aleaciones que puedan manejar las temperaturas de la cámara de combustión más calientes. Conforme la industria metalúrgica evolucionó, nuevas aleaciones fueron desarrolladas para cumplir este reto. Existían principalmente aleaciones base níquel con adiciones de cromo y otros elementos para elevar la fuerza y la resistencia a la corrosión/oxidación en las temperaturas más altas. El desarrollo de la aleación, así como la turbina de gas misma, evolucionó en tres etapas. Primero, las aleaciones fueron mejoradas al incrementar el contenido de níquel y cromo tanto en aleaciones trabajadas y fundidas y por el uso de técnicas de fusión al vacío para reducir la formación de óxidos dañinos. Los investigadores entonces consideraron las composiciones de aleación mejoradas. Las adiciones a las aleaciones de elementos además del níquel, cromo o cobalto fueron el siguiente paso para el servicio a temperatura más alta. En particular, la adición de tungsteno, vanadio, molibdeno y niobio condujeron a la creación de aleaciones complejas conteniendo tantos como 12 elementos metálicos diferentes. Entre las aleaciones creadas estaba el N06102 (conteniendo 68% de níquel), la cual tenía muy buenas propiedades para el uso de motores de reacción. El perfeccionamiento en las técnicas de fusión al vacío hizo la creación posible de tales aleaciones complejas mientras mantiene la limpieza de la aleación y una microestructura homogénea. Después viene el uso de capas, tales como los aluminuros (por ejemplo CoAl o NiAl), los cuales podían ser aplicados a partes de la aleación básica para mejor resistencia a la corrosión u oxidación. En la tercera etapa de desarrollo, los componentes de la aleación fundida, tales como los álabes de la sección caliente de la turbina, eran un punto débil, debido a la segregación en los límites de grano de algunos elementos durante la solidificación del metal fundido. Este problema fue resuelto por el desarrollo de nuevas técnicas de fundición para los álabes de la sección caliente de la turbina. La solidificación direccional y las fundiciones de mono-cristales, por ejemplo, permitieron a las turbinas de gas operar incluso a temperaturas más altas, lo que se transformó en mayor eficiencia de combustible. Hoy en día, esperamos mejoras metalúrgicas adicionales que llevarán a las turbinas de gas al siguiente nivel. Tales perfeccionamientos dependerán de la evolución continua de las aleaciones base níquel. John Milne is a consultant to the Nickel Institute. PHOTOS: Rolls-Royce
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