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Caso de estudio: Rodete monolítico de turbina centrífuga

Acero inoxidable 316L | SLM | Rodete de motor aeronáutico / turbina de gas con álabes marcados en 3D

Aplicación de impresión 3D de metal

1. Antecedentes

Un proveedor de componentes para motores aeronáuticos estaba desarrollando una etapa de turbina centrífuga de alta velocidad para un demostrador de turborreactor de pequeño tamaño. El diseño anterior de rodete soldado presentaba fisuración en las puntas de los álabes en las costuras de soldadura y una eficiencia limitada, ya que el perfil del álabe estaba limitado por el utillaje de soldadura. Se necesitaba un rodete totalmente monolítico con geometría de álabes optimizada e identificación marcada directamente en 3D para cumplir tanto los requisitos de durabilidad como los de trazabilidad del programa de demostración.

2. El desafío

Los requisitos de diseño incluían:

· Más de 60 álabes radiales con perfil aerodinámico completo, 100% monolítico — sin raíces de álabes soldadas

· Torsión 3D de los álabes optimizada para lograr una eficiencia de etapa >88%

· Grado del material y número de serie impresos en 3D directamente en la cara del cubo (sin etiqueta adhesiva, sin marca láser que pueda eliminarse)

· Equilibrado dinámico G2.5 a plena velocidad de funcionamiento (24.000 rpm)

· Acero inoxidable 316L para resistencia a la oxidación a alta temperatura y compatibilidad con ensayos no destructivos (END)

3. La solución

El rodete se rediseñó como una única pieza monolítica con álabes radiales optimizados mediante CFD y una cara de cubo premarcada con el grado del material y un número de serie único, y luego se fabricó mediante fusión selectiva por láser (SLM) en acero inoxidable 316L. Los ángulos de inclinación hacia atrás de los álabes, los radios del borde de ataque y los ángulos de arrollamiento de salida se ajustaron mediante CFD, y el cubo se optimizó topológicamente para mejorar la relación rigidez-peso. El texto marcado en 3D en la cara del cubo se imprimió como caracteres en relieve en la misma impresión, eliminando cualquier proceso de marcado posterior a la impresión. Tras la impresión, la pieza se mecanizó con acabado en el orificio del eje, se equilibró dinámicamente a G2.5 y se sometió a pruebas de rodaje a plena velocidad.

 

Figura 1: Rodete de turbina de 316L impreso por SLM — vista frontal que muestra los más de 60 álabes radiales y el grado del material marcado en 3D en la cara del cubo

 

Figura 2: El mismo rodete visto desde atrás — cubo monolítico, sin raíces de álabes soldadas, listo para el mecanizado de acabado del orificio del eje

4. El resultado

· 88% de eficiencia de etapa — +8 puntos frente al diseño soldado anterior

· Reducción de peso del 25% — mediante un cubo optimizado topológicamente

· Construcción monolítica — sin raíces de álabes soldadas, sin modo de fallo por fatiga

· Trazabilidad integrada — grado del material + número de serie impresos en 3D en la misma impresión

· Equilibrado G2.5 a 24.000 rpm — listo para la instalación directa en el motor

· Plazo de entrega: 4 semanas — desde el CAD hasta el rodete equilibrado y probado en rodaje

“Obtuvimos un rodete monolítico con trazabilidad integrada y una ganancia de eficiencia de 8 puntos. El texto impreso en 3D forma parte de la pieza — no puede desprenderse ni lijarse.”

 

Material: acero inoxidable 316L  |  Proceso: SLM / impresión 3D de metal  |  Aplicación: rodete de turbina centrífuga