A través de esta nota de aplicación se explicará cómo medir el espesor de pared en álabes de turbina de metal hueco.
Espesor de pared de álabes de turbina
Varios álabes de turbina destinados a motores de aeronaves y otros sistemas de alto rendimiento son huecos a fin de permitir la circulación del refrigerante dentro del álabe. Tanto los desplazamientos del núcleo (o macho) de fundición como la disfunción en el mecanizado o el desgaste superficial normal durante el funcionamiento pueden hacer que el espesor de las paredes de un álabe descienda por debajo de los límites aceptables. Medir mecánicamente el espesor de pared por lo general es imposible sin destruir el álabe. Sin embargo, con las sondas e instrumentación adecuadas, esta medición a menudo puede llevarse a cabo por ultrasonido.
Equipamiento ultrasónico dedicado a medir el espesor de pared en álabes de turbina
Los medidores de espesores de precisión son usados comúnmente para medir los álabes de las turbinas. Entre ellos destacan el medidor 38DL PLUS™ y el medidor 45MG dotado de la opción de software Sonda monoelemento/A-scan. Por lo general, son usados con sondas de inmersión o sondas dotas de líneas de retardo cuya selección se efectúa acuerdo con el espesor y la geometría de la pieza bajo medición. La pantalla A-scan del medidor permite que un operador capacitado controle las formas de onda (A-scan) para asegurar una detección de eco válida. Asimismo, permite garantizar una alineación óptima de la sonda.
El medidor 72DL PLUS™ es un instrumento de alta velocidad que permite ejecutar mediciones rápidas durante la fabricación e inspección de álabes de turbinas. El medidor ofrece una frecuencia de refresco de 60 Hz y velocidades de medición de hasta 2 kHz. Además, cuenta con una amplia pantalla táctil de 7 pulgadas, que ofrece una gran visibilidad a partir de diferentes ángulos. Mediante varias opciones de conectividad (LAN inalámbrica, Bluetooth® y Ethernet) y herramientas de gestión de datos, el medidor 72DL PLUS permite optimizar los flujos de trabajo de inspección y mejorar el rendimiento.
Procedimiento para medir el espesor de pared de los álabes de turbina
El sistema de medición exacto, recomendado para una determinada aplicación de álabe de turbina, depende de los requisitos del cliente y de las propiedades acústicas del álabe. A continuación, se proporcionan algunos aspectos a tener en cuenta:
Tipo de sonda: Tanto las sondas con líneas de retardo como las de inmersión sirven para aplicaciones de álabes de turbinas. Sin embargo, la curvatura de los álabes de turbina pequeños puede imposibilitar el acoplamiento adecuado de las sondas dotadas de líneas de retardo en la parte cóncava. Las sondas dotadas de líneas de retardo de 3 mm (0,125 pulg.) [M203 y M208] por lo general se acoplan adecuadamente en radios cóncavos de hasta 100 mm (4 pulg). En algunos casos, y gracias al contorno de la línea de retardo, es posible un acoplamiento hasta en radios más agudos. No obstante, las superficies muy curvas —en especial el flanco de apertura de los álabes—, pueden medirse mejor con sondas de inmersión. La sonda V316-B de 20 MHz montada en un burbujeador B-120 otorga un ensamblaje portátil y conveniente que permite ejecutar la medición de álabes mediante una sonda de inmersión. En muchos casos, también es posible usar una sonda V260-SM Sonopen™, dotada de una línea de retardo enfocada, que permite acoplarse a superficies cóncavas imposibles de medir con líneas de retardo convencionales.
Adicionalmente a la línea estándar de sondas de inmersión y sondas con líneas de retardo, Olympus ofrece tres sondas especiales de bajo perfil, dotadas de líneas de retardo de 20 MHz, que permiten medir el espesor de álabes de turbina en ensamblajes de múltiples álabes donde el espacio es limitado entre ellos y el acceso es difícil. La M2054 es una sonda que se dota de una línea de retardo de 20 MHz, un espesor de sólo 6,75 mm (0,27 pulg.), y un mango de 75 mm (3 pulg.). La M2055 es similar, dotada de un montaje compuesto por la sonda y la línea de retardo de 10 mm (0,40 pulg.) de espesor. La sonda con línea de retardo V2034 presenta una punta de 10 mm (0,40 pulg.) y un mango angulado de 300 mm (6 pulg.). Los esquemas de las sondas están disponibles bajo pedido.
Modo de medición: Al usar sondas de inmersión y con líneas de retardo, las mediciones de espesor pueden ejecutarse en el Modo 2 (de interfaz a primer eco de retorno) o en el Modo 3 (de eco a eco consecutivo a la interfaz). El Modo 3 proporciona una mejor resolución que el Modo 2 en el caso de materiales delgados; sin embargo, esto sólo es viable si los puntos que van a medirse en el álabe de la turbina producen múltiples ecos a partir de la pared de fondo. Si se genera un único eco utilizable a partir de la pared de fondo (debido a la curvatura o la atenuación), la medición debe efectuarse en el Modo 2. Los medidores 38DL PLUS y 45MG pueden operar en Modo 2 o Modo 3. Defina una configuración óptima para una aplicación determinada de álabes de turbina gracias a los estándares de referencia con el rango de espesor y las geometrías que deben medirse.
Rango de espesor: En los álabes metálicos típicos, el espesor mínimo resoluble para una sonda con línea de retardo de 20 MHz o una sonda de inmersión es de aproximadamente 0,15 mm (0,006 pulg.) en el Modo 3 y 0,5 mm (0,020 pulg.) en el Modo 2. Para materiales más delgados, por debajo de 0,15 mm, puede usarse la versión de alta frecuencia del medidor 72DL PLUS. La mayoría de las mediciones de álabes de turbina se efectúan en 10 MHz o 20 MHz.
Puntos muertos: Los álabes de turbina huecos suelen presentar diversas estructuras internas en el álabe a fin de dirigir el flujo del refrigerante o añadir fuerza al álabe. Usualmente, no es posible obtener un eco de pared de fondo desde los puntos en que estos deflectores o varillas se ubican; ya que, la estructura altera la superficie interna lisa, la cual es necesaria para una buena reflexión. En aquellos casos donde las estructuras están muy juntas, una sonda de inmersión focalizada, dotada de un tamaño de punto pequeño, producirá mejores ecos de pared de fondo que una sonda con línea de retardo. Asimismo, hay casos en los que el espesor del álabe muy coniforme puede crear situaciones en las que las paredes internas y externas están considerablemente de forma no paralela, lo que puede generar distorsión y errores potenciales de medición.
En todos estos casos, se debe determinar una combinación de sonda e instrumento que se guíe por los ensayos llevados a cabo en muestras de productos reales. La extensa variación en las geometrías de los álabes de turbina hace que la evaluación de muestras sea importante.
De la Figura 1 a la Figura 3, se muestran formas de onda típicas asociadas a las mediciones de álabes de turbina que han sido ejecutadas con un medidor 38DL PLUS. La pantalla del medidor proporciona instantáneamente la forma de onda (A-scan) del ultrasonido en vivo junto con puertas y lecturas de espesor. Esto es ideal para aplicaciones difíciles o cuando los parámetros de configuración necesitan un control más detallado.
Figura 1. Medición de un álabe de turbina en el Modo 3
La Figura 1 muestra una medición que aplica el Modo 3 para el borde de escape de un álabe de turbina cóncavo de 1,05 mm (0,041 pulg.) de espesor con una sonda M208. La curvatura forma un radio suficientemente extenso en el punto de medición para que la sonda M208 se acople bien al material, y los múltiples ecos limpios permitan una medición en el Modo 3.
Figura 2. Medición de un álabe de turbina en el Modo 2
La Figura 2 muestra una medición que aplica el Modo 2 para la pared del álabe de turbina convexo de 1,8 mm (0,070 pulg.) de espesor, usando también una sonda M208. Aquí, la presencia de varillas internas amortigua un poco los ecos y, en ausencia de múltiples ecos limpios, se recomienda una medición de Modo 2.
Figura 3: Técnica de inmersión para medir la sección curva convexa del álabe
La Figura 3 muestra una técnica de inmersión que usa una sonda de inmersión V316-BB de 20 MHz con un burbujeador manual B-120 a fin de examinar una sección convexa y gruesa (0,051 pulg. o 1,3 mm) del álabe, cuya curva convexa pronunciada (1 pulg. o 25 mm de radio) dificulta el acoplamiento de una sonda dotada de una línea de retardo. En este tipo de medición, en especial con superficies cóncavas, es fundamental que el operador monitorice las formas de onda para asegurar la óptima alineación de la sonda.
Figura 4: Mediciones de espesor delgado (0,0032 pulg.) en bloque de acero delgado con un medidor 72DL PLUS
La Figura 4 muestra una sonda M2104 de 125 MHz y contacto directo sobre una cuña metálica delgada 0,076 mm (0,0032 pulg.). Esta medida demuestra la capacidad del espesor mínimo del medidor 72DL PLUS. Existe una línea completa de sondas de alta frecuencia de 30 MHz a 125 MHz que pueden usarse con el medidor 72DL PLUS para una variedad de aplicaciones de espesor delgado.
Nota: Ciertos álabes de turbina fundidos a partir de aleaciones de grano grande pueden mostrar variaciones importantes en la velocidad de propagación de un punto a otro debido a la estructura de grano anisótropo. En tales casos, la precisión de la medición ultrasónica en espesores se hallará limitada por el grado de variación de la velocidad. Este límite debe determinarse de modo experimental para casos específicos.
