Analysis of resistance to thermal erosion and heat transfer of metal matrix composites in a jet engine exhaust nozzle

Abstract

[ES] La tobera de un motor aerorreactor se ve sometida a condiciones de servicio críticas. Las temperaturas elevadas que adquiere el flujo de aire durante la combustión se transmiten a las pardes de la tobera por mecanismos de transferencia de calor, conducción y convección. Es necesario realizar un análisis exhaustivo de los materiales seleccionados para la fabricación de la tobera, con el objetivo de cumplir los requisitos establecidos para resistir la temperatura, las tensiones térmicas inducidas y fenómenos derivados de la exposición permanente. Choque térmico, termofluencia, expansión, contracción térmica y fatiga son algunos de los procesos que aceleran la degradación de la sección de escape de un turborreactor. Los materiales con las propiedades más adecuadas son los materiales compuestos de matriz metálica. Se realizará un estudio para seleccionar las aleaciones y los refuerzos que formarán estos materiales compuestos, en función de su morfología, propiedades demandadas, características finales y técnicas y procesos de fabricación aplicados. Con el software de simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) ANSYS Fluent® se realiza una simulación de transferencia de calor, por convección del fluido de trabajo a la pared interna, por conducción a través del material, y por transmisión mixta convección-radiación con el entorno. Para finalizar se analizan los resultados obtenidos de cada material compuesto y se comparan las propiedades y el comportamiento frente a la degradación.[EN] The nozzle of a jet engine is subjected to critical service conditions. The high temperatures acquired by the air flow during combustion are transmitted to the nozzle parts by heat transfer mechanisms, conduction and convection. It is necessary to carry out an exhaustive analysis of the materials selected for the manufacture of the nozzle, in order to meet the requirements to resist temperature, induced thermal stresses and the phenomena derived from permanent exposure. Thermal shock, creep, thermal expansion, contraction and fatigue are some of the processes that accelerate the degradation of the exhaust section of a turbojet. The materials with the most suitable properties are metal matrix composite materials. A study will be carried out to select the alloys and reinforcements that will form these composite materials, based on their morphology, required properties, final characteristics and applied manufacturing techniques and processes. With the ANSYS Fluent® computational fluid dynamics (CFD) simulation software, a simulation of heat transfer is carried out, by convection of the working fluid to the internal wall, by conduction through the material, and by mixed convection-radiation transmission. with the environment. Finally, the results obtained from each composite material are analysed and the properties and behaviour against degradation are compared