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Tesis

Diseño, factibilidad y caracterización de un tubo en material compuesto para rotores de alta velocidad

2014



Tesista Diego Ariel KELM
Ingeniero Electromecánico Universidad Nacional de Misiones - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAMCNEA - Argentina
Directores Dr. Alfredo HAZARABEDIAN, CNEA, UNSAM - Argentina
Ing. ArielSASSONE, CNEA - Argentina
Lugar de realizaciónGerencia Materiales - Centro Atómico Constituyentes - Argentina
Fecha Defensa 07/07/2014
Jurado Lic. Alberto PASTORINI, CNEA - Argentina
Dr. Gerardo RUBIOLO, CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Ing. Silvio TERLISKY, CNEA, UNSAM - Argentina
Código IS/T 149/14

Título completo

Diseño, factibilidad y caracterización de un tubo en material compuesto para rotores de alta velocidad

Resumen

El presente trabajo está orientado al estudio, diseño, manufactura y caracterización de rotores de fibras de carbono y resina epoxi con la aplicación a enriquecimiento de uranio para generación de energía eléctrica. Se trata de enriquecimiento por separación isotópica mediante centrifugación gaseosa, donde uno de los principales componentes de una máquina de separación es el rotor. Al tratarse de rotores cuyas velocidades rondan entre 60000 rpm a 100000 rpm, su diseño requiere tener presente muchas variables, entre las más importantes tratadas en el trabajo son: las resistencias a las fuerzas centrifugas, y los modos críticos de vibraciones.
La principal solicitación de un rotor es por fuerza centrífuga, por lo que la velocidad límite de funcionamiento de la maquina está asociada directamente con la tensión de falla y la densidad del material. Por otro lado las velocidades críticas están asociadas a la rigidez del rotor y su esbeltez, por tanto se realiza un análisis del comportamiento de modos críticos, y resistencia y módulos en relación con las y dimensiones geométricas del rotor a distintas configuraciones de laminados. También se realiza un análisis dinámico a los efectos de determinar las fuerzas trasmitidas a los soportes del rotor en todo el rango de velocidades de funcionamiento considerando un determinado desbalance residual, así como determinación de las tensiones asociadas en distintos puntos de interés en el rotor, además para llevar a cabo este estudio se ha requerido una determinación experimental del factor de amortiguamiento del laminado. Por otro lado se realiza un análisis de tensiones residuales de laminados con corroboración experimental con la finalidad de poder estimar las tensiones de falla. En lo que respecta a la manufactura de rotores, se determina las causas de un problema de falla del laminado relacionados con coeficientes de dilatación térmica, y se ha propuesto un procedimiento que permite evitar el problema, con resultados experimentales exitosos. Se concluye con discusiones respecto a trabajos posteriores como ser estudios de fluido dinámica de UF_6, y relaciones geométricas del rotor; estudios de aceleraciones máximas que admite el rotor para pasar velocidades críticas a fines de evitar amplitudes de vibraciones que puedan dañarlo estructuralmente; análisis de fatiga, y controles de calidad.

Complete Title

Design, feasibility and characterization of a high speed composite material rotor

Abstract

This paper aims to study, design, manufacturing and characterization of carbon fiber rotors and applying epoxy resin with application to enrich uranium for power generation. Is isotopic separation enrichment by gas centrifuge, where one of the main components of a separation machine is the rotor. Being rotors with speeds within 60,000 rpm to 100,000 rpm, their design required several variables, among the most important treated at work are: resistance to centrifugal forces, and critical modes of vibration.
The principal solicitation of a rotor is centrifugal force, so that the operating speed limit of the machine is directly associated with the stress failure and material density. Furthermore the critical speeds are associated with the rotor stiffness (or rigidity) and slenderness, thus is realized an analysis of critical modes of behavior, a strength and modules in relation to the geometrical dimensions of the rotor and to different configurations of laminates. It also performs a dynamic analysis to determine the effects of the forces transmitted to the supports of the rotor, throughout the operating speed range determined considering a residual unbalance and determining the associated stress at various points of interest in the rotor, and to carry out this study is required an experimental determination of the damping factor of the laminate. On the other hand, is performed an analysis of residual stresses on laminates with experimental corroboration in order to estimate the stress fault. Respect to the manufacture of rotors, is determinates the causes of failure problem associated with laminate coefficients of thermal expansion, and a procedure is proposed which allows to avoid the problem, with successful experimental results. It is concluded with discussions on future work such as fluid dynamics studies UF6, and rotor geometric relationships; studies that supports maximum accelerations to spend rotor critical speed to avoid amplitudes of vibrations that may damage structurally; fatigue analysis, and quality control.

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