Evolución de los engranajes aeronáuticos para condiciones extremas

El proyecto de investigación LUBGEAR está generando el conocimiento necesario para llegar a entender el comportamiento de los engranajes que funcionan en condiciones extremas con el objetivo de contribuir al diseño de los motores aeronáuticos del futuro

Uno de los retos destacados de la sociedad actual es la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. El Pacto Verde Europeo y el Acuerdo de París, que fue firmado por 196 naciones, subrayan la importancia de este asunto. Uno de los objetivos de la aviación es reducir las emisiones de CO₂ de los sistemas de propulsión mediante el uso de motores innovadores y de gran eficiencia, por ejemplo, el turbofán con engranajes UHBP (relación de derivación ultra-alta). Para lograr la máxima eficiencia, la turbina tiene que girar rápidamente, pero el ventilador debe girar a una velocidad comparativamente lenta. Este conflicto de optimización se resuelve con una etapa de reducción del engranaje planetario entre la turbina y el ventilador. Para posibilitar el funcionamiento de la etapa del engranaje planetario, hay que garantizar un suministro continuo de lubricante para la refrigeración y la lubricación. Normalmente, el sistema de lubricación primario lo garantiza. Sin embargo, durante determinadas maniobras del vuelo, el lubricante no puede llegar a la caja de engranajes, por lo que el suministro de aceite resulta insuficiente. Estos eventos se denominan eventos de Pérdida de Lubricación (LOL) y provocan daños en la etapa del engranaje planetario debido al desgaste adhesivo a altas temperaturas. La solución actual para impedir los eventos LOL es un circuito de aceite auxiliar. Sin embargo, este sistema aumenta la masa y, por tanto, disminuye la eficiencia global del motor del turbofán. La consecuencia es un incremento de los costes y del consumo de combustible y, por lo tanto, un nivel superior de emisiones de CO₂. Un enfoque diferente para la supervivencia temporal de los elementos de la máquina durante los eventos LOL es la adaptación de las superficies de contacto para que los sistemas auxiliares sean innecesarios: este enfoque se logra con el uso de la tecnología de superficies.

El objetivo del proyecto de investigación LUBGEAR consiste en ofrecer soluciones innovadoras gracias a la mejor comprensión del fenómeno de la fricción entre los engranajes con sistemas de lubricación pasiva durante la disminución del suministro de lubricante o, incluso, en Pérdidas de Lubricación. Este proyecto está financiado por la Empresa Común (JU) Clean Sky 2, que forma parte del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea y los miembros de la JU Clean Sky 2 no pertenecientes a la UE. El proyecto está coordinado por CIDETEC Surface Engineering y tiene como socios el centro austríaco de excelencia en tribología AC2T, el centro de investigación de engranajes FZG de la Universidad Técnica de Múnich, ZOERKLER y Advance Drivetrain Technologies (ADT). Además, el consorcio tiene el placer de contar con Avio Aero como Topic Manager del proyecto.

Durante el período de ejecución del proyecto, LUBGEAR ha identificado posibles tecnologías de superficies que incrementan la duración de engranajes que soportan grandes cargas durante la pérdida de lubricación:

1. Materiales y procesos de endurecimiento: los aceros para nitruración y los aceros endurecidos con resistencia a altas temperaturas pueden funcionar a temperaturas más elevadas al tiempo que mantienen sus características de dureza.
2. Diseño de las superficies: el pulido de los flancos de los engranajes reducen la rugosidad y la fricción
3. Revestimientos: los revestimientos cerámicos pueden reducir el riesgo de desgaste adhesivo e incrementar la resistencia al desgaste

Los mecanismos de daños por pérdida de lubricación y las soluciones de diseño de las superficies se están estudiando actualmente con las pruebas de engranajes y discos dobles de LUBGEAR en condiciones de carga severa.

Está previsto comunicar resultados más detallados del proyecto en la International Conference on Gears 2023 que se va a celebrar del 13 al 15 de septiembre de 2023 en Múnich.

«Este proyecto está financiado por la Empresa Común (JU) Clean Sky 2 en virtud del acuerdo de subvención n.º 101007713. La JU recibe presupuesto del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea y los miembros de la JU Clean Sky 2 no pertenecientes a la UE».

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