UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA AMÉRICA

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

AEROBOMBA

Proyecto profesional de Grado previo

a la Obtención del Título de Ingeniero

Mecánico: Especialidad Mecánica

Automotriz e Industrial

Autores: Jèssica Johanna Zambrano Sabando

Luis Fernando Pilca Guallichico

Tutor: Ing. Fabricio Quimba

DM. Quito Enero del 2011

iii

CERTIFICACIÓN

Certifico que el Proyecto Profesional de grado titulado” AEROBOMBA”, es un trabajo

realizado en forma íntegra e inédita por lo alumnos egresados de la Facultad de

Ciencia de la Ingeniería, Carrera de Ing. Mecánica de la “Universidad Tecnológica

América”, señores: Jessica Johanna Zambrano Sabando y Luis Fernando Pilca

Guallichico, de acuerdo a mi tutoría como tutor del mencionado proyecto.

Ing. Fabricio Quimba

Docente de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería

Director del Proyecto de Grado

iv

AGRADECIMIENTO

Nuestro sincero agradecimiento va dirigido al personal Docente y Administrativo de la

Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Carrera de Ingeniería Mecánica, donde a lo

largo de nuestra formación académica fuimos alcanzando nuestras metas, hasta

cumplir nuestro objetivo final, que hoy vemos realizado.

Al cuerpo docente de la Facultad de Ingeniería Mecánica, guías incansables del saber,

justicia y libertad, en especial a nuestro maestro y amigo Ing. Fabricio Quimba,

Director del proyecto, por su aporte desinteresado para la realización del presente

proyecto.

A nuestros amigos y compañeros también nuestra gratitud pues alentaron nuestros

deseos de esfuerzo y superación.

v

DEDICATORIA

A dios por darme la sabiduría y fuerza para elegir

esta carrera apasionante e interesante.

A mi querida familia, mi madre Sra. Carlina

Sabando, ser incansable en la lucha de conseguir

mis sueños, a mi padre Sr. Francisco Zambrano,

hermanos Gissella, Johanna y Julio Zambrano y

sobrinos que han sido y serán el pilar permanente

de mi vida, en especial al Sr. Luis y Fernando Pilca

quienes me apoyaron en momentos difíciles.

JESSICA ZAMBRANO S.

vi

DEDICATORIA

A las personas más importantes en mi vida, mis

queridos padres que con sus esfuerzos me han

dado la mejor educación, inculcándome siempre

buenas costumbres y guiándome siempre por un

buen camino. A mis hermanas: Alexandra, Patricia,

Martha, Maritza, a mis sobrinos, a todos mis

amigos. A mi novia Jessica

Gracias

FERNANDO PILCA G.

vii

ÍNDICE GENERAL

CONTENIDO PAG.

Anteportada…………………………………………………………………………….. i

Portada………………………………………………………………………………… ii

Certificación…………………………………………………………………………….. iii

Agradecimiento…………………………………………………………………………. iv

Dedicatorias…………………………………………………………………………….. v

Índice general…………………………………………………………………….......... vii

Índice capítulo I………………………………………………………………………… viii

Índice capítulo II……………………………………………………………………… ix

Índice capítulo III……………………………………………………………………… ix

Índice capítulo IV……………………………………………………………………….. x

Conclusión y recomendación…………………………………………………………. Xi

Bibliografía y glosario…………………………………………………………………. xi

Índice de figuras………………………………………………………………………. xi

Índice de tablas ……………………………………………………………………….. xiii

Índice de ecuaciones…………………………………………………………………. xiv

Índice de anexos……………………………………………………………………….. xvii

Simbología………………………………………………………………………………. xviii

Sistema de unidades…………………………………………………………………... xix

Resumen………………………………………………………………………………… xx

Abstract……………………………………………………………………………......... xxi

Introducción…………………………………………………………………………… xxii

viii

1.1 Historia……………………………………………………………………………… 1

1.2 Funcionamiento del molino de viento…………………………………………… . 2

1.3 Aplicación de los molinos de viento…………………… …………………………. 2

1.4 Características generales del clima en el Ecuador……………………………. 2

1.4.1 Análisis climatológico en Agosto 2009.…………………………….………. 3

1.5 Viento…................ ................. ................... ................. .................................... ... 4

1.6 Energía………………………………………………………………….................. 7

1.6.1 Energía Eólica…………………………………………………………………. 7

1.6.2 Maquinas Eólicas…………………………………………………………….. 8

1.7 Bombeo Eólico….…………………………………………………………............ 9

1.7.1 Sistema eólico (bombeo de agua)……………………………….................. 9

1.8 Aerobomba….…………………………………………………………................. 11

1.8.1 Funcionamiento de la aerobomba)………………………………................ 12

1.8.2 Clases de aerobombas………………………………………………………..

1.8.3 Componentes de Aerobomba de pistón……………………………………. 17

1.8.4 Ventajas de Aerobombas……………………………………………………. 21

1.8.5 Características técnicas de las Aerobombas………………………………. 22

1.8.6 Parámetros generales del diseño de aerobombas ……………………….. 22

1.8.7 Rentabilidad de la Aerobomba………………… ……………………………. 23

1.8.8 Aplicación de Aerobombas……………………………………………….….. 23

1.8.9 Posibilidades y opciones de instalación de Aerobombas……………….… 24

1.9 Bombas……………………………………………………….……………………. 25

1.9.1 Selección de bombas hidráulicas…………………………………………..... 25

1.9.2 Clasificación de bombas hidráulicas…….…………………………………... 25

1.9.2.1 Bomba de pistón………………………………..…………………………. 27

1.9.3 Características de las bombas……... ………………………………………. 28

1.9.4 Rendimiento de las bombas……... …………………………………………. 28

AEROBOMBA

CAPÍTULO I

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

ix

CAPÍTULO II

ANALISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS2.1 Parámetros para la selección de Aerobomba……………………………. 30

2.2 Análisis de alternativas……………………………………………..………… 32

2.2.1 Alternativa I………………………………………………………………… 32

2.2.2 Alternativa II………………………………………………………………… 34

2.2.3 Alternativa III………………………………………………………….......... 35

2.3 Selección de alternativa…………………………….……………………… 36

2.3.1 Tabla de costos de la construcción……………..……………………….. 36

2.3.2 Escala de ponderación…………………….……..……………………….. 36

2.3.3 Alternativa seleccionada……………..……………………………………. 37

CAPÍTULO III

DISEÑO DE AEROBOMBA3.1 Investigación eólica preliminar…………………………..…….…………………. 38

3.1.1 Datos generales……………………………………………………………….. 38

3.1.2 Ubicación geográfica………………………………………………………….. 38

3.2 Sistema de bombeo............................................................................... 39

3.2.1 Selección de la bomba de pistón….………………..…..…………………… 40

3.2.1.1 Fuerzas que actúan en la bomba……………………………………….. 41

3.2.1.2 Fuerza generada por la bomba de pistón……………………………... 42

3.2.1.3 Volumen de carga de la bomba…………………………………………. 44

3.2.2 Perdidas…………………………………………………………………………. 45

3.2.3 Inercia del mecanismo………………………………………………………… 51

3.2.4 Fuerza de fricción……………………………………………………………… 53

3.2.5 Peso de los elementos………………………………………………………… 54

3.3 Sistema de transmisión…………………………………………………………….. 55

3.3.1 Biela ò varilla de transmisión…………………………………………………... 55

3.3.2 Diseño de la manivela…………………………………………………………. 57

3.3.2.1 Análisis de elementos que componen la manivela…………………… 58

3.4 Cavitación…………………………………………………………………………… 65

3.5 Golpe de ariete……………………………………………………………………… 65

3.6 Rotor eólico………………………………………………………………………… .. 66

3.6.1 Parámetros de diseño…………………………………………………………... 66

x

3.6.1.1 Velocidad del viento……………………………………………………… 66

3.6.1.2 Potencia del rotor…………………………………………………………. 69

3.6.2 Diámetro del rotor………………………………………………………………. 70

3.6.3 Área del rotor…………………………………………………………………… 70

3.6.4 Número de palas………………………………………………………………. 71

3.6.4.1 Palas del rotor……………………………………………………………. 72

3.6.5 Eje del rotor……………………………………………………...…………….. 74

3.6.5.1 Estimación de fuerzas aplicadas en el eje……………………………. 75

3.6.5.2 Cálculo por resistencia…………………………………………………… 77

3.6.5.3 Diseño a fatiga……………………………………………………………. 79

3.7 Selección de rodamientos…………………………………………………………... 83

3.8 Chaveta………………… …………………………………………………………… . 86

3.9 Tornamesa…………………………………………………………………………… 88

3.9.1 Diseño del soporte horizontal ó viga transversal…………………………… 88

3.9.2 Soporte vertical ó columna armada………………………………………….. 92

3.9.3 Soporte vertical o columna armada inclinada………………………………. 95

3.9.4 Cartela o platina para veleta………………………………………………… 96

3.9.5 Eje de tornamesa………………………………………………………………. 97

3.10 Soldadura – conexión…………………………………………………………… 102

3.11 Conjunto veleta – placa guía……………………………………………………... 104

CAPÍTULO IV

PROTOCOLO DE PRUEBAS4.1 Construcción de la Aerobomba………………………………………………… 109

4.1.1 Rotor………………………………………………………………………… 109

4.1.2 Tornamesa y veleta………………………………………………………… 109

4.1.3 Sistema de transmisión y bombeo……………………………………… 109

4.2 Montaje de los componentes de la aerobomba……………………………... 110

4.2.1 Montaje de elementos del rotor………………… ……………………….. 113

4.2.2 Montaje de la estructura de la tornamesa………………….……….…… 114

4.2.3 Montaje de la veleta……………………………………………………….. 115

4.2.4 Montaje del sistema de transmisión de la aerobomba…………………. 115

4.2.5 Montaje de la bomba………………………………………………………. 116

4.2.6 Montaje y anclaje de la torre…………………………………………… 117

4.3 Pruebas de funcionamiento de la Aerobomba………………………………. 118

xi

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESConclusiones……………..…………………………………………………………….. 120

Recomendaciones…………...………………………………………………………... 121

BIBLIOGRAFIA Y GLOSARIOBibliografía……………..……………………………………………………………….. 122

Glosario…………...……………………………………………………….................... 124

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Aerobomba o molino de viento……………………………………….. 1

Figura 1.2 Posiciones de rotor frente a diferentes velocidades del viento…… 5

Figura 1.3 Anemómetro…………………………………………………………… 6

Figura 1. 4 Esquema del bombeo mecánico…………………………………….. 10

Figura 1.5 Esquema de la Aerobomba………………………………..………… 11

Figura 1.6 Funcionamiento de la Aerobomba………………………………...... 12

Figura 1. 7 Rotor de eje vertical………………………………………………….. 13

Figura 1.8 Aerobomba tipo Savonius………………………………………….... 14

Figura 1. 9 Rotores Monopalas, Bipalas, tripala y multipala…………………… 15

Figura 1.10 Esquema de Aerobomba de rotor multipala y bomba de pistón… 16

Figura 1.11 Aerobomba…………………………………………........................... 16

Figura 1.12 Componentes de la Aerobomba.,………………………………...... 17

Figura 1.13 Veleta………………………………………………………………….. 18

Figura 1.14 Anemómetro…………………………………………………………... 18

Figura 1.15 Rotor rígido…………………………………………………………….. 20

Figura 1.16 Rotor semirrígido…………………………………………………….. 20

Figura 1.17 Rotor articulado ………………………………………….…………... 20

Figura 1.18 Torre de Aerobomba ………………………………………………… 21

Figura 1.19 Modelo rotor multipala, Savonius y Modelo gaviota……………..... 21

Figura 1.20 Aerobomba montada sobre el pozo……………………………….. 24

Figura 1.21 Aerobomba montada con transmisión hasta el pozo…………….. 24

Figura 1.22 Varias Aerobombas compartiendo estanque y tubería…………... 24

Figura 1.23 Bomba de pistón……………… ………………… ……….………….. 26

Figura 2.1 Esquema de la alternativa I……………………………..…………... 32

Figura 2.2 Esquema de la alternativa II……………………………..…………... 34

Figura 2.3 Esquema de la alternativa III……………………………………….... 35

Figura 2.4 Aerobomba montada con transmisión hasta el pozo……………… 38

xii

Figura 3.1 Esquema hidráulico……………………………………...…………… 39

Figura 3.2 Desplazamiento del pistón en función del ángulo de rotación…… 42

Figura 3.3 Diagrama del pistón en función del ángulo de rotación…………... 45

Figura 3.4 Relación entre la longitud, manivela y biela………...……………… 46

Figura 3.5 Velocidad del pistón en función del ángulo de rotación…………... 46

Figura 3.6 Inercia en los elementos mecánicos ……………………………..… 51

Figura 3.7 Aceleración del pistón en función del ángulo de rotación………… 51

Figura 3.8 Fuerzas actuantes en el pistón……………………………………… 53

Figura 3.9 Fuerzas actuantes en el pistón……………………………………… 54

Figura 3.10 Esquema de fuerzas ejercidas sobre la biela……………………... 55

Figura 3.11 Esquema de fuerzas en el sistema biela manivela………………. 57

Figura 3.12 Esquema de la manivela……………………………………………. 58

Figura 3.13 Esquema de fuerzas de la manivela……………………………… 58

Figura 3.14 Esquema de fuerzas tramo C-D…………………………………... 59

Figura 3.15 Esquema de fuerzas tramo B-C……………………………………. 61

Figura 3.16 Esquema de fuerzas tramo A-B……………………………………. 63

Figura 3.17 Curva de potencia según la velocidad del viento……………….. 71

Figura 3.18 Pala, modelo 40xx Industrias JOBER……………………………... 72

Figura 3.19 Descomposición de la fuerza resultante de la acción del viento. 73

Figura 3.20 Esquema de las fuerzas ejercidas sobre el eje del rotor………... 74

Figura 3.21 Diagrama de momentos flectores en el eje………………………. 76

Figura 3.22 Esquema de un esfuerzo fluctuante……………………………….. 79

Figura 3.23 Geometría de la chaveta…………………………………………….. 86

Figura 3.24 Esquema de la tornamesa…………………………………………… 88

Figura 3.25 Diagrama de cuerpo libre de la viga de la tornamesa……………. 88

Figura 3.26 Diagrama de cortantes y momentos en la viga…………………… 89

Figura 3.27 Esquema del Perfil " L" ……………………………... 92

Figura 3.28 Esquema de los soportes verticales soldados de la tornamesa. 92

Figura 3.29 Esquema de los soportes verticales soldados inclinadas………. 95

Figura 3.30 Esquema de la platina……………………………………………….. 98

Figura 3.31 Esquema de fuerzas ejercidas sobre el eje de la tornamesa…… 97

Figura 3.32 Diagrama soldadura………………………………………………….. 102

Figura 3.33 Esquema de la veleta………………………………………………... 104

Figura 3.34 Esquema de la placa de la veleta…………………………………... 104

Figura 3.35 Diagrama de cuerpo libre de la veleta…………………………….. 105

Figura 3.36 Fuerzas que intervienen en la veleta……………………………… 108

xiii

Figura 4.1 Diagrama de montaje de la aerobomba…………………………… 112

Figura 4.2 Rotor de la aerobomba………………………………………………. 113

Figura 4.3 Tornamesa……………………………………………………………. 114

Figura 4. 4 Veleta …………………………………………………………………. 115

Figura 4. 5 Sistema de transmisión……………………………………………… 115

Figura 4.6 Bomba de pistón…………………………………………………….. 116

Figura 4.7 Torre……………………………………………………………………. 117

Figura 4.8 Anclaje de la torre……………………………………………………. 117

ÍNDICE DE TABLASTabla 2.1 Tabla de costos de construcción……………………………………... 36

Tabla 2.2 Escala de valores en la ponderación………………………………….. 37

Tabla 2.3 Ponderación de parámetros………………………………..………….. 37

Tabla 3.1 Índice volumétrico del uso del agua………………………………..…. 40

Tabla 3.2 Capacidad de bombeo- selección de la bomba ……………………... 41

Tabla 3.3 Coeficiente de pérdidas de carga …………………………………… 50

Tabla 3.4 Coeficiente de pérdidas de carga II…………………………………. 50

Tabla 3.5 Datos de la velocidad del viento en el 2010………………………… 66

Tabla 3.6 Calculo de potencia para aerobomba………………………………… 71

Tabla 3.7 Relación de velocidad específica con el número de palas..………... 72

Tabla 3.8 Características aerodinámicas de palas…………………………….. 72

Tabla 3.9 Tipo de carga y valores de Kt y Kf aplicadas……………………….. 77

Tabla 3.10 Características de rodamientos de rodillo cónico ……………… 84

Tabla 4.1 Simbología del diagrama de flujo…………………………………….. 110

Tabla 5.1 Cuadro de mantenimiento………………… ………………………….. 149

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1.1 Potencia de la bomba…………………………………………….. 28

Ecuación 1.2 Rendimiento de la bomba……………… ………………………... 29

Ecuación 3.1 Potencia requerida por la bomba……………………………….. 42

Ecuación 3.2 Peso específico del agua.......................................................... 42

Ecuación 3.3 Velocidad del agua……………………………………………….. 43

Ecuación 3.4 Fuerza en el pistón debido a la columna de agua…………..... 43

Ecuación 3.5 Fuerza del agua contenida en la bomba……………………..... 43

Ecuación 3.6 Área de la bomba……………………………………………….... 43

Ecuación 3.7 Fuerza total en el pistón debido a la columna de agua………. 44

xiv

Ecuación 3.8 Volumen de carga de la bomba en cada revolución del rotor 44

Ecuación 3.9 Perímetro de giro del sistema de manivela…………………... 45

Ecuación 3.10 Calcular las pérdidas hidráulicas…………………………….. 45

Ecuación 3.11 Pérdidas de carga regulares……………… …………………. 46

Ecuación 3.12 Número de Reynolds………………………………………… 47

Ecuación 3.13 Coeficiente de fricción en tramos de la tubería…………….. 47

Ecuación 3.14 Radio Hidráulico……………………………………………….. 48

Ecuación 3.15 Perímetro mojado…………………………………………….. 48

Ecuación 3.16 Número de Reynolds asociado con la salida de fluido……. 48

Ecuación 3.17 Coeficiente de fricción en tuberías con flujo laminar……… 49

Ecuación 3.18 Pérdidas de carga singular o localizada…………………….. 49

Ecuación 3.19 Fuerza generada por las pérdidas………………………….. 50

Ecuación 3.20 Aceleración del pistón………………………………………... 51

Ecuación 3.21 fuerza de inercia que se generan…………………………… 52

Ecuación 3.22 fuerza centrífuga ……………………………………………... 52

Ecuación 3.23 Fuerza alterna de inercia…………………………………… 52

Ecuación 3.25 peso del pistón………………………………………………… 53

Ecuación 3.26 fuerza de rozamiento………………… ………………………. 53

Ecuación 3.27 peso propio de los elementos……………………………… 54

Ecuación 3.28 Fuerza de bombeo necesaria para bombear……………… 54

Ecuación 3.29 Peso de la varilla de transmisión…………………………… 55

Ecuación 3.30 Área de varilla………………………………………………….. 55

Ecuación 3.31 Tensión por tracción………………………………………… 55

Ecuación 3.32 Deformación debido a la carga axial de tracción………… 56

Ecuación 3.33 Carga permisible o tolerable………………………………… 56

Ecuación 3.34 Par motor ó Torque……………………………………………. 57

Ecuación 3.35 Potencia requerida por el sistema de bombeo……………... 58

Ecuación 3.36 Momento flector en el tramo C-D, con respecto al punto C. 59

Ecuación 3.37 esfuerzo máximo en flexión…………………………………… 59

Ecuación 3.38 Modulo de sección……………………………………………... 59

Ecuación 3.39 Esfuerzo Normal Máximo …………………………………… 60

Ecuación 3.40 Esfuerzo cortante máximo…………………………………….. 60

Ecuación 3.41 factor de seguridad…………………………………………….. 60

Ecuación 3.42 Modulo de sección en superficie rectangular……………….. 61

Ecuación 3.43 momento de inercia Para la sección rectangular…………… 61

Ecuación 3.44 Esfuerzo de torsión…………………………………………….. 62

xv

Ecuación 3.45 Esfuerzo máximo de torsión…………………………………... 64

Ecuación 3.46 Altura de aspiración……………………………………………. 65

Ecuación 3.47 Densidad del aire………………………………………………. 67

Ecuación 3.48 Factor de comprensibilidad de los gases……………………. 67

Ecuación 3.49 Fracción Molar del vapor de agua……………………………. 68

Ecuación 3.50 Factor de rugosidad……………………………………………. 68

Ecuación 3.51 Presión de vapor saturado……………………………………. 68

Ecuación 3.52 Potencia total del rotor……………………………………….... 69

Ecuación 3.53 Área del rotor…………………………………………………… 70

Ecuación 3.54 Número de palas ………………………………………............ 71

Ecuación 3.55 Coeficiente de velocidad ……………………………………… 71

Ecuación 3.56 Fuerza resultante………………………………………………. 73

Ecuación 3.57 Área proyectada de la pala……………………………………. 73

Ecuación 3.58 Fuerza axial en el rotor………………………………………… 75

Ecuación 3.59 Diagrama de cortantes y momentos en el eje………………. 76

Ecuación 3.60 Fuerza de reacción…………………………………………….. 76

Ecuación 3.61 Diámetro del eje………………………………………………... 77

Ecuación 3.62 Cargas en tracción……………………………………………... 78

Ecuación 3.63 Radio de giro:…………………………………………………… 78

Ecuación 3.64 Esfuerzo cortante admisible:………………………………….. 78

Ecuación 3.65 Esfuerzo por flexión …………………………………………… 79

Ecuación 3.66 Esfuerzo cortante por torsión…………………………………. 79

Ecuación 3.67 Amplitud del esfuerzo ………………… ………………………. 80

Ecuación 3.68 Esfuerzo medio ………………………………………………… 80

Ecuación 3.69 Límite de resistencia a la fatiga de un elemento mecánico.. 81

Ecuación 3.70 Límite de resistencia a la fatiga de un ejrotativo……………. 81

Ecuación 3.71 Factor de superficie……………………………………………. 81

Ecuación 3.72 Factor de forma o tamaño ……………………………………. 81

Ecuación 3.73 Factor de carga ………………………………………………... 82

Ecuación 3.74 Factor de temperatura…………………………………………. 82

Ecuación 3.75 Factor de modificación por concentración del esfuerzo…… 82

Ecuación 3.76 Factor de efectos diversos………………………………………82

Ecuación 3.77 Factor de seguridad …………………………………………… 83

Ecuación 3.78 Carga dinámica equivalente ………………………………….. 85

Ecuación 3.79 Carga estática equivalente..................................................... 85

Ecuación 3.80 Fuerza aplicada en la chaveta………………………………... 86

xvi

Ecuación 3.81 Esfuerzo cortante en la chaveta………………………………. 86

Ecuación 3.82 Compresión en la chaveta……………………………………... 87

Ecuación 3.83 Carga distribuida………………………………………………... 90

Ecuación 3.84 Momento maximo de la viga…………………………………... 91

Ecuación 3.85 Módulo de la sección requerida………………………………. 91

Ecuación 3.86 Esfuerzo permisible basico…………………………………….. 91

Ecuación 3.87 Módulo resistente de la sección………………………………. 91

Ecuación 3.88 Esfuerzo permisible o flexión………………………………….. 91

Ecuación 3.89 Flecha máxima…………………………………………………. 92

Ecuación 3.90 Área total de la sección compuesta soldada………………… 93

Ecuación 3.91 Inercia total de la sección compuesta soldada……………… 93

Ecuación 3.92 Radio de giro de la sección compuesta……………………… 93

Ecuación 3.93 Masa total de la sección compuesta soldada……………… 93

Ecuación 3.94 Relación de esbeltez……………………………………………. 93

Ecuación 3.95 Esfuerzo permisible……………………………………………... 94

Ecuación 3.96 Carga permisible ò tolerable……………………………………. 94

Ecuación 3.97 Carga critica que origina el pandeo……………………………. 94

Ecuación 3.98 Ángulo de inclinación de la columna armada……………….. 95

Ecuación 3.99 El momento máximo…………………………………………… 95

Ecuación 3.100 Límite máximo de esfuerzo…………………………………… 95

Ecuación 3.101 Longitud de la platina……………………………………………96

Ecuación 3.102 Masa del eje hueco de la tornamesa……………………...…. 98

Ecuación 3.103 Inercia del eje de la tornamesa………………………………. 98

Ecuación 3.104 Radio del eje de la tornamesa………………………………. 98

Ecuación 3.105 Momento flector……………………………………………….. 98

Ecuación 3.106 Momento Torsor……………………………………………… 99

Ecuación 3.107 Esfuerzo torsionante del eje de tornamesa………………… 99

Ecuación 3.108 Carga permisible.………………… …………………………….102

Ecuación 3.109 Esfuerzo al cortante…………………………………………... 102

Ecuación 3.110 Área de soldadura………………… ………………………….. 103

Ecuación 3.111 Longitud de soldadura……………………………………….. 103

Ecuación 3.112 Área de placa guía de veleta…………………………………. 104

Ecuación 3.113 Volúmen de placa guía de veleta…………………………… 105

Ecuación 3.114 Peso de placa base.…………………………………………...105

Ecuación 3.115 Área de veleta ………………………………………….....….. 105

Ecuación 3.116 Esfuerzo permisible a tensión………………………………...106

xvii

ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo 1 Pérdidas de cargas………………………………………………………… .. 130

Anexo 2 Coeficientes de pérdidas…………………………………………………… 131

Anexo 3 Rugosidades………………………………………………………………… .. 131

Anexo 4 Coeficientes de pérdidas para tubos……………………………………… . 132

Anexo 5 Propiedades, esfuerzos de aceros estructurales………………………… 132

Anexo 6 Propiedades mecánicas de pernos de acero ATM,SAE e ISO…………. 133

Anexo 7 Boletín de prensa del INAMHI……………………………………………… 134

Anexo 8 Clima en Quito (Octubre 2010)…………………………………………….. 135

Anexo 9 Medición de la fuerza del viento según la escala Beaufort……………... 136

Anexo 10 Características de diseño de diversos tipos de alabes…………………. 137

Anexo 11 Velocidad del viento para obtener la potencia ………… 137

Anexo 12 Factor de acabado superficial (ka)…………………………………………….. 138

Anexo 13 Diagrama de sensibilidad a las ranuras (q) para aceros…………………… 138

Anexo 14 Factor de concentración de esfuerzos (kt)……………………………… 139

Anexo 15 Factor de concentración de esfuerzos (Kt)………………………………. 139

Anexo 16 Tipos y características de los rodamientos………………………………. 140

Anexo 17 Rodamientos FAG………………………………………………………… 141

Anexo 18 Vida útil de diseño recomendado para rodamientos…………………… 142

Anexo 19 Perfiles estructurales, ángulos…………………………………………… 142

Anexo 20 Coeficiente de longitud efectiva K……………………………………… 143

Anexo 21 Esfuerzos Permisibles……………………………………………………… 144

Anexo 22 Tamaño mínimo de soldadura para placa según el espesor…………... 145

Anexo 23 Tensiones por esfuerzos de corte permisible y fuerza en soldadura… 145

Anexo 24 Manual de mantenimiento de la aerobomba… …………… ……… … …… ………… ……… 146

xviii

SIMBOLOGÍA

A Área; constante

A aceleración

C Distancia

cm Centímetros

Cp. Coeficiente de potencia

D Diámetro.

E Modulo de elasticidad.

F Fuerza.

Fp Fuerza del pisón.

Hp Caballo de fuerza

I Momento de inercia.

L Longitud.

lit. Litro

m Metros

m/s Metros por segundo

m2 Metro cuadrado

m3

Metro cubico

P Potencia.

R Radio

J Joule

Kg Kilogramo

Kw Kilovatios

KWh Kilovatios - hora

Sy Límite de Fluencia.

T Torque o Torsión.

W Peso.

∈ Deformación unitaria en Ingeniería.

η Factor de seguridad.

[σ] Esfuerzo permisible.

σ Esfuerzo normal.

τ Esfuerzo cortante.

ω Velocidad angular.

θ Angulo.

xix

SISTEMA DE UNIDADES

Fuerza.- Newton (N), la fuerza que, actuando sobre una masa de 1 kilogramo, le da

una aceleración de 1 metro por segundo, cada segundo.

Momento.- Momento de un par o de una fuerza con respecto a un eje: el newton-

metro (Nm).

Trabajo.- Joule (J), el trabajo de una fuerza de 1 newton (N) cuyo punto de aplicación

se desplaza 1 m en su misma dirección.

Kilowatt - hora (kWh), la energía suministrada o consumida por artefacto de 1 Kw de

potencia durante una hora (1watt –hora = 3600 joule).

Potencia.- Watt (W):

• En mecánica, la potencia de un par motor que en régimen permanente proporciona el

trabajo de 1 joule durante 1 segundo.

• En electricidad, la potencia disipada por una corriente de 1 amperio en un conductor

de 1 ohm durante 1 segundo.

Espacio y tiempo.

Superficie………Notación S expresada en m2

Velocidad………Notación U o V expresada en m/s

Velocidad angular….notación expresada en rad/s

Rotación…………notación n expresada en rpm

Densidad de masa expresada en kg/m3

Nota: El precio de la energía se expresa en unidades monetarias por kilowatt-hora.

xx

RESUMEN

El presente proyecto profesional de grado titulado “AEROBOMBA”, para ser instalada

en la Provincia: Pichincha, Cantón: Mejía, Parroquia: Cutuglahua.

Se propone con la intención de mostrar el funcionamiento de una Aerobomba, que

está dirigido a aprovechar una de las fuentes de recursos renovables como es la

energía eólica proveniente del viento, y así bombear agua.

Las Aerobombas utilizan la energía del viento, las cuales son gratis y limpias, evitando

el uso de combustibles no renovables que son de acceso restringido en la mayoría de

zonas rurales y su costo se eleva progresivamente a medida que se agotan las

reservas. Además, el hecho de no consumir combustible reduce los costos de

mantenimiento haciendo que el equipo amortice su costo inicial rápidamente y hace

que el costo del metro cúbico bombeado sea más barato.1

El cual tiene como objetivo principal mejorar la provisión de agua en el sector donde

no se cuenta con el servicio de agua potable, adicionalmente permite mejorar el

sistema de protección del medio ambiente. Este proyecto puede ser implementado en

la industria florícola, agrícola, ganadera, casas, etc.

Esta Aerobomba está compuesta de: Rotor, eje del rotor, tornamesa, veleta, bomba de

pistón, biela, rodamientos, chaveta, torre.

El rotor está compuesto de 16 palas que aprovechan el 95 % de la energía cinética del

viento, el mismo que tiene una velocidad promedio de 5.44 m/s, el cual se encarga de

transformar la energía cinética en energía mecánica para hacer funcionar los demás

componentes.

De esta manera el sector se beneficia de este proyecto, que permite abastecer del

líquido vital según su necesidad.

1 Industria JOBER: Características técnicas para la implementación de mo0linops de vioento para

bombeo de agua JOBER, p. 4

xxi

ABSTRACT

The present project professional of titled grade "AEROBOMBA", to be installed in the

County: Pichincha, Canton: Mejía, Parish: Cutuglahua.

He/she intends with the intention of showing the operation of an Aerobomba that is

directed to take advantage of one of the sources of renewable resources as it is the

eolic energy coming from the wind, and this way to pump water.

The Aerobombas uses the energy of the wind, which are free and you clean, avoiding

the use of non renewable fuels that you/they are of access restricted in most of rural

areas and their cost rises progressively as the reservations are drained. Also, the fact

of not consuming fuel reduces the maintenance costs making that the team redeems

its initial cost quickly and he/she makes that the cost of the pumped cubic meter is

cheaper.

Which has as main objective to improve the provision of water in the sector where it is

not had the service of drinkable water, additionally it allows improving the system of

protection of the environment. This project can be implemented in the industry florícola,

agricultural, cattleman, houses, etc.

This Aerobomba is made up of: Rotor, axis of the rotor, tornamesa, vane, piston bomb,

connecting rod, rodamientos, cotter, tower.

The rotor is made up of 16 shovels that take advantage of 95% of the kinetic energy of

the wind, the same one that has a speed average of 5.44 m/s, which takes charge of

transforming the kinetic energy in mechanical energy to make work the other

components.

This way the sector benefits of this project that allows to supply of the vital liquid

according to its necessity.

xxii

INTRODUCCIÓN

El mundo es cada vez más tecnificado, donde la tecnología y la industria adquieren un

papel muy importante y es por esto que en los últimos años se han creado

organizaciones internacionales encargadas de velar por el cumplimiento y control de

algunos lineamientos, a fin de disminuir los daños provocados por el uso

indiscriminado de las reservas y fuentes de energía.

La razón principal del desarrollo de esta Aerobomba es que son las encargadas de

transformar la energía cinética del viento en energía mecánica que pone en

movimiento el sistema que junto con el viento generado por el ambiente bombea el

agua, el mismo que es un aporte para la comunidad.

El desarrollo de este tema, se llevó a cabo para facilitar el cálculo necesario para el

diseño, construcción y montaje de una Aerobomba, usando herramientas de diseño

de mecanismos para realizar el análisis cinemático, dinámico, estructural y la

simulación de dicho mecanismo para comprobar los resultados con información útil

para todos aquellos interesados.

Existen diversos tipos de Aerobomba, pero este estudio se refiere a las Aerobombas

de eje horizontal de giro lento, así también de todos los factores que conlleva en sí al

uso de este tipo de Aerobomba y su aplicación.

Las máquinas de eje horizontal pueden ser lentas o rápidas, según sea la velocidad

típica de la punta de la pala, definida a través de su velocidad específica en este caso

solo describiremos la de giro lento por ser la más adecuada para el bombeo de agua

por las características citadas a continuación.

De giro lento.- Son máquinas lentas las que tienen una velocidad específica entre 2 y

5 . Se caracterizan porque su velocidad de rotación es baja, por lo que tienen un

gran número de palas, entre 12 y 16, que cubren casi toda la superficie del rotor.

Tienen un elevado par de arranque, gracias al cual pueden ponerse en marcha incluso

con velocidades de viento muy bajas. Su velocidad de rotación hace que sean poco

útiles para producir energía eléctrica, por lo que se emplean fundamentalmente para el

bombeo de agua.

xxiii

Aerobombas de bombeo y el medio ambiente.- Los molinos ayudan a la

conservación del medio ambiente evitando la emisión de contaminantes derivados del

uso de combustibles.

En el capítulo uno se expresó la fundamentación teórica de la aerobomba, en el

capítulo dos se elaboró el análisis y selección de alternativas para la construcción de

la Aerobomba, en el capítulo tres se hace recuento de los parámetros para el diseño,

en el capítulo cuatro se reúnen los cálculos del diseño de la Aerobomba, cálculos que

respaldan los planos incluidos en el anexo.

El último capítulo incluye el proceso de montaje, se realizó ensayos preliminares para

establecer potencias generadas, rendimientos de la bomba, los costos del proyecto,

etc. Además se suman las conclusiones, recomendaciones y manual de

mantenimiento que serán de utilidad para futuros trabajos sobre el tema.

El diseño mecánico va a utilizarse en la construcción de la estructura con todos los

cálculos plenamente justificados, para tener la completa certeza de que la estructura

soporte y resista al tipo de trabajo que va a ser sometida, optimizando recursos.

Por medio del dibujo técnico se puede expresar todos los planos que se va a utilizar en el

diseño y construcción, aplicando todas las normas del código de dibujo técnico del

INEN.

Se ha utilizado varios métodos de investigación que han ayudado en el transcurso de

toda la elaboración del proyecto profesional de grado, iniciando con la recolección de la

información técnica del desarrollo del equipo de este tipo en otras épocas y el

análisis de la información técnica que puede ser útil en el presente proyecto.

El método lógico apoyara la selección del material más adecuado para la elaboración

de la memoria técnica analizando cada una de las partes las cuales deben ser

consideradas por separado, para después sintetizar todos los elementos en uno solo.

Los métodos matemáticos para la realización del diseño y construcción de los

componentes mecánicos que conforman la Aerobomba, empleando ecuaciones,

conceptos, principios, definiciones, leyes o normas generales.

La observación se utiliza en las pruebas de funcionamiento de la Aerobomba para

comprobar y corregir los posibles fallos del diseño y los defectos de fabricación, con lo

que se espera una optimización del diseño.

1

CAPÍTULO I

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

1.1 HISTORIA

Las máquinas para la captación de la energía del viento1, conocidas como molinos de

viento ó Aerobombas, es uno de los artefactos más antiguos construidos por el hombre

(figura 1.1)

No existe un acuerdo o certeza total en cuanto al lugar donde aparecieron los primeros

molinos o quien fue su inventor. Algunos estudiosos dicen que fue una idea del célebre

inventor griego Herón de Alejandría por el siglo I antes de la era cristiana. Otros opinan

que aparecieron en Persia, en el siglo VII de nuestra era. Luego, los árabes adoptaron

este ingenioso dispositivo, el que fue llevado a Europa por los cruzados. Fue así como

durante la Edad Media los molinos de viento alcanzaron un gran auge en Europa.

Figura 1. 1 Aerobomba o molino de viento

FUENTE: www . m o li n os de viento.com

Además de emplearse para el riego y moler el grano, los molinos construidos entre los

siglos XV y XIX tenían otras aplicaciones, como el bombeo de agua en tierras bajo el nivel

el mar, aserradores de madera, fábricas de papel, prensado de semillas para producir

aceite, así como para triturar todo tipo de materiales.

1 ww w .AE R O B O M B A S . c o m , acceso

2

El avance más importante fue la introducción del abanico de aspas, inventado en 1745,

que giraba impulsado por el viento

1.2 FUNCIONAMIENTO DEL MOLINO DE VIENTO

El molino de viento empieza a bombear agua a una velocidad mínima del viento de 4 m/s.

La rotación del rotor acciona, a través de la biela y por medio de los vástagos instalados

en el interior de los tubos galvanizados, la bomba de pistón (situada en el fondo del pozo)

dispone de un pistón y un sistema de válvulas que, de forma coordinada con el

movimiento transmitido por los vástagos, van impulsando el agua por el interior de los

tubos hasta la superficie para desembocar en un depósito.

Una de las características principales de las bombas de pistón es que en caso de que el

pozo quedara con un nivel de agua inferior al previsto para la bomba, esta seguiría

bombeando agua y aire sin resultar perjudicada.

1.3 APLICACIONES DE LOS MOLINOS DE VIENTO

Suministro de Agua a Poblaciones.

Suministro de Agua en la Agricultura y Ganadería.

Trasvase de agua entre embalses a distintos niveles

Desecación de Humedales

Suministro de agua a pequeños lagos, jardines públicos y fuentes

Suministro de agua a parques naturales

Suministro de agua a industrias

Instalación para el saneamiento y reciclaje de agua

1.4 CARACTERISTICAS GENERALES DEL CLIMA EN EL ECUADOR2

El Ecuador Continental está situado al Noroeste de América del Sur, entre los 01º 28’ de

Latitud Norte y 05º 01' de Latitud Sur y desde los 75° 11' en la planicie Amazónica hasta

los 81° 01' de longitud Oeste, limitando con el Océano Pacífico. El territorio del Ecuador

está dividido en tres regiones naturales claramente definidas entre sí, ya sea por su

topografía, clima, vegetación y población. Estas tres regiones son: Costa, Sierra y Oriente.

2 w w w .I n st i t u t o Nacional de Meteorología en Hidrología - INAMHI.com,

3

A 600 millas de la costa ecuatoriana hacia el Oeste se encuentra el Archipiélago de

Colón o Islas Galápagos que como su nombre lo indica está integrado por varias islas

siendo la mayor de ellas La Isabela.

Debido a su posición geográfica y a la diversidad de alturas impuesta por la cordillera de

los Andes, el Ecuador presenta una gran variedad de climas y cambios considerables a

cortas distancias. Nuestro país está ubicado dentro del cinturón de bajas presiones

atmosféricas, por esta razón, ciertas áreas del Ecuador reciben la influencia alternativa de

masas de aire con diferentes características de temperatura y humedad

Factores que controlan las condiciones climáticas.- Las características

climatológicas del Ecuador, como las de cualquier otra parte del planeta, responden a una

diversidad de factores que modifican su condición natural, tales como:

• Latitud geográfica

• Altitud del suelo

• Dirección de las cadenas montañosas

• Vegetación

• Acercamiento y alejamiento del Océano

• Corrientes marinas y Vientos

Variables principales del clima.- Entre las variables principales del clima se tiene:

• Temperatura

• Humedad

• Lluvia

• Evaporación

• Dirección y fuerza del viento

• Radiación solar, etc.

1.4.1 ANÁLISIS CLIMATOLÓGICO EN AGOSTO DE 2009

Régimen pluviométrico nacional.- Del análisis de las precipitaciones registradas

durante el presente mes, se tiene que estas fueron inferiores a sus normales mensuales

en veinte y siete localidades con porcentajes que varían entre -10% y -100%; mientras

que nueve localidades registraron valores superiores a los esperados, los mismos que

oscilan entre 7% y 176%.

4

Régimen térmico nacional. -Las anomalías de temperatura media del aire fueron

positivas en todo el país.

Régimen pluviométrico interandina.- Las precipitaciones registradas, presentan

porcentajes de variación negativa en la toda la región, los más importantes fuerón:

Inguincho (-79%), Tomalón (-95%), Iñaquito (-96%), La Tola (-99%), Latacunga (-93%),

Rumipamba (-91%), Riobamba (-76%), Cuenca (-74%), Saraguro (-53%), etc.

Las localidades de San Gabriel y Loja registraron el mayor número de días con

precipitación siendo esto de 20 días respectivamente. Se registró dos récords de

precipitación mínima en las localidades de La Tola (0.1 mm) y Rumipamba (1.6 mm).

Régimen térmico interandina.- A excepción de la localidad de La tola que registro

una anomalía negativa de -0.2°C, el resto de la región las anomalía de temperatura media

fueron superiores a la normal, siendo las más significativas las registradas en las

localidades de Tulcán, San Gabriel y Cañar (1.0°C), Otavalo (1.6°C),

Iñaquito, Rumipamba y Quero Chaca (1.2°C), Ambato (2.5°C), Riobamba (1.9°C),

Cuenca.

La máxima temperatura se registró en La Toma Catamayo y su valor fue de 34.0 °C; la

mínima fue de 2.6° C, en las localidades de Tulcán, San Gabriel, Quero Chaca y en

Gualaceo.

1.5 VIENTO

El viento se define como aire en movimiento, es un elemento meteorológico que consta de

dos parámetros: Dirección e intensidad. La dirección se mide por un instrumento llamado

"Veleta" y la intensidad con un "Anemómetro"

El viento3 es el desplazamiento horizontal de las masas de aire, causado por las

diferencias de presión atmosférica, atribuidas a la variación de temperatura sobre las

diversas partes de la superficie terrestre. Es decir, las distintas temperaturas existentes en

la tierra y en la atmósfera, por la desigual distribución del calentamiento solar y las

diferentes propiedades térmicas de las superficies terrestres y oceánicas, producen

corrientes de aire. Las masas de aire más caliente tienden a subir y en su lugar se ubican

masas de aire más denso y frío.

3 www.PortalCiencia_ Viento Origen y clasificacion.com, 5

5

Características del viento

Son la intensidad y la dirección. La primera se mide según la escala de Beaufort (anexo

1.1), que va desde el 0 (calma absoluta) hasta el (huracán), y en nudos en la

navegación, la unidad del viento en el Sistema Internacional es sin embargo aún se

usan los nudos

Período de mayor intensidad de viento (meses): Agosto, septiembre, octubre.

Período de menor intensidad de viento (meses): Diciembre, Enero, Febrero.

Dirección predominante del viento es: SE.

Clasificación del viento.- Los vientos se clasifican en:

Ciclónicos y anticiclónicos

En las áreas anticiclónicas la presión es superior a lo normal a diferencia de las ciclónicas

donde la presión es inferior a lo normal.

El aire nunca se encuentra en absoluta calma, porque en las áreas ciclónicas se forma

una especie de vacío a donde acuden las masas de aire vecinas que están a presión más

alta. Son estos movimientos de masas de aire los llamados "vientos".

Vientos globales

Son aquellos que determinan las características del tiempo en el planeta, y se originan por

las diferencias de presión y temperatura existentes en todo el mundo.

Dirección y velocidad del viento

Los vientos son nombrados en relación con las direcciones en las que soplan.

Figura 1.2 Posiciones de rotor frente a diferentes velocidades del viento.

FUENTE: www . aerog e nerador e s . com

La determinación de la dirección y velocidad del viento se realiza a partir del estudio de la

distribución de la presión atmosférica en la geografía terrestre.

El viento posee energía cinética debido al movimiento. Se estima que la energía

contenida en los vientos es aproximadamente el 2% del total de la energía solar que

alcanza la tierra. El contenido energético del viento depende de su velocidad. No

obstante, el viento sopla con más fuerza sobre el mar que en la tierra.

Es importante saber la velocidad del viento porque de ella depende la potencia obtenida

por la máquina eólica. Por esto antes de instalar una máquina eólica es necesario medir la

velocidad y la regularidad del viento.

Medición del viento

La velocidad (intensidad) del viento se mide con el anemómetro, que es un molino de tres

brazos, separados por ángulos de 120º, que se mueve alrededor de un eje vertical. Los

brazos giran con el viento, accionan un contador que indica en base al número de

revoluciones, la velocidad del viento incidente.

Figura 1.3. Anemómetro, sensor de velocidad y dirección del viento

FUENTE: ww w . v i en t os .com

Se considera que a partir de metros de altura las perturbaciones no afectan de forma

notable a la medida.

El estudio sistemático de las características del viento es muy importante para:

• Dimensionar estructuras de silos, galpones, edificaciones elevadas.

• seleccionar campos de generación eólica .

Obstáculos al viento

Los obstáculos del viento tales como edificios, árboles, formaciones rocosas, etc. pueden

disminuir la velocidad del viento y a menudo crean turbulencias en torno a ellos.

Historia del uso del viento

El viento, entendido como energía, desempeña un papel importante en los mitos de las

primeras civilizaciones, las primeras máquinas que aprovecharon el viento fueron

probablemente los molinos de viento usados para moler granos4 en Persia (Irán), también

aprovechaban su fuerza para desplazarse, mediante el uso de las velas en los barcos.

1.6 ENERGÍA

Se conoce como energía eólica al aprovechamiento de la energía del viento. La energía

cinética del movimiento de las moléculas de aire puede ser convertida en energía

mecánica por el rotor.

1.6.1 ENERGÍA EÓLICA

Es la energía contenida en el viento, pues las masas de aire al moverse contienen

energía cinética (aquella asociada a los cuerpos en movimiento), las cuales al chocar con

otros cuerpos aplican sobre ellos una fuerza. Por eso cuando nos enfrentamos a una

ráfaga de viento sentimos que una fuerza nos empuja.

Aplicaciones de la energía eólica.- Los usos comunes de la energía eólica son:

• Aerogenerador (pequeñas o medianas potencias eléctricas)

• Aerobomba (bombeo usando el viento)

• Extractor (recirculación del aire)

• Molino (molienda de grano)

Forma de aprovechamiento de la energía eólica

La forma de aprovechamiento consiste en transformar la energía eólica en energía

mecánica. La energía del viento se ha utilizado esencialmente en molinos de viento, los

cuales han permitido principalmente el bombeo de agua, la trilla y molienda de productos

agrícolas y en los últimos años, generación de energía eléctrica.

4 www.Energía Eólica.com,

Las características básicas, que permiten analizar la aplicación de la energía eólica son

las siguientes:

• Zona de emplazamiento.

• Velocidad del viento: módulo y dirección

El aprovechamiento de la energía eólica constituye una alternativa muy importante y

competitiva, por lo que es mucha en la actualidad su aplicación a nivel mundial, de esta

manera se reemplazará los combustibles tradicionales, sin originar contaminación en el

medio ambiente.

Las ventajas de la energía eólica son:

• Protección al medio ambiente

• Crecimiento económico

• Creación de puestos de trabajo

• Diversidad en el suministro de energía

• El combustible es gratis

• Abundante y gratuito.

1.6. 2 MÁQUINA EÓLICA

Una máquina eólica es cualquier dispositivo accionado por el viento. Si se utiliza

directamente la energía mecánica, será un aeromotor, y si se acciona un generador

eléctrico, se tratará de un aerogenerador.

Los elementos constitutivos de una máquina eólica son los siguientes:

• Soportes

• Sistema de captación

• Sistema de orientación

Principio de funcionamiento

El sistema de captación consta de un rotor multipalas que proporciona un elevado par de

arranque. El ángulo de ataque de las palas es fijo y la regulación se realiza casi siempre

por medio de una superficie plana colocada, a modo de pala, en el mismo plano que el

rotor y por tanto perpendicular a la dirección del viento.

Es preciso destacar que este sistema de producción de energía mecánica tiene el

inconveniente de no funcionar con vientos débiles o muy fuertes. Por lo tanto debe ser

utilizado en zonas con vientos moderados y regulares.

La Aerobomba va generalmente acoplada a una bomba de pistón situada en el interior de

un pozo o un lugar donde se capte el agua, la cual es accionada por el tren de vástago

movido mediante un sistema biela manivela.

1.7 BOMBEO EÓLICO

La aplicación de bombeo de agua con energía eólica tiene dos posibilidades, un molino

de multipala americano típico donde lo que prevalece es el torque para accionar la

bomba mecánica; o, un aerogenerador eléctrico que se conecta directamente a una

bomba que se diseña para una frecuencia similar al generador.

El bombeo eólico se puede llevar a cabo mediante:

• Bombeo con Aerobomba5

La energía del viento mueve directamente el eje de una bomba sumergida. El agua

extraída se puede almacenar en un depósito. Este sistema puede fabricarse localmente a

un bajo costo, se aplica cuando la velocidad media del viento es menor a

• Bombeo directo

El molino acciona eléctricamente una bomba en función de la capacidad del viento

actuante.

1.7.1 SISTEMA EÓLICO “BOMBEO DE AGUA”

Una Aerobomba es un molino con un elevado momento de torsión y de baja velocidad, se

usan con mayor frecuencia en las regiones rurales. Las Aerobombas para bombeo se

emplean sobre todo para drenar agua del subsuelo. Estas máquinas se valen de una

pieza rotatoria multipalas que parten de un eje horizontal que tiene de 6 a 16 palas según

los tipos y según los diámetros, los diámetros suelen ir de 1.60 a 6m6. La pieza rotatoria

se instala sobre una torre lo bastante alta como para alcanzar el viento. Una larga veleta

en forma de timón dirige la rueda hacia el viento. La rueda hace girar los engranajes que

5 www.B om beo eólico, Molinos de viento, Aerobombas.com,

6 Guy Cunty : , p, 143

10

activan una bomba de pistón. Para el bombeo de agua mediante la energía eólica,

pueden emplearse dos:

• Bombeo mecánico

Bombeo Mecánico del agua

Una de las formas para el bombeo del agua consiste en la utilización de una bomba a

pistón, que provoca la aspiración en la tubería sumergida y la expulsión hacia un depósito

de acumulación, tal como se muestra en forma esquemática en la figura (1.4)

Figura 1.4 Esquema del bombeo mecánico.

FUENTE: ww w . A E R O B O M B A S. com

Es necesario para lograr este objetivo, conectar la bomba a un dispositivo, en general es

preferible que el bombeo se efectúe en forma lenta, a fin de reducir

resistencia a la circulación del agua por las cañerías.

al mínimo la

Por ello en la aplicación mecánica de los sistemas eólicos para bombear el agua, no se

requiere una velocidad de giro del rotor elevada, debiendo contar, sin embargo, con un

alto par de arranque, para vencer la inercia del equipo.

Los molinos tipo multipalas convencionales, cumplen con estas condiciones contando con

un alto par de arranque y puede funcionar también con vientos muy débiles.

1.8 AEROBOMBA

La aerobomba es una máquina que transforma la energía cinética del viento en energía

aprovechable. Esta energía proviene de la acción de la fuerza del viento sobre unas

aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de

maquinaria para moler grano, bombear agua o generar electricidad. Cuando el eje se

conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de aerobomba, si se usa para

producir electricidad se le denomina aerogenerador.

Esta bomba dispone de un pistón y un sistema de válvulas que, de forma coordinada con

el movimiento transmitido por los vástagos, van impulsando el agua por el interior de los

tubos hasta la superficie para desembocar en un depósito.

Figura.1.5 Esquema aerobomba

FUENTE: www . m o li n os de viento .com

Las Aerobombas actuales se han ido construyendo de acero inoxidable o con las aspas

formadas con listones de madera que pueden abrirse con los bordes al viento. Las

grandes aspas se han ido reemplazando por un número mayor de paletas dispuestas en

forma de rueda, y la torre soporta la tornamesa que posee una cola de orientación.

Las aerobombas se mueven por dos procedimientos: el arrastre, en el que el viento

empuja las aspas, y la sustentación, en el que las aspas se mueven de un modo parecido

a las alas de un avión a través de una corriente de aire.

1.8.1 FUNCIONAMIENTO DE LA AEROBOMBA

La Aerobomba transforma la energía eólica en energía mecánica, esta mueve una bomba

normalmente de émbolo que trasvasa el agua desde un lugar a otro, aunque estén a

distinto nivel.

Figura 1.6 Funcionamiento de la aerobomba

FUENTE: www . aer o b o m bas . c o m

La aerobomba aprovecha la energía eólica por medio de grandes aspas o paletas

acopladas a un eje. Las aspas se colocan en ángulo con respecto a la dirección de las

corrientes de viento naturales, pudiendo girar en círculo aun cuando se encuentren

perpendiculares a su fuente de energía.

En general las aspas, tienen una ligera concavidad en la cara que enfrenta al viento, la

que facilita que sean impulsadas por éste. Las aspas, al girar por efecto del viento,

mueven un árbol que transmite el movimiento a una rueda maestra dentada, cuyos

dientes se engranan con otra rueda más pequeña llamada linterna, que gira en forma

horizontal, arrastrando un grueso eje metálico cuadrado, que mueve una muela

(volandera) aplastando el grano contra otra muela fija.

1.8.2 CLASES DE AEROBOMBAS

Un gran número de sistemas de captación de energía eólica han sido patentados, algunas

veces puestas a punto y realizados a nivel de prototipo; no obstante pocos de ellos se han

generalizado.

Efectivamente, desde el momento en que se dispone de un artefacto que permita originar

unas fuerzas simétricas con relación a un eje, se puede obtener un movimiento (de

rotación, de traslación, bombeo)

Se definen, en general, las Aerobombas según la posición de su eje de rotación con

relación a la dirección del viento. Así se pueden dividir en:

• Aerobomba de eje vertical

• Aerobomba de eje horizontal

− Con el eje paralelo a la dirección del viento

− Con el eje perpendicular a la dirección del viento

Aerobomba con rotor de eje vertical

En la siguiente figura se muestra un rotor de eje vertical consistente en dos palas

curvadas longitudinalmente, que constituye un modelo entre la infinidad que se fabrican.

Figura.1.7 Rotor de eje vertical

FUENTE: ww w . m o l i nos de viento .com

En general la velocidad de giro de estos rotores es menor que los de eje horizontal,

requiriéndose entonces sistemas de engranaje de mayor multiplicación para aumentar la

misma. Sin embargo, tienen la ventaja que no necesitan dispositivos de orientación en

función de la dirección del viento, por lo que se simplifica su construcción.

Entre las máquinas de eje vertical más usuales destacan las Savonius, cuyo nombre

proviene de sus diseñadores, y que se emplean sobre todo para bombeo; y las Darrieus,

una máquina de alta velocidad que se asemeja a una batidora de huevos

Esta máquina presenta ciertas ventajas sobre las de eje horizontal: no necesita regulación

frente al cambio de velocidad del viento puesto que se auto-regula, entra en pérdida a

velocidades elevadas del viento y permite instalar el rotor sobre el terreno, lo que facilita el

mantenimiento. Pero no todo son ventajas ya que necesita un motor de arranque, y su

rendimiento es menor que el de las máquinas de eje horizontal, a igualdad de potencia.

Aerobomba Savonius con Bomba de Pistón

En esta aerobomba es decir la combinación del rotor modelo Savonius (figura 1.8), y

bomba de pistón tiene algunas ventajas con respecto a la de rotor horizontal como que

puede instalarse sobre el terreno facilitando de esta manera su mantenimiento, además

que no necesita regulación cuando cambia de dirección el viento.

Figura. 1.8 Aerobomba tipo Savonius

FUENTE: www . T i posdeaero bo m bas . c om

de la punta de la pala, definida a través de su velocidad específica.

Figura 1.9 Rotores Monopalas, Bipalas, tripala y multipala.

FUENTE: Www. Tipos de aerobombas.com

Aerobombas con rotor de eje horizontal

Las máquinas de eje horizontal pueden ser lentas o rápidas, según sea la velocidad típica

Los rotores de eje horizontal se clasifican según su emplazamiento en:

a) Máquinas con rotor a barlovento (cara al viento)

Los rotores a barlovento son los que reciben el viento de frente y necesitan un sistema

independiente de orientación. Si la aerobomba es de reducidas dimensiones basta una

cola que actúa como veleta la que se desplaza impulsada por la dirección del viento.

Dicha veleta es una pieza de metal de forma aerodinámica, que se coloca junto al rotor,

de modo de orientarlo contra el viento incidente

En aerobombas de mayores dimensiones, se utilizan hélices auxiliares perpendiculares a

la principal, que mueve el conjunto cuando varía la dirección del viento.

b) Máquinas con rotor a sotavento

Los rotores a sotavento son aquellos en que el viento actúa desde atrás. Estos rotores

tienen la ventaja del auto orientación, debido al efecto que provoca el cono que describen

las palas al rotar.

Una ventaja muy importante es que el rotor puede hacerse más flexible, las palas se

curvarán a altas velocidades del viento.

Las Aerobomba para bombeo de agua acoplados a bomba de pistón, son rotores

multipalas, ya que necesitan un elevado par de arranque para el funcionamiento de la

bomba, estos sistemas supondrían un avance importante en el bombeo de agua, ya que

el rendimiento global de la instalación aumentaría, permitiendo la extracción de aguas

más profundas y el funcionamiento continuo para cualquier velocidad del viento superior a

la velocidad de arranque.

Tienen un elevado par de arranque, gracias al cual pueden ponerse en marcha incluso

con velocidades de viento muy bajas. Esto es muy importante ya que se lo puede instalar

en lugares con muy poco viento y con resultados aceptables. Su velocidad de rotación es

baja por lo que son más utilizados en el aerobombeo o bombeo de agua.

Aerobomba montada con transmisión hasta el pozo para conseguir un mejor

emplazamiento para el flujo del viento, también es posible para alejarla de la casa u otro

obstáculo que dificulte el paso del viento, árboles etc.

Figura 1.10. Esquema de aerobomba de rotor múltipala

FUENTE: www . aer o b o m bas / i n s t a l ac i ones . c o m

1.8.3 COMPONENTES7 DE AEROBOMBA DE PISTÓN

Dentro de los componentes de una aerobomba tenemos:

• Góndola

• Palas o aspas del rotor

• Mecanismo de orientación o veleta

• Sistema hidráulico.

• Sistema de transmisión (Manivela – Biela)

• Bomba de pistón

• Torre

Figura 1.11 Esquema de la Aerobombas

Góndola.

Contiene los componentes clave de la aerobomba. En la góndola se tiene el rotor de la

aerobomba, es decir las palas y el buje

Sistema de Transmisión8

Figura 1. 12 Componentes de la aerobomba

FUENTE: Los autores.

Mecanismo de biela-manivela acoplado directamente al eje del rotor.

7 GUÍA PARA LA UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA EOLICA PARA BOMBEO DE AGUA, p 12

8 www.AE ROB OMBA .c om ,

Mecanismo de Orientación o Veleta

Mantiene la aerobomba frente al viento, pero lo desorienta cuando el viento sopla muy

fuerte y se recupera progresivamente cuando disminuye la fuerza del viento9. Es un

sistema mecánico, perfectamente balanceado y paralelo al suelo. , actuando así de

contrapeso del rotor, para equilibrio del equipo.

Figura 1.13 Veleta

FUENTE: ww w . v i en t os .com

Anemómetro

Instrumento que mide la velocidad del viento. Además permite la observación simultánea

de la dirección y velocidad del viento. El tipo más común de anemómetro consiste en tres

o cuatro semiesferas unidas a unas varillas cortas conectadas a su vez a un eje vertical

en ángulos rectos.

Figura 1.14 Anemómetro

FUENTE: www. vi entos .com

9 ww w . M olino de Viento .com, acceso 23-03-2009

Rotor10

El rotor es el aparato exterior del molino de viento, cuya función es transformar la energía

eólica, en un movimiento rotatorio, compuesto de elementos denominados aspas, palas o

hélices.

El dimensionado del rotor, determina la potencia a obtener, el ángulo de ataque, la

cuerda, la superficie y la torsión del aspa se calcula a partir de la velocidad óptima de

rotación y de la velocidad del viento.

El rotor es la pieza fundamental en la captación de la energía eólica siendo uno de los

problemas fundamentales de su diseño, la prevención de la acción de los fuertes vientos.

Por ello se han desarrollado diversos modelos que permiten proteger los rotores, como

por ejemplo variación de la inclinación de las aspas, giro del rotor de modo de disminuir la

intensidad máxima del viento, y especialmente la utilización de frenos generalmente de

disco, que accionan automáticamente cuando la velocidad del rotor es muy elevada.

Según la posición del eje, los rotores pueden clasificarse en rotores de eje horizontal,

donde el eje principal está paralelo al suelo y en rotores de eje vertical, con el eje

perpendicular al suelo.

El rotor es la parte más importante de los autogiros, se puede definir como un "Sistema de

perfiles aerodinámicos giratorios", sobre estos perfiles actúa fuerzas estáticas, fuerzas

dinámicas y fuerzas aerodinámicas.

a) Fuerzas estáticas.- Son las que actúan sobre el rotor aun cuando está parado y

dependen de la buena geometría del rotor.

b) Fuerzas dinámicas.- Actúan sobre el rotor desde el mismo instante que este

empieza a girar sobre su eje, la más importante es la fuerza centrifuga.

c) Fuerzas aerodinámicas.- Son las actúan sobre el rotor por la acción del viento

relativo sobre las palas.

10 ww w .AE R O B O M B A. c o m ,

20

Tipos de Rotor.- Los más importantes son:

El r o t or rí g i do se caracteriza por la unión solidaria de las palas a la cabeza de rotor,

todos los esfuerzos de flexión y torsión han de ser soportados por las propias palas.

Figura.1.15 Rotor rígido

FUENTE: ww w . ro t ores . c o m

El S e mir r í g i do es el rotor más extendido y popular entre los autogiros ultraligeros, sin

este rotor podemos decir que la práctica totalidad de los autogiros ultraligeros no volarían

pues los demás son demasiado pesados, caros de fabricar y difíciles de poner a punto. La

principal ventaja de este tipo de rotor es su sencillez de construcción y la ausencia de

articulación de arrastre

.

Figura 1.16 Rotor semirrígido

FUENTE: www .rotores. com

El r o t or a r t i cu l ado se caracteriza por tener dos ejes de movimiento con respecto a la

cabeza de rotor, batimiento de movimiento vertical y de arrastre de movimiento horizontal,

estas articulaciones pueden serlo por medio de rodamientos.

Figura 1.17 Rotor articulado

FUENTE: ww w . ro t ores . c o m

21

Palas (aspas) del Rotor

Capturan la energía del viento y transmiten su potencia hacia el buje, su diseño es muy

parecido al del ala de un avión.

Los componentes de una aerobomba de eje horizontal son las palas, el elemento

fundamental que capta la energía del viento, mediante la acción de las fuerzas

aerodinámicas que transmiten su giro a un eje alojado en la góndola, donde están

situados el generador eléctrico, la caja de cambios, y los mecanismos de control.

Estructura de Soporte

La estructura de soporte generalmente es metálica, debiendo diseñarse especialmente

para soportar la acción del viento más desfavorable, siendo sustentada por bases de

hormigón.

Figura 1.18 Torre de aerobombaFUENTE: ww w . ae r ob o m ba s . c o m

Deben contar con elementos de acceso para mantenimiento del rotor, de los distintos

elementos y de la propia estructura, es conveniente que las torres de montaje estén

instalados por lo menos a 6 metros por arriba de obstáculos en a la redonda

para evitar turbulencias.

1.8.4 VENTAJAS DE LAS AEROBOMBAS

• Suministro eficaz y confiable de agua

• Son tan eficaces como sistemas de bombeo por motobombas

• Son una buena opción cuando la necesidad de agua es poca.

• Es una tecnología que se ha ido mejorando y probando, poco mantenimiento y pueden

durar 25 años o más

22

Se tiene diferentes tipos de aerobombas o molino de viento

• Aerobomba multipala tipo Americano

• Aerobomba tipo Holandés

• Modelo gaviota

• Aerobomba modelo Savonius (de eje vertical)

Figura.1.19 Modelo rotor multipala o americano, Savonius y gaviota

FUENTE: www .m ol inos de viento .com

1.8.5 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS AEROBOMBAS

Rotor multipala situado a barlovento con un número de palas variable según el diseño.

• Diámetro del Rotor según potencia y velocidad del viento

• Dispositivos de control de velocidad de giro, orientación.

• Bomba de émbolo fabricada con acero inoxidable, la bomba son accionadas desde el

rotor a través de un varillaje, que va por el interior del tubo que conduce el agua hasta

la superficie.

1.8.6 PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO DE AEROBOMBAS

Los parámetros a tener en

siguientes:

cuenta independientemente del tipo de Aerobomba son los

• Magnitud de la instalación (micro, pequeña, mediana o grande)

• Tipo de Aerobomba

• Caudal mínimo a instalar

• Estudio anemométrico.

• Facilidad de construcción y montaje.

• Costos

• Golpes por bombeo (largos, cortos)

• Masa aproximada ( ( máquina, aerobomba)

1.8.7 RENTABILIDAD DE LA AEROBOMBA

• En los casos en que no se dispone de conexión a la red eléctrica y el uso es exclusivo

para el riego, la amortización inmediata, porque el coste comparativo de la instalación

del molino es más bajo que el del tendido eléctrico y la bomba, cuya cantidad depende

de la distancia existente hasta la red de suministro.

• Si se compara con instalaciones que incorporan grupos electrógenos a gasolina o

grupos motobomba la amortización puede variar entre, menos de un año a tres años,

contando solamente el ahorro de combustible durante este tiempo.

• En otros casos dependerá del uso que se vaya a dar al agua y de las horas de viento

útil.

• Para calcular la amortización de una instalación eólica solo hay que tener en cuenta el

coste de la instalación. En las instalaciones eólicas el ahorro energético reduce el

tiempo de amortización.

• En los casos en los que no exista alternativa, la rentabilidad puede no ser un factor

determinante, ya que se trata de aprovechar o no el agua del lugar.

1.8.8 APLICACIONES DE AEROBOMBAS.

Como se ha visto las aerobombas son las encargadas de transformar la energía cinética

del viento en energía mecánica que ponga en movimiento algún sistema. El más habitual

es el de mover una bomba de pistón para bombear agua de un pozo, lo cual tiene

diversas aplicaciones:

• Suministro de agua para agricultura, ganadería y poblaciones

• Suministro de agua a pequeños lagos y fuentes.

• Trasvase de agua para embalses a distintos niveles.

• Multi-Instalaciones en Grandes Explotaciones.

• Instalaciones en Pequeñas Explotaciones.

Es decir las aerobombas son una buena solución para el riego en la mayoría de los casos,

si la aerobomba se ha fabricado según las condiciones de viento reinantes en el lugar de

la instalación, velocidad de viento y caudal a suministrar.

Figura 1.22 Varias Aerobombas compartiendo estanque y tubería.

1.8.9 POSIBILIDADES Y OPCIONES DE INSTALACIÓN DE UNA AEROBOMBA

La instalación de una aerobomba no es aconsejable en ciudades, por causa de la

irregularidad del flujo de viento debido a los edificios.

a) Aerobomba montada sobre el pozo como viene haciéndose tradicionalmente.

Figura 1.20. Aerobomba montada sobre el pozo.

FUENTE: ww w . ae r ob o m ba s /i ns t a l ac i one s . h t m

b) Aerobomba montada con transmisión hasta el pozo para conseguir un mejor

emplazamiento para el flujo del viento.

Figura 1.21 Aerobomba montada con transmisión hasta el pozo

FUENTE: ww w . ae r ob o m ba s /i ns t a l ac i one s . h t m

c) Varias aerobombas compartiendo estanque y tubería

FUENTE: ww w . ae r ob o m ba s /i ns t a l ac i one s . com

1.9 BOMBAS11

Bomba hidráulica es un dispositivo que recibe energía mecánica de un motor impulsor y

transfiere esta energía a un fluido que la atraviesa. Las bombas son máquinas usadas

para mover fluidos a través de tuberías mediante diferentes transformaciones de energía.

La rotación del impulsor en el interior de la bomba crea un vacío dando lugar a una fuerza

de succión que favorece la entrada del fluido en la bomba; dentro de la bomba se

incrementa la velocidad del fluido. El fluido que trae velocidad y por tanto energía en

forma de energía cinética es expandido en el difusor de la bomba transformando la

energía cinética en energía de presión al reducirse la velocidad del líquido.

1.9.1 SELECCIÓN DE UNA BOMBA HIDRÁULICA

Las bombas deben seleccionarse según el concepto del trabajo a realizar, con base a:

• Presión máxima de trabajo

• Rendimiento de la bomba

• Precisión y seguridad de operación

• Fácil mantenimiento

• Máximo flujo

• Control requerido en la fase de arranque.

1.9.2 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS HIDRÁULICAS

Existen muchos tipos de bombas y diferentes maneras de clasificarlas. La clasificación

más difundida es la que reúne a dos grupos principales de bombas: las bombas

rotodinámicas (desplazamiento negativo) y las volumétricas (de desplazamiento positivo).

En las bombas rotodinámicas la energía es continuamente suministrada al fluido

incrementando su velocidad, luego esa velocidad es reducida en la voluta o difusor de la

bomba, produciendo un incremento de presión.

En las bombas de desplazamiento positivo la energía es periódicamente suministrada al

fluido por la aplicación de fuerza directa sobre un volumen de líquido el cual incrementa

su presión al valor requerido para moverse en la tubería de descarga.

11 Álvaro Aguinaga Barragán Ing. Msc. PhD., válvulas, compresores y bombas

w w w . Bombas hidráulicas.com, p 1,acceso 16-01-2009

Para una clasificación de los diferentes tipos de bombas hidráulicas, debemos conocer los

términos más importantes para evaluar sus méritos.

Estos términos son los siguientes:

• Amplitud de presión.- Son los límites máximos de presión con los cuales una

bomba puede funcionar adecuadamente. Las unidades son .

• Volumen.-Es la cantidad de fluido que una bomba puede entregar a la presión de

operación. Las unidades son .

• Amplitud de la velocidad.-Se constituyen en los límites máximos y mínimos en

los cuales las condiciones a la entrada y soporte de la carga permitirán a la bomba

funcionar satisfactoriamente.las unidades son

• Eficiencia mecánica.-Se puede determinar mediante la relación entre el caballaje

teórico a la entrada, necesario para un volumen específico en una presión específica

y el caballaje real a la

específica.

entrada necesario para el volumen específico a la presión

• Eficiencia volumétrica.-Se determina mediante la relación entre el volumen

teórico de salida y el volumen real a cualquier presión asignada.

• Eficiencia total.-Se puede determinar mediante el producto entre

mecánica y la eficiencia volumétrica.

la eficiencia

1.9.2 BOMBA DE PISTÓN

Son utilizadas generalmente en la industria por su alto rendimiento y por la facilidad de

poder trabajar a presiones superiores 2000lb/plg2.

Figura 1.23 Bomba de pistón

FUENTE: ww w . b o m bas . c om

Clasificación de las bombas de pistón.- Debido a la gran variedad de las bombas

de pistón, estas pueden clasificarse como:

• Bomba de pistón radial.-Los pistones se deslizan dentro del cuerpo de la bomba

que gira alrededor de una flecha.

• Bomba de pistón axial.- Los pistones se mueven dentro y fuera sobre el plano

paralelo al eje de la flecha impulsora.

• Bomba de pistón de barril angular (vickers).- Las cargas para impulsión de la

bomba y las cargas de empuje por la acción del bombeo van soportadas por tres

cojinetes de bolas de hilera simple y un cojinete de bolas de hilera doble.

• Bomba de pistón de placa de empuje angular (Denison).- Este tipo de bomba

incorpora zapatas de pistón que se deslizan sobre la de leva.

Aplicaciones de la Bomba de Pistón

Esta es la aplicación más habitual de las bombas de pistón, en las que se utilizan para

bombear el fluido hidráulica que después accionará los diversos mecanismos.

Selección de bombas.- Se selecciona una bomba que opere con un rendimiento

relativamente alto para las condiciones de funcionamiento dadas. Los parámetros que se

deben investigar incluyen la velocidad específica, el tamaño del impulsor y la velocidad de

operación.

1.9.3 CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS

Las características hidráulicas son inherentes a cada tipo de bomba y están influidos por

la densidad, viscosidad, tipo de accionamiento y tipo de control.

Las características mecánicas de las bombas son definidas por las condiciones de

pérdidas, potencia y rendimiento.

Pérdida

Las pérdidas de energía dentro de las bombas pueden clasificarse como:

• Pérdidas volumétricas.- Son producidas debido a la existencia de pequeñas

separaciones entre la carcasa y el impulsor por donde pueden presentarse fugas.

• Pérdidas hidráulicas.- Consisten en pérdidas por fricción que se producen en

la circulación del agua.

• Pérdidas mecánicas.- Son originadas por fricciones mecánicas en las partes

fijas móviles de la bomba, creados por el líquido.

Potencia.-Para determinar la potencia absorbida por el motor, se divide la potencia

absorbida por la bomba entre la eficiencia del motor:

Ecuación de Potencia de la bomba

P

Donde:

= Potencia del motor

= Rendimiento de motor.

1.9.4 Rendimiento de la bomba12

Los rendimientos de las bombas generalmente varían entre 60% y 85%. La eficiencia de

una bomba se mide en base al caudal que se descarga contra una altura dada y con un

rendimiento determinado.

El rendimiento de la bomba viene dado por:

12 Guía para la selección Equipos de bombeo para sistemas de Abastecimiento de agua y Saneamiento para el medio rural

14.

Ecuación de Rendimiento de la bomba

QH #

Donde:

P !" P

$ = Potencia absorbida (HP)

% = Peso especifico del líquido a ser bombeado.

& = Caudal ( '( )

) = Altura manométrica (

). h = Rendimiento de la

bomba

Rendimiento volumétrico.- El rendimiento volumétrico expresa las fugas de líquido

que hay en la bomba durante el proceso de compresión, fugas que se deben a las

holguras existentes en el interior de los componentes de la bomba.

El rendimiento volumétrico es un factor de la bomba muy importante, pues a partir de él se

puede analizar la capacidad de diseño y el estado de desgaste en que se encuentra una

bomba, así si el rendimiento volumétrico disminuye con una alta tasa de cambio, el

desgaste de sus elementos ya es demasiado.

El rendimiento volumétrico se ve afectado también por la presión del fluido hidráulico que

se transporta y también por la temperatura del mismo.

Rendimiento mecánico.- El rendimiento mecánico mide las pérdidas de energía

mecánica que se producen en la bomba, debidas al rozamiento y a la fricción de los

mecanismos internos. Es esencial evitar la fricción y el rozamiento en el interior de la

bomba, de tal manera que la energía que se comunica al eje de la bomba se invierta, en

el mayor grado posible en aumentar la presión del liquido y no en vencer rozamientos y

fricciones excesivas entre las partes mecánicas de la bomba.

Rendimiento total o global.- El rendimiento total o global es el producto de los

rendimientos volumétrico y mecánico. Se llama total porque mide la eficiencia general de

la bomba en su función de bombear líquido a presión, con el aporte mínimo de energía al

eje de la bomba.

Así pues el rendimiento total se expresa como el consumo de energía necesario para

producir la presión hidráulica nominal del sistema.

30

CAPÍTULO II

ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS

En este capítulo se procederá a elegir el modelo de aerobomba con su respectivo rotor

que posea las características deseadas y permitir el mejor funcionamiento.

Hay varios tipos de bombas y rotores pero se enfocan a los que satisfagan los

requerimientos para poder lograr nuestros objetivos con mejores resultados y a un bajo

costo.

La aerobomba se escoge en función de las necesidades del caudal de agua,

características del terreno y la altura de bombeo, por cuanto posibilita seleccionar o

especificar la máquina idónea para realizar el trabajo con la finalidad de diseñar el modelo

más conveniente para su construcción.

2.1 PARÁMETROS PARA LA SELECCIÓN DE AEROBOMBA

En el análisis de alternativas se consideran los siguientes parámetros para la selección de

aerobomba a utilizar, son los que están relacionados con características que tiene que

cumplir la aerobomba dependiente del funcionamiento.

Dentro de los parámetros se tiene:

• Velocidad del viento

• Rendimiento

• Peso

• Costo de construcción

• Vida útil

• Facilidad de montaje

• Facilidad de mantenimiento

31

Velocidad del viento

Los datos de la velocidad del viento se disponen en los institutos de investigación

meteorológicos.

Rendimiento de una aerobomba

El rendimiento tiene muchas variantes dependiendo de los factores que intervienen en su

correcto funcionamiento:

• Velocidad del viento.

• Área de barrido del rotor.

• Tipo de rotor de la Aerobomba

• Caudal entregado.

Estos elementos característicos del proyecto no pueden ser considerados

separadamente, y deben ir analizados en un contexto global, a fin de obtener una

máquina con mejor rendimiento.

Peso de la Aerobomba

El peso en las Aerobombas es de gran importancia ya que está relacionado con todos los

elementos, los cuales serán apoyados en la torre.

Costo de construcción de aerobomba

Existe varios tipos de Aerobombas ya sea por su disposición de sus partes así como los

materiales con los que son construidos, de estos dos factores dependen principalmente

los costos de construcción y mantenimiento.

Facilidad de montaje

Las Aerobombas permiten ser montados a unos metros del pozo, para mejorar la

situación con el viento, o simplemente para alejarlo de la casa. La potencia y par de

arranque se calcula sobre la base del trabajo de salida.

Partes más importantes de la aerobomba.

• Rotor

• Tornamesa - Veleta

• Bomba

32

Facilidad de mantenimiento

La vida útil de una bomba de tipo eólico se estima entre 10 y 15 años, con el

mantenimiento de las partes móviles de la máquina, y del recubrimiento que se aplique a

las partes externas como pintura corrosiva para evitar el deterioro por causas climáticas,

éste, se realiza con herramienta sencilla y puede ser hecho por el usuario reduciendo los

costos operativos del equipo.

2.2 ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS

En el análisis de las alternativas se consideran las siguientes características de: peso, tipo

de servicio, costo, facilidad de montaje. Las cuales serán adaptadas a las necesidades

propuestas.

2.2.1 ALTERNATIVA I

AEROBOMBA DE ROTOR HORIZONTAL DE CON ROTOR MULTIPALA Y

BOMBA DE PISTÓN

Figura 2.1 Esquema de la alternativa I FUENTE:

ww w . ae r ob o m ba s /i ns t a l ac i one s . com

Las máquinas eólicas de este tipo son de arrastre, aprovechan la fuerza del viento

perpendicular a la superficie de sus aspas, palas o aletas, el viento ejerce sobre ellas una

fuerza de arrastre que provoca el par de giro.

ªªª

33

El molino americano es una aerobomba de giro lento (Figura 2.1), está formado por un

rotor compuesto por un número de * palas, que cubre casi toda la superficie (95%).

Su diámetro será de + metros, diámetros mayores originarían mayor peso del rotor que

dificultaría el arranque, suelen ponerse en funcionamiento con vientos de + , -

. aunque no alcanzan su potencia máxima hasta velocidades mayores.

Ventajas:

Las principales ventajas de este tipo de aerobombas son las siguientes:

• Velocidad de viento necesaria para poner en movimiento al rotor es relativamente

baja de + / -, su velocidad de rotación es baja por lo que son

utilizados en el bombeo de agua mediante una bomba de pistón.

• Su funcionamiento es simple, por cuanto el rotor acciona directamente un sistema

biela-manivela, que mueve un émbolo produciendo un movimiento de vaivén

• Se puede trabajar con materiales reciclables como plástico, teflón, etc.

• Dependiendo de los materiales que se va a construir puede llegar a ser muy liviano.

• En la bomba, la carrera del pistón es regulable.

• La altura de elevación es considerable

• La construcción es factible ya que no implica mayores exigencias en su desarrollo y

montaje

• Costos (Tabla 2.1. Tabla de costos de construcción)

Desventajas:

Las principales desventajas de este tipo de aerobombas son las siguientes:

• La presión de salida del agua es baja (aproximadamente 01 2).

• Para grandes caudales de salida se necesita vientos fuertes.

13 ww w . ae r obo m ba s . c o m ,

¼¼¼

34

2.2.2 ALTERNATIVA II

AEROBOMBA DE ROTOR VERTICAL MODELO SAVONIUS CON BOMBA DE PISTÓN AXIAL

Aerobomba de rotor vertical modelo Savonius, se compone de dos palas de diámetros iguales, donde sopla el viento, el rotor siempre está sometido a un par aerodinámico suplementario debido a las dos desviaciones sucesivas que experimenta el viento por efecto de las palas, llegando a formar esta desviación un ángulo de 180º.

Ventajas:

Figura 2.2 Esquema de la alternativa II.14

• Con respecto a la de rotor horizontal, puede instalarse sobre el terreno en torre no tan

alta, la baja altura facilita su mantenimiento.

• No necesita regulación cuando cambia de dirección el viento.

• Evitar todo tipo de dispositivos de orientación a causa de su configuración simétrica y

de su construcción, que es muy simple

• Costos (Tabla 2.1. Tabla de costos de construcción)

Desventajas:

• Necesita de otra transmisión para poder dirigir el movimiento del rotor hacia la bomba.

• Necesita mayor velocidad del viento en comparación con el rotor de eje horizontal

debido a su bajo par de arranque.

• Debido a que necesita mayor fuerza del viento en el rotor para su arranque, su

rendimiento es algo menor a la aerobomba de eje horizontal.

14 ww w . ae r obo m ba s / in s t ala c ion e s .c om ,

o

d

nnnn

2.2.3 ALTERNATIVA III

AEROBOMBA DE ROTOR HORIZONTAL MULTIPALA CON BOMBA

ROTATORIA DE PISTONES AXIALES CON PLACA OSCILANTE.

Este tipo de aerobomba trabaja esencialmente con el mismo rotor e la primera

alternativa es decir multipala aunque también puede hacerlo con el rotor de eje horizontal,

lo que difiere es el tipo de b

girar el eje de la bomba.

mba que utiliza y obviamente la transmisión ecesaria para

Los pistones son estáticos, es decir, los pistones no giran y lo que gira es la placa

inclinada. Gira la placa y produce el desplazamiento de los pistones, lo que permite que

los pistones aspiren y expulsen el fluido (figura 2.3)

Ventajas:

Figura 2.3 Esquema de la bomba rotatoria de pistón, alternativa III15

• Se puede lograr grandes caudales cuando se tiene vientos fuertes.

• Debido a que es rotatoria no necesita de un sistema de manivela.

• Usa émbolos o pistones de tamaño pequeño.

• Costos (Tabla 2.1. Tabla de costos de construcción)

Desventajas:

• Para obtener un alto caudal se necesita tener altas revoluciones de giro del rotor o a su

vez una caja multiplicadora.

• Es mucho más pesada que la bomba de émbolo reciprocante.

• La bomba no puede trabajar sumergida.

15 www . b o m bas . c o m

2.3. SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS

Para la selección de la alternativa más adecuada para el diseño y la fabricación de la

Aerobomba se proponen las siguientes tablas:

2.3.1 TABLA DE COSTOS DE CONSTRUCCIÓN

Los costos estimados para la construcción de las aerobombas planteadas como

alternativas se detallan en la siguiente tabla, cabe aclarar que los costos presentados aquí

pueden variar, dependiendo de los materiales utilizados.

Tabla 2.1. Tabla de costos de construcción

AEROBOMBAS Alternativa I Alternativa II Alternativa III

Partes Costos $ Costos $ Costos $

Materiales para Palas 180 230 250

Eje ,chaveta, rodamientos y pernos 250 280 280

Bomba, pistón y cilindro 200 250 300

Soportes, tornamesa 150 150 150

Construcción del rotor 200 200 200

Soldadura 50 50 50

Mano de obra en construcción de piezas 100 100 100

pintura 40 40 40

Gastos varios 200 200 200

TOTAL 1370 1500 1570

FUENTE: Los autores

2.3.2 ESCALA DE PONDERACIÓN

La siguiente tabla permite calificar con un mismo criterio todas las alternativas y escoger

la mejor alternativa para diseñar, construir previo su estudio y mejor selección.

La valoración de cada uno de los tipos de aerobombas analizados, da una visión de la

opción más adecuada para construir. Se toman algunos parámetros para el análisis y

determinar correctamente el costo-rendimiento de las máquinas.

Tabla 2.2 Escala de valores

Excelente Muy bueno Bueno Malo

Valor 4 3 2 1

FUENTE: Los autores

Tabla 2.3 Ponderación de parámetros

Parámetros Ponderación Alternativa Nº 1 Alternativa Nº 2 Alternativa Nº 3

Funcionalidad 25% 4 25% 4 25% 3 18.75%

Rendimiento

de bombeo

25% 4 25% 318.75%

4 25%

Peso 5% 3 3.75% 3 3.75% 3 3.75%

Montaje 10% 3 7.5% 3 7.5% 2 5%

Mantenimiento 10% 4 10% 4 10% 2 5%

Vida útil 15% 3 11.25% 3 11.25% 2 7.5%

Costo 10% 3 7.5% 3 7.5% 3 7.5%

Total 100% 90% 79% 72%

FUENTE: Los autores

2.3.3. ALTERNATIVA SELECCIONADA

Una vez realizado el análisis general de los resultados ponderados de la evaluación se

concluye que la mejor alternativa, con un porcentaje satisfactorio de 90 %, que es el

“Aerobomba de rotor horizontal multipalas con bomba de pistón”.

Esta Aerobomba debe tener las siguientes características:

• Rotor de eje horizontal multipala (modelo americano).

• Bomba de pistón

• Capacidad de bombear agua a bajas revoluciones

• Potencia acorde a las dimensiones del proyecto.

• Pequeñas dimensiones.

• Bajo peso.

• Bajo costo.

• Rigidez adecuada.

CAPÍTULO III

DISEÑO DE AEROBOMBA

3.1 INVESTIGACIÓN EÓLICA PRELIMINAR

Para todo tipo de Aerobomba la elección del emplazamiento es un elemento

determinante, pero los parámetros definitorios del lugar son diferentes dependiendo del

bombeo a realizar por dicha aerobomba.

Uno de los mayores retos a la hora de usar la energía eólica es encontrar el lugar para

ubicar la torre y la aerobomba. Si se encuentra demasiada cerca de casas, la aerobomba

sufre interferencia de los edificios con el viento y produce quejas por el ruido.

3.1.1 DATOS GENERALES

Provincia: Pichincha

Cantón: Quito

Sector: San Blas

Uso: Extracción de agua por bombeo

3.1.2 UBICACIÓN GEOGRÁFICA

Altitud geográfica: 2812 m.s.n.m

Posición geográfica:

• Latitud: -00º 13

• Longitud: -078º 48

3.1.2 PARÁMETROS PARA EL DISEÑO DE LA AEROBOMBA

Dentro de los parámetros se tiene:

• Caudal requerido = ' 34, 5 * 6 7

• Altura de bombeo = 8 /

• Velocidad del viento = Velocidad media -

Velocidad máxima

3.2 SISTEMA DE BOMBEO

Parámetros de diseño de un sistema de aerobombeo

Los parámetros necesarios para dimensionar un sistema de aerobombeo son:

• Caudal requerido en el lugar donde se vaya a ubicar la Aerobomba.

• Altura de bombeo total.

Para conocer el punto de funcionamiento de la instalación en su totalidad es necesario

conocer las características de las partes motrices que integran la Aerobomba así como

del sistema hidráulico.

Para calcular la energía necesaria para bombear el agua se necesita estimar las fuerzas

que intervienen en el sistema hidráulico. El siguiente esquema explicativo va a permitir

comprender el sistema hidráulico.

Figura 3.1 Esquema hidráulico

FUENTE: Los autores

40

3.2.1 SELECCIÓN DE LA BOMBA DE PISTÓN

Para seleccionar la bomba se debe conocer los siguientes parámetros, pero se debe

tomar en cuenta las horas (12 horas) que trabaja diariamente la aerobomba16:

El caudal requerido en el lugar donde se realizó los estudios, es de '

34,

- + 9 : ' * 6 7 para satisfacer las necesidades.

La caudal de ' 34,, se presenta debido a que el lugar de instalación de la

Aerobomba es una finca agrícola y ganadera, la cual necesita abastecer para riego,

ganado, y para uso de necesidades personales básicas.

Para justificar el caudal se tomó en consideración la siguiente tabla (tabla 3.1), que es un

promedio del uso del agua:

Tabla 3.1 Índices volumétricos de uso del agua.

TIPO Lts./día

Vaca lechera 70

Ganado de carne 45

Caballo de trabajo 45

Carnero de pasto seco 7

Carnero de pasto húmedo 3.5

Chanchos 11.5

Pollos (x 100/día) 32

Pavos (x 100/día) 55

REQUERIMIENTOS DOMÉSTICOS

Por persona(4) para cocina, bañera,

inodoro y lavandería

170

Uso del jardín 200

FUENTE: Curso de Energía Eólica, p 12, ONG Energía, Desarrollo Y Vida.

16 Se estima que el equipo trabaja en promedio 12 horas diarias regularmente, el rango es de 4 a 18 horas

según condiciones climáticas. Características técnicas para la implementación de molinos de viento para bombeo de agua. Industrias Jober, p23.

41

Para seleccionar un diámetro de la bomba acorde con los requerimientos ya citados, se debe revisar las tablas de especificaciones de los fabricantes de bombas.

Los fabricantes ofrecen por lo general informaciones al respecto en sus catálogos como lo indica la tabla 3.2.

Tabla 3.2 Capacidad de bombeo y relación con el diámetro del cilindro y con el rotor de la aerobomba.

CAPACIDAD DE BOMBEO

Diámetro interno de la

bomba

Capacidad en litros

por horaAltura en metros a que puede elevarse el agua

DIAMETRO SUGERIDO DEL ROTOR

6 pies 8 pies 6 pies 8 pies 10 pies 12 pies 14 pies 16 pies

2¼ 680 1000 23 34 52 77 110 180

2½ 850 1230 20 29 43 65 92 150

2¾ 1000 1460 17 25 37 55 80 130

3 1200 1780 14 21 31 47 67 110

3¼ ----- 2075 --- --- 27 40 57 93

3½ 1670 2420 11 15 23 35 49 82

3¾ ------ 2750 --- --- 20 30 44 70

4 2150 3150 8 12 18 26 38 61

FUENTE: Utilización de energía renovable para bombear agua, p 6, Juan Enciso y Michael Mecke

Para la necesidad de * 6 7 una bomba acorde, es la que tiene un diámetro

interior de la bomba de 3” con una capacidad de 1200 litros por hora y una altura a la que

puede elevarse el agua de , con un diámetro de rotor recomendado de * ;$<

8- .

3.2.1.1 Fuerzas que actúan en la bomba

Existen fuerzas que intervienen el momento que la bomba esta trabajando, que aumentan

la carga, para poder determinar el par necesario para poner en movimiento el rotor es

indispensable calcular dichas fuerzas a continuación numeramos las fuerzas existentes:

1) La presión de la columna de agua en las tuberías.

2) El peso de la varilla de transmisión y el pistón.

3) Las pérdidas de carga debido a la viscosidad del fluido.

4) La inercia del pistón y varilla de transmisión

'

E E

42

3.2.1.2 Fuerza en el pistón debido a la columna de agua

Figura 3.2 Desplazamiento del pistón en función del ángulo de rotación

FUENTE: Los autores

Potencia requerida por la bomba, se aplica la ecuación de Bernoulli17 :

P V f @ A B C D

G 7 G H

V f @ A B C D

(3.1)

= 2F 2F

Donde:

I< $JK LM 2

Nf O P N<6QR$3,3 3<6 f6S43Q (

7 T6 SI, 3< UQ U<Q

0 VQ<f$R$<K < 3< ;WI3$3,

<K 3SR Q 6$ Q +8 X < Q

< ;<R4f$RQ LM '

1 YI,Z<3,3 M 2

Peso específico del agua:

X [ \ 1 (3.2)Donde:

[ ]<K $3,3 3<6 ,1S, ^1M

Reemplazando valores en la ecuación (3.2) se tiene:

X ^1( '

43

\ _ 8 ( 2 L

X _8 '

17 Teorema de Bernoulli

f

Velocidad del agua:

N Qf O P AaAb

(3.3)

Donde:

& V,S3,6 'M

hT Oc dI<, 3< 6, SU<I4, _+ \ ef 2 3$g < IQ 3< 6, SU<I4, i j - +

Reemplazando valores en la ecuación (3.3) se tiene:

- + \ ef 'M Nf O P _+ \ ef 2

Nf O P

Reemplazando valores en la ecuación (3.1) se obtiene: ( 2

X + \ _ 8 ( 2

G 8 / G

+8 \ ( 2

+ \ _ 8 ( 2

8 / X

Despejando la presión se obtiene: X \ 8 /

8 / \ _8 LM '

8- 8- LM 2

Fuerza en el pistón debido a la columna de agua en la tubería:

k FO e Oc l4 \ T Oc (3.4)

k FO e Oc l4 ** + L

Fuerza del agua contenida en la bomba:

k FO ec mc Tc \ )c mc \ [ FO \ 1 (3.5)

Donde:

Tc dI<, 3< 6, UQ U, 2

)c mc T6 SI, 3< 6, UQ U, )

Área de la bomba:

n\Pb E

Tc

Donde:

(3.6)f

3c ]4, < IQ $K <IKQ 3< 6, UQ U, /

M '

Remplazando valores en la ecuación (3.6) se tiene:o \ / 2

Tc

Tc 2

Reemplazando valores en la ecuación (3.5) se obtiene:k FO ec mc 2 \ -

\ ^1 \ _ 8 M 2

k FO ec mc - L

Fuerza total en el pistón debido a la columna de agua:

k P FO k FO ec mc \ k FO e Oc l4 (3.7)

Reemplazando valores en la ecuación (3.7) se obtiene:

k P FO ** + L G - L

k P FO _ + L

3.2.1.3 Volumen de carga de la bomba

Según el fabricante18 la bomba esta construida para trabajar con carrera máxima

S= + . se considera que la bomba trabaje con p para satisfacer

el caudal requerido - 34,, trabaja aproximadamente + 7QI, 3$,I$,

, por lo que necesita un

caudal entregado por la bomba de _ m'

m

Volumen de carga de la bomba en cada revolución del rotor:NQ6c m Tc \ p (3.8)

Donde:

NQ6c m NQ6S <K 3< 6, UQ U, <K R,3, I<ZQ6SR$JK '

p V,II<I, 3<6 ;$ JK

Remplazando valores en la ecuación (3.8) se obtiene:

NQ6c m 2 \

NQ6c m '

Número de r; del rotor necesario para obtener el caudal requerido:

NQ6S <K I<qS<I$3Q ;QI $KS Q

_ '( $K

I; l l NQ6S <K <K I<1,3Q ;QI I<ZQ6SR$JK '(I<Z

I; l l + I,3M $K * I,3M

18 Industrias J & M.

dezp

laza

mie

nto

del p

istó

n (m

)

3.2.2 PÉRDIDAS

Pérdida de carga debido a la viscosidad del fluido

La bomba funciona de manera alternativa y el flujo de fluido no está en paso permanente.

En el siguiente diagrama (figura 3.3) se muestran el desplazamiento 3 del pistón en

el proceso de tracción. La velocidad calculada necesaria de rotación del rotor es

de

I; - I; ) con una carrera p del pistón de r

0,06Dezplazamiento del piston en función del ángulo de rotación

0,04

0,02

0

-0,02

Ángulo de rotación0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

-0,04

-0,06

Figura 3.3 Diagrama del pistón en función del ángulo de rotación

FUENTE: Los autores

Perímetro de giro del sistema de manivela:

<I$ < IQm s o \ 3$g < IQ 3< 1$IQ (3.9)

Reemplazando valores en la ecuación (3.9) se obtiene:

<I$ < IQm s

o*0.1

<I$ < IQm s

-

El pistón tiene una velocidad variable, por eso es necesario calcular cual es la velocidad

máxima del pistón y en que ángulo de giro de la manivela se produce para posteriormente

Calcular las pérdidas hidráulicas:

N t J u \ I \ <Kv G w \ <Kv \ RQ v (3.10) 19

Donde:N t J N<6QR$3,3 3<6 ;$ JK (

u N<6QR$3,3 3< 1$IQ 3<6 IQ QI *+ xI,3( y

I z,3$Q 3< 6, ,K$Z<6, / x y

dezp

laza

mie

nto

del

pist

ón (

m)

19 Cinemática y dinámica del motor, p 2

dezp

laza

mie

nto

del

pist

ón (

m)

Vel

ocid

ad d

el p

istó

n (m

/s)

E

v dK1S6Q 3< 1$IQ 3< 6, ,K$Z<6, RQK I<

;<R Q , 6, Z<I $R,6 xI,3 y w z<6,R$JK <K

I< 6, 6QK1$ S3 3< 6, ,K$Z<6, { 6, U$<6,

0.23

Figura 3.4 Relación entre la longitud entren la biela y la manivela.

FUENTE: Los autores

Reemplazando valores en la ecuación (3.10) se obtiene y comprueba gráficamente la

máxima velocidad alcanzada por el pistón en el ángulo de giro de la manivela (figura 3.5):

N t J + Aproximadamente a 75º.

0,25

Velocidad del pistón en función del ángulo de rotación del eje para una velocidad derotación máxima de n =44 rpm

0,2

0,15

0,1

0,05

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Ángulo de rotación del eje (º)

Figura 3.5 Velocidad del pistón en función del ángulo de rotación

FUENTE: Los autores

Pérdidas de carga regulares

Pérdidas de carga regulares20:

| } \ L

\ V f @ A B C D

(3.11)

Donde:Da 2F

| WI3$3, 3< R,I1, I<1S6,I

} VQ<f$R$<K < 3< €I$RR$JK

Vel

ocid

ad d

el p

istó

n (m

/s)

] ]$g < IQ 3<6 SUQ

Nf O P N<6QR$3,3 3<6 f6S$3Q ( )

20 Martínez Alzamora-Fernández Bono-U. Politécnica de Valencia: Pérdidas de carga en tuberías y coeficientes de rugosidad.

Vel

ocid

ad d

el p

istó

n (m

/s)

‚

a) Altura de aspiración, ha (figura 3.1)La velocidad del fluido se calculó anteriormente para tubería de diámetro de 1¼” ≈32 mm:

Nf O P �

Para determinar el tipo de flujo en la tubería, se determina el número de Reynolds (Re),

relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una

expresión a dimensional. Dicho número relaciona si el flujo es laminar o turbulento.

• Para valores de Re, menores o iguales a 2000, el flujo es laminar

• Para valores de Re, mayores 4000 el flujo es turbulento.

• Para valores de Re entre 2000 y 3000, el flujo se encuentra en una zona de transición,

en la cual el flujo para cálculo de pérdidas por fricción puede se considera turbulento.

Número de Reynolds:

z< s f @ A B C D \Da

O

(3.12)

Donde:

Zf O P N<6QR$3,3 3<6 f6S$3Q <K SK, <RR$QK 3< 6, SU<I$, (

S N$ RQ $3,3 R$K< , $R, 3<6 ,1S, , /ƒV 21

] ]$g < IQ 3< 6, SU<I4, )

Reemplazando valores en la ecuación (3.12) se obtiene:

( \ - + z<

\ e„ 2(

z< = 11509 > 4000 (flujo turbulento22).

Coeficiente de fricción23 para los diferentes tramos de tubería:

} … 'h„f

R ‡ Eˆ

Reemplazando valores en la ecuación (3.13) se obtiene:

} = 0.031

Reemplazando valores en la ecuación (3.11) para 7, . se obtiene:

| *

b) Altura de descarga 1, hr1: (Ver figura 3.1)

(3.13)

Esta sección de tubería es construida en PVC. El vástago de la bomba tiene un diámetro

de + . está se encuentra dentro de la canalización de descarga, el diámetro

de la

tubería de -8 j 1´ ‰ .

21 André Lallemand, Arthur Gauvain: .

22 Msc. Álvaro Aguinaga Barragan:23

Universidad Rafael Urdaneta, Laboratorio de Operaciones Unitarias, p.4

‚

E

La velocidad del fluido calculada anteriormente es:

Zf O P ﾁ

Cuando el fluido es transportado a través de un conducto de sección no circular o en su

interior trabaja otro elemento, en este caso el vástago de la bomba, el diámetro

característico del tamaño del conducto se llama Radio hidráulico (RH)24.

Radio Hidráulico:

z) A

PM

(3.14)

Donde:

T ]$€<I<KR$, 3< gI<, Z, ,1Q { SU<I4, 2 ].

‹ <I$ < IQ QŒ,3Q +/

Perímetro mojado: ‹ o ] G 3s t (3.15)

Donde:] ]$g < IQ 3<6 SUQ

3 ]$g < IQ 3<6 Zg ,1Q

Reemplazando valores en la ecuación (3.15) se obtiene:

‹ o - 8 G +

‹ 8

Reemplazando valores en la ecuación (3.14) se obtiene:

z) … ………ﾍh„m

… hﾍm

z) /

Número de Reynolds asociado con la salida de fluido:

z< s f @ A 4

C D \RH O

(3.16)

Donde:Zf O4P N<6QR$3,3 3<6 f6S43Q 3< 3< R,I1,

z) ]$g < IQ R,I,R <I4 $RQ 3< 6,

R,K,6$Ž,R$JK 3< 3< R,I1, S N$ RQ

$3,3 R$K< g $R, 3<6 ,1S, , /ƒV

Reemplazando valores en la ecuación (3.16) para determinar el tipo de flujo, se obtiene:

( \ / z<

\ e„ 2(

z< * 8 � + f6SŒQ 6, $K,I

24 Petroecuador, Operación y control en sistemas de poliductos, p.54

25 Se define como la suma de la longitud de los límites de la sección que realmente está en contacto con el líquido.

f O P

E

En este caso por tratarse de flujo laminar se aplica la siguiente fórmula26, para determinar el coeficiente de fricción:

} „f

R

Remplazando en la ecuación (3.17) se obtiene:

*

(3.17)

} * 8

} -_

Reemplazando valores en la ecuación (3.11) para determinar la pérdida regular en esa

sección, para una longitud de canalización de 0.5 m, se tiene:

|

c) Altura de descarga 2, hr2 (figura 3.1)Esta sección de tubería se construirá en tubería PVC con un diámetro de 0,031 m j

1¼´´, debido a que la salida de la bomba construida es del diámetro indicado.

La velocidad del fluido es:Z

m

t

Reemplazando valores en la ecuación (3.16) para la velocidad calculada y se obtiene:

z< /// ﾐ + ‘’“”• –“—˜“’™š–

•

Reemplazando valores en ecuación (3.17) para conducto de salida no rugoso, se obtiene:

} . -

Reemplazando valores en la ecuación (3.11), las pérdidas de carga equivalentes para 3 m de tubería en derivación son:

| +*

Pérdidas de cargas singulares o localizadasLas pérdidas en cada uno de los elementos que componen el sistema de tuberías, son

características de la velocidad del fluido y la forma del componente.

Pérdidas de carga singular o localizada.

Π0 \ V f @ A B C D

2F

(3.18)

Donde:ΠWI3$3, $K1S6,I

0 VQ<f$R$<K < 3< ;WI3$3, ;,I, ,RR< QI$Q

26 Universidad Rafael Urdaneta, Laboratorio de Operaciones Unitarias, p.4

505

Coeficientes de pérdidas de carga en accesorios ver en la tabla 3.3:

Tabla 3.3 Coeficiente de pérdidas de carga.Válvula anti-retorno 5

Ensanchamiento 0.56

Contracción 0.32

Te y Codo 1.8

Pérdida de energía cinética a la salida al reservorio 1

FUENTE: w w w . pe r dida s hid r auli c a s . c o m

Se obtiene la tabla siguiente:

Tabla 3.4 Coeficiente de pérdidas de carga II

Aspiración Descarga

Válvula de pie 0.07 m (k=4) Contracción 0.004 m (k=0.19)

Pérdida a la entrada 0.009 m (k=0.5)Entrada a hr2 + válvula antiretorno0.009 m (k=0,5) + 0.19 m (k=10)

Ensanchamiento 0.01 m (k=0.56) Pérdida a la salida 0.019 m (k=1)

Total de pérdidas singulares de aspiración:0.09 m

Total de pérdidas singulares de descarga:0.22 m

Total de pérdidas regulares 0.06 m Total de pérdidas regulares 0.065 m

Total pérdidas aspiración: 0.15 m Total pérdidas descarga: 0.29 mTotal de pérdidas : 0.44 m

FUENTE: Los autores

Fuerza generada por las pérdidas:+

k Wl [ FO \ 1 \ |7 t \ Tc G |7P t \ Tc (3.19)

Dónde:^1

[ FO ]<K $3,3 3<6 ,1S, x y ' 1 YI,Z<3,3 M 2

Tc dI<, 3< 6, UQ U, 2

|7 t WI3$3, <K 6, ,6 SI, 3< , ;$I,R$QK

|7P t WI3$3, <K 6, ,6 SI, 3< 3< R,I1,

Reemplazando valores en la ecuación (3.19) se obtiene:

k Wl ^1( ' \ _ 8 M 2 \ / \ 2 G

+_ \ 2

k Wl _ L

51527

André Lallemand, Arthur Gauvain: Estudio y concepción de una turbina eólica de bombeo, p 55.

ª

Ace

lera

ción

del

pis

tón

(m/s

²)

52

3.2.3 INERCIA DEL MECANISMO

Propiedad de la materia que hace que ésta se resista a cualquier

cambio en su movimiento, ya sea de dirección o de velocidad. Esta

propiedad se describe con precisión en la primera ley del

movimiento del científico británico Isaac Newton: un objeto en

reposo tiende a permanecer en reposo, y un objeto en movimiento

tiende a continuar moviéndose en línea recta, a no ser que actúe

sobre ellos una fuerza externa. 28

Figura 3.6 Inercia en los elementos mecánicos

FUENTE: Los autores

Varilla de transmisión y pistón .- ]s l - , › - ,] t J

œ 0.075 m y

) . Están sometidos a aceleración que provoca fuerza opuesta a su

movimiento. Aceleración del pistón en cualquier punto de giro de la manivela:

, u2 \ I \ RQ ﾝ Gw RQ +v +9 (3.20)Donde:

u N<6QR$3,3 ,K1S6,I 3<6 IQ QI * I,3M

I z,3$Q 3< 6, ,K$Z<6, /

v dK1S6Q 1$I,3Q ;QI <6 R$1S<ž,6 RQK ,3Q 3< 3< <6 ;SK Q S<I Q S;<I$QI

w z<6,R$JK <K I< 6, 6QK1$ S3 3< 6, U$<6, { ,K$Z<6, /M + /

Aceleración del pistón en función del ángulo de rotación del eje para

1,5 una velocidad de rotación máxima de n = 46 rpm.

1

0,5

0

-0,5

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

-1Ángulo de rotación (°)

Figura 3.7 Aceleración del pistón en función del ángulo de rotaciónFUENTE: Los autores

Aceleración máxima del pistón, para una rotación de 44 I; es de 1.39 m/s².

28 Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008.

29 Imgoldaracena: Cinemática y dinámica, p3.

Ace

lera

ción

del

pis

tón

(m/s

²)

Ecuación de fuerza de inercia que se generan, se aplica la segunda ley de Newton:

k$ : \ , (3.21)

En el sistema biela-manivela hay partes que están sometidas a movimiento alterno como

el pistón, bulón, pie de biela entre otras. La manivela, pie de biela están sometidas a una

fuerza centrífuga expresada mediante la ecuación:

k \ Ÿ2 \ I (3.22)

Dónde:Ÿ N<6QR$3,3 ,K1S6,I I,3

‹, , 3< QZ$ $<K Q R<K I$€S1Q €S<IŽ, R$IRS6,I ^1

I ]$ ,KR$, 3< 3< S R<K IQ 3< 1I,Z<3,3 ,6 <Œ< 3< 1$IQ

La única duda ofrece la biela, ya que se puede considerar que parte de ella está sometida

a movimiento alterno y que la parte restante se mueve con momento circular.

Como norma se considera que:30

• Masas con movimiento alternativo, pistón, bulón del pistón, +(- de la biela.

• Masas con movimiento circular, manivela, (- de de la biela.

Determinación de las masas con movimiento circular:• ‹, , 3< 6, ,K$Z<6, ^1

• (- 3< 6, , , 3< 6, Z,I$6 6, 3< I,K $ $JK / ^1

Q ,6 + / ^1 , , RQK QZ$ $<K Q R$IRS6,I

Determinación de las masas con movimiento alterno:• $ JK - / ^1

• +(- 3< 6, , , 3< 6, Z,I$66, 3< I,K $ $JK - ^1

Q ,6 * / ^1 , , RQK QZ$ $<K Q ,6 <IK, $ZQ

Fuerza alterna de inercia:k \ ,mg¡ (3.23)

Donde:k kS<IŽ, ,6 <IK, 3< $K<IR$, L

‹, , RQK QZ$<K Q ,6 <IKQ €S<IŽ, R$IRS6,I 01

,mg¡ TR<6<I,R$JK g9$ , 3<6 ;$ JK ( 2

Reemplazando valores en la ecuación (3.21) se obtiene:

k * / ^1 \ -9 M 2

k 9 L

30Imgoldaracena: Cinemática y dinámica, p4.

Ace

lera

ción

del

pis

tón

(m/s

²)

2

Reemplazando valores en la ecuación (3.22) se obtiene:

k \ Ÿ2 \ I

k 8 ^1 \ ¢ * I,3M

£

k + L

\ /

3.2.4 FUERZA DE FRICCIÓNLa fuerza de rozamiento aparece cuando hay dos cuerpos en contacto, en el caso de la

bomba los elementos en contacto son el empaque del pistón y el cilindro (figura 3.8).

Figura 3.8 Fuerzas actuantes en el pistón

FUENTE: Los autores

En el eje Y intervienen las siguientes fuerzas: el peso del pistón y la fuerza de rozamiento,

aplicando la segunda ley de Newton obtenemos la siguiente ecuación:

¤ t J \ 1¥ : ¦ \ L t J \ , (3.25) 31

Donde: t J ‹, , 3<6 ;$ JK - / ^1

, TR<6<I,R$JK 3<6 ;$ JK -9 ( 2

¦ VQ<f$R$<K < 3< IQŽ, $<K

Q L kS<IŽ, KQI ,6

Ecuación de la fuerza de rozamiento:kI ¦ \ L (3.26)

Donde:kI kS<IŽ, 3< IQŽ, $<K Q Q €I$RR$JK L

Entonces, la ecuación (3.25) se resume de esta manera:

: kI t J \ ,Reemplazando valores en la ecuación (3.25), se obtiene:

§¨©ª«J¬ ¨©ª J¬ \ ®

§¨©ª«J¬ - / ¯® \ 9 8 M°2

§¨©ª«J¬ - -±

31 w w w. d i n á m i c a . c o m / r o z a m i e n t o - po r - d e s l i z a m e n t o

Despejando y reemplazando la ecuación (3.25) se tiene:²— § : ¨©ª«J¬ \ ³

²— - - ± : - /¯® \ -9 (°2

²— +9 ±

3.2.5 PESO PROPIO DE LOS ELEMENTOS

²´µ´ E \ 1 (3.27)

DONDE:

E ‹, , 3< <6< < K Q 01 r

• ·³°³ ¸™ ’³ ³š¹º™’³ ¯®

• ·³°³ ¸™ ’³ º³—¹’’³ ¸™ –—³š°¹°¹Jš - ¯®

• ·³°³ ¸™’ ;¹°–Jš + 8 ¯® ·³°³ –•–³’ ¸™ ’•° ™’™™š–•° * * ¯®

Remplazando la ecuación (3.27) se tiene:

²´µ´ * *± \ 9 8 M°2

²´µ´ * / ±

Fuerza de bombeo necesaria, es la suma de todas las fuerzas:

²» ²¨©ª«J¬ G ²¨W¼ G ²¹ G ²— G ²´µ´ (3.28)

Donde:

²» ²“™—½³ –•–³’ ¸™ ˜•˜™• ±

²¨©ª«J¬ ²“™—½³ ¸™ ’³ ¾•’“š³ ¸™ ³®“³ °•˜—™ ™’ ¿¹°–Jš ±

²¨W¼ ²“™—½³ ®™š™—³¸³ ¿•— ’³° ¿W—¸¹¸³° À¹¸—g“’¹¾³° ±

²¹ ²“™—½³ ¸™ ¹š™—¾¹³ ±

Remplazando los valores en la ecuación (3.28) se obtiene:

²» 9 +± G 9± G * ± G +- *± G * /±

²» + + ±

Figura 3.9 Fuerzas actuantes en el pistón

FUENTE: Los autores

ÑÒ E

3.3 SISTEMA DE TRANSMISION

3.3.1 BIELA Ò VARILLA DE TRANSMISIÓN

La biela es el elemento que permite la transmisión de movimiento de rotación del rotor

hacia la bomba, sufrirá un esfuerzo a fatiga porque se somete la fuerza de una manera

cíclica. La biela sufre tracción de ²» + + ±

²» + + ±

Á + /

 - þ™—

• ÃÄÅ· Ã-*

²Æ -* ¯°¹

²“ / ¯°¹

Ç + ȧ³

Figura 3.10 Esquema de fuerzas ejercidas sobre la biela

Fuente: Los autores.

Peso de la varilla de transmisión: (3.29)

§Éʼ©µ µÊ ËÊÌ´¼Í \ ÎÉʼ \ ®

Remplazando los valores en la ecuación (3.29) se obtiene:

….…h'Ô E

§Éʼ©µ µÊ 8 ÏÐ \ ¢Ó \ \ + / £ \ 9 8 Ñ

f Õ

§Éʼ©µ µÊ +/ ±

Área que opone resistencia a la fuerza de tracción que se aplica, es la sección circular

transversal de la barra: (3.30)

Ó \ Â2

ÃÉʼ©µ µÊ

Remplazando los valores en la ecuación (3.30) se obtiene:Ó \ - 2

TÉʼ©µ µÊ

ÃÉʼ©µ µÊ - \ ef 2

Tensión por tracción es:

Ö ×

ØÙÚÛÜÝ ÝÚ

(3.31)

DondeÖ Å™š°¹•š ¿•— –—³¾ ¾¹Jš ·§³ Å Å™š°¹•š • ‘“™—½³ ³¿’¹¾³¸³ ±

Remplazando los valores en la ecuación (3.31) se obtiene:

+ + ±Ö

- \ ef 2

Ö * ·§³

Deformación debido a la carga axial de tracción:

δ ß\à

(3.32) á

Donde

â ™‘•—³¾¹Jš

ã ã•š®¹–“¸ ¸™ ’³ º³—¹’’³

Ç ·•¸“’• ¸™ ™’³°–¹¾¹¸³¸ ȧ³

Remplazando los valores en la ecuación (3.32) se obtiene

*\ *±

+\2 " Ôδ

2…!\h…ä ± +

δ + \ e"

δ +

Carga permisible o tolerable:

Å * \ ²Æ î (3.33)Donde

â ™‘•—³¾¹Jš

ã ã•š®¹–“¸ ¸™ ’³ º³—$’’³

Ç ·•¸“’• ¸™ ™’³°–¹¾¹¸³¸ ȧ³

Remplazando los valores en la ecuación (3.33) se obtiene:

Å * \ +/ \ „ ¯® 2 - \ ef

Å 9/ å®

Å 9 +9 / ±

La carga permisible es mayor a la carga real aplicada en el elemento:

Å 9 +9 / ± ﾐ ²» + + ±

3.3.2 DISEÑO DE LA MANIVELA

En el sistema biela - manivela intervienen varias fuerzas algunas de las cuales ya fueron

calculadas anteriormente además de un análisis. (Figura 3.11)

Figura 3.11 Esquema de fuerzas en el sistema biela manivela

FUENTE: Los autores

Par motor ó Torque

La fuerza es la fuerza total necesaria de la bomba para lograr el bombeo, en esta

fuerza están incluidas todas las fuerzas presentes en la bomba anteriorm nte ya fuerón

descritas, la fuerza , al ser transmitida por la biela, actúa sobre la manivela y sobre el

eje del cigüeñal origina un par motor MB dado por:

Donde:

(3.34)

)

Mediante la fórmula (3.34) se puede determinar el par motor necesario según el ángulo de

giro de la manivela, según cálculos se determinó que el par motor máximo se produce a

los 70º de giro de la manivela, para comprobarlo matemáticamente se tiene:

Remplazando los valores en la ecuación (3.34) se tiene:

Potencia requerida por el sistema de bombeo

§•– ·æ \ ç (3.35)Donde:

§•– §•–™š¾¹³ —™è“™—¹¸³ ç

·æ §³— •–•— ±

ç Ι’•¾¹¸³¸ ³š®“’³— —³¸M°

Remplazando los valores en la ecuación (3.35) se tiene:

§•– * ± \ * —³¸M°

§•– 8 8 º³–¹•°

3.3.2.1 Análisis de elementos que componen la manivela

Figura 3.12. Esquema de la manivela

Fuente: Los autores

En la figura 3.12 se observa el esquema de fuerzas y distancias correspondientes para

determinar los momentos que afectan a cada uno de los componentes de la manivela.

Figura 3.13 Esquema de fuerzas de la manivela

Fuente: Los autores

TRAMO C-D:

Figura 3.14 Esquema de fuerzas tramo C-D

Fuente: Los autores

Momento flector en el tramo C-D, con respecto al punto C:

·é ²æ \ ¸ (3.36)

·é + +± \ +9/

·é * +/ ±

Obtenido el momento flector se puede calcular el esfuerzo máximo en flexión:

êëÖé (3.37)ì

Ò

í••r î ï\ð

'2(3.38)

Donde:

Öé Ç°‘“™—½• ¸™ ‘’™ñ¹Jš-+ ±M2

·é ·•™š–• ‘’™¾–•— ±)

î ·J¸“’• ¸™ °™¾ ¾¹Jš--

 ¹g™–—•

Remplazando en la ecuación (3.37) se tiene:

* +/ ± \ -+Öé Öò

Ó \ '

+- + ·§³

En este tramo de la manivela no existe torsión debido a que se acopla mediante un

rodamiento, este tramo puede ser sustituido por un perno de diámetro 9( *

especificación ASTM A307 grado 1-2, sus características son:34 (ver anexo 6.)

Límite elástico (Sy)=36000 psi = 248 Mpa

Resistencia a la tracción (Sut)=60000 psi = 410 Mpa

y de

32Shigley-Mitchell: Manual de diseño Mecánico, p 60

33Shigley-Mitchell: Manual de diseño Mecánico, p 857

34Penos Andes: Tablas técnicas,p1

60

Aplicando la Teoría del Esfuerzo Normal Máximo, se calcula los esfuerzos principales, a

continuación se tiene la fórmula para el cálculo de esfuerzos normales:35

ßóôßõ ßóeßõ 2

2Öh.2 ö ÷¢

2 2£ G øòù (3.39)

+- + ·§³ +- + 2

Öh.2 ö úû ü+ +

Öh.2 * ·§³ ö * ·§³

Öh +- + ·§³

Ö2 ·§³

Esfuerzo cortante máximo mediante la fórmula:36

ßóeßõ 2

2øòù ö÷¢2

£ G øòù (3.40)

øh * ·§³

ø2 : * ·§³

De esta manera, ya obtenidos los esfuerzos normales y los esfuerzos cortantes que se

producen en el elemento se puede determinar el factor de seguridad (ý) con el que esta

trabajando el elemento:

ý þù

ß

(3.41)

Donde:

ý ²³¾–•— ¸™ °™®“—¹¸³¸

ÄÆ ã4¹–™ ¸™ ‘’“™š¾¹³ ·¿³

Öh Ç°‘“™—½• ±•—³’ gñ¹• ·§³

Remplazando en la ecuación (3.41) se obtiene:

+ 8 ·§³ý

+- + ·¿³

ý

Mediante el factor de seguridad obtenido, el elemento está sobredimensionado pero nos

garantiza rigidez y estabilidad para trabajar correctamente.

6135

www.monografías.com/trabajos/esfuerzos36

www.m onog rafías.com /trabajos/esfuerzos, p3

Ò

TRAMO B-C

Figura 3.15 Esquema de fuerzas tramo B-C

Fuente: Los autores

Cálculo del momento flector en el tramo B-C, con respecto al punto B, utilizando la

ecuación (3.35), se obtiene:

·é + + ± \ /

·é * ±

Obtenido el momento flector se puede calcular el esfuerzo máximo en flexión, para esto

se utiliza la ecuación (3.38), pero para el cálculo de este tipo de sección en este caso

rectangular existen algunas variantes:

í•Qr î

Ì(3.42)

Donde:

î ·J¸“’• ¸™ °™¾ ¾¹Jš-

Öé Ç°‘“™—½• ¸™ ‘’™ñ¹Jš ±M2

·é ·•™š–• ‘’™¾–•— ± Â

¹g™–—•

·•™š–• ¸™ ¹š™—¾¹³ f

¾ ¹°–³š¾¹³ ³’ ™”™ š™“–—• )

Para la sección rectangular de este elemento el momento de inercia38 se calcula como:

»\

h2

(3.43)

Donde:

·•™š–• ¸™ ¹š™—¾¹³ f

˜ ³°™ ¸™’ —™¾–gš®“’•

À Ã’–“—³ ¸™’ —™¾–gš®“’•

37Shigley-Mitchell: Manual de diseño Mecánico, p 55

38Shigley-Mitchell: Manual de diseño Mecánico, p 56

Entonces remplazando en la ecuación (3.37) se obtiene:

·é \ ¾ \ +Öé Ö

Öé Ö

˜ \ À '

+ /* ± \ - \ +

9 \ * '

Öé Ö / ·§³

Esfuerzo de torsión39:

ê «øòù

\« E ¢- G 8 \

£ (3.44)

Donde:

øòù Ç°‘“™—½• ¿•— –•—°¹Jš ±(2

ç Ú¾À•

– Ç°¿™°•—

Estas dos magnitudes ç y – no se pueden intercambiar porque – debe ser la dimensión

más corta.

Remplazando valores en la ecuación (3.44) se obtiene:

* +/ ± * øòù

* \ 9 2

û- G 8 \ 9

ü

øòù + ·§³

Se aplica la Teoría del esfuerzo Normal Máximo, por lo tanto se necesita el cálculo de los

esfuerzos principales, para eso se utiliza la ecuación (3.39):

+ ·§³ + ·§³ 2

Öh.2 ö úû+

ü G + ·§³ 2+

Öh.2 ·§³ ö -- ·§³

Öh / -- ‹§³

Ö2 :- -- ·§³

Esfuerzo cortante máximo, mediante la ecuación (3.40) y se obtiene:

øh -- ·§³

ø2 : -- ·§³

39Shigley-Mitchell: Manual de diseño Mecánico, p 74

Ya obtenidos los esfuerzos normales y cortantes que se producen en el elemento (tramo

B-C) se puede determinar el factor de seguridad (ý) con el que está trabajando el

elemento, para este elemento se ha concluido trabajar con acero A36 (anexo 5) las

características son las siguientes:

Límite de fluencia (Sy) = 250 Mpa

Resistencia a la tracción (Sut) = 410 Mpa

Para determinar el factor de seguridad ý se aplica la ecuación (3.41) y se obtiene:

+/ ·§³ý

/ -- ·¿³

ý /

Mediante el factor de seguridad obtenido el elemento está sobredimensionado pero por

estética, estabilidad, rigidez es apto para trabajar correctamente.

TRAMO A-B

Figura 3.16 Esquema de fuerzas tramo A-B

Fuente: Los autores

Cálculo del momento flector en el tramo A-B, con respecto al punto A, se utiliza la

ecuación (3.36) para calcular el momento flector y remplazando se obtiene:

·é + +± \ 88

·é 8 ±

Obtenido el momento flector se puede calcular el esfuerzo máximo en flexión, aplicando la

ecuación (3.37) y se obtiene:

8 ± \ -+Öé Öò

Ó \ / : -9 '

Öé Öò - ·§³

Como anteriormente se obtuvo el momento torsor se puede calcular el esfuerzo de torsión

máximo40, mediante la fórmula:

øÔgò

Donde:

ê \¼

h„\ê

ï\ Ò(3.45)

øÔgò Ç°‘“™—½• gñ¹• ¸™ •—°¹Jš ·§³

·× ·•™š–• –•—°•— ±

— ³¸¹• ¸™’ ™’™™š–•

·•™š–• ¿•’³— ¸™ ¹š™—¾¹³ f

¸ Â4³™–—• ¸™’ ™’™™š–•

Remplazando en la ecuación (3.45), se obtiene:

* \ * ±øÔgò

Ó \ / : -9 '

øÔgò * ·§³

Se aplica la Teoría del esfuerzo Normal Máximo, por lo tanto se necesita el cálculo de los

esfuerzos principales, para eso se utiliza la ecuación (3.39):

- ·§³ - ·§³ 2

Öh.2 ö úû+

ü G * ·§³ 2+

Öh.2 / ·§³ ö 8+ + ·§³

Öh /- ·§³

Ö2 : ·§³

Remplazando valores en la ecuación (3.40) y se obtiene, el esfuerzo cortante máximo:

øh 8+ + ·§³

ø2 :8+ + ·§³

Para determinar el factor de seguridad ý se aplica la ecuación (3.41) y se obtiene:

+/ ·§³ý

- ·¿³

ý *-

Mediante el factor de seguridad obtenido, el elemento está diseñado para trabajar

correctamente, este segmento se encuentra montado sobre el eje.

40Shigley-Mitchell: Manual de diseño Mecánico, p 254

E

3.4 CAVITACIÓN

Ecuación de la altura de funcionamiento en un punto donde no existe cavitación, la altura

de aspiración À³ 1 debe respetar el criterio siguiente41:

À³ ﾏ :

: (3.46)

Donde:2 Ø

À³ Ã’–“—³ ¸™ ³°¿¹—³¾¹•š

HØ ¿™—¸¹¸³° ¸™ ¾³—®³ –•–³’ ™š ’³ °™¾ ¾¹•š ¸™ ³°¿ —³¾¹•š δ

Ι’•¾¹¸³¸ ¸™ ™š–—³¸³ ™’ ‘’“¹¸• °

® È—³º™¸³¸ M°2 )

Remplazando valores en la ecuación (3.46) y se obtiene:

À³ ﾏ 9

Se debe conservar esta altura de aspiración À³ ﾏ 9 para evitar la cavitación, si

sobrepasa esta altura de aspiración se sobrecarga el sistema.

3.5 GOLPE DE ARIETE

En el análisis previo de la máquina, se estableció que no existe golpe de ariete debido a

que las velocidades alcanzadas dentro de la tubería son relativamente bajas como para

alcanzar sobrepresiones y depresiones y los tramos de tubería son cortos, además se

utilizan válvulas de pie que son dispositivos recomendados para reducir el golpe de ariete,

otra de las características es que “para que exista golpe de ariete debe existir una

pendiente hidráulica en succión de al menos 50º lo cual implica un aumento de velocidad

en el fluido y un cierre de válvulas rápido”42.

Conclusión

La fuerza necesaria para el óptimo funcionamiento del sistema hidráulico es menor a la

fuerza entregada por el rotor que es de + + ±, por lo cual el dimensionamiento de los

elementos y el diámetro del rotor es el correcto. Se utilizará una bomba con un diámetro

del pistón de / y una altura total de bombeo de 8 /

²Ôgò + + ±

El sistema permite tener hasta una altura de bombeo de

.

41André Lallemand, Arthur Gauvain: Estudio y concepción de una turbina eólica de bombeo, p 47.

42 www . i n g e n i e r i a r u r a l . c o m / a r e a / i n g _ r u r a l / g o l p e d e a r i e t e

3.6 ROTOR EÓLICO

3.6.1 Parámetros de diseño:

• Velocidad del viento

• Potencia requerida

3.6.1.1 Velocidad del viento

La velocidad del viento en un lugar determina cuanta energía puede aprovechar la

aerobomba de un determinado tamaño.

El INAMHI presenta boletines anuales (anexo 7) con datos climáticos, mas no cuenta con

datos detallados de la velocidad del viento, por lo que se toma como referencia

TuTiempo.net y meteored.com (anexo 8), que son espacios en Internet en el cual se

pueden obtener información del clima de diferentes ciudades alrededor del mundo.

Tabla 3.5 Velocidad del viento en el 2010

MesVelocidad media(km/h) (m/s)

Velocidad máxima(km/h) (m/s)

Enero 7.9 2.19 21.5 5.9

Febrero 8 2.22 22.3 6.2

Marzo 7.2 2 21.1 5.86

Abril 6.2 1.7 20.2 5.6

Mayo 6.6 1.8 20.3 5.6

Junio 7.1 1.97 18.6 5.17

Julio 6.3 1.75 19.7 5.47

Agosto 8 2.22 20.5 5.7

Septiembre 7.6 2.11 24.6 6.8

Octubre 10.6 3 25.4 7

Noviembre 1.8 21.3 5.9 5.9

FUENTE: Los Autores

La tabla 3.5 muestra velocidades mensuales, necesarias para los cálculos, se tomaran la

velocidad del viento del mes de Octubre, que son:

Velocidad media - °

Velocidad máxima °

La velocidad del viento también se mide mediante la escala (empírica) de Beaufort,

(anexo 9), se considera: (+ ³ - -- °. brisa ligera, se siente el viento en la cara) y

máxima: (/ / ³ 8 -- °. brisa moderada, el viento levanta polvo y papeles).

Densidad del aire en Quito

Usualmente no se mide directamente, sino es calculada tomando en cuenta las

condiciones de temperatura, presión y humedad.

Densidad del aire -:

Ë êÊ

x : : ê y

Donde:

ì × êÚ

Ë Â™š°¹¸³¸ ¸™’ ³¹—™ å® ( ')

§ §—™°¹óš §³ ; § - 44§³

·³ ·³°³ •’³— ¸™’ ³¹—™ ; ·³ . +8 _*- / + 44 å® •’:

· ·³°³ •’³— ¸™’ ³®“³ ; · 8 / å® •’eh

í•š°–³š–™ “š ¹º™—°³’ ¸™ ’•° ®³°™° 5 8.4 ñ e„ •’eh ¯ eh

î ²³¾–•— ¸™ í•¿—™°¹˜¹’¹ ¸³¸

Å + - / G – . –™¿™—–“—³ ¸™’ ³¹—™ °¯

²—³¾ ¾¹óš ·•’³— ¸™’ γ¿•— ¸™ 

Factor de comprensibilidad de los gases î r

E

î : x³ G ³ – G ³ – 2

G G ˜ – G ¾ G ¾ – 2 ]G d G

e 2)

Donde:

× …h 2 …h

… h ×E

– –™¿™—³–“—³ ¸™’ ³¹—™ ™š °í

³… /8 +- ñ e„ ¯§³eh

³h :+ _-- ñ eﾍ §³eh

³2 4- ñ eh… ¯h. §³eh

˜… / ñ e„ ¯§³eh

˜h :+ / ñ eﾍ §³eh

¾… _8_8 ñ ef ¯h. §³eh

¾h :+ - * ñ e„ §³eh

8- ñ ehh ¯ 2. §³e2

™ : */ ñ eﾍ ¯ 2. §³e2

43 INEN, , p. 4

CENAM, p.344

Presón a una altitud de +8 + , tabla A.29 E, Propiedades de la atmosfera a gran altitud,p.809

__

×

Fracción Molar del vapor de agua r

¨ÕÙ « À‘ ¿. –

Donde:

¨

À À“™¸³¸ /

‘ ‘³¾–•— ¸™ —“®•¾¹¸³¸

Factor de rugosidad ‘ r

‘ ¿. – G ¿ G – 2 !"

Donde:

*+

- 4 ñ eﾍ §³eh

/ * ñ e! ¯ e2

Presión de vapor saturado ¿°º r

¿ªÉ §³ ñ ™ñ¿

ÃÅ 2 G Å G í G

Donde:

à + -884 ñ e"

¯ e2

: _ + - * ñ e2 ¯ ehM

í -- _- 4

 :* -4- *4/ ñ ' ¯

ð !

×

Reemplazando valores en la ecuación (3.50) se obtiene:

‘ G ¿ G – 2

‘ *+ G - 4 ñ eﾍ §³eh ñ - §³ G / * ñ e! ¯ e2 ñ / 2 ƒí

‘ + 8-/-

Reemplazando valores en la ecuación (3.51) se obtiene:

ð¿ªÉ §³ ñ ™ñ¿ ÃÅ 2 G Å G í G

-5 2psv

=1 Pa x exp û1.2738847 x 10 K-2 x 288.15 °K ü +(-1.9121316 x 10

-2K

-1 x 288.15°K )

+ 33.93711047 +-6.3431645 x 10

3 K

) 288.15°K

¿ªÉ / 4++ _8 §³

69

__

E

-

-

-

Reemplazando valores en la ecuación (3.49) se obtiene:

¨ÕÙ « À‘ ¿. –

¨

h!"! f22!#ﾍ Ê

/ ñ +

8-/ -

++8*8++8

!h!' h Ê

Reemplazando valores en la ecuación (3.48) se obtiene:

î : x³

G ³ – G ³ – 2

G G ˜ – G ¾ G ¾ – 2 ]+

(d + e 2

)

× …h 2 …h

… h ×E

$ - - ,

x /8 +- 9 -* ^ ,- G -+ _-- 9 -8 ,-

9 / ƒV G 4- 9 - +88 /ƒ^

¯h.§³eh ñ / ƒí 2 G / ñ e„¯§³eh G :+ / ñ eﾍ §³eh ñ / ƒí

G _8_ 8 ñ ef ¯h.§³eh G :+ - * ñ e„ §³eh ñ / ƒí 2

]+

!h!' h ÊE

2ﾍﾍ h"ƒ&E (

8- ñ

ehh

¯2

.

§³e2

+ (: */ ñ eﾍ

¯ 2

. §³e

2

ñ 84- +-4 2)

î _48 / _ + +

Reemplazando valores en la ecuación (3.47) se obtiene:

Ë êÊ

x :

: ê

]

ì × êÚ

[ - , 9 . +8 _*- / +

44 01 Q6 _48 /_ + + 9 8.4 9 -* | Q6- ^- 9 +88 /ƒ^

[ _+ 01M

x - ++8*8++8 - 8 / 01 Q6

. +8 _*- / + 44 01 Q6-

]

3.6.1.2 Potencia del rotor

Determinada la potencia necesaria del rotor §Ô +* *8 ' para bombear

70el caudal requerido, en el diseño del sistema de manivela, se calcula también la

potencia total que

se utilizará para el diseño de los elementos mecánicos que componen todo el sistema.

Potencia total del rotor:

h '

Donde:

§× í \ § 2 \ ρ

\ üͫͼ \ º(3.52)

§× §•–™š¾¹³ –•–³’ ¸™’ —•–•— ç

§ §•–™š¾¹³ ¸™’ º¹™š–•45 ç

í í•™‘¹¾¹™š–™ ¸™ ¿•–™š¾¹³

º Ι’•¾¹¸³¸ ™¸¹³ ¸™’ º¹™š–• °

45 Santiago J. Sánchez: , capítulo 8, p.106.

70

() ò 9 ρ ò π ò

ÔÊò

÷

Coeficiente de potencia

Límite de energía que puede entregar al rotor y viene determinada por la ley de Betz46,

valores de í¿ para aerogenerador de rotor giratorio (ó molino de viento) es de 0,4”.

í¿ 4

3.6.2 DIÁMETRO DEL ROTOR:Conociendo la potencia necesaria para el bombeo del agua §Ô 48 8 ' , se calcula

el diámetro del rotor de la aerobomba para su correcto funcionamiento.

Diámetro del rotor despejando el radio en la ecuación (3.52) se obtiene:

Ô—¼Í«Í¼ E

—¼Í«Í¼

÷

fﾍ ﾍ *+Ð Ò

… f ò E 9 _+

ÑÒ ò π ò 'Ô ª

—¼Í«Í¼

¸¼Í«Í¼

- /

3.6.3 ÁREA DEL ROTOR47

! π*D

2

Arotor=

Donde:

4

Arotor d—™³ ¸™’ —•–•— 2)

 ¹g™–—• ¸™’ —•–•—

Reemplazando valores en la ecuación (3.53) se obtiene:

üͫͼ _

8 2

Reemplazando valores en la ecuación (3.52) con º Ô

, se obtiene:ª

§× í \ §

§× \ / * ç

§× * 8 / ç

71

Î

En la siguiente tabla y figura se presenta la curva de potencia de la aerobomba con el rotor de - / de diámetro, esta curva está en función de la velocidad del viento.

46 Si el cambio del viento a velocidad Îh se interpone un aerogenerador de diámetro D, se produce un frenado del viento

reduciendo su velocidad a Î2 ya que el volumen se debe mantener constante a ambos lados del rotor. El flujo del viento

toma una botella con la parte mas ancha atrás del rotor Que es una función de ¢ Î2M £.h47

Ing. Teodoro Sánchez Campos: D ,p,03

V (m/s) Potencia W

0 0

1 1,80

2 14,43

3 48,79

4 115,40

5 225,40

6 389,49

7 618,50

8 923,24

9 1314,53

10 1803,20

Po

ten

cia

(w)

Tabla 3.6. Cálculo de potencia para Aerobombas con rotor de diámetro de 3.5 m.

Curva de Potencia vs Velocidad del viento

2000

1800

1600

1200

800

600

400

200

0 0 1,80 14,43 48,79 115,40

225,40389,49

618,50

923,24

1803,20

1314,53

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Velocidad del viento (m/s)

3.6.4 NÚMERO DE PALAS

Figura 3.17 Curva de potencia según la velocidad del viento

FUENTE: Los autores

Las aerobombas pueden tener en el rotor diferentes número de palas, los multipalas

poseen entre 12 a 24 palas48, ya que posee un alto par de arranque y giran a bajas rpm (rotores lentos), encuentran gran aplicación en el bombeo de agua.

š f ï

,

(3.54)

Donde:š ± ™—• ¸™ ¿³’³°

- Ι’•¾¹¸³¸ ™°¿™¾¹‘¹¾³

Coeficiente de velocidad49

Relación entre la velocidad tangencial debido a la rotación en el extremo más alejado de

la pala y la velocidad del viento, permite clasificar los rotores en lentos o rápidos.

- *

(3.55)

Donde: ³¸¹• ¸™’ —•–•—

ç Ι’•¾¹¸³¸ ³š®“’³— ¸™’ —•–•— —³¸ °

Reemplazando valores en la ecuación (3.55) se obtiene:

\ * —³¸ °

Po

ten

cia

(w)

- °

-

48 h tt p ://ww w.mono gra fia s.co m/t ra b a jo s39 /a ero g en era do r es/a ero gen era do res 2.sh t ml

49 Santiago J. Sánchez: , capítulo 8, p.114

Po

ten

cia

(w)

Reemplazando valores en la ecuación (3.54) se obtiene

š f ï

-h

La velocidad específica calculada - , la misma que ayuda a verificar el número

de palas determinado en la siguiente tabla.

Tabla 3.7 Relación de velocidad específica con el número de palas.

Número de palas 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2

Velocidad específica 1 2 3 4 5-8 8-15

Fuente: MLC – otero

3.6.4.1 Palas del rotor

Las pala son una parte muy importante de la aerobomba, de su naturaleza dependen el

buen funcionamiento y duración de la vida de la maquina, así como de su rendimiento.

Tabla.3.8 Características aerodinámicas de palas

REFERENCIA / MODELO 20XX 25XX 35XX 40XX

Cordón mayor 410mm 300mm 410mm 510mm

Cordón menor 210mm 190mm 210mm 300mm

Longitud ó envergadura 510mm 650mm 1010mm 1500mm

Coeficiente de sustentación íà 1,8 1,8 1,8 1,8

Coeficiente de arrastre íð 0,03 0,03 0,03 0,03

Posición máxima de la curvatura sobre la cuerda

50% 50% 50% 50%

Angulo de ataque 30º 30º 30º 30º

Figura 3.18 Pala, modelo 40xx Industrias JOBER

FUENTE: Los autores

Las palas tienen diversas formas y modelos (anexo 10), el aire que fluye sobre las palas

origina fuerzas debido a la presión y a la depresión. La resultante de estas fuerzas es

perpendicular a la pala y su punto de aplicación es lo centro aerodinámico:

.

Figura. 3.19 Descomposición de la fuerza resultante de la acción del viento.

FUENTE: Los autores

Esta fuerza resultante tiene la siguiente expresión: !/ ¯ \ Ã \ Î 2

Donde:

™°“6–³š–™ ±

¯ í•™‘¹¾¹™š–™ è“™ ¸™¿™š¸™ ¸™’ ³š®“’• ¸™ ³–³è“™ ¯ / ¿³—³ - 0

à d—™³ ¸™ ’³ ¿³’³ °•˜—™ ™’

¿’³š• ¿™—¿™š¸•¾¹’³— ³ ’³ ¸¹—

™¾ ¾¹•š ¸™’ º¹<š–• 2 Î 2

Ι’•¾¹¸³¸ ¸™’ º¹™š–• °

Área proyectada de la pala sobre el plano perpendicular a la dirección del viento, vista superior.

à ¨ÊµÊ æ(\(Ø

! 2

Reemplazando valores en la ecuación (3.57) se obtiene:

• Ä™š æ(

Øæ

í Ä™š - ƒ \ / *8

• í•° (Ø

Øæ

íà 핰 - ƒ \ / -

à ¨ÊµÊ 2

Ángulo de ataqueSe denomina ángulo de ataque a la inclinación que presenta la pala a la dirección del

viento, determina el cambio de las fuerzas de sustentación y resistencia que actúan sobre

ella. Al tener el - 0 Tabla.3.8), se obtiene gran incidencia del viento, lo que

ayuda a dar movimiento del rotor. Mientras más elevado es el ángulo de ataque

* 0,50 mas altos son le eficiencia y el torque, para velocidades altas de viento, para

nuestro caso de

- 0 es adecuado para velocidad media del viento.

50Vladimir Mahecha, , p,12

Reemplazando valores en la ecuación (3.56) se obtiene:

La fuerza resultante de la acción del aire sobre la pala puede descomponerse en dos

fuerzas51:

• Fuerza de sustentación

• Fuerza de resistencia al arrastre

3.6.5 EJE DEL ROTOR

Balance de las fuerzas exteriores.

Figura 3.20 Esquema de las fuerzas ejercidas sobre el eje del rotor.

Fuente: Los autores

51 Eduardo William Mora Idrovo, Utilización de Energía Eólica para Extracción de Agua, p,77

Ò

3.6.5.1 Estimación de fuerzas aplicadas en el eje

Hipótesis: el peso propio del eje estimado en 19.62 N.

F1: Peso del rotor.- Conociendo la densidad del acero que es 7800ÏÐ

Ñ

, se tiene una

masa total aproximada de los elementos que conforman el rotor de 43.3 å®, tomando en

cuenta los elementos de acople, es decir, pernos y tuercas de sujeción de palas,

abrazaderas; sumados dichos elementos se hace un acercamiento de ×

å®. Lo

que da un peso de:

² * ±

F2: Fuerza de bombeo del agua: Con par entregado por el rotor hacia el eje de:

Å+ Å / ±

Se tiene una fuerza entregada para el bombeo de:²+ + + ±

La fuerza F2 se considera fluctuante para el dimensionamiento de los elementos.²+ + + ± ™š “š •™š–• ¸™ ’³ —³¾ ¾¹1š

²+ ™š ™’•š™š–• ¸™ ’³ ¾•¿—™°¹1š.

F3: Fuerza de arrastre de las palas de la Aerobomba: La fuerza de arrastre de las

palas debe ser el mínimo, porque significa que la fuerza del viento se transforma al

máximo en el momento del empuje. Para este estudio se ha basado en los datos de las

palas JOBER 40XX (tabla 3.8), para un diámetro de rotor de 3.5 m, el coeficiente de

arrastre es de CD=0,03. Con el coeficiente de seguridad de 5, CD’=0,15.

Fuerza axial en el rotor:ÔCon ÎÔÊò ´µ É©´¬«Í /

ª —g‘³®³° y ¸¹³™–—•

¸™’ —•–•— - / .

2 h 2²- íð \ 2 \

ËÊ©¼´ \ Î

Donde:

\ Ä (3.58)

ð

M'.

í 2 í•™‘¹¾¹™š–™ ¸™ ³—— ³°–—™ /

ËÊ©¼´ ™š°¹¸³¸

¸™’ ³¹—™ ._+ ¯®

¿³—³ ™’ ’“®³— ¸™ ™°–“¸¹•

Ä d—™³ ¸™ ˜³—— ¹¸• ¸™’ —•–•—

Reemplazando valores en la ecuación (3.58) se obtiene:

²- 8+ ±

Hipótesis:

La fuerza de ²- 8+± es de compresión y no es significativa debido a que no

afecta en el cálculo, de tal manera que para el cálculo del eje no se tomará en cuenta. Sin

embargo será considerada posteriormente, para determinar los rodamientos adecuados.

Diagrama de cortantes y momentos en el eje:3 G5 4 ²

² G ²+ : : + (3.59)

5 G5 4 · Ã

Figura 3.21 Diagrama de momentos flectores en el ejeFUENTE: Los autores

Despejar la fuerza de reacción en los rodamientos, de la ecuación (3.59)

: * \ : + \ * G + + \ + (3.60)

+ 2h2 6\2„…mÔef„h\hh…ÔÔ

+8 ± h„… ÔÔ

Reemplazando valores en la ecuación (3.60) se obtiene: * / ±

+ +8 ±

Momento (A):

· Ã * \ / ±

Momento (B):· + + \

+ + ±

2

Para dimensionar un eje en rotación, es necesario proceder según las siguientes

comprobaciones:

• Resistencia

• Fatiga

3.6.5.2 Cálculo por resistenciaExiste dentro del código ASME, una fórmula para determinar el diámetro de un eje,

basado en la Teoría del Esfuerzo Cortante Máximo.

Diámetro del eje52;

¸' h„

ï\7Ú8Ñ \ hô&9

\ ÷:å;

\ ·;

G <\ \éÚ

G ¯ 2 =ﾍ

G å«

\ Å 2 (3.61)

Donde:

å; ²³¾–•— ¸™ ¾•š¾™š–—³¾¹Jš ¸< ™°‘“™—½•° ™š ‘³–¹®³

kt ²³¾–•— ¸™ ¾•š¾™š–—³¾¹Jš ¸™ ™°‘“™—½•° –™J—¹¾•

Ç”™ °J’¹¸• . ³’ °™— ™”™ À“™¾•5

å ¸MÂ

·; ·•™š–•

‘’™¾–•— 5 ·; /

± Å ·•™š–• –

•I°•—5 Å /

±

²Ê í³—®³ ³ñ¹³’ ² 8+ ± (F3)

øÊ Ô Ç°‘“™—½• ¾•—–³š–™ ³¸¹°¹˜’™

¹g™–—• ™°–¹³¸• ¸™’ ™”™ +

Tabla 3.9 Tipo de cargas y valores de kf y kt aplicadasTipo de carga kf kt

Eje estacionario Gradual 1 1

Brusca 1,5 – 2 1,5 -2

Eje giratorio

Gradual 1,5 1

Constante 1,5 1

Brusca 1,5 – 2 1 – 1,5

Choque ligero 1,5 – 2 1 – 1,5

Choque 2 – 3 1,5 – 3

FUENTE: Proyecto Arthur Gauvain.

El eje esta en movimiento giratorio y las cargas son consideradas graduales en flexión y

pueden ser bruscas en torsión. Donde å‘ ./ y å– ./.

52 Proyecto Arthur Gauvain,p,30

>: α = 1, para las cargas en tracciónh µ

Bhe….…… f\¢ Ý £

D

E /@ C

(3.62)A Ý@ þõ \¢

C£ µ

Donde:? ïE \¬\á

D

ﾐ /

·•™š–• ¸™

¹š™—¾¹³ ¸™’

™”™ ¾¹—¾“’³—

Äù ™°¹°–™š¾¹³

³ ’³ ‘’“™š¾¹³

Ç ·•¸“’• ¸™ ™’³°–¹¾¹¸³¸

Radio de giro:

Ë ÷ å (3.63)

Ø

Reemplazando valores en la ecuación (3.63) se obtiene:

Ë ÷

ï 9

(„f

ï E

f

µ

/

Reemplazando de la ecuación (3.62) se obtiene:D

µ +- / ﾏ +-

D

Entonces se reemplaza en la ecuación (3.62) y se obtiene:

α = 1

El diámetro del eje es d = 0.020 m y la fuerza axial calculada Fa = F3 es de 82 N. Donde:

·Å / ±

·; / ±

Despejando y reemplazando valores en la ecuación (3.61) se obtiene:øÊ Ô * ·§³

Esfuerzo cortante admisible:

Sin chaveta: øÊ Ô G

.- \ Äù . 8 \

ÄH

Con chaveta: ø G .- \ .

/ \ ÄùÊ Ô . 8 \ . / \ ÄH

(3.64)

Nota: El menor valor del esfuerzo cortante admisible es escogido en cada uno de los

casos por seguridad, debido a que el riesgo de falla tiende a ser menor.

ò

Reemplazando valores en la ecuación (3.64) se obtiene el esfuerzo cortante admisible,

para el material seleccionado:

øÊ Ô / ·§³

El diámetro calculado del eje es de + , satisface el esfuerzo cortante admisible para

el material seleccionado. Posteriormente se realizará una verificación por fatiga.

3.6.5.3 Diseño a fatiga

Como punto inicial de diseño se procede a determinar las propiedades del acero ASTM

A36 utilizado para la construcción del eje. Su estado de suministro, dependiendo de la

exigencia, permite en la mayoría de los casos su aplicación sin necesidad de un

tratamiento térmico adicional.

Con un acero ASTM A36 donde las características son dadas por el fabricante, Las

propiedades se encuentran descritas en el (anexo 5).

ÄÆ +/ ·§³; ÄÆ

-* ¯°¹ Ä“–

·§³

Ç¨Ê¼Ê ÊÌ´¼Íª + ȧ³/-

Como en cualquier tipo de eje sometido a flexión y torsión actuarán esfuerzos por flexión invertida debido a la rotación de la flecha.

Fig 3.22 .Esquema de un esfuerzo fluctuante

Esfuerzo por flexión y esfuerzo cortante por torsión54:

ê(

é

'2\êI

f\éÚ

Öò G J Ö Ø

h„\×

ï\ Ò G ï\ E

(3.65)

øòù ï\ Ò (3.66)

53 Robert L. Mott, , pág. 181, fig. 6,5

54Joseph Edward Shigley, Manual de Diseño Mecánica, Cuarta edición p.258

80

Donde:

ÖJ Ç°‘“™—

½• ¸™ ‘’™ñ¹Jš

x§³y øòù Ç°‘“™

—½• ³ –•—

°¹Jš x§³y

Mf= ·•™š–• ‘’™¾–•— x± y

T= ·•™š–• –•—°•— x± y

·•™š–• ¸™ ¹š™—¾¹³ ¸™ ’³ °™¾ ¾¹Jš –—³š°º™—°³’ —™°¿™¾–• ³ °“ ™”™ š™“–—³’

í ¹°–³š¾¹³ ¸<’ ™”™ š™“–—³’ ³ ’³ ‘¹˜—³ g° ™ñ–™—¹•— ¸™ ’³ °™¾ ¾¹Jš

–—³š°º™—°³’ ¸™’

™”™

Los límites son:

-+ \ ·;Ôgò

\ k

ÖÔgò Ó \ ¸' G

o \ 32 _ ·§³

·;Ôgò / ±

ÖÊ -+ /

‹ , ÖÔ -

+ / ‹ ,

Límites de esfuerzos cortantes:

• ÅÔgò / ±

h„ \×ÑgóøÔgò ï\ Ò ·§³

• øÊ - / ±

øÔ - / ±

Calculando los esfuerzos combinados:

ÖÊ K LÖÊ 2 G -øÊ

2 (3.67)

81

ÖÔ K LÖÔ 2 G -øÔ

2 (3.68)

Donde:

ÖÊ K ÿ’¹–“¸ ¸™’ ™°‘“™—½• §³

ÖÔ K Ç°‘“™—½• ™¸¹• §³

Remplazando valores en la ecuación (3.67) y (3.68) se obtiene:

ÖÊ K -- ·§³

ÖÔ K -- ·§³

´

´

´

´ H«

t

Límite de resistencia a la fatiga de un elemento mecánico55:Ä´ åÊ \ å» \ åÌ \ å \ å´ \ Ä´ K (3.69)

Donde:

Ä´ ã4¹–™ ¸™ —™°¹°–™š¾¹³ ³ ’³ ‘³–¹®³ ¸™ “š ™’™™š–• ¸™ ³è“¹š³

Ä 2 ã4¹–™ ¸™ —™°¹°–™š¾¹³ ³ ’³ ‘³–¹®³ ¸™ “š ™”™ —•–³–¹º•

åÊ ²³¾–•— ¸™ °“¿™—‘¹¾¹™

å» ²³¾–•—

¸™ –³³ž• J ‘•

—³ åÌ ²³¾–•

— ¸™ ¾³—®³

å ²³¾–•— ¸™ –™¿™—³–“—³

å´ ²³¾–•— ¸™ •¸¹‘¹¾³¾¹•š ¿•— ¾•š¾™š–—³¾¹•š ¸™ ™°‘“™—½•°

ã4¹–™ ¸™ —™°¹°–™š¾¹³ ³ ’³ ‘³–¹®³ ¸™ “š ™”™ —•–³–¹º• Ä 2 M (3.70)

./ \ ÄH« ÄH« E x·§³y + å¿°¹

Ä 2´

N

x·§³y å¿°¹ ÄH« ﾐ x·§³y + å¿°¹

En este caso se escoge:

Ä 2 ./ \ Ä

Reemplazando valores en la ecuación (3.70) se obtiene:

Ä 2 + * ·§³

Ka: Factor de superficie :

Ka = a.Su b

Ka = 0.95

(anexo 12) (3.71)

Kb: Factor de forma o tamañor #

Para secciones circulares se tiene:

.8*_ \ ¸e….…#! .- ¿“’®³¸³° ﾏ ¸ E ¿“’®³¸³°

åO ¸ E .-

¿“’®³¸³° • ˜¹™š ¸ E 8

? . 8_ \ ¸e….…#!

8 ﾏ ¸ E +/

Reemplazando valores en la ecuación (3.72) con -_ , se obtiene:

å» . 8_ \ + e….…#!

å» .88

55 Joseph Edward Shigley, Diseño en Ingeniería Mecánica Quinta edición p.317

Kc: Factor de carga:

._+- í³—®³ ³ñ¹³’ ÄH« E / + x·§³y ++ å¿°¹

B

åP

@ í³—®³ ³ñ¹³’ ÄH«

ﾐ /+ x·§³y ++ å¿°¹

A

²’™ñ¹Jš

(3.73)

@? ./ Å•—°¹Jš • ™°‘“™—½• ¾•—–³š–™

El eje está sometido a esfuerzo torsor y flector:

åÌ ./

Kd: Factor de temperatura56:

Å E / Q 8 R

å : /.8 e' Å : /

/ Q ﾏ Å E // Q

? : -.+ e' Å : 8 8 R ﾏ Å E + R

(3.74)

Se escoge:

å

Ke: Factor de modificación por concentración del esfuerzo:

å h´ SI

(3.75)

Factor de efectos diversos:

å; G è \ å« : (3.76)

Donde:

å; ²³¾–•— ¸™ ¾•š¾™š–—³¾¹Jš ¸™ ™°‘“™—½•° ™š ‘³–¹®³

kt ²³¾–•— ¸™ ¾•š¾™š–—³¾¹Jš ¸™ ™°‘“™—½•° –™J—¹¾•

è Ä™š°¹˜¹’¹ ¸³¸ ³ ’³° —³š“—³° • -“™°¾³°

Coeficientes de una geometría del eje:ð

f… ÔÔ

-'#ÔÔ

—ÌH¼ÉÊ«H¼Ê . -

¸

56 Joseph Edward Shigley, Manual de Diseño Mecánico, Tercera edición p.321

Ú ¢2

Donde:

—ÌH¼ÉÊ«H¼Ê =

/ Âr ¹g™–—• ³Æ•— ¸™’ ™”™

¸r ¹g™–—• ™š•— ¸™’ ™”™

è / (Anexo 13)

kt = 1.41 (Anexo 14)

Reemplazando valores en la ecuación (3.76) se obtiene:

¯; +-

Reemplazando valores en la ecuación (3.75) se obtiene:¯´ 8 -

Reemplazando valores en la ecuación (3.69) se obtiene:Ä´ _ * ·§³

Ecuación para determinar la resistencia del eje a una vida infinita (N>107 revoluciones).ß ′ 2

¢ £þ´

G ßÑ ′

£ h

þù

¬E

(3.77)

Despejando y reemplazando valores en la ecuación (3.77) se obtiene:

š + +

El eje de 20 mm de diámetro en acero ASTM A36 satisface todos los requerimientos que

exige el proyecto. El eje tiene un cambio de sección de 1mm en el diámetro, para el ajuste

en los rodamientos.

3.7 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS

A continuación de presenta la selección de los rodamientos sobre los cuales se asienta el

eje del rotor.

Carga radial.- Los rodamientos que soportan principalmente cargas radiales, se llaman

rodamientos radiales y soportan mayores cargas radiales que los rodamientos de bolas de

igual tamaño57. Tienen un ángulo de contacto nominal … T /ƒ.

Carga axial.- Los rodamientos que soportan cargas axiales se llaman rodamientos

axiales, tienen un ángulo de contacto nominal … >45°.

57 Catalogo de rodamientos FAG, p 9

Determinación del tipo de rodamientos

Los rodamientos se dividen en dos categorías principales: Rodamientos de bolas y de

rodillos, cada tipo presenta características (Anexo 16) que dependen de su diseño y que

lo hacen más o menos adecuado para una aplicación determinada.

Los rodamientos de bolas soportar cargas medias radiales y cargas axiales, los

rodamientos de rodillos soportar cargas muy pesadas y son autoaliniables, tienen alta

capacidad para soportar cargas radiales, cargas axiales y cargas combinadas.

Para la selección de rodamientos se utiliza el catálogo FAG.

Rodamiento de rodillo cónico

El rodamiento de rodillos cónicos, es adecuado para resistir cargas radiales y axiales simultáneas.

Tabla 3.10 Características del rodamiento de rodillos cónico elegido para el eje del rotor,de diámetro de 40 mm del eje.

Denominación abreviada Capacidad de carga Factores de carga

RodamientoFAG

DIN ISO355

DinámicaC

EstáticaCo

Y Yo e

32008 XA T3CD040 54 KN 71 KN 1.58 0.87 0.38

FUENTE: Catálogo de rodamientos FAG, pág. 330

• Las fuerzas radiales ejercidas en el eje son:

* / ±

+ +8 ±

²— * - ±

• Una fuerza axial²³ ²-

8+ ±

Pasos para su adecuada selección del rodamiento de rodillo cónico:

1.- Se determina la vida nominal del rodamiento en horas de servicio según el tipo de

máquina58 (anexo 18) al que se aplique, el cual se tiene.

L10h = 6000 h

58 Diseño de elementos de maquina, 2º edición, MOTT, Pag 615

Y

Í

2.- La carga dinámica equivalente59:

éÚ§ ²¼ °¹

é¼ E ™ (3.78)

§ \ ²— G U \ ²³ °¹ éÊ ﾐ ™

é¼

Donde:

§ í³—®³ ¸¹šg¹¾³ ™è“¹º³’™š–™ ¸™’ —•¸³¹™š–• ±

²¼ ²“™—½³ —³¸¹³’ ±

²Ê ²“™—½³ ³ñ¹³’ ±

U. UÍ . ™ ¾•™‘¹¾¹™š–™° ™°–gš ™š ‘“š¾¹Jš ¸™’ —•¸³¹™š–• Ú™ñ•

Remplazando valores en la ecuación (3.78) se obtiene:

²³ + ﾏ ™

²I

Por lo tanto:

§ * - å± V í

3.- Carga estática equivalente60

éÊ h§Í / \ ²¼

G UÍ \ ²³

°¹ é¼

W 2\ X

(3.79)

²³

§Í ²¼

°¹ ²—

E +

\ U

Remplazando valores en la ecuación (3.79) se obtiene:

²³ + ﾏ

²—

+ \ UÍ

/

Por lo tanto:

§• * - å± V í•

Las cargas equivalentes §• y § se comparan con las cargas admisibles í y í•

que vienen dadas en el catálogo, el rodamiento elegido cumple con los requerimientos

exigidos, para

soportar las cargas dinámicas ejercidas sobre el eje.

59 Catalogo FAG, pág. 324

60 Catálogo de rodamientos F AG , p. 327

Z

3.8 CHAVETA

La chaveta permite la transmisión de movimiento rotativo y está expuesta a un esfuerzo

cortante y también esfuerzos de compresión.

Se consideran las siguientes medidas de la chaveta para el diseño del eje:

ã

'

_ Á

Figura 3.23 Geometría de la chaveta

FUENTE: Los autores

El par o torque / ± , da al nivel del eje de diámetro de ¸ -_ una fuerza de:

í ² \ / x± y (3.80)

2

Donde:

í §³— • –•—è“™ —™è“™—¹¸• ¿³—³ ™’ ˜•˜™• ±

² ²“™—½³ ³¿’¹¾³¸, ±

¸ ¹³™–—• ¸™’ ™”™

Despejando y reemplazando valores en la ecuación (3.80) se obtiene:

¾ \ +²

¸

² /_ ±

Esfuerzo cortante en la chaveta, esto es necesario para un dimensionamiento válido:

é

à\

*

Donde:

þﾏ

2\¬

(3.81)

ã ã•š®¹–“¸ ¸™ ’³ ¾À³º™–³

' Ç°¿™°•— ¸™ ’³ ¾À³º™–³

² ²“™—½³ ¾³’¾“’³¸³ ±

š ²³¾–•— ¸™ °™®“—¹¸³¸ / *

61 proyecto_arthur_gauvain.pdfp.57

Reemplazando valores en la ecuación (3.81), con š /, se diseñará con acero ASTM

A36, se obtiene:

²

ã \ '

/_ ±

\ _

* ·§³

þõ

2\ ¬

2"… +/ ·§³

h…

²

ã \ '

ÄZﾏ+ \ š

* ·§³ ﾏ +/ ·§³

De la misma manera para el dimensionamiento adecuado para Compresión en la

chaveta:

é þZ[\à ﾏ

¬(3.82)

E

Donde:

Á ³’–“—³ ¸™ ’³ ¾À³º™–³

Reemplazando valores en la ecuación (3.82), con š /, ASTM A36; Äù

+/ ·§³. Ä“– ·§³, se obtiene:

² /_ ± + _ ¯§³

HÁ / \

+ \ ã

þõ

2"… / ·§³

¬ "

² ÄZﾏÁH

š+ \ ã

+ _ ¯§³ ﾏ / ·§³

Estas medidas son por consiguiente las consideradas para el diseño de la chaveta.

3.9 TORNAMESA

Elemento que permite al rotor colocarse siempre frente al viento, el conjunto debe resistir

una fuerza de compresión y un momento flector del rotor y de la veleta.

El peso de la veleta y estructura de tornamesa estimado por medio de cálculos basados

en el material de construcción es de:

La fuerza está dada por:

Figura 3.24. Esquema de la tornamesa

FUENTE: Los autores

3.9.1 DISEÑO DEL SOPORTE HORIZONTAL Ó VIGA TRANSVERSAL

El elemento más crítico de la estructura por soportar las cargas de

cual se empieza el diseño del elemento estructural.

, carga con la

Figura 3.25 Diagrama de cuerpo libre de la viga de la tornamesa.

FUENTE: Los autores

Diagrama de cortantes y momentos en la viga:

3 G5 4 ²´ò«

² G ²+ G ²- : Ã :

\ G5 4 · Ã

Despejar reacciones, de la ecuación (3.60) se obtiene:

:²- \ _ G ²+ \ +- : \ +- G ² \

e2"… 6\… h# Ô ô '!! " 6\… 2' m ô '! ! " 6\… f… Ô

à / ±

… 2' Ô

8+ / ±

Momento (A):

· Ã ²' ñ ¸

· Ã +/ ± \ _ / ±

Momento (B):

· ²h ñ ¸

· - / ± \ * + ±

Figura 3.26 Diagrama de cortantes y momentos en la viga

FUENTE: Los autores

90

2

Cargas de la viga62

Estimacion de Cargas vivas '( .

• Accion presión del viento: / º 2 ‘ Velocidad del viento.-*

&Ô

þ ¾¹•š É©´¬«Í

/ -*

å® Ã¾ ¾¹•š É©´

«Í _ 2

&H Ô

2 - ‘ -

• Carga o fuerza del viento

å®

í³—®³ É©´¬«Í _ 2 +/ /_

í³—®³ É©´¬«Í ¯® 8 ±

Total ]^_ = 8 ±

Estimacion de Cargas muertas '(ê .

• Carga o fuerza del rotor

² / ±

• Masa de la vigas

É© Ê Ã ñ ã ñ Ë

& ɩ ʪ + + /_ 8

ÔÒ

É© ʪ - 8 å® -8 ±

o Å•–³’ ]^` - ±

Å•–³’ de cargas en la viga:

] / ±

Carga distribuida:

' a

à

/ ±

(3.83)

' /_

91' 8* ±

62 A SD , Diseño de estructuras metálicas, Cuarta edición

E

é

Momento maximo de la viga, tomando en consideracion la carga total:

·³ñ * µ

ﾍ(3.84)

·³ñ 8* ± /_ 2

8

·³ñ ±

Módulo de la sección requerida:

‘» E ²» (3.85)

Esfuerzo permisible basico.

• ²» ** ²ù (3.86)

²» ** +/ ·§³

²» * ñ „ §³

Módulo resistente de la sección.

êÑÚó• Äb c

(3.87)

±

Äb *

ñ „ §³

Äb ñ e! '

Esfuerzo permisible o flexión

êÑÚó• ‘» þd

±

(3.88)

‘» ñ

e! '

‘» * ñ „ §³

‘» ²»

El esfuerzo permisible básico es igual al esfuerzo permisible a flexión, de esta manera se

cumple la condición.

Basandose en el calculo realizado Äb ñ e! ', indica que el perfil

estructural de acero ASTM A36 "L" - ñ - ñ -, es adecuado para diseñar la viga,

pero por disponibilidad

del material se opto por " L" ñ ñ * .

þá(( e

Propiedades del perfil " L" ñ ñ * *- Ú™ñ• _ :

à + 2 6

—ò —ù +

— *_

* ñ eﾍ f

§ - - &

Ô

Flecha máxima.

9

Figura 3.27. Esquema del Perfil " L" " J " J /

FUENTE: Los autores

• ‘ " * à

'ﾍf á

/ 8* ± /_ f

(3.89)

‘ -8 + ñ # ± 2 * ñ eﾍ f

‘ + + \ ef

•à

'„…

… "# ê

*- ñ e''„ …

‘ E ã

-*

+ + \ ef E *- ñ e'

• La condición se cumple, la flecha máxima no sobrepasa a la flecha máxima

calculada, el diseño es el correcto.

3.9.2 SOPORTE VERTICAL Ó COLUMNA ARMADA

La tornamesa está constituida por dos secciones soldadas de las mismas dimensiones,

por esta razón el cálculo realizado será para ambas.

² / ±

ã

+/ Á

+/

¯* */

Figura 3.28. Esquema de los soportes verticales soldados de la tornamesa.

FUENTE: Los autores

63IPAC, Perfiles estructurales, ángulos

64 ACESCO, Manual de diseño de perfiles estructurales en acero de lamina delgada p.49

÷

«Í«Êµ

Área total de la sección compuesta soldada. (3.90)

ëͫʵ Ãþá(( e6 \ +

ëͫʵ +

2 \ + ëͫʵ 8

+ ñ ef 2

Inercia total de la sección compuesta soldada. (3.91)

«Í«Êµ þá(( e6 \ +

«Í«Êµ * ñ eﾍ f \ +

«Í«Êµ + ñ e! f

Radio de giro de la sección compuesta. (3.92)

— fYfÚÝ

®¹—•Ø

—®¹—•

÷

fYfÚÝ

h 2hf ò h…gh Ô9

ﾍ f2 ò h…g9 ÔE

—®¹—• +

Masa total de la sección compuesta soldada. (3.93)

«Í«Êµ þá(( e6 \ ã

+ - - & \ +/ )

Ô

«Í«Êµ */ å®

Relación de esbeltez65: (3.94)

&à

& à

¼ ¼

Donde

¯ íQš°–³š–™ è“™ ¸™¿™š¸™ ¸™ ’³ ‘¹”³¾¹Jš ¸™ ’•° ™ñ–—™•° Ú™ñ• +

ã ã•š®¹–“¸ ¸™ ’³ ¾•’“š³

— ³¸¹•

Reemplazando valores en la ecuación (3.94) se obtiene:

&à

… „" … 2" Ô

¼ … …h2

¯ã - /

—

65 MOTT Robert, , Segunda edición, p.179

Esfuerzo permisible ( Anexo 21):

²³ ¾•š &à - / Ú™ñ• (3.95)

¼

Reemplazando valores en la ecuación (3.95) se obtiene:

²³ + _/ ¿ °¹ ﾏ -* ¯¿°¹

²³ + _/ ¿ °¹ j ñ „ §³

Carga permisible ò tolerable:

§³ ²³ \ à (3.96)

Donde:

§³ í³—®³ –•’™

—³˜’™ 1 ¿™—-

¹°¹˜’™ ± à d—

™³ 2

§ í³—®³ —™³’ ³¿’¹¾³¸³ ±

Reemplazando valores en la ecuación (3.96) se obtiene:

§³ ñ „ & \ 8 + ñ ef 2ÔE

§³ +- å® ñ _ 8 °2

§³ + ++ ±

§³ ﾐ §

§³ + ++ ± ﾐ § ² / ±

• La carga permisible calculada es mucho mayor a la carga aplicada en el elemento,

es decir, satisface las exigencias de la estructura.

Carga critica que origina el pandeo66:

§™— ± \ §³ (3.97)

Donde:

§™— í³—®³ ¾—¹–¹¾³ è“™ •—¹®¹š³ ¿³š¸™• ±

± ²³¾–•— ¸™ °™®“—¹¸³¸*

± + ¿³—³ ¾•’“š³° ¾•š ¾³—®³° ¾•š•¾¹¸³°

Reemplazando valores en la ecuación (3.97) se obtiene:

§™— + + ++ ±

§™— + +8 ± ; Carga a la cual la columna empieza a pandearse

66 MOTT Robert, , Segunda edición, p.183

67 MOTT Robert, , segunda edición, p 183.

2

3.9.3 SOPORTE VERTICAL O COLUMNA ARMADA INCLINADA

Se construirá con perfil L ñ ñ * , por lo tanto las propiedades ya están citadas.

² / ±

Á +/

ã +/ 8

*/

Figura 3.29 Esquema de los soportes verticales soldados inclinadas

FUENTE: Los autores

Ángulo de inclinación de la columna armada (3.98)

³¾•°

¾

i ³—¾ ¾•°

i / ƒ

+

+/ 8

Reemplazando valores en la ecuación (3.93) se obtiene:

·«Í«Êµ §þá(( e6 \ ã

·«Í«Êµ */* å®

El momento máximo Mmáx que se presenta es: (3.99)·Ôgò +/ 8 \ +/ ±

·Ôgò *+ ±

El límite máximo de esfuerzo al que está sometido el perfil es: (3.100)ã \

·Ôgò ÖÔgò

ÖÔgò

+_8 ·§³

+/ 8 \ *+ ± + ñ e! f

+_ / ·§³

±ÖÔgò +_ / ñ „

Reemplazando valores en la ecuación (3.94) se obtiene la relación de esbeltez:

&à

& à

¼ ¼

&à

… „" … 2"… ﾍ Ô

¼

¯ã - /8

—

… …h2

Reemplazando valores en la ecuación (3.95) se obtiene el esfuerzo permisible:

²³ + _/ ¯°¹ ﾏ -* ¯°¹

²³ + _/ ¯°¹ j ñ „ &

ÔE

Reemplazando valores en la ecuación (3.96) se obtiene la carga permisible ò tolerable:

§³ ²³ \ Ã

§³ ñ „ & \ 8 + ñ ef 2ÔE

§³ +- å® ñ _ 8 ° 2

§³ 121422 N

§³ ﾐ §

§³ + ++ ± ﾐ § / ±

• La carga permisible calculada es mucho mayor a la carga aplicada en el

elemento, es decir, satisface las exigencias de la estructura.

Reemplazando valores en la ecuación (3.97) se obtiene la carga crítica que origina el

pandeo:

§™— ± \ §³

§™— + +8 ± ; Carga a la cual la columna empieza a pandearse

3.9.4 CARTELA O PLATINA PARA VELETA

La tornamesa está constituida por platinas inclinadas soldadas que soportan la carga de

la veleta de +/ ±, por esta razón el cálculo realizado será para ambas.

² +/ ±

Á +/

ã -

*/

Figura 3.30. Esquema de la platina

FUENTE: Los autores

Longitud de la platina (3.101)

í L ³2 G ˜2

í L +/ 2 G _ 2

í ã -

Reemplazando valores en la ecuación (3.98) se obtiene:

˜¾•° Ã

¾i /8 * ƒ

Reemplazando valores en la ecuación (3.94) se obtiene la relación de esbeltez:

&à

… „" Ô … 'hf Ô

¼j

¯ã

— +_ /

… ……„ #

Reemplazando valores en la ecuación (3.95) se obtiene el esfuerzo permisible:²³ _ _ ¯°¹ ﾏ -* ¯°¹

²³ _ _ ¯°¹ j + 8 ñ „ &

ÔE

Reemplazando valores en la ecuación (3.96) se obtiene la carga permisible ò tolerable:§³ ²³ \ Ã

§³ + 8 ñ „ & \ 8 + ñ ef 2ÔE

§³ 8 + ±

§³ ﾐ §

§³ 8 + ± ﾐ § +/ ±

• La carga permisible calculada es mucho mayor a la carga aplicada en el elemento,

es decir, satisface las exigencias de la estructura.

3.9.5 EJE DE TORNAMESA

El eje de la tornamesa, permite el ensamble de la aerobomba (rotor, tornamesa y veleta),

debe resistir una fuerza de compresión y un momento flector.

Figura. 3.31 Esquema de fuerzas ejercidas sobre el eje de la tornamesa

Fuente: Los Autores

__

´k

La fuerza de compresión está dada por:

² / ±

Masa del eje hueco de la tornamesa.

ïH

Â2

f

: ¸2

ã (ÖÊÌ´¼Í ) (3.102)

Reemplazando valores en la ecuación (3.102) se obtiene:ïH 2 2 '

´k´ f

*-

´k´ / å®

: -/

- / (7800 å® )

Inercia del eje de la tornamesa: (3.103)

Ó \ Âf : ¸f ´k´

´k´

* Ó \ *-f :

-/f

*

´k´ * \ e! f

Radio del eje de la tornamesa: (3.104)

—´k´

ú

Â2 G ¸2

—´k´

ú

*-2 G -/ 2

—´k´ - *

Momento flector: (3.105)

• ·ò ² \ Â

·ò * ± \ - /

·ò * ±

• ·ù ² \ Â

·ù +/ ± \ +

·ù / ±

• ·; ÷·ò 2+ ·ù

2

·; L * ± 2 + / ± 2

·; / _ ±

Ò ;Ô©

Momento Torsor: (3.106)

é ò ©ÊÔ´«¼Í ´µ ´k´·« 2

·« 8+ ± ñ

*-

+

·« + * ±

Esfuerzo torsionante del eje de tornamesa: (3.107)êI\ÛÖ«

Ö«

"h# 6Ô \ … …'„

Ô

„ ##\h…gh Ô9

Ö« +* ·§³

Diseño por resistencia a la fatiga del eje de tornamesaSe diseñara el eje hueco de acero ASTM A36, las dimensiones son:

Á -

/ Â

*-

-/

² / ±

Reemplazando valores en la ecuación (3.65) del esfuerzo de flexión:'2\êIÑgó

f\éÚ

• Öò ï\ Ò G ï\ E

·;Ôgò / ±

-+ \ / ±

\ / ±

ÖÔgò

Ó \ *-' : -/ ' G

Ó \

*-2 : -/ 2 ÖÔgò + / · §³

•

ÖÔ©¬

'2\êIÑÜl

·§³ · ±ï\

Reemplazando valores en la ecuación (3.66) del esfuerzo de torsión:

Ò

h„\ו øòù ï\ Ò ÅÔgò /

±

* \ / ±øÔgò

Ó \ *-' : -/ '

øÔgò +/ · §³

• øÔ©¬ h„\×ÑÜl

·§³ Å ±ï\

100

´

´

´ H«

Reemplazando valores en la ecuación (3.67) aplicando la teoría de energía de la

distorsión:

ÖÊ ÖÔgò

ÖÊ + / · §³

Reemplazando valores en la ecuación (3.68) del esfuerzo medio aplicando la teoría de

energía de la distorsión los valores son:

ÖÔ -øÔgò

ÖÔ -

+/ ·§³

ÖÔ /

·§³

Para reemplazar los valores en la ecuación (3.69) del límite de resistencia a la fatiga de

un elemento mecánico:

Ä´ åÊ \ å» \ åÌ \ å \ å´ \ Ä´ K

Reemplazando valores en la ecuación (3.70), se obtiene:

Ä 2 ./ \ Ä

Ä 2 ./

·§³ Ä 2 +

* ·§³

Ka: Factor de superficie

Ka = 0.64 (Anexo 12)

Kb: Factor de forma o tamaño

Reemplazando valores en la ecuación (3.72) con - , se obtiene:

å» . 8_ \ -e….…#!

å» . _

Kc: Factor de carga

Reemplazando la ecuación (3.73), se obtiene:

åÌ ./

101

Kd: Factor de temperatura

Reemplazando valores en la ecuación (3.74), se obtiene:

å

102

Ke: Factor de modificación por concentración del esfuerzo

Reemplazando valores en la ecuación (3.75), se obtiene:

å h

´ SI

-*

Reemplazando valores en la ecuación (3.76), de factor de efectos diversos se obtiene:

å; G è \ å« :

å; G 8 + // :

å; + *

Determinar coeficientes de una geometría del eje

• — ÷ðE ô E

8 h„

•

ð

… …'"Ô //

… …„ '

• è 8 (Anexo 13)

• kt = 2.55 (Anexo 15)

Reemplazando valores en la ecuación (3.69) se obtiene:

Ä´ + ·§³

Reemplazando valores en la ecuación (3.77) se obtiene un factor de seguridad de:

š + *

• El factor de seguridad obtenido indica que el elemento está sobredimensionado pero

que satisface las exigencias del conjunto, pero al elemento no se lo puede reducir

en sus dimensiones debido a que por su interior trabaja la varilla de impulsión.

3.10 SOLDADURA – CONEXIÓN

² / ± ¾³—®³ ³ °•¿•—–³—

i +8 ¾ M +8

ã W '

W

Carga permisible:

Figura 3.32 Diagrama soldadura

FUENTE: Los autores

Å * \ ²Æ î (3.108)

Donde:

î d—™³ ¸™’ ¿™—‘¹’ 2

Reemplazando valores en la ecuación (3.108) se obtiene:

Å û * \ +/ ñ „

å® ü + 2

2

Å

*- /

å® Å

*+ ±

Esfuerzo al cortante:

²º - ²– (3.109)

²– Ç * ;²– * §°¹ ++ +8

S ;

ÔE

(Anexo 23)

Donde:

²º Ç°‘“™—½• ³’ ¾•—–³—

宲– ™°¹°–™š¾¹³ ³ ’³ –™˜°¹•š ¸™’ ¾•—¸•š ¸™ °•’¸³¸“—³ ™’™¾–—•¸• 2

– ²¹’™–™ ¸™ °•’¸³¸“—³

Reemplazando valores en la ecuación (3.109) se obtiene

宑²º - \ ++ +8 2

²º + * \ „ 宑

2

Área de soldadura, en

h à – – ¢ £ - 8 (Anexo 22)

(3.110)ﾍ

à \ ²º \ - 8 \ \ + * \ „ 宑

2

à \ ²º +8-+8 å®

à \ ²º + 8_8 ±

Longitud de soldadura necesaria para soportar todo el peso.

’ Ô

Ø\éÉ

Reemplazando valores en la ecuación (3.111) se obtiene:

/ ±

(3.111)

’ + 8_8 ±

’ 5 ’

NOTA: Se ha calculado la soldadura de , esta satisface la resistencia de la carga

² / ± , aplicada sobre el perfil. Sin embargo por seguridad y estética se

ha resuelto utilizar un cordón corrido en todo el contorno del perfil.

þá(( e

3.11 CONJUNTO VELETA – PLACA GUIA

Dispositivo de orientación, diseñado con perfil ã +/ ñ +/ ñ -

Propiedades del perfil " L" +/ ñ +/ ñ - *8:

à -/ ñ ef 2

—ò —ù * ñ ef

_ ñ e# f

§ * &

Ô

Placa guía de veleta

Figura 3.33. Esquema de la veleta

FUENTE: Los autores

Figura 3.34 Esquema de la placa de la veleta

FUENTE: Los autores

Área de placa guía de veleta: (3.112) G ˜ À

èµÊÌÊ

èµÊÌÊ

+

8 G +//

+

èµÊÌÊ - 2

68IPAC, Perfiles estructurales, ángulos

«Í«Êµ

'

Volumen de placa guía de veleta: (3.113)

ΨµÊÌÊ Ã¨µÊÌÊ \

™¨µÊÌÊ Î¨µÊÌÊ

- 2 ñ

ΨµÊÌÊ 8 ñ

e' '

Peso de placa base (3.114)

§¨µÊÌÊ Î¨µÊÌÊ \ ËÊÌ´¼Í

å®

§¨µÊÌÊ 8 ñ e' ' ñ 8 -

§¨µÊÌÊ ±

VELETA

Figura 3.35 Diagrama de cuerpo libre de la veleta

FUENTE: Los autores

Reemplazando valores en la ecuación (3.99) se obtiene:

·; ²¨µÊÌÊ ñ ¸

·; ± ñ +

·; +- ±

Reemplazando valores en la ecuación (3.93) se obtiene:

«Í«Êµ þá(( e6 \ ã

* & \ * )

Ô

«Í«Êµ _ å® 8 ±

Área de veleta: (3.115)

À

ÃÉ´µ´ Ê

ÃÉ´µ´«Ê

+ -/ +

+

ÃÉ´µ´«Ê -/ 2

Cargas que intervienen en la veleta:

• Cargas Vivas '¾º

o Acción del viento _ S \ -/ 2

ÔE

o '¾º ³¾ ¾¹Jš ¸™’ º¹™š–• \ g—™³ ¸™ º™’™–³

o '¾º +/ ±

• Cargas Muertas '¾

o Peso veleta + peso placa guía de veleta + accesorios */ ±

Total cargas :

'¾ '¾º G '¾

'¾ _ ±

Reemplazando valores en la ecuación (3.83) se obtiene:

'¾'

ã

' _/ ±

Esfuerzo permisible a tensión: (3.116)

§(ʼ Ê ª«¼©»H© Ê ´ É´µ´«Ê ù ¨µÊÌʲ³

²³

Ã

+ + ±

-/ 2

²³ * / §³

Reemplazando valores en la ecuación (3.84) se obtiene, Momento máximo en la veleta:

'ã2

·ÔÊò 8

·ÔÊò / ±

Reemplazando valores en la ecuación (3.85) se obtiene, Módulo de la sección requerida:

‘» E ²»

Reemplazando valores en la ecuación (3.86) se obtiene, Esfuerzo permisible basico:

²» ** ²ù

²» * ñ „ ± 2

é

Reemplazando valores en la ecuación (3.87) se obtiene, Módulo resistente de la sección.

êÑÚóÄb c

/ ± Äb * ñ „ ± 2

Äb + _ ñ e! '

Reemplazando valores en la ecuación (3.88) se obtiene, Esfuerzo permisible o flexión

êÑÚó‘» þd

/ ± ‘»

+ _ ñ e! '

‘» * ñ „ ± 2

‘» ²»

• Los esfuerzo son iguales, de esta manera se cumple la condición.

Basandose en el calculo realizado Äb + _ ñ e! ' , indica que el perfil

estructural de acero ASTM A3669 "L" + ñ + ñ -, es adecuado para

diseñar la veleta, pero por disponibilidad del material se opto por " L" +/ ñ +/ ñ

-.

Fuerzas externas en la veleta:Punto B70

m G n·Ø

\ -/ : ± \ +

hh! 6\2 Ô

…

'" Ô

**8 / ±

Punto A

op 5 q G

n²b

Ãb :

Ãb

**8 / ±

or 5 s G

n²X

ÃX

± ÃX

±

69 IPA C , Perfiles estructurales, Cap. 6

70Estática, Mecánica Vectorial para ingenieros, Beer- Johnston, Quinta edición, pág. 134

ªª

Figura 3.36 Fuerzas que intervienen en la veleta

FUENTE: Los autores

Comprobación de los valores obtenidos en las fuerzas, recordando que la suma de los momentos de todas las fuerzas externas con respecto a cualquier punto debe ser = 0.

Considerando en este caso el punto B.

m G n·æ ± \ + : ** 8 / ± \ -/

n·æ

ˆˆ

CAPÍTULO IV PROTOCOLO

DE PRUEBAS

4.1.- CONSTRUCCIÓN DE LA AEROBOMBA.

A continuación se detallan los aspectos relevantes del proceso de construcción y montaje,

la construcción tiene como fin lograr un acoplamiento adecuado, revisar las posibles fallas

y posterior afinación de las partes constitutivas de la máquina.

La aerobomba en su mayor parte está compuesta de acero ASTM71 A-36, configurado

mediante oxicorte, desbaste y corte con amoladora, cortes con sierras, para luego ser

unidas por soldadura. Las soldaduras deben ser realizadas con electrodos E-601172.

Los procesos constructivos se encuentran en los planos de taller, para cada uno de los

elementos, tomando en cuenta: materiales, acabados, tolerancias, etc.

4.1.1 ROTOR

Está constituido por 16 palas en acero inoxidable, 16 varillas, eje de soporte y porta palas,

48 abrazaderas, soporte de rotor, aro pequeño y grande, todos estos elementos en acero

ASTM A-36, este acero se caracteriza por su alto nivel de resistencia a la corrosión.

4.1.2 TORNAMESA Y VELETA

Está constituido por las siguientes piezas: 2 soportes horizontales, 4 soportes verticales, 2

bases de soportes del rotor, eje del rotor, 4 cartela para veleta, 2 bocines de soporte de

veleta, 4 soportes del eje de la tornamesa, en su mayoría hechos con acero ASTM A-36,

platinas y ángulos.

4.1.3 SISTEMA DE TRANSMISIÓN Y BOMBEO Las piezas de la transmisión como el eje

completo, conformado por cartela de eje, disco porta aspa, manivela, mientras las que

conforman la bomba como Tubo de descarga y aspiración, Te y pistón fabricado de Acero

Inoxidable, acero ASTM A-36 y tubos PVC.

71 ASTM (American Society of Testing and Materials) Sociedad Americana de Ensayos y Materiales.

72 A cada electrodo se le asignan una serie de símbolos específicos como: E X X YY;

E: Indica electrodo para soldadura por arco, el cual por definición conduce la corriente por arco. X X : Dos dígitos que designan la misma resistencia a la tensión del metal depositado, en Ksi.YY: Dos dígitos que designan las posiciones de soldadura en que puede trabajar el electrodo, el tipo de revestimiento y el tipo de corriente adecuado para el electrodo.

11011

4.2 MONTAJE DE LOS COMPONENTES DE LA AEROBOMBA

La Aerobomba puede ser completamente montada a nivel del suelo y colocada en la torre

con la ayuda de una grúa, o equipo similar.

Una vez terminado de armar los elementos de la aerobomba se procede al montaje.

Diagrama de flujo de proceso

Es una representación gráfica de la secuencia de todas las operaciones, los transportes,

las inspecciones, las esperas y los almacenamientos que ocurren durante un proceso.

Proporciona una imagen clara de toda secuencia de acontecimientos del proceso.

Tabla 4.1 Simbología del diagrama de flujo

Actividad Símbolo Resultado predominante

Operación Se produce o se realiza algo

Transporte Se cambia de lugar o se mueve un objeto.

Inspección Se verifica la calidad o la cantidad del producto.

Demora Se interfiere o se retrasa el paso siguiente.

ActividadRepresenta la ejecución de una ó más actividades.

AlmacenajeSe guarda o se protege el producto o los materiales.

FUENTE. www . D i a gra m a de proceso de flujo.mht.

111

INICIO

↓

Instalación de la Aerobomba

↓Transportar todos los componentes de la

Aerobomba al lu↓

gar de emplazamiento

¿Materiales y herramientas necesarias

disponibles?

→NOSe retrasa el montaje

↓SI

Verificar que los componentes se encuentren en óptimascondiciones

↓

Instalación de la torre

↓

Taladrar y realizar el

anclaje

↓

Montaje de tornamesa y veleta

↓A

Inspeccionar

→ las →soldaduras

Subirla a la torre

A

↓

Montaje del rotor

↓Montaje de la bomba de

pistón

↓

→ Elevar e instalar el rotor en la

tornamesa

Montaje del sistema de transmisión

↓Inspeccionar

todo el montaje

↓Guardar las

herramientas

↓

Se pruebaY

entrega

↓

FIN

Figura 4.1 Diagrama del montaje de la Aerobomba

FUENTE: Los autores

113

4.2.1 Montaje de elementos del rotor.

a) El rotor es el aparato exterior del molino de viento, cuya función es transformar la

energía eólica, en un movimiento rotatorio, compuesto por palas.

El rotor está compuesto de:

2 discos.

16 soportes de palas en A.

1 aro grande

1 aro pequeño.

16 palas

48 abrazaderas.

16 Varillas porta aspas

b) Colocación de las aspas

c) Asegúrese que los tornillos y tuercas estén bien apretados

d) Debe ser realizada la instalación de una forma tal que el rotor capte la mayor

cantidad de viento posible.

e) Verificar las medidas y diámetros de todos los componentes del rotor.

Figura 4.2 Rotor de la aerobomba.

FUENTE: Los Autores

4.2.2 Montaje de la estructura de la tornamesa

114

Figura 4.3 Tornamesa

FUENTE: Los Autores

a) Está conformada por ángulos soldadas, elemento que soportan y permite al rotor

colocarse siempre frente al viento, el conjunto debe resistir el peso generado del rotor y

veleta.

b) Preparación de componentes de la tornamesa, montando los elementos de la misma

como son:

• 2 Soportes horizontales

• 4 soportes verticales

• 2 bases de soportes del rotor

• 1 eje de tornamesa.

• 4 cartela para la veleta

• 2 bocines de soportes de veleta

• 4 soportes del eje de tornamesa.

c) Colocación de la tornamesa.

• Llevando la tornamesa

• Montando la tornamesa en el trípode de la torre

115

4.2.3 Montaje de la veleta.

Figura 4.4 Veleta

FUENTE: Los Autores

a) Es un sistema mecánico, perfectamente balanceado y paralelo al suelo. Debe estar

orientada perfectamente con el viento. Los elementos que conforman la veleta son:

• Cola

• Soporte de veleta

b) Verificar las dimensiones de la veleta

c) Colocación de la veleta en la tornamesa

4.2.4 Montaje del sistema de transmisión de la aerobomba.

Figura 4.5 Sistema de transmisión

FUENTE: Los Autores

a) Alineación de la transmisión:

• Biela

• Manivela

4.2.5 Montaje de la bomba

La instalación de una bomba trabajando en succión es simple. La tubería de succión no

podrá sobrepasar los siete metros ya que de otra forma la bomba no funcionará.

a) Inspección del aliviadero de la bomba

b) Alineación de la transmisión

c) Los elementos que conforman la bomba son:

• Tubo de descarga

• Tubo de aspiración

• Tee

• Cuerpo de la bomba o pistón

Figura 4.6 Bomba de pistón

FUENTE: Los Autores

d) Instalación de la bomba

• Colocación del tubo de aspiración

• Colocación del tubo de descarga

• Colocación de la te de salida de agua

• Armado de bomba terminada

o Llevando la bomba al pozo

o Ubicar la bomba al pozo

o Fijando la bomba al pozo

• En las uniones del vástago se deberá aplicar grasa.

• La conexión del vástago a la transmisión se debe hacer con mucho cuidado y

exactitud, de tal modo que el pistón no golpee la parte superior o inferior del

cilindro durante la carrera de bombeo.

4.2.6 Montaje y anclaje de la torre

La torre es usada como apoyo para la aerobomba, la altura debe ser acorde a los

obstáculos, a la cantidad de viento del sitio de ubicación. La torre soportará el empuje del

viento sobre la aerobomba y el viento, por lo que de la buena calidad y ubicación de la

cimentación depende la vida de la aerobomba y su eficiencia en la extracción de agua.

Figura 4.7 Torre

FUENTE: Los Autores

a) La aerobomba puede ser montada en cualquier tipo de torre de acero o madera.

b) Asegúrese que la torre soporte los esfuerzos a los que estará expuesta en función

tamaño de la aerobomba instalada.

c) Condiciones de anclaje.- De la ubicación del anclaje depende que la torre quede

vertical y opere eficientemente. El procedimiento a seguir se describe a continuación:

• En el sitio previamente seleccionado para la ubicación del pozo, se unen las partes

en que componen la torre.

• Se levanta y se ancla en el concreto por medio de tornillos de expansión de ‰ ñ -t

Figura 4.8 Anclaje de la torre

FUENTE: Los Autores

4.3 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE LA AEROBOMBA

Las pruebas previas realizadas en la Aerobomba son: orientación del rotor, bombear,

capacidad de bombeo

Orientación del rotor

La Aerobomba puede desorientarse del viento cuando su velocidad amenaza su

integridad. El molino rota sobre sí mismo cuando el viento es suficientemente fuerte como

para empujar y hacerlo girar sobre ese pivote. Podrá ver también que el soporte de cola

está desplazado sobre el eje en la dirección contraria.

Cuando la fuerza del viento aumenta, el Molino pivota sobre el mástil de la torre y queda

desorientado. Si el viento vuelve a soplar con más fuerza antes de que el conjunto pueda

volver a orientarse, la cola volverá a plegarse hasta que el viento disminuya y le permita

volver a encarar el viento.

Bombeo

Debe quedar bien claro que para obtener un buen rendimiento hay que elevar bien alto la

Aerobomba. Es necesario que la Aerobomba esté bien expuesta al viento, y la carga

debe ser moderada. El molino debe estar al menos 5 metros sobre cualquier objeto a 150

metros a la redonda.

El peso del agua que debe sacar el molino está determinado por el diámetro del cilindro y

el recorrido del golpe.

En pozos muy profundos, al final, es mucho más barato y más cómodo instalar las

tuberías más grandes que la bomba, de manera que se pueda sacar sin tener que sacar

toda la tubería.

Cualquier bomba puede sacar agua en vientos fuertes, pero la más eficiente es aquella

que bombeara agua en vientos suaves, que son más frecuentes. Con una bomba

pequeña y una tubería grande, el molino funcionará más horas, en condiciones más

suaves, de esta manera podrá durar años.

Capacidades de bombeo

Normalmente la cantidad de agua suministrada suele ser menor que la calculada

teóricamente porque no se toman en cuenta algunos factores importantes. En un sitio

donde los vientos predominantes sean flojos o variables, donde el viento sople solo unas

horas al día, donde la exposición al viento sea pobre, el rendimiento se verá reducido.

Estos factores deben tenerse en cuenta a la hora de determinar el tamaño de aerobomba

que se desea.

La capacidad de bombeo de todas las Aerobomba desde 2.5 a 5 metros es la misma con

cilindros del mismo diámetro.

Esto es porque el recorrido del golpe se incrementa en proporción al tamaño de la rueda.

Las bombas y cilindros usados con diferentes tamaños de Aerobomba deberían ser

capaces de dar golpes igual en longitud al diámetro del rotor.

120

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

A la finalización del presente proyecto profesional de grado, se hacer notar que el objetivo

principal se ha logrado, y de la experiencia lograda durante el tiempo que ha durado el

presente trabajo, lo cual se puede citar las siguientes conclusiones y recomendaciones:

CONCLUSIONES

1. En la realización de este proyecto se han adquirido muchos conocimientos además de

la aplicación práctica de lo aprendido durante la carrera, utilizado metodologías de

cálculo y diseño propias de las asignaturas de ingeniería mecánica.

2. La recopilación de información sobre bombeo mediante energías renovables, su

difusión mediante la creación de este documento y su aplicación en comunidades

rurales nacionales, y aportan con el cuidado del medio ambiente.

3. El equipo fabricado y probado sirve como prototipo para el desarrollo de Aerobombas

comerciales de la misma, e inclusive mayor, potencia se ha logrado establecer la curva

característica (Potencia vs. Velocidad de viento) de la aerobomba

4. El proyecto se realizó en su totalidad y con éxito, de acuerdo a su correspondiente

perfil y presupuesto de ejecución, en las pruebas realizadas en Campus Universitario y

área rural, se comprobó el buen funcionamiento y adecuado rendimiento del equipo

5. Las aerobombas de eje horizontal son más utilizadas que las de eje vertical porque

proporcionan mayor eficacia, los molinos multipalas obtienen su máximo rendimiento,

es decir, giran a baja velocidad; asimismo funcionan con velocidades del viento

pequeñas.

6. La velocidad del viento para la explotación de recursos eólicos llevan al éxito o fracaso

de las estimaciones que se hagan de la cantidad de energía eólica aprovechable del

lugar, ya que es parámetro fundamental, el cual hace variar la potencia extraída,

siendo la velocidad del viento y el tamaño del rotor los que dan el rendimiento a la

aerobomba

7. La fuerza necesaria para el funcionamiento del sistema hidráulico es menor a la fuerza

entregada por el rotor que es de 212 N.

8. Se utilizará una bomba de diámetro del pistón de 0.075m y una altura total de bombeo

de 8.5 m, el sistema permite tener hasta una altura de bombeo de 9 m

9. Se elaboro una guía para montaje y mantenimiento de la Aerobomba

121

RECOMENDACIONES

1. La aerobomba debe ubicarse en un lugar donde se cuente con velocidad del media del

viento mayor a - °, con el propósito de genere la potencia necesaria para bombeo.

2. Ubicar la aerobomba sobre un pozo con caudal suficiente para bombear ' ¸4³, en

su respectivo reservorio para almacenar el agua, este sistema podría ser utilizado por

varias familias a la vez, según sus necesidades.

3. Investigar el comportamiento y características de parcelas de diversos cultivos,

regadas con aguas residuales tratadas por este sistema..

4. Se debe conservar esta altura de aspiración À³ ﾏ _ para evitar la

cavitación, si sobrepasa esta altura de aspiración se sobrecarga el sistema.

5. Utilizar Equipos Eólicos para el bombeo de agua, ya que los costos de bombeo de

estos es inferior al costo de bombeo utilizando bombas de gasolina y diesel y muy

próximo al costo de bombeo utilizando bombas eléctricas.

6. Es importante brindar un adecuado mantenimiento al sistema para evitar problemas en

su funcionamiento, asegúrese de leer y comprender el manual de operación y

mantenimiento, seguir el plan de mantenimiento ya especificado para cada parte de la

Aerobomba

122

BIBLIOGRAFÍA

1. ACESCO, Manual de Diseño de Perfiles Estructurales en Acero de lámina delgada.

2. BOHLER, Manual de Aceros especiales, bronces especiales, tratamientos térmicos,

Mayo 2005.

3. CULTURAL, S.A., Mecánica de taller, Materiales Metrología I, España, 1993

4. CUNTY GUY, Aeromotores y Aerogeneradores –Guía de la energía eólica, edición

Marzo 80, Barcelona - España.

5. DIPAC, Catálogo de aceros, Ecuador, 2003.

6. EDICIONES DON BOSCO, Dibujo Mecánica 4, Barcelona ,1981

7. ESCUELA POTECNICA NACIONAL, Manual of Steel Construction AISC, eighth

edition, Chicago,-Illinois, Quito, febrero 1997.

8. FUNDACIÓN NATURA, Energías Renovables: Conceptos y Aplicaciones, Quito 2003.

9. HIBBELER, Ingeniería Mecánica Dinámica, Pearson Hall, séptima edición, México,

1996.

10. INEN, Dibujo Técnico – Mecánico, Quito – Ecuador, 1989.

11. IPAC, Catálogo de aceros, Ecuador, 2002.

12. IVAN BOHMAN C.A, Catálogo de aceros, Ecuador, 2009

13. McCORMAC J, Diseño de Estructuras Metálicas- Método ASD, Alfa omega, Cuarta

edición, México, 1999.

14. MORA IDROVO EDUARDO W, Utilización de Energía Eólica para Extracción de

Agua

15. MOTT Robert, Diseño de Elementos de Máquinas, Prentice Hall, Segunda edición,

México, 1992.

16. .SÁNCHEZ TEODORO: Desarrollo Tecnológico de Microgeneradores eólicos

17. SANTILLÁN R, Recursos energéticos no convencionales- energía eólica, Riobamba-

Ecuador, 1986.

18. SANTILLÁN RODOLFO: Fuentes renovables de energía

19. SHIGLEY Joseph , Manual de diseño mecánico, Mc Graw-Hill, Cuarta edición,

México, 1989

20. SHIGLEY Joseph, Diseño en Ingeniería Mecánica, Mc Graw-Hill, Quinta Edición,

México, 1990

123

21. ww w . ae r obo m bas . c o m , acceso 2-03-2009

22. ww w . ae r obo m bas / i ns t a l ac i ones . h t m , acceso 2-02-2009

23. ww w . ae r o g ene r ado r es . c o m, acceso 12-03-2009

24. ww w . B o m beo eólico, Molinos de viento, Aerobombas.com, acceso 5-03-2009

25. ww w . bo m bas . co m, acceso 20-02-2009

26. www. Bombas hidráulicas.com, p 1,acceso 16-01-2009

27. ww w . c l i m a . co m, acceso 2-03-2009

28. www.energía-eólica.com, acceso 29-02-2009

29. www. INAMHI.com, acceso 2-09-2009

30. ww w .m o li nos . co m, acceso 23-03-2009

31. www.PortalCiencia_ Viento Origen y clasificacion.com, acceso 5-03-2009

32. ww w .r o t o r es . c o m , acceso 13-02-2009

33. Www.vientos.com, acceso 23-03-2009

34. ww w . wi nd - po w e r. com , acceso 8-03-2009

124

CONCEPTOS BÁSICOS.

GLOSARIO

Acero Inoxidable.- El término acero inoxidable caracterizan al alto nivel de resistencia a

la corrosión que ofrecen las aleaciones en este grupo. Para ser clasificada como acero

inoxidable, la aleación debe tener al menos 10 % de contenido de cromo. En su mayor

parte tienen entre 12 y 18% de cromo.

Acople.- Acción de acoplar. Unir entre sí dos piezas, de modo que ajusten exactamente,

ensamblar

Aerobomba.- Equipo de bombeo de agua accionado por la energía del viento.

Agua.- Cuerpo formado por la combinación de un volumen de oxígeno y dos de

hidrógeno, en estado líquido entre 0 y 100Oc

Agua de bombeo.- Es el agua que se bombea desde el pozo hasta el tanque de

almacenamiento.

Anclaje.- Acción de anclar, asegurar.

Anemómetro.- Instrumento mecánico, eléctrico, electrónico, etc. para medir la velocidad

del viento.

Anualidad.- Valor promedio anual del costo de capital

Alabes.- Cada una de las palas curvas del rotor que reciben el impulso del viento

Altura de bombeo (H).- Diferencia de nivel en la superficie libre del agua de la fuente de

agua y el nivel de descarga

ASTM.- (American Society of Testing and Materials) Sociedad Americana de Ensayos y

Materiales.

Axial.- Perteneciente o relativo al eje

Bombear.- Sacar o trasegar un líquido por medio de una bomba.

Bomba reciprocante de acción simple.- bomba de agua de desplazamiento positivo

provista de pistón que por la acción alternante solo bombea liquido en el movimiento de

ascenso del vástago. Se dimensiona técnicamente por el diámetro del pistón y la longitud

de la carrera (S) del vástago

Calor.- Es la transferencia de energía de un cuerpo de mayor temperatura a otro de

menor temperatura.

Caudal.- Cantidad De agua que mana o corre.

Cavitación.- Formación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido, causada

por las variaciones que este experimenta en su presión.

En el intervalo de estos dos sucesos se forman pequeños burbujas de estado gaseosos,

las cuales al ser comprimidas por la presión mayor (P2), dejan un espacio ocasionando

que las pequeñas partes en estado liquido se aceleren y choquen unas con otras.

Disponibilidad de la Aerobomba.- Fracción del tiempo en la cual una Aerobomba esta

bombeando agua de manera efectiva.

Ensamblar.- Unir, juntar.

Eficiencia volumétrica de una bomba (vol. η).- Relación entre la cantidad real de agua

entregada por una bomba y el volumen teórico barrido por acción del desplazamiento de

un pistón.

Electrodo.- Es una varilla metálica, de compresión aproximada a la del metal a soldar y

recubierta con una sustancia que recibe el nombre de recubrimiento.

Emplazamiento.- Situación, colocación, ubicación, colocación en un lugar.

Energía.- Causa capaz de transformarse en trabajo mecánico / la que posee un cuerpo

por razón de su movimiento.

Energía hidráulica.- Cantidad neta de agua bombeada desde una altura de bombeo en

un periodo de tiempo dado.

Energía renovable.-Energía renovable es la que se aprovecha directamente de recursos

considerados inagotables como el Sol, el viento, los cuerpos de agua, la vegetación o el

calor del interior de la Tierra.

Eólico.- Producido o accionado por el viento.

Fuerza.- Vigor, energía.

Fluido.- Dícese de los cuerpos cuyas moléculas tienen poca cohesión y toman siempre la

forma del recipiente que la contienen.

Freático.- Capa del subsuelo que contiene esta agua

Flejar.- Doblar

Góndola.- Embarcación pequeña de recreo, sin palas ni cubiertas, por lo común con una

carroza en el centro.

Gravedad.- Peso de los cuerpos

Gravitacional.- Acción atractiva mutua que se ejerce a distancia entre las masas de los

cuerpos.

Molino de viento.- Aerobomba acoplada a bomba de pistón, donde, el rotor eólico está

acoplado mecánicamente a una bomba de pistón a través de un vástago que transmite

oscilante desde la parte superior de la torre hasta la bomba. La fuente de agua puede ser

pozo o aljibe y el bombeo es de tipo directo, es decir, que el molino se ubica directamente

sobre la fuente de agua.

'

Perforar.- Agujerear.

Perforación.- Acción y efecto de perforar, hacer hoyo o cavidad, hueco

Pistón.-El pistón es una pieza de forma cilíndrica, que transmite un impulso al agua al

desplazarse verticalmente por el interior del cilindro, transmitiendo una presión que hace

posible la apertura y cierre de la válvula del pistón.

Rotación.- Acción y efecto de rodar.

Potencia.- Es la energía en una unidad de tiempo.

Rotor.- Parte giratoria de una maquina electromagnética o de una turbina.

Rotor eólico.- Dispositivo basado en palas aerodinámicas que accionado por el viento

que incide sobre él, convierte su energía en energía rotacional mecánica.

Densidad.- La densidad se define como la masa por unidad de volumen del material. Sus

unidades comunes son å®

M en el sistema SI.

Tecnología.- Ciencia de las artes y los oficios en general.

Torsión.- Acción de torcer.

Tracción.- Arrastrar, tirar.

Torque.- Efecto de rotación que una fuerza produce en un cuerpo rígido. Se conoce

también como momento torsor.

Válvula.- Pieza que sirve para interrumpir la comunicación entre dos órganos de una

maquina o entre estos y el medio exterior.

ªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªª

Válvula del pistón.- Es el dispositivo que permiten el paso de agua del cilindro a hacia la

tubería de impulsión e impide el regreso de agua desde la tubería de impulsión hacia el

cilindro. Va unido al pistón.

Velocidad promedio anual de viento.- el valor de la velocidad resultante de calcular el

promedio horario anual medido por un anemómetro.

Velocidad de viento de arranque.- velocidad de viento en la cual la aerobomba

comienza a bombear agua continuamente

Velocidad especifica (l).- Relación entre la velocidad de la punta de las palas del rotor

eólico y la velocidad de viento incidente.

Velocidad especifica de diseño (ld).- Velocidad específica en la cual el rotor eólico

entrega su máxima potencia.

Velocidad de viento de diseño.- Velocidad del viento en la cual la Aerobomba opera a

su máxima eficiencia de conversión de energía.

Velocidad del rotor (N).- Velocidad rotacional del rotor eólico medido en revoluciones por

segundo (rps).

.

ªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªª

13011111111111111111111111111111

Anexo 1.- Pérdidas de cargas

ACCESORIOS PÉRDIDAS DE CARGA MEDIA

1- De depósito a tubería. Pérdida de entrada.

- Conexión a ras de la pared

- Tubería entrante

- Conexión abocinada

2 - De tubería a depósito. Pérdida a la salida.

3 - Ensanchamiento brusco

4 – Ensanchamiento gradual

5 – Venturímetros, boquillas y orificios

6 – Contracción brusca

7 – Codos, accesorios, válvulas

Algunos valores corrientes de K son:

- 45°, codo …………..0,35 a 0,45

- 90°, codo …………..0,50 a 0,75

- Tes …………………1,50 a 2,00

- Válvulas de compuerta (abierta)…. Aprox. 0,25

- Válvulas de control (abierta)……… Aprox. 3,0

FUENTE: WWW. Perdidas de cargas en tuberías

131

Anexo 2.- Coeficientes de pérdidas

FUENTE: http//www.Pérdida de carga en tubería- Wikipedia, la enciclopedia libre.htm

Anexo 3.- Rugosidades

Tipo de singularidad K

Válvula de compuerta totalmente abierta 0,2

Válvula de compuerta mitad abierta 5,6

Curva de 90º 1,0

Curva de 45º 0,4

Válvula de pie 2,5

Emboque (entrada en una tubería) 0,5

Salida de una tubería 1,0

Ensanchamiento brusco (1-(D /D )2)2

1 2

Reducción brusca de sección (Contracción) 0,5(1-(D /D )2)2

1 2

FUENTE: http//www.Pérdida de carga - Wikipedia, la enciclopedia libre.htm

132

Anexo 4.- Coeficientes de pérdidas para tubos

FUENTE: ACEROS S.A.

Anexo 5.- Propiedades, esfuerzos de aceros estructurales

133

Anexo 6.- Propiedades mecánicas de pernos de acero ATM,SAE e ISO

FUENTE : Pernos andes

134

Anexo 7.- Boletín de prensa del INAMHI

SECRETARIA NACIONAL DEL AGUA INSTITUTO

NACIONAL DE METEOROLOGÍA E HIDROLOGÍA (I N A M H I)

Quito, 25 de Octubre de 2010

BOLETÍN DE PRENSA No. 60

En lo que va del 2010:

El Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI) informa que durante este año

se registraron velocidades de viento, que oscilaron entre los 21 y 56 kilómetros por hora

(km/h), debido a las condiciones atmosféricas con poca nubosidad y a las altas

temperaturas en menor medida las condiciones orográficas.

Entre enero y octubre, la cifra récord de viento se registró en la estación de La Tola,

sector de Tumbaco, provincia de Pichincha, con vientos fuertes de / .* 0 7

* ), el pasado octubre.

En orden de velocidad, le sigue Baltra (Galápagos) con vientos fuertes de - .+ 0

7 + , Latacunga (Cotopaxi), Quito (Pichincha) y Quero Chaca (Tungurahua)

con vientos moderados de -* 0 7 .. En el último caso fue sentida

por la población y registrada por el INAMHI el pasado siete de enero.

Según los registros diarios del viento que posee el INAMHI, el viento en el Ecuador

presenta dos rangos. El primero, los moderados: de + : 0 7 . y también

los fuertes

: 0 7 . con lo cual se establece que en este año hubo.

FUENTE: INAMHI, extracto del boletín de prensa

Significado de las columnas de datos:

T Temperatura media (ºC)

TM Temperatura máxima (ºC)

Tm Temperatura mínima (ºC)

V Velocidad media del viento (km/h)

VM Velocidad máxima del viento (km/h)

135

Anexo 8.- Clima en Quito (Octubre 2010)

Días T TM Tm V VM

1 13.5 22 6 5.9 20.6

2 13.3 23.9 7 8.3 33.5

3 13.7 21.1 10.4 5 18.3

4 13.8 19 9.9 5.7 22.2

5 13.9 21 11 7.6 31.3

6 13.7 20.6 9.7 7.2 31.3

7 13.4 21.8 6 6.5 24.1

8 14.2 23 10.2 3.9 11.1

9 15.4 20.9 8.4 9.6 22.2

10 16.4 21.4 12 15.2 25.9

11 15.9 21.3 12 21.3 31.3

12 16 21.5 12.1 16.3 25.9

13 16.1 21.7 11.5 17.4 27.8

14 14.2 21 7.6 9.4 25.9

15 13.9 22.3 7.8 7.6 29.4

16 13.9 20.5 10.5 8 22.2

17 13.3 20 11 6.3 25.9

18 13.1 17 10.5 6.9 22.2

19 12.6 17.4 10.5 5.4 14.8

20 13.4 19 10.3 7.2 22.2

21 14.2 20.1 11 9.4 35.2

22 13.3 20.6 10.3 6.1 22.2

23 13.6 19.6 10 7.6 27.8

24 13.3 20 10.3 8.5 27.8

25 13.4 20.3 10.5 7.8 25.9

26 13 19 8.5 6.7 35.2

27 13.6 22.2 10 6.9 27k.8

28 14.3 19.7 11 7.6 29.4

29 14 20.2 9 7.4 22.2

30 13.5 20.2 9.8 6.3 16.5

31 14.1 21.1 8.5 6.7 29.4

14 20.6 9.8 10.6 25.4

FUENTE. TuTiempo.net y meteored.com

R esu m en de d a t os m e nsua l es pa r a O c t u b r e d el 201 0 : Temperatura Máxima mensual: 20.6 ºC Temperatura Mínima mensual: 9.8 º Temperatura Media mensual: 14 ºCMedia de Velocidad del Viento mensual: 10.6 km/hMáxima Velocidad del Viento mensual: 25.4

ªª

136

Anexo 9 .- Medición de la fuerza del viento según la escala BeaufortEscala deBeaufort

Denominación Efectos observados Nudos Km/hora

0 Calma El humo se eleva en vertical.menos

de 10 a 1,9

1Ventolina ó brisa

muy ligera

El viento inclina el humo, no

mueve banderas.1 a 3 1,9 a 7,3

2Flojito ó brisa

ligeraSe nota el viento en la cara. 4 a 6 7,4 a 12

3Flojo ó pequeña

brisa

El viento agita las hojas y

extiende las banderas.7 a 10 13 a 19

4Bonancible ó brisa

moderada

El viento levanta polvo y

papeles.11 a 16 20 a 30

5Fresquito ó buena

brisa

El viento forma olas en los

lagos.17 a 21 31 a 40

6 Fresco

El viento agita las ramas de

los árboles, silban los cables,

brama el viento.

22 a 27 41 a 51

7 FrescachónEl viento estorba la marcha

de un peatón.28 a 33 52 a 62

8 DuroEl viento arranca ramas

pequeñas.34 a 40 63 a 75

9 Muy duroEl viento arranca chimeneas

y tejas.41 a 47 76 a 88

10Temporal ó

tempestadGrandes estragos. 48 a 55 89 a 103

11Tempestad

violentaDevastaciones extensas. 56 a 63

104 a

118

12 Huracán Huracán catastrófico.64 y

más

119y

más

FUENTE: ww w . w i n d - p o w e r . com

ÒÒÒ

137

Anexo 10.- Características de diseño de diversos tipos de alabes

Nombre del perfil Descripción geométrica(CD/CI)

minα° CL

Mástil y vela0.1 5 0.8

Placa de acero plana 0.1 4 0.4

Placa de acero arqueada

f/c=0.07 f/c=0.1

0.02

0.02

4

3

0.9

1.25

Placa de acero arqueada con un tubo en el

lado cóncavo

f/c=0.07

f/c=0.1

0.05

0.05

5

4

0.9

1.1

Placa de acero arqueada con un tubo en el

lado convexo f/c=0.1

0.2 14 1.25

Vela de navegación 0.5 2 1.0

Vela de navegación de dos fases f/c≈0.1

dtubo≈0.65 0.1 4 1.0

FUENTE: Ing. Rodolfo Santillán: Recursos energéticos no convencionales 37.

Anexo 11.- Velocidad del viento necesaria para obtener la potencia +* *8

u. para rotor de ] + * { ] + . despejando de la ecuación (3.49) se

obtiene:

Nm P v o \ ] 2

V 9 + 9 ρ 9 π 9 w x

] + * 5 Nm P -

] + 5 Nm P - *

¨¨¨¨

Anexo.12.- Factor de acabado superficial (ka)

FUENTE: Joseph Edward Shigley, Diseño en ingeniería mecánica, p.308

Anexo 13.- Diagrama de sensibilidad a las ranuras (q) para aceros.

FUENTE: Joseph Edward Shigley, Diseño en ingeniería mecánica, p.323

ªª

Anexo 14.- Factor de concentración de esfuerzos (kt)

FUENTE: Joseph Edward Shigley: Diseño en ingeniería mecánica, 5ª. Edición, p.848

Anexo 15.- Factor de concentración de esfuerzos (Kt)

FUENTE: Joseph Edward Shigley: Diseño en ingeniería mecánica, 5ª. Edición, p.852

14011111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111

Anexo 16 .- Tipos y características de los rodamientos.

FUENTE: Catálogo NTN, pág. 17

ªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªª

eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee

141

Anexo 17.- Rodamientos FAG

FUENTE: Rodamientos FAG, p.167

ªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªªª

142

Anexos 18.- Vida útil de diseño recomendado para rodamientos

FUENTE: Mott: Diseño de elementos de máquinas, p 615

Anexos 19 .- Perfiles estructurales, ángulos

FUENTE: IPAC: Manual de diseño de perfiles estructurales, cap. 6

143

Anexo 20.- Coeficiente de longitud efectiva K

FUENTE: Manual de diseño de perfiles estructurales, p.49

144

Anexo 21.- Esfuerzos Permisibles

FUENTE: Manual de diseño AISC, p.5.7

145

Anexo 22.- Tamaño mínimo de soldadura para placa según el espesor

FUENTE: Robert L. Mott: Diseño de elementos de máquinas, p. 771

Anexo 23.- Tensiones por esfuerzos de corte permisible y fuerza en soldadura

FUENTE: Diseño de máquina, segunda edición, p.767

146

Anexo 24.- Manual de mantenimiento de la aerobomba

Información general y precauciones.

Cualquier máquina requiere de un mantenimiento adecuado para operar de una manera

eficiente y tener la vida útil para la cual fue diseñado.

El mantenimiento lo deben realizar por al menos dos personas, así se ahorrará tiempo y el

trabajo resultará más fácil y seguro. La seguridad es muy importante, si no se toman las

medidas de seguridad apropiadas, se expondrá a riesgos de accidentes que pueden

resultar fatales, no solo a los trabajadores, sino a las posibles personas que puedan

encontrarse alrededor de la aerobomba.

Se recomienda seguir las siguientes precauciones de seguridad para la protección de los

trabajadores y personas cerca de la aerobomba durante el mantenimiento:

• Usar cascos adecuados.

• Usar cinturones de seguridad.

• Usar zapatos de seguridad con protección.

• Evite llevar ropa suelta.

Herramientas para mantenimiento básico

A continuación se presenta una lista de las herramientas y otros elementos necesarios

para realizar el mantenimiento básico de los equipos que conforman la Aerobomba. Se

recomienda que estos elementos se adquieran para que estén a disposición en todo

momento dentro de las instalaciones.

• Banco de trabajo.

• Martillo.

• Martillo con cabeza de plástico.

• Taladro portátil.

• Juego de brocas.

• Sierra manual (segueta).

• Lima.

• Juego de desatornilladores.

• Pinzas.

• Alicates.

• Juego de llaves.

147

• Juego de dados.

• Tornillos y tuercas más comunes para repuesto.

• Metro

• Cepillo de cerdas plásticas.

• Cepillo de cerdas metálicas.

• Brochas.

• Estopa.

• Aceite lubricante.

• Grasa mineral.

• Soga

• Taladro

• Escalera cinceles

Instrucciones de mantenimiento de la aerobomba

El mantenimiento simple que puede realizar fácilmente cualquier persona que incluye:

• Engrasar o aceitar las partes móviles

• Ajustar el sello prensaestopas en caso de que lo tenga.

• Limpiar la estructura, especialmente si esta en un ambiente fuertemente corrosivo.

AEROBOMBA.- Si está ubicada en una zona con tormentas se debe considerar como

mantenimiento de la aerobomba el desorientarla antes de que estas ocurran para evitar

daños.

a) Después de 5 a 10 años es necesario hacer un diagnóstico completo del estado del

molino, en especial de las partes en desgaste como rodamientos, etc.

b) Engrasar o aceitar las partes móviles.

c) Limpiar la estructura, especialmente sí está en un ambiente fuertemente corrosivo.

d) Inspeccionar los tornillos y su ajuste, también cada año, aunque es preferible hacerlo en un lapso más corto cuando está recién instalado

ROTORa) Compruebe que todos los pernos de las palas estén bien apretados

b) Revise simetría del rotor (aspas iguales)

c) Compruebe los remaches y tornillos en las costillas de las hélices..

d) Compruebe que el rotor gire correcta y libremente

148

SISTEMA DE ORIENTACIÓN Y TRANSMISIÓN

a) Compruebe todas las uniones, mire que no falten remaches y que no estén

demasiado desgastadas.

b) Compruebe que el soporte de cola no doblado o en mal estado

c) Lubricación de tornamesa, veleta, transmisión y ajuste de pernos

d) Repintado de veleta, tornamesa, palas y torre.

e) Cambio de rodamientos de la tornamesa

f) Desmontaje de bomba para cambio de empaques o sellos.

g) Inspección de desfogues de la bomba

h) Reinstalación de la bomba y transmisión

i) Reparación de vástagos rotos o de los pasadores de seguridad que tienen algunos

molinos para evitar que las sobrecargas lleguen a afectar la transmisión.

j) Inspección de rodamientos

INTERIOR DE LA AEROBOMBA

a) Revise el desgaste de la biela.

• El pasador está en su posición

• Compruebe el eje motriz

b) Compruebe el estrado de los rodamientos

c) Engrasar las partes móviles y partes externas

d) Engrase el anillo de desorientación.

e) Engrase el conjunto de la polea de la bomba.

TORRE

a) Puede ser necesario limpiar y pintar la torre cada uno o dos años de acuerdo al

medio ambiente.

b) Compruebe que la torre está perpendicular.

c) Compruebe las abrazaderas y ángulos.

d) Compruebe que todos los tornillos estén bien sujetos.

e) Compruebe el estado de todas las piezas.

POZO

a) Si el pozo es excavado a mano es conveniente mantenerlo tapado para evitar su

contaminación y evitar accidentes

149

Recomendaciones generales en el montaje de rodamientos

Un manejo inadecuado provocará su falla prematura y un mal funcionamiento de la

maquinaria. Para evitar que esto ocurra, se deben tomar precauciones en su manejo.

1. Conservar limpio el rodamiento, para lo cual se espera hasta el último momento

para extraerlo de su caja que lo contiene.

2. No calentar los rodamientos a temperaturas superiores a 120º C ya que podría

llegar a reducirse su dureza y por lo tanto acortar su vida

3. Limpiar y secar el eje, alojamiento y radios.

4. Verificar las dimensiones del eje y alojamiento.

5. Usar herramientas de montaje adecuadas que no tengan desgaste.

6. Evitar impactos. ¡No golpear con MARTILLO directamente al rodamiento!

7. Los rodamientos de rodillos cónicos se montan ajustándolos contra otro rodamiento,

generalmente del mismo tipo.

8. No utilizar soldaduras autógenas ni de arco en sitios cercanos donde se hallen

instalados o almacenados rodamientos.

TABLA 5.1 Cuadro de mantenimiento

Componente Inicio Semestral Anual 18 meses Bianual

RotorDesmontaje, limpiezaPintado, cambio de pernos

x

TornamesaLubricación de soporte móvil Repintado de estructura Cambio de rodamientos

x x x

x x x x x

VeletaLubricación de zonas de ensamblaje a tornamesaDesmontaje y repintado

x x x x

x x x

TorreRepintado de torreAjuste de pernos x x

x x x

x x

TrasmisiónLubricación de corredera y unión giratoriaRepintado de elementosCambio de rodamientos

x x x x

x x x x

BombasInspección de desagüesDesmontaje y cambio de empaques

x x x x

x x x

FUENTE: Los Autores