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CARACTERIZACIÓN DE ROTORES HIDROCINÉTICOS PARA UNA TURBINA FLUVIAL DE
PEQUEÑA ESCALA
Pedro Felipe Londoño Dávila
(201130031)
Profesor Asesor
Ing. Álvaro E. Pinilla S.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C. Mayo 2016
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CARACTERIZACIÓN DE ROTORES HIDROCINÉTICOS PARA UNA TURBINA FLUVIAL DE
PEQUEÑA ESCALA
Pedro Felipe Londoño Dávila
(201130031)
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO
Profesor Asesor
Ing. Álvaro E. Pinilla S.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C. Mayo 2016
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Nota de aceptación:
___________________________________________
___________________________________________
___________________________________________
___________________________________________
___________________________________________
___________________________________________
___________________________________________
_________________________________
Asesor
Bogotá D.C., mayo de 2016
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Bogotá D.C., mayo de 2016
Doctor
Jairo Arturo Escobar Gutiérrez
Director Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de los Andes
Estimado Doctor Escobar:
Por medio de la presente me permito poner a su consideración el proyecto de grado
“CARACTERIZACIÓN DE ROTORES HIDROCINÉTICOS PARA UNA TURBINA FLUVIAL DE
PEQUEÑA ESCALA”, elaborado por Pedro Felipe Londoño Dávila, como requisito parcial
para optar al título de Ingeniero Mecánico.
Cordialmente,
Pedro Felipe Londoño Dávila
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco en primer lugar a Dios y a la Virgen porque sin Ellos yo no hubiera llegado a
este punto. A mis padres y mis hermanos, les doy gracias por apoyarme a lo largo de la
carrera, gracias por estar ahí siempre y por sus valiosos consejos. También agradezco al
profesor Álvaro Pinilla por aceptar ser mi asesor, despertar mi interés en el tema y por
incentivarme a tomar decisiones durante el proyecto.
Agradezco a mis amigos que con su conocimiento y su tiempo hicieron esto posible.
Gracias por su amistad. Doy un especial agradecimiento a los técnicos de los
laboratorios de manufactura y de fluidos de la Universidad de los Andes por haberme
ayudado tanto, incluso cuando eso representó aportar parte de su tiempo.
Con todos ellos estoy eternamente agradecido.
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………… 1
1.1 Breve acercamiento a contexto colombiano……………………………………………. 1
1.2 Motivación………………………………………………………………………………………………. 1
1.3 Objetivos…………………………………………………………………………………………………. 2
2. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………………………………. 2
2.1 Conceptos básicos de rotores………………………………………………………………….. 2
2.2 Sistemas hidrocinéticos rotor-generador…………………………………………………. 4
2.3 Sellos mecánicos………………………………………………………………………………………. 5
3. MONTAJE EXPERIMENTAL……………………………………………………………………………….. 7
3.1 Montaje en el túnel de viento…………………………………………………………………… 7
3.2 Calibración de instrumentos……………………………………………………………………… 8
3.3 Medición del momento de inercia…………………………………………………………….. 9
3.4 Medición del momento par de arranque…………………………………………………… 10
3.5 Procesamiento de datos……………………………………………………………………………. 10
3.6 Selección y montaje experimental de sellos para cavidad hermética…………. 10
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………………………………………….. 11
4.1 Respuesta del rotor……………………………………………………………………………………. 11
4.2 Curvas filtradas de velocidad angular…………………………………………………………. 13
4.3 Curvas de coeficiente de potencia Cp…………………………………………………………. 14
4.4 Curvas de coeficiente de momento par Cq…………………………………………………. 15
4.5 Curvas de potencia contra velocidad angular……………………………………………… 16
4.6 Prueba de sello mecánico…………………………………………………………………………… 18
5. CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………… 18
6. RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO…………………………………………………. 19
7. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………… 20
8. ANEXOS
7
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Flujo durante la extracción de energía…………………………………………………….. 3
Figura 2 Curva de coeficiente de potencia contra razón de velocidades……………….. 3
Figura 3 Algunos sistemas de conversión de energía hidrocinética actuales…………. 4
Figura 4 Ilustración de los componentes de un sello mecánico…………………………….. 6
Figura 5 Vista frontal del montaje de rotores en el túnel de viento….…………………… 8
Figura 6 Montaje de los rotores en el túnel de viento…………………………………………… 9
Figura 7 Rotores sobre base circular balanceada………………………………………………….. 11
Figura 8 Esquema del montaje para medir el par de arranque……………………………… 11
Figura 9 Respuesta del rotor S………………………………………………..……………………………. 12
Figura 10 Respuesta del rotor M…………………………………………………………………………… 12
Figura 11 Curva filtrada de la respuesta del rotor S………………………………………………. 13
Figura 12 Curva filtrada de la respuesta del rotor M…………………………………………….. 14
Figura 13 Coeficiente de potencia para rotor S…………………………………………………….. 15
Figura 14 Coeficiente de potencia para rotor M…………………………………………………… 15
Figura 15 Coeficiente de momento par para rotor S…………………………………………….. 16
Figura 16 Coeficiente de momento par para rotor M……………………………………………. 16
Figura 17 Curvas de potencia contra velocidad angular del rotor S……………………….. 17
Figura 18 Curvas de potencia contra velocidad angular del rotor M……………………… 18
Figura 19 Esquema de prototipo deseado……………………………………..……………………… 19
Figura 20 Ensamble y montaje para prueba de sello……………………..……………………… 20
Figura 21 Desgaste del eje causado por el contacto con la cara fija del sello…………. 20
8
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Criterios de selección de sellos con base en el material de las caras………… 7
Tabla 2 Criterios de selección de sellos con base en el tipo de fluido……………………. 7
Tabla 3 Velocidades de viento para cada rotor en el túnel de viento……………………. 10
Tabla 4 Valores de momento de inercia para cada rotor………………………………………. 10
9
LISTADO DE VARIABLES
𝜆 Velocidad específica
𝜌 Densidad
Ω Velocidad angular
Ω Aceleración angular
A Área
𝐶p Coeficiente de rendimiento
𝐶q Coeficiente de momento par
I Momento de inercia
Q Momento par
R Radio
V Velocidad de viento
1
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Breve acercamiento al contexto colombiano
En la actualidad la búsqueda de nuevas formas de producción de energía se ha vuelto
uno de los principales objetivos de la ingeniería, ya que el desarrollo industrial y
tecnológico requieren de un buen suministro de esta. La alternativa que ofrece la
conversión de energía hidrocinética, o HEC por sus siglas en inglés, ha sido identificada
como una forma viable, significativa y ambientalmente amigable para suplir
electricidad (Laws & Epps, 2015) lo cual, sin duda, ha promovido el desarrollo de
numerosos estudios acerca de estas nuevas tecnologías, siendo así que la cantidad de
estudios y publicaciones sobre estas tecnologías es abundante en las bases de datos y
periódicos científicos.
Analizando el contexto colombiano, es claro que por ser uno de los países con mayor
cantidad de fuentes hídricas (Caracol Radio, 2012) la alternativa de extracción de
energía de las corrientes de agua cobra importancia. Adicionalmente, el hecho de que
Colombia no tenga una red eléctrica que abarque todos los rincones del territorio
nacional es un incentivo para la utilización y desarrollo de métodos portátiles de
producción energética como una solución viable a la falta de cobertura de la red
nacional, lo que facilitaría la realización de muchas actividades humanas y proveería
de servicios que actualmente muchas poblaciones rurales carecen.
La idea de implementar tecnología de HEC en pequeña escala en Colombia podría en
definitiva contribuir al posterior desarrollo o utilización de sistemas de producción de
gran escala diferentes a los embalses o represas tradicionales, que por varias décadas
han sido la solución más común en el país (La República, 2015). Pensando en los
efectos ambientales, la llegada de tales sistemas aportaría en gran medida a eliminar
la dependencia de combustibles fósiles para generación de electricidad que, aunque
pequeña, reduciría las emisiones de CO2 especialmente en el archipiélago de San
Andrés y Providencia donde cerca del 90% del suministro eléctrico se obtiene de la
combustión de Diesel (National Renewable Energy Laboratory USA, 2015).
1.2 Motivación
Este proyecto es una iniciativa de la Armada Nacional con el que se busca obtener
energía eléctrica para el consumo humano a partir de la corriente de los ríos. Es por
tanto, un proyecto que trae consigo una amplia investigación.
Ahora bien, el presente proyecto consiste en realizar la caracterización de dos rotores
con diferentes perfiles, que fueron diseñados por Andrés Felipe Sánchez Porras y
Rafael Machado Molina, con el propósito de validar los datos que ellos reportaron y
así aportar información para la selección de uno de los perfiles para la construcción de
2
un futuro prototipo de sistema hidrocinético de rotor-generador de eje horizontal para
producción a pequeña escala.
En este documento no se tratará información sobre el diseño de perfiles sino
solamente conceptos básicos de su funcionamiento. Para efectos de este documento
se usarán los términos rotor S y rotor M haciendo referencia a los rotores fabricados
por Sánchez y Machado respectivamente. Sin perjuicio de lo anterior para obtener
información detallada sobre los trabajos realizados por ellos se debe consultar las
siguientes referencias (Sánchez, 2015) (Machado, 2015).
1.3 Objetivos
El objetivo principal de este proyecto es aportar nueva información que permita
avanzar en la construcción de un prototipo sumergible de un sistema rotor-generador.
Los siguientes objetivos específicos se han planteado para alcanzar el principal:
- Manufacturar el rotor M
- Caracterizar ambos rotores y postular alguno para su uso en el prototipo futuro
- Proponer y probar un tipo de sello mecánico
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1 Conceptos básicos de rotores
A diferencia de muchos mecanismos o máquinas, los rotores y en general las hélices,
poseen bajas eficiencias porque existen leyes que así lo dictan. El alemán Albert Betz
hizo uno de los descubrimientos más importantes sobre rotores al formular lo que hoy
se conoce como la ley de Betz, la cual determina el valor teórico máximo de la energía
que se puede extraer de un flujo de aire.
La extracción de energía del viento funciona de la siguiente manera. Si se tiene un flujo
de aire con velocidad V1 y área A1 que circula a través de un rotor de área A habrá un
cambio en la velocidad y el área del flujo de aire justo cuando pasa por el rotor,
haciendo que la velocidad de salida V2 sea menor a V1 y que el área de salida A2 sea
mayor a A1. Las relaciones de V1A1 = V2A2 indican que el flujo másico se conserva, pero
no la energía cinética del viento. La siguiente figura describe el caso.
Figura 1 Flujo durante la extracción de energía (Sánchez, 2015).
El límite de energía capaz de extraerse del viento encontrado por Betz es de 0,593 y se
logra sólo cuando la relación entre las V2 y V1 es de 1/3. Este límite se representa en
coeficiente de potencia Cp que es la relación entre la potencia del rotor y la potencia
del viento en un área determinada. La siguiente figura expone la relación.
4
Figura 2 Curva de coeficiente de potencia contra razón de velocidades (Hau, 2005).
Esta relación descrita por Betz no se mantiene cuando el flujo es de agua ya que este
es un fluido menos compresible y los cambios de presión con considerablemente más
grandes en este medio (Kirke, 2003). Sin embargo, como este proyecto busca
caracterizar los rotores en un túnel de viento se vuelve relevante conocer esta relación
para tener una idea de lo que es posible lograr. Una forma de comparar el desempeño
de diferentes rotores es obteniendo las curvas adimensionales de coeficientes de
momento par Cq y coeficientes de potencia Cp que están en función de la velocidad
relativa de rotor λ, así la dependencia de la velocidad del viento desaparece. Los
valores adimensionales se describen a continuación.
Con A como el área del rotor que se calcula con su radio R, P la potencia mecánica de
este, Q el momento par producido por el rotor, y Ω la velocidad angular.
2.2 Sistemas hidrocinéticos rotor-generador
La tecnología de conversión de energía hidrocinética se divide en tres tipos según los
sitios donde operarán; estos son ríos, estuarios y canales, y océanos. A la fecha la
mayoría de la investigación y desarrollo ha estado dirigida a los sistemas posicionados
en estuarios y canales (Laws & Epps, 2015). Los conversores hidrocinéticos también
son clasificados según la forma en como extraen la energía, siendo las categorías flujo
horizontal, flujo cruzado y oscilante.
La mayoría de sistemas hidrocinéticos lo constituyen configuraciones de flujo
horizontal (Laws & Epps, 2015) ya que la manufactura de los perfiles de este tipo de
conversores es compleja y costosa, la atención en el desarrollo está centrada en la
producción de los perfiles mediante métodos locales que permitan reducir el precio de
5
producción. Sin embargo, existen sistemas que se comercializan para producción de
altas tasas de energía, como los que se muestran en seguida.
Figura 3 Algunos sistemas de conversión de energía hidrocinética actuales (Laws & Epps, 2015).
Como se dijo anteriormente, el desarrollo de este proyecto está dirigido a la obtención
de información para un prototipo de pequeña escala, aunque se considera
fundamental conocer algunos aspectos y sistemas que actualmente se comercializan.
2.3 Sellos mecánicos
Un sello mecánico es un dispositivo que se usa para sellar la interfaz entre un eje
rotatorio y un alojamiento o cavidad estacionaria, es decir que existe una parte del
sello que se encuentra en movimiento, pero otra que no lo está, aunque ambas estén
en contacto. Estas partes en contacto se denominan caras del sello y generalmente
existe una delgada película del fluido entre ellas que ayuda a lubricar y evita que se
quemen por la fricción. También se encuentran los sellos secundarios que se encargan
de sellar los componentes internos de los sellos y en la mayoría de los casos son
estacionarios, significando que no hay movimiento relativo entre estos. La siguiente
figura muestra un esquema simple de un sello mecánico.
6
Figura 4 Ilustración de los componentes de un sello mecánico (Heubner).
En la figura anterior también se detallan resortes cuya función es mantener la presión
entre las caras cuando haya movimiento. Ya que lo que define el desempeño de los
sellos mecánicos es el material de sus caras, se mostrarán algunas tablas que
proporcionan criterios de selección según el tipo de material de las caras y fluido que
se desea retener (Heubner).
7
Tabla 1 Criterios de selección de sellos con base en el material de las caras (Heubner).
Tabla 2 Criterios de selección de sellos con base en el tipo de fluido (Heubner).
De las tablas anteriores se deduce que los sellos de Silicio son los más adecuados para
el uso en el prototipo por su alta resistencia a la abrasión que pueden causar los
sedimentos, y por su alto desempeño en aplicaciones generales. Por eso se diseñará
un banco de prueba para evaluar su desempeño.
8
3. MONTAJE EXPERIMENTAL
3.1 Montaje en túnel de viento
La medición de la velocidad angular del rotor en el túnel de viento se realizó utilizando
un motor DC comercial como generador. Para realizar la adquisición de datos se
configuró el montaje como circuito abierto, de esta manera el motor genera un voltaje
en función de la velocidad de su eje sin que exista carga eléctrica. Las siguientes
imágenes muestran los rotores utilizados y debajo de estas se encuentra la
información técnica.
Figura 5 Vista frontal del montaje de rotores en el túnel de viento.
Rotor M Rotor S
Diámetro: 30 cm Diámetro: 30 cm
Material: Resina Clear® Material: ABS
Vel. Específica de diseño (λ): 3 Vel. Específica de diseño (λ): 5
Inercia (kg mm2): 475 Inercia (kg mm2): 116
NOTA: La principal diferencia geométrica entre ambos rotores es la variación del
ángulo a lo largo del aspa. El Rotor M tiene una variación pronunciada mientras que
las aspas del Rotor S tienden a una geometría más plana.
El programa utilizado para la toma de datos fue LabView. Para las pruebas en el túnel
se decidió medir la respuesta de los rotores desde el reposo hasta la velocidad de
desboque. La acomodación de cada rotor dentro del túnel de viento se muestra en las
siguientes imágenes.
9
Figura 6 Montaje de los rotores en el túnel de viento.
A los datos adquiridos de velocidad angular en función del tiempo se les realizó el
ajuste de un polinomio de grado 6 para poder derivarlo y así obtener los datos de
aceleración angular en función del tiempo. Utilizando la inercia (ver sección 3.3) de
cada rotor se calculó la potencia y el par generados mediante las siguientes
ecuaciones:
𝑄 = 𝐼 Ω
𝑃 = 𝑄 Ω
Con los valores de potencia y momento para se calcularon los coeficientes
adimensionales de potencia y momento par, que se definen como:
𝐶𝑝 =𝑃
12 𝑉3𝜌𝐴
𝐶𝑡 = 𝑃
12 𝑉2𝜌𝐴𝑅
3.2 Medición de velocidad en el túnel de viento
Para el desarrollo de las pruebas se establecieron 8 diferentes velocidades del
ventilador del túnel de viento. Debido a que la geometría e inercia de ambos rotores
es diferente las velocidades de circulación del viento al interior del túnel variaban
10
durante los ensayos, por lo que los valores de velocidad de viento incidente sobre
cada rotor son ligeramente diferentes y se detallan en la siguiente tabla.
Tabla 3 Velocidades de viento para cada rotor en el túnel de viento.
3.3 Medición del momento de inercia
Para obtener los valores de momento de inercia de cada rotor se utilizó el método del
péndulo trifilar. Con el objetivo de no abrir huecos en los rotores se fabricó y balanceó
una base de madera de forma circular sobre la cual se fijaron los rotores. Este método
proporciona la inercia del objeto con respecto a un eje que pasa por su centro
midiendo el tiempo de cada oscilación. Los resultados de la inercia de cada rotor están
contenidos en la siguiente tabla.
Tabla 4 Valores de momento de inercia para cada rotor.
Inercia [kg mm2]
Rotor M 475
Rotor S 116
Velocidad del ventilador (rpm)
Velocidad del viento (m/s)
Rotor M Rotor S
150 4,3 4,5
175 5,4 5,7
200 6,5 6,8
225 7,6 8,1
250 8,7 9,3
275 9,8 10,4
300 11,0 11,6
325 12,1 12,8
11
Figura 7 Rotores sobre base circular balanceada.
3.4 Medición del momento par de arranque
El momento par de arranque fue medido utilizando una masa de 50 g calibrada, que se
sujetó al prisionero del eje por una cuerda, y aumentando la velocidad del viento hasta
que quedara en equilibrio. Conociendo el radio del eje de ambos rotores se calcula su
momento par de arranque con la velocidad del viento.
Figura 8 Esquema del montaje para medir el par de arranque (Sánchez, 2015).
3.5 Procesamiento de datos
Debido a la gran cantidad de ruido obtenido en los datos adquiridos se requirió
realizar un filtro en Matlab, teniendo en cuenta la frecuencia de muestreo de 40 Hz
configurada en el programa de adquisición LabVIEW. El código implementado se
encuentra en los archivos anexos.
12
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS
4.1 Respuesta del Rotor
La respuesta de cada rotor acoplado al motor DC a las diferentes velocidades de viento
incidente se muestra a continuación
Figura 9 Respuesta del rotor S.
Figura 10 Respuesta del rotor M.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 2 4 6 8 10
Vo
ltaj
e (
V)
Tiempo (s)
4,5 m/s
8,1 m/s
11,6 m/s
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 2 4 6 8 10 12 14
Vo
ltaj
e (
V)
Tiempo (s)
4,3 m/s
8,7 m/s
12,1 m/s
13
Las gráficas anteriores muestran una respuesta de voltaje en función del tiempo ya
que es esta la señal que se obtiene utilizando el motor DC como generador. Para
ambos rotores se observa que la dispersión de los datos va aumentando a medida que
lo hace la velocidad del viento, lo que se debe en su mayor parte a las vibraciones del
montaje (Agnieszka, 2005). Lo anterior no quiere decir que el banco de pruebas
vibrara en exceso, sino que el motor DC es extremadamente sensible a dichas
oscilaciones. Lo anterior se comprobó haciendo girar el motor DC a muy bajas
revoluciones, a velocidades de viento muy bajas, donde no hay vibraciones y
obteniendo líneas muy suaves.
4.2 Curvas filtradas de velocidad angular
Posteriormente se filtraron los datos de cada rotor y mediante la ecuación encontrada
en la calibración del motor DC se obtuvieron, mediante método indirecto, las curvas
de velocidad. Estas se encuentran en las siguientes gráficas.
Figura 11 Curva filtrada de la respuesta del rotor S.
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 2 4 6 8 10
Ve
loci
dad
an
gula
r (R
PM
)
Tiempo (s)
4,5 m/s
8,1 m/s
11,6 m/s
14
Figura 12 Curva filtrada de la respuesta del rotor M.
De las gráficas anteriores se observa que la diferencia entre las velocidades de
desboque para ambos rotores están casi uniformemente espaciadas, lo cual indica que
el aumento de la velocidad en el rotor para cada velocidad de viento tiene un
comportamiento casi lineal. La velocidad de desboque fue verificada con el tacómetro
para validar que fuera la indicada en la conversión de voltaje a velocidad. La diferencia
máxima encontrada entre el valor medido con el motor DC y con el tacómetro fue de
47 RPM, indicando que la señal de voltaje es bastante precisa.
4.3 Curvas de coeficiente de potencia Cp
Las curvas de coeficiente de potencia CP al igual que las de coeficiente de momento
par CQ fueron graficadas a partir de un ajuste a un polinomio de grado 6 hecho a las
curvas filtradas de velocidad. El coeficiente de potencia CP para ambos rotores se
encuentra graficado a continuación.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 5 10 15
Vel
oci
dad
an
gula
r (R
PM
)
Tiempo (s)
4,3 m/s
8,7 m/s
12,1 m/s
15
Figura 13 Coeficiente de potencia para rotor S.
De la gráfica del rotor de Sánchez las curvas tienden a agruparse con excepción de la
que corresponde a una velocidad de viento de 6,9 m/s, la cual se separa porque los
datos fueron afectados por la amplitud de las vibraciones en ese punto de operación.
Es decir que el banco osciló ligeramente con mayor amplitud cuando la velocidad del
viento era de 6,9 m/s. Sin embargo, se detalla un Cp de 0,19 a una velocidad específica
λ de 4,4. Estos resultados difieren en pequeña medida con los reportados por Sánchez
(2015) con Cp de 0,22 y λ de 3,8. El valor de λ obtenido en estas pruebas se aproxima
mucho más al valor de diseño de 5.
Figura 14 Coeficiente de potencia para rotor M.
Al contrario de los resultados del rotor de Sánchez, el rotor de Machado presenta
curvas de Cp con menos dispersión, con excepción de la velocidad de viento de 4,3
m/s. Para este rotor esta curva se separa en gran medida de las demás ya que, por su
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0 1 2 3 4 5 6 7
Cp
λ
4,5 m/s
5,7 m/s
6,9 m/s
8,1 m/s
9,3 m/s
10,4 m/s
11,6 m/s
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0 1 2 3 4 5
Cp
λ
4.3 m/s
6.5 m/s
7,6 m/s
8,7 m/s
9,8 m/s
11.0 m/s
12.1 m/s
16
mayor inercia, que equivale a más de tres veces la del rotor Sánchez, las velocidades
bajas de viento apenas logran hacerlo girar. Lo anterior indica que las fuerzas de
fricción y vibraciones son más notorias a velocidades bajas de viento en este rotor.
Este rotor obtuvo un Cp de 0,16 y λ de 3,3. La velocidad específica de diseño para este
rotor es de 3, siendo la obtenida muy cercana a esta. El valor de Cp difiere bastante
con el reportado por Machado (2015) de 0,34 para λ de 3,7.
4.4 Curvas de coeficiente de momento par Cq
Las curvas de coeficiente de momento par se detallan a continuación.
Figura 15 Coeficiente de momento par para rotor S.
Figura 16 Coeficiente de momento par para rotor M.
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0 1 2 3 4 5 6 7
Cq
λ
4,5 m/s
5,7 m/s
6,9 m/s
8,1 m/s
9,3 m/s
10,4 m/s
11,6 m/s
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0 1 2 3 4 5
Cq
λ
4.3 m/s
6.5 m/s
7,6 m/s
8,7 m/s
9,8 m/s
11.0 m/s
12.1 m/s
17
A las velocidades de viento de 6,9 y 4,3 m/s las curvas de Cp aparecen desplazadas al
igual que sucedió en las curvas de Cp en ambos rotores. Para el rotor de Sánchez se
tiene Cq de 0,047 en λ de 3,0 y para el rotor de Machado (2015) se tiene un Cp de
0,063 a λ de 1,5. El valor de momento par de arranque obtenido para el rotor S y el
rotor M son de 0,018 y 0,025 respectivamente.
Los estudios anteriores de Sánchez (2015) y Machado (2015) reportaron Cq de 0,067 a
λ de 2,9 y Cq de 0,11 a λ de 2,5 respectivamente. En ambos casos el Cq se ve reducido
considerablemente.
4.5 Curvas de potencia contra velocidad angular
Claramente es necesario conocer el valor de la potencia mecánica que el rotor es
capaz de entregar a cualquier sistema acoplado a este. Por este motivo se muestra en
seguida las curvas de potencia para el rango de revoluciones operado en el túnel de
viento.
Figura 17 Curvas de potencia contra velocidad angular del rotor S.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 1000 2000 3000 4000 5000
Po
ten
cia
(W)
RPM
4,5 m/s
9,3 m/s
11,6 m/s
18
Figura 18 Curvas de potencia contra velocidad angular del rotor M.
De las anteriores curvas se detalla que el rango óptimo de operación para el rotor de
Sánchez, dentro de las velocidades de viento utilizadas, se encuentra entre las 1300 y
3500 RPM. Por otro lado, el rango de óptimo para el rotor de Machado se encuentra
entre las 600 y las 2500 RPM. Adicionalmente se observa que para velocidades de
viento similares el rotor de Sánchez produce menor potencia, lo cual es consecuente
con los resultados menores de Cp y Cq encontrados.
4.6 Prueba de sello mecánico
El sello seleccionado para esta prueba es un sello tipo 6 (sello de resorte corto) el cual
consta de paredes deslizantes y fijas fabricadas en carburo de silicio, que como
describen las tablas 4 y 5 son ideales para sellar agua con sedimentos y residuos como
los que se encuentran en los ríos que generan alta abrasión. Sin embargo, a causa del
alto precio de venta se optó por realizar el montaje con el mismo tipo de sello (tipo 6)
pero con carbono como material de la cara móvil y un cerámico recubierto con nitrilo
en la cara fija.
El prototipo del sistema rotor generador que se desea producir se muestra en la figura
0
2
4
6
8
10
12
0 1000 2000 3000 4000
Po
ten
cia
(W)
RPM
4,3 m/s
9,8 m/s
12,1 m/s
19
Figura 19 Esquema de prototipo deseado.
El montaje para esta prueba consiste en una cavidad sellada fabricada con un tubo de
11
4 pulgadas con sus respectivas tapas en el mismo material. Una de las tapas posee un
agujero de 1 pulgada de diámetro en su cara mientras que la otra tiene uno de 11
8
pulgadas de diámetro en el mismo lugar. La perforación de 1 pulgada aloja la cara fija
del sello y la de 11
8 aloja un rodamiento para el eje. Ya que lo que se quiere impedir en
este caso es la entrada de fluido al interior de la cavidad se necesita que la parte móvil
del sello quede fuera de la ella, de tal manera que el fluido cree una película lubricante
entre las dos caras del sello.
Para evaluar el desempeño de esta configuración se acopla un motor eléctrico DC al
eje haciendo que este gire a 1500 rpm mientras que la cara del extremo donde está el
sello se encuentre sumergida. Adicional a esto se dejó sumergido el montaje por 3 días
para verificar su eficacia fuera de operación. En la prueba con el motor acoplado la
masa de la cavidad de PVC fue medida antes de ser sumergida y se controló cada 30
minutos durante 4 horas para verificar que no existiera entrada de agua.
Adicionalmente el eje fue desmontado para asegurarse de que la cavidad estuviera
seca en el interior. Los planos de cada parte manufacturada y del ensamble de la
cavidad sellada se encuentran en los anexos. A continuación se detallan la imagen del
montaje.
20
Figura 20 Ensamble y montaje para prueba del sello.
El montaje presentado anteriormente selló adecuadamente la cavidad en prueba
estática, es decir que su masa no aumentó y se mantuvo en 344,3 g después de 3 días.
Durante la prueba de 4 horas acoplado al motor eléctrico el sello cumplió su objetivo
también y no permitió el ingreso de líquido. Sin embargo, el hecho de que el eje de
aluminio se apoyara sobre la cara fija del sello ocasionó desgaste sobre este, sin efecto
alguno mientras el eje giraba, haciendo que las caras del sello no quedaran alineadas y
ocasionando la entrada de agua una vez que el eje se detuvo. Se pensó que utilizar un
rodamiento en el extremo del sello no era necesario ya que el eje no estaba sometido
a cargas laterales ni axiales tan grandes como las que genera un rotor bajo el agua,
pero el resultado fue indeseado para la prueba. Las imágenes del desgaste se
muestran a continuación.
Figura 21 Desgaste del eje causado por el contacto con la cara fija del sello.
21
5. CONCLUSIONES
Con base en los resultados obtenidos se concluye que las vibraciones de los montajes
pueden afectar radicalmente las curvas adimensionales de los rotores como se notó
en 2 valores de velocidades. Incluso las oscilaciones mínimas se ven reflejadas en los
datos adquiridos. No obstante, los resultados obtenidos se consideran coherentes con
la realidad y se afirma que el uso de un motor DC como generador es un adecuado
instrumento de medición.
En cuanto al desempeño de los rotores se comprobó que a pesar de ser diseñados con
velocidades específicas y geometrías totalmente diferentes sus coeficientes de
potencia son similares. Lógicamente el hecho de operar a velocidades angulares
similares, pero tener inercias muy diferentes hace que el rotor que posea la mayor
inercia genere más potencia.
Respecto al sello mecánico utilizado se concluye que, aunque no fue el del material
seleccionado, cumple satisfactoriamente su función. La configuración utilizada para
este montaje funciona, pero es posible realizar ciertas mejoras para evitar desgastes
indeseados en partes críticas como el eje.
22
6. RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO
En primer lugar, se recomienda adquirir un tacogenerador como instrumento de
medición para caracterizar rotores. Estos producen una señal más precisa que se
distorsiona menos con las vibraciones.
Para el montaje de prueba del sello mecánico se recomienda incluir un rodamiento en
el extremo donde se ubica el sello, de tal manera que el eje no gire sobre la cara fija de
este y no produzca desgastes indeseados. Además, se sugiere realizar la prueba con
los sellos del material escogido en un ambiente que simule la cantidad de sedimentos
y posibles contaminaciones que un río contiene.
Finalmente se recomienda medir el consumo de potencia de la configuración de sello
utilizada ya que podrían representar un valor significativo en comparación con la
potencia producida por el rotor.
23
7. BIBLIOGRAFÍA
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Caracol Radio. (23 de marzo de 2012). Obtenido de
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nuevas-hidroel%C3%A9ctricas-generar%C3%A1n-517-megavatios-m%C3%A1s-para-
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Sánchez P, A. F. (2015). Diseño y caracterización de un rotor eólico para bajo número de Reynolds.
Bogotá, Colombia: Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes.
24
ANEXOS
Curva de calibración de motor DC utilizado como generador
Código de filtro en MATLAB
clear all;clc f=40; %Filtro fc=.25; [J,P]=butter(2,fc/(f/2));
y = 4967,3x - 29,991R² = 0,9994
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
RP
M
Voltaje
DETAIL A
SCALE 2 : 1
A
SHEET 1 OF 1
DRAWN by
CHECKED
QA
MFG
APPROVED
13/05/2016
SIZE
A4
SCALE
REV
Pedro Felipe Londoño
Universidad de los Andes
Aluminio
Eje
Todas la medidas son en milímitro a menos de
que se especifique lo contrario. Toadas las
tolerancias son ± 0.45
1:1
Title
12.75
15.88
11.70
1.15
19.90
179.85
R.45
25.50
SHEET 2 OF 4
DRAWN by
CHECKED
QA
MFG
APPROVED
13/05/2016
SIZE
A4
SCALE
REV
Pedro Felipe Londoño
Universidad de los Andes
PVC
Contenedor
Todas la medidas son en milímitro a menos de
que se especifique lo contrario. Toadas las
tolerancias son ± 0.45
1:1
Title
151.50
Segmento de tubo de PVC de 1
1
4 in diámetro nominal
SHEET 3 OF 4
DRAWN by
CHECKED
QA
MFG
APPROVED
13/05/2016
SIZE
A4
SCALE
REV
Pedro Felipe Londoño
Universidad de los Andes
PVC
Tapones
Todas la medidas son en milímitro a menos de
que se especifique lo contrario. Toadas las
tolerancias son ± 0.45
1:1
Title
Tapón para tubería de 1
1
4 in con agujero centrado y pasante de 1
1
8 in
Tapón para tubería de 1
1
4 in con agujero centrado y pasante de 1 in
SHEET 4 OF 4
DRAWN by
CHECKED
QA
MFG
APPROVED
13/05/2016
SIZE
A4
SCALE
REV
Pedro Felipe Londoño
Universidad de los Andes
PVC
Explosión de
montaje para prueba
de sello
El ensamble se realiza en el como lo muestra la
imagen.
1:3
Title
Eje
Tapón con agujero de 1 in
Segmento de tubo de PVC
Tapón con agujero de 1
1
8 in
Rodamiento para eje de
1
2 in y diámetro externo de 1
1
8 in
Sello mecánico de carbón - nitrilo tipo 6 par eje de
1
2 in (parte móvil)
Parte fija del sello
4
BENEFITS
VENTAJAS
RANGOS DE OPERACIÓN
OPERATING RANGES
PRESIÓN: Vacío a 145 psig (10 bar)
TEMPERATURA: Hasta 217°F (103°C)
VELOCIDAD: 2362 fpm (12m/s)
PRESSURE: Vacuum to 145 psig (10 bar)
TEMPERATURE: Up to 217°F (103°C)
VELOCITY: 2362 fpm (12m/s)
Medidas en pulgadas / Dimensions in inches
SELLO RESORTE CORTO TIPO 6COMPACT SIMPLE SPRING SEAL TYPE 6
++
++
Diseñado para sellar fluidos no agresivos tales como agua doméstica, de riego, minería y otros similares.
Mechanical seal designed with short working length for sealing domestic water and others non aggressive fluids.
AISI 304.
Carbon.
Ceramic.
Buna.
MATERIALES
MATERIALS
AISI 304.
Carbón .
Cerámica.
Buna.
SEALCOSELLADO DE FLUIDOS
R
1/2"
5/8"
3/4”
1”
0.930”
1.185”
1.302”
1.552”
23.62
30.10
33.07
39.42
25.40
31.75
34.93
41.28
6.35
10.31
10.31
11.10
16.66
18.24
18.24
20.62
1.000”
1.250”
1.375”
1.625”
0.250”
0.406”
0.406”
0.437”
0.656”
0.718”
0.718”
0.812”
EJESHAFT
Ø A
Inch Inch Inch Inch Inchmm mm mm mm
DIAMETRO EXTERIOR
Ø B
CAJACOUNTERBORE
Ø C
LONGITUD DE OPERACIÓNWORKING LENGTH
L
ALTURA ASIENTO
DSEAT HEIGHT
vige
ncia
a p
artir
del
20
09
0014/r
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6/0
9
0207 Rev 10/12
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