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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MECÁNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA HIDRÁULICA

DE BAJA ALTURA

Por:

T.S.U. Zeus Oliver Anca Vega

PROYECTO DE GRADO

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Abril de 2016





DE BAJA ALTURA

Por:

T.S.U. Zeus Oliver Anca Vega

Realizado con la asesoría de:

Tutor Académico: Javier Antonio Palencia Cuenca

PROYECTO DE GRADO

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Abril de 2016

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DE BAJA ALTURA

RESUMEN:

El siguiente proyecto de grado consistió en el diseño y construcción de una turbina hidráulica

de baja altura, para ser ensayada en el canal de medición del Laboratorio de Conversión de

Energía Mecánica, con el fin de estudiar la generación de energía a baja escala para nuestro país

y así aprovechar los sistemas de agua de nuestra naturaleza, sin afectar al medio ambiente. El

proyecto comenzó con el levantamiento de información acerca del los tipos de Turbomáquinas

Hidráulicas. Posteriormente, se generó un plan de trabajo iniciado por actividades de adecuación

del banco de pruebas y armado de la estructura de sujeción de la turbina hidráulica, para los

distintos tipos de ensayos a realizar. En paralelo, se comenzó con la elaboración de varios

modelos de Turbinas Hidráulicas, diseñándose en los software Autocad® 2012 y SolidWorks®

2013; se depuraron tomando en cuenta la posibilidad real de su ensamble y construcción, el tipo

de material y su existencia en el mercado nacional y la alternativa de que la estructura sea

adaptable a distintas configuraciones de álabes haciéndola versátil. De los diseños elaborados se

eligió el más factible para su construcción, pasando previamente por la realización de 2

simulaciones en el programa SolidWorks® 2013, una estática y otra dinámica, con el fin de

determinar la factibilidad de la construcción del modelo y los ajustes requeridos para soportar los

esfuerzos a los que estaría sometida la rueda hidráulica.

Palabras Claves: Canal de Medición, Rueda hidráulica, Banco de Pruebas, Diseño mecánico,

SolidWorks® 2013, Simulación, Resistencia de materiales.

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DEDICATORIA

A toda mi familia.

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AGRADECIMIENTOS

A mi hijo Ulises por alegrarme el día cada vez que lo veía en las mañanas, al mediodía y en la

noche.

A mi esposa Ibis que me ha apoyado en toda mi vida académica.

Quiero agradecer a toda mi familia, a mis padres y hermanas, por darme su apoyo durante toda

mi vida y mi carrera. Gracias a todos.

A mi tutor Javier Palencia por guiarme en el camino correcto durante la realización de todo el

proyecto de grado.

A mis amigos en la Universidad, muchos de ellos me acompañaron desde el año 2004 cuando

cursamos la carrera de TSU en mecánica y mantuvimos nuestra amistad mientras cursamos la

Ingeniería Mecánica, ellos son Sergio Rapa, Miguel Cartaya, Anderson Barrios.

A la amistad creada con Ana Raquel, Atilio y Nelson.

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ÍNDICE GENERAL

RESUMEN ..................................................................................................................................... iv

DEDICATORIA ............................................................................................................................. iv

AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................. vi

ÍNDICE GENERAL ...................................................................................................................... vii

ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................................................... x

ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................. xi

ABREVIATURAS ....................................................................................................................... xiii

NOMENCLATURA ..................................................................................................................... xiv

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1

CAPÍTULO 1 EL PROBLEMA ...................................................................................................... 3

1.1. Planteamiento del problema .................................................................................................. 3

1.2. Justificación .......................................................................................................................... 4

1.3. Objetivos del proyecto .......................................................................................................... 4

1.3.1. Objetivo general ............................................................................................................. 4

1.3.2. Objetivos específicos...................................................................................................... 4

1.4. Antecedentes ......................................................................................................................... 5

1.4.1. Turbina Garman ............................................................................................................. 5

1.4.2. Turbina Tyson ................................................................................................................ 6

CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 8

2.1. Turbomáquina ....................................................................................................................... 8

2.2. Turbomáquinas hidráulicas ................................................................................................... 8

2.2.1. Clasificación de las turbomáquinas hidráulicas ............................................................. 9

2.2.1.1. Según la función que desempeñan ............................................................................ 9

2.2.1.2. Por el cambio de presión en el rodete ..................................................................... 10

2.2.1.3. De acuerdo al diseño del rodete .............................................................................. 10

2.3. Partes de una turbomáquina ................................................................................................ 11

2.3.1. Partes rotativas ............................................................................................................. 11

2.3.1.1. Rodete ..................................................................................................................... 12

2.2.1.2. Eje o árbol ............................................................................................................... 12

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2.3.2. Partes estáticas.............................................................................................................. 13

2.3.2.1. Entradas y salidas .................................................................................................... 13

2.3.2.2. Álabes directores ..................................................................................................... 13

2.3.2.3. Cojinetes, rodamientos o rolineras .......................................................................... 14

2.3.2.4. Sellos ....................................................................................................................... 18

2.4. Freno Prony ......................................................................................................................... 18

2.5. Esfuerzo en los rodamientos ............................................................................................... 19

2.6. Vida de los rodamientos ..................................................................................................... 20

2.7. Vida ajustada ....................................................................................................................... 22

2.8. Rueda hidráulica ................................................................................................................. 23

2.9. Tipos de ruedas hidráulicas ................................................................................................. 24

CAPÍTULO 3 MARCO METODOLOGICO ............................................................................... 30

3.1. Adecuación del banco de pruebas ....................................................................................... 31

3.1.1. Mesa rodante y la caja del tablero de control ............................................................... 31

3.1.2. Adecuación del cableado en el tablero de control ........................................................ 32

3.1.3. Estructura de soporte para la rueda hidráulica con freno Prony .................................. 32

3.1.4. Instrumentación para la lectura de variables en el canal para cada experimento ........ 34

3.2. Mantenimiento del canal de medición ................................................................................ 35

3.2.1. Compuerta para el control del nivel de agua ............................................................... 35

3.3. Diseno de la turbina hidráulica ........................................................................................... 38

3.3.1. Configuraciones iniciales de 5, 7 y 9 álabes ................................................................ 39

3.3.2. Primer diseño con refuerzos y muestra de su estructura central .................................. 40

3.3.3. Segundo diseño con álabes cortos ................................................................................ 40

3.3.4. Diseño de turbina para el canal de medición del Laboratorio de Física. ..................... 41

3.3.5. Tercer diseño de álabes con nervios de refuerzo.......................................................... 42

3.3.6. Cuarto diseño de hierro dúctil y aro de refuerzo .......................................................... 43

3.3.7. Simulación en Solid Works® 2013 .............................................................................. 45

3.4. Costrucción de la turbina hidráulica ................................................................................... 50

3.4.1. Eje de la turbina hidráulica........................................................................................... 50

3.4.2. Pieza del extremo A ..................................................................................................... 51

3.4.3. Pieza del extremo B...................................................................................................... 52

ix

3.4.4. Cuerpo intercambiable de los álabes ............................................................................ 52

3.4.5. Rodamientos ................................................................................................................. 56

3.4.6. Ensamblaje de las piezas .............................................................................................. 57

CAPÍTULO 4 RESULTADOS ..................................................................................................... 60

4.1. Estudio estático ................................................................................................................... 60

4.2. Estudio dinámico ................................................................................................................ 61

4.3. Software SolidWorks® 2013 .............................................................................................. 62

4.4. Análisis de resultados de la turbina hidráulica en operación .............................................. 62

4.5. Costos asociados al prototipo construido ............................................................................ 63

CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 65

RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 67

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 68

ANEXO 1 SIMULACION ESTÁTICA EN TURBINA DE ÁLABES RECTOS ....................... 69

ANEXO 2 SIMULACION DINAMICA EN TURBINA DE ÁLABES RECTOS ...................... 81

ANEXO 3 SIMULACION DINAMICA EN TURBINA HELICOIDAL A 27⁰ .......................... 94

ANEXO 4 SIMULACION DINAMICA EN TURBINA HELICOIDAL A 52⁰ ........................ 106

ANEXO 5 PLANOS .................................................................................................................... 116

ANEXO 6 FACTURAS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION ............................... 121

x

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Listado de precios de materiales para la barra central del diseño 3 (27/07/15).. .......... 42

Tabla 3.2 Presión hidrostática de referencia, la de los álabes superiores y los inferiores ............. 46

Tabla 3.3 Conversión de la presión hidrostática de atm a N/m2.................................................... 47

Tabla 3.4 Porcentaje de referencia de la presión a nivel del mar versus la de los álabes. ............. 47

Tabla 3.5 Presión hidrostática, profundidad promedio de cada álabe (derechos e izquierdos). .... 47

Tabla 3.6 Especificaciones del rodamiento rígido de bolas obturado serie 6000 2RS. ................. 56

Tabla 4.1 Listado de precios de materiales adquiridos para construcción de turbina hidráulica .. 63

Tabla 4.2 Listado de precios estimados para los materiales existentes ......................................... 63

xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Turbina Garman ............................................................................................................. 6

Figura 1.2 Turbina Tyson. ............................................................................................................... 7

Figura 2.1 Rodete radial. ............................................................................................................... 12

Figura 2.2 Rodete axial. ................................................................................................................. 12

Figura 2.3 Grado de osculación. .................................................................................................... 20

Figura 2.4 Ruedas movidas por el costado. ................................................................................... 23

Figura 2.5 Ruedas movidas por debajo. ........................................................................................ 23

Figura 2.6 Ruedas movidas por arriba ........................................................................................... 24

Figura 2.7 Rueda hidráulica Undershot con sus respectivos movimientos ................................... 25

Figura 2.8 Rueda hidráulica Overshot con sus respectivos movimientos ..................................... 27

Figura 2.9 Rueda hidráulica Pitchback con sus respectivos movimientos .................................... 28

Figura 2.10 Rueda hidráulica Breatshot con sus respectivos movimientos. ................................. 29

Figura 3.1 Esquema del banco de pruebas bomba - turbina. ......................................................... 30

Figura 3.2 Mesa con ruedas adaptada con tablero de control. ....................................................... 31

Figura 3.3 Estructura de soporte utilizando perfiles “C” del tipo UNISTRUT ............................. 32

Figura 3.4 Disposición de los dinamómetros y su soporte superior. ............................................. 33

Figura 3.5 Freno Prony aplicado al lateral de la turbina. Al extremo del tubo, imán para RPM .. 34

Figura 3.6 Motor que regula la altura de la compuerta mediante dos cadenas.............................. 36

Figura 3.7 Sensor limit switch desprendido de la estructura. ........................................................ 36

Figura 3.8 Compuerta sin el cobertor de la cadena ....................................................................... 37

Figura 3.9 Eslabón partido de la cadena para subir la compuerta ................................................. 37

Figura 3.10 Configuraciones iniciales de 5 y 9 álabes. ................................................................. 39

Figura 3.11 Configuración inicial de 7 álabes. .............................................................................. 39

Figura 3.12 Diseño 1. Turbina con aros laterales de refuerzo y alojamiento para freno Prony. ... 40

Figura 3.13 Diseño 2. Turbina reforzada con aros laterales y álabes cortos. ................................ 40

Figura 3.14 Primer diseño para el canal de medición del Laboratorio de Física . ........................ 41

Figura 3.15 Segundo diseño para el canal de medición del Laboratorio de Física ....................... 41

Figura 3.16 Barra hueca del elastómero Thordon [arriba] y barra sólida de Nylon [abajo]. ........ 42

Figura 3.17 Diseño 3. Turbina con nervios de refuerzo en los álabes ........................................... 43

xii

Figura 3.18 Diseño 4 (definitivo). Turbina de álabes rectos con un solo aro de refuerzo ............. 44

Figura 3.19 Vista de dos diseños de álabes helicoidales a 27⁰ y 52⁰ respectivamente .............. 45

Figura 3.20 Esquema de la operación de la turbina en el canal de medición ................................ 45

Figura 3.21 Simulación estática con presión hidrostática.. ........................................................... 48

Figura 3.22 Simulación dinámica con presión hidrodinámica . .................................................... 48

Figura 3.23 Diseño y simulación dinámica para álabes helicoidales a 27⁰ ................................... 49

Figura 3.24 Diseño y simulación dinámica para álabes helicoidales a 52⁰ ................................... 50

Figura 3.25 Eje de la turbina. ........................................................................................................ 50

Figura 3.26 Detalle del eje en el extremo A .................................................................................. 51

Figura 3.27 Ubicación de los rodamientos en eje de la turbina ..................................................... 51

Figura 3.28 Extremo A con su rodamiento. Isometría frontal [izquierda] y posterior [derecha] .. 52

Figura 3.29 Extremo B. Isometría frontal [izquierda] y posterior [derecha]. ................................ 52

Figura 3.30 Pieza central, estructura de los álabes ........................................................................ 53

Figura 3.31 Plantilla para cortar 14 semi-aros. .............................................................................. 55

Figura 3.32 Rodamiento rígido de bolas FAG obturado serie 6000 2RS. ..................................... 56

Figura 3.33 Eje en el extremo B con el rodamiento en su posición. ............................................. 57

Figura 3.34 Construcción terminada de la turbina ........................................................................ 58

Figura 3.35 Instalación de la turbina en el banco de pruebas del canal de medición . .................. 59

Figura 4.1 Simulación estática para álabes rectos ......................................................................... 61

Figura 4.2 Simulación dinámica para álabes rectos. ..................................................................... 62

xiii

ABREVIATURAS

Notación Descripción

LABCEM. Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica

USB Universidad Simón Bolívar

DC Corriente Directa o continua (Direct Current)

N Newton

m Metro

mm Milímetro

RPM Revoluciones por minuto

Kg Kilogramo

Pa Pascal

⁰ Grados

m2 Metro cuadrado

N/m2 Newton / metro cuadrado

m/s Metros / segundo

Kg/m3 Kilogramo / metro cúbico

xiv

NOMENCLATURA

Notación Descripción Unidades

σc Esfuerzo aplicado N/m2

P Potencia W

L10 Vida nominal 106 revoluciones

L10h Vida nominal horas

C Capacidad de carga dinámica N

P Carga dinámica equivalente N

p Exponente de la fórmula de vida Adimensional

L10a Vida nominal 106 kilómetros

n Velocidad angular RPM

D Diámetro de la rueda mm

F Carga radial aplicada N

μ Coeficiente de Poisson Adimensional

r1 Radio del cilindro más pequeño mm

r2 Radio del cilindro más grande mm

b Longitud de los cilindros bajo contacto mm

La Vida ajustada 106

revoluciones

a1 Factor de ajuste de la vida por fiabilidad Adimensional

a2 Factor de ajuste de la vida por material Adimensional

a3 Factor de ajuste de la vida por condiciones de funcionamiento Adimensional

F Fuerza N

v Velocidad de la corriente m/s

A Área m2

ρ Densidad Kg/m3

Pt Potencia Watts

Pm Potencia mecánica Watts

σ Presión Pa

1

INTRODUCCIÓN

La rueda hidráulica es el equipo más antiguo de los motores hidráulicos, teniendo una gran

relevancia para la generación de energía eléctrica; en la Edad Media la generación de energía se

realizaba con el uso de este equipo, en esa época, fue utilizada en Europa para una gran variedad

de usos industriales; de acuerdo al censo inglés Domesday Book para el año 1.086, se utilizaron

5.624 ruedas hidráulicas para accionar aserraderos, molinos de cereales y minerales, molinos con

martillos para trabajar el metal, para accionar fuelles de fundiciones y una variedad de

aplicaciones; en América también tuvo presencia principalmente en la zona Norte del continente.

Es así como la rueda hidráulica tuvo un papel importante en la redistribución territorial de la

actividad industrial a nivel mundial.

Parent (1.666 – 1.716), físico y matemático de París estudió por primera vez el funcionamiento

de la rueda hidráulica, en su trabajo nos dice que existe una relación óptima entre la velocidad de

la rueda y la velocidad de la corriente de agua, con esta conclusión las mejoras no se hicieron

esperar, se presenta la primera gran evolución ya que después del estudio se dio como resultado

la construcción de las ruedas de impulso y de reacción que aprovechan la energía cinética y

además son de menor tamaño.

Debido a las necesidades, estos equipos fueron sufriendo cambios, los más significativos fueron

con los modelos de Francis, Pelton y Kaplan, transformándose en modernas turbinas con buen

rendimiento. Estos modelos se fundamentan en la relación salto de agua - caudal con mayores

diferencias en tamaño y ángulo de los álabes.

En la actualidad, apostar a las energías renovables o limpias, es frenar la dependencia actual

del consumo de energías fósiles, principal proveedor del CO2, y por consiguiente limitar el efecto

invernadero, el cambio climático, los residuos radiactivos, las lluvias ácidas y la contaminación

atmosférica; una de las alternativas es la energía hidráulica, la cual es generada a través de

turbinas hidráulicas, que a pesar del bajo costo de mantenimiento, bajo impacto al ambiente, su

largo ciclo de vida, tiene la limitante en los costos de inicio para la fabricación de las centrales

hidroeléctricas y como requerimiento principal, las caídas de agua.

2

De acuerdo a lo antes expuesto, una alternativa a evaluar es la microgeneración con el uso de

varias ruedas hidráulicas, aprovechando los recursos hídricos que en las poblaciones existan, sin

necesidad que tengan caídas de agua, y sólo requiriéndose de una corriente de agua durante todo

el año. En Venezuela, existen ríos sin caídas de agua, donde podría funcionar la microgeneración,

La rueda hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que conforma el equipo

fundamental de una central hidroeléctrica. Según su función, se pueden clasificar en generadoras

(turbinas de acción y turbinas de reacción) y motoras. Las turbomáquina motoras hidráulicas, son

diseñadas para conseguir un intercambio energético entre un fluido continuo y un eje de rotación

a través de los álabes del rodete.

La finalidad de este trabajo de grado es desarrollar el diseño mecánico de un prototipo de

Rueda Hidráulica mediante el software de diseño en 3D Solid Works® 2013, realizar una

simulación para su estudio dinámico en el módulo de simulación de Solid Works® 2013,

creación de planos en AUTOCAD® 2012, construirlo con materiales disponibles en el país,

donarlo al Laboratorio de Conversión de Energía de la Universidad Simón Bolívar y que sea

empleado en futuros ensayos en canal abierto del laboratorio, contribuyendo de esta manera a los

estudios experimentales de microgeneración eléctrica.

3

CAPÍTULO 1

EL PROBLEMA

1.1 Planteamiento del problema

En la actualidad existen grandes problemas en la generación y distribución de energía en

Venezuela, especialmente en las zonas alejadas de la capital, es por ello que existen

oportunidades de mejora en este campo; las cuales podrían llevarse a cabo con programas de

dotación de equipos establecidos por el Estado.

Estos equipos están orientados a la generación de energía a través del aprovechamiento de los

recursos hídricos existentes en Venezuela y el mundo, mediante el uso de Ruedas Hidráulicas.

Este aprovechamiento está dirigido a la microgeneración, la cual podría ser explotada en las

zonas rurales, con la colocación de varias ruedas hidráulicas en ríos, sin necesidad que existan

caídas de agua, y sólo requiriéndose de una corriente de agua y de ésta durante todo el año.

Para estudios de microgeneración, existen laboratorios como el LABCEM de la Universidad

Simón Bolívar, que se encarga del estudio de las necesidades de la población, mediante la

fabricación y análisis de distintas configuraciones de turbinas y pruebas de las mismas, por ello,

en el presente trabajo de grado, como parte de la solución a esta necesidad, se diseña un prototipo

de turbina a través del software comercial SolidWorks® 2013, de las dimensiones necesarias para

introducirse en el canal de medición, mediante el uso de un banco de pruebas. La misma debe

construirse con los materiales con que se cuenta en nuestro país.

4

1.2 Justificación

Existe una gran necesidad de explotar la energía hidroeléctrica en las zonas de baja altura

hidráulica. Actualmente, existen maquinarias para explotar este sector, sin embargo, en muchos

casos no es económicamente viable debido a la relación potencia hidráulica versus costo de las

instalaciones.

El reto a cumplir, consiste en desarrollar una tecnología que cuente con un diseño y una

construcción simple, permitiendo abaratar los costos y mejorando su eficiencia al generar una

potencia de salida mayor. Esta tecnología puede ser instalada en ríos, embalses, canales de riego

y sistemas municipales de agua entre otros, pudiendo trabajar a bajas alturas hidráulicas de 100 a

5000 kW y con saltos hidráulicos de hasta 3,5m.

La tecnología a explorar son las máquinas “Undershot”, para condiciones de no impulso como

las Ruedas Hidráulicas “Middleshot”, el oscilador Salford Transversal, el Staudruckmaschine, el

tornillo de Arquímides, entre otros.

En este trabajo, se busca ofrecer una solución económicamente factible, de fácil construcción y

de mantenimiento accesible, que pueda ser elaborada con materiales disponibles en nuestro país.

1.3 Objetivos del proyecto.

1.3.1 Objetivo general.

Realizar el diseño mecánico utilizando un software comercial y la construcción de un

prototipo de Rueda Hidráulica.

1.3.2 Objetivos específicos.

Colaborar en la adecuación del canal de medición de caudales para los ensayos

experimentales.

5

Recopilar toda la información posible del banco de prueba del canal donde será instalada la

turbina.

Investigar acerca de turbinas de álabes rectos y helicoidales.

Verificar en el mercado venezolano la disponibilidad de materiales de construcción y su

relación precio-valor.

Diseñar las piezas que deberán ser fabricadas mediante un software CAD en función de un

ensamblaje que permita adaptar varios tipos de configuraciones de álabes en la misma

estructura base.

Realizar la simulación del análisis estructural.

Construcción de las piezas y partes del sistema.

Ensamblaje final de la turbina.

1.4 Antecedentes

La consideración previa tomada en cuenta con una perspectiva de diseño en este proyecto de

turbina hidráulica de baja altura, fueron las variaciones de turbinas Kaplan, que son utilizadas

actualmente para la generación eléctrica. De acuerdo a esto, se pueden resaltar las siguientes:

1.4.1 Turbina Garman:

Conocidas como turbinas de río, son turbinas eólicas que funcionan dentro del agua, por lo que

en el diseño de las aspas se utilizan todos los principios de una turbina eólica sólo

diferenciándose en la materia de trabajo. La turbina de río es un aerogenerador subacuático de

dos o tres palas.

El rotor se suspende desde una lancha flotante, con la transmisión, el generador, entre otros

elementos, por encima de la cubierta. A diferencia de un esquema convencional, su instalación no

requiere de un trabajo de ingeniería civil, si no de un poste de amarre. Esta flexibilidad hace que

la turbina sea conveniente para el uso en las corrientes de las mareas y estuarios. La turbina

Garman convierte la fuerza del agua en energía rotatoria del eje, una transmisión que utiliza faja

6

y poleas aumenta la velocidad y un generador transforma la energía mecánica del eje en energía

eléctrica.

Figura 1.1. Turbina Garman.

1.4.2 Turbina Tyson:

Esta turbina es sumergida en los ríos, y permite la generación de energía eléctrica al aprovechar

la energía cinética del agua, conduciéndola y aumentando su velocidad hasta llegar a la propela.

Estas turbinas para ríos y canales permiten la introducción de un suministro de carga base, una

solución completa de energía renovable a la mejor relación coste-beneficio posible. Esta

tecnología está estandarizada y es fácilmente ampliable. Aunque calificados como “verdes“, estos

productos están posicionados como la mejor alternativa para la electrificación descentralizada a

lo largo de los ríos. Además, esta variación de turbinas kaplan fue desarrollada para producir una

cantidad máxima de energía eléctrica a través de la energía cinética de las corrientes de agua.

Dado que es accionada con energía cinética y no con energía potencial, es conocida como una

turbina “zero-head” o como turbina “in-stream”. Como tal, no se necesita de represas y/o de

diferencia de alturas de agua para su funcionamiento; el curso de un río permanece en su estado

natural y no se requieren de grandes inversiones en infraestructura. Como la cantidad de energía

7

cinética (velocidad) varía de río a río, cuanto mayor sea la velocidad de flujo de agua, más

cantidad de energía se generará.

Figura 1.2. Turbina Tyson.

8

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

En este capítulo se plantean los fundamentos teóricos necesarios para el desarrollo del presente

trabajo de grado.

2.1. Turbomáquina:

Una turbomáquina es una máquina cuyo elemento principal es un rodete (rotor giratorio) a

través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste su cantidad de movimiento por

acción de la máquina. Se da así una transferencia de energía entre la máquina y el fluido a través

del momento del rotor sea en sentido máquina-fluido (como en el caso de una bomba hidráulica)

o fluido-máquina (como en el caso de una turbina).

2.2. Turbomáquinas hidráulicas:

Una máquina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía

mecánica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), modificando la energía total

de la vena fluida que las atraviesa. En el estudio de las turbomáquinas hidráulicas no se tienen en

cuenta efectos de tipo térmico, aunque a veces habrá necesidad de recurrir a determinados

conceptos termodinámicos; todos los fenómenos que se estudian serán en régimen permanente,

caracterizados por una velocidad de rotación de la máquina y un caudal constantes. En una

máquina hidráulica, el agua intercambia energía con un dispositivo mecánico de revolución que

gira alrededor de su eje de simetría; éste mecanismo lleva una o varias ruedas, (rodetes o rotores),

provistas de álabes, de forma que entre ellos existen unos espacios libres o canales, por los que

circula el agua. Los métodos utilizados para su estudio son, el analítico, el experimental y el

análisis dimensional.

9

El método analítico se fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a través de los

álabes, según los principios de la Mecánica de Fluidos.

El método experimental se fundamenta en la formulación empírica de la Hidráulica, y la

experimentación.

El análisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre las variables que intervienen en el

proceso, confirmando los coeficientes de funcionamiento de las turbomáquinas, al igual que los

diversos números adimensionales que proporcionan información sobre la influencia de las

propiedades del fluido en movimiento a través de los órganos que las componen.

2.2.1. Clasificación de las turbomáquinas hidráulicas:

2.2.1.1. Según la función que desempeñan.

Una primera clasificación de las turbomáquinas hidráulicas, (de fluido incompresible), se

puede hacer con arreglo a la función que desempeñan, en la forma siguiente:

Turbomáquinas motrices que recogen la energía cedida por el fluido que las atraviesa, y la

transforman en mecánica, pudiendo ser de dos tipos:

- Dinámicas o cinéticas: Turbinas y Ruedas Hidráulicas

- Estáticas o de presión: celulares (paletas), de engranajes, helicoidales, entre otras.

Turbomáquinas generatrices que aumentan la energía del fluido que las atraviesa bajo

forma potencial, (aumento de presión), o cinética; la energía mecánica que consumen es

suministrada por un motor, pudiendo ser:

10

- Bombas de álabes, entre las que se encuentran las bombas centrífugas, axiales y hélices

marinas, cuyo principio es diferente a las motrices; proporcionan un empuje sobre la carena

de un buque.

Turbomáquinas reversibles tanto generatrices como motrices, que ejecutan una serie de

funciones que quedan aseguradas, mediante un rotor específico, siendo las más importantes:

- Grupos turbina-bomba utilizados en centrales eléctricas de acumulación por bombeo

- Grupos Bulbo utilizados en la explotación de pequeños saltos y centrales maremotrices.

Grupos de transmisión o acoplamiento que son una combinación de máquinas motrices y

generatrices, es decir, un acoplamiento (bomba-turbina), alimentadas en circuito cerrado por

un fluido, en general aceite; a este grupo pertenecen los cambiadores de par.

2.2.1.2. Por el cambio de presión en el rodete.

Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de

presión importante en su paso a través de rodete.

Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo sí sufre un cambio de

presión importante en su paso a través de rodete.

Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el grado de

reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo

de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se

produce en su interior.

2.2.1.3. De acuerdo al diseño del rodete

Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de cada género las

diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los álabes o cangilones, o de otras partes de

la turbomáquina distinta al rodete. Los tipos más importantes son:

11

Turbina Kaplan: Son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo

de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua

pequeños y con grandes caudales.(Turbina de reacción)

Turbina Hélice: Son exactamente iguales a las turbinas Kaplan, pero a diferencia de estas,

no son capaces de variar el ángulo de sus palas.

Turbina Pelton: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la

evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice

que tiene cucharas. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con

caudales pequeños (turbina de acción).

Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños

complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento.

Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios.

Turbina Ossberger / Banki / Michell: La turbina Ossberger es una turbina de libre

desviación, de admisión radial y parcial. Debido a su número específico de revoluciones se

encuentra entre las turbinas de régimen lento. El distribuidor imprime al chorro de agua una

sección rectangular, y éste circula por la corona de paletas del rodete en forma de cilindro,

primero desde fuera hacia dentro y, a continuación, después de haber pasado por el interior

del rodete, desde dentro hacia fuera.

Turbina Turgo: Es una turbina hidráulica de impulso diseñada para saltos de desnivel

medio. El rodete de una turbina Turgo se parece al de una turbina Pelton partido por la

mitad. Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del diámetro que el de un

rodete Pelton y dobla la velocidad específica.

2.3. Partes de una turbomáquina:

Una turbomáquina consta de diversas partes y accesorios dependiendo de su tipo, aplicación y

diseño; sin embargo, la mayoría comparten el hecho de tener partes estáticas y rotativas;

enumeradas a continuación:

2.3.1. Partes rotativas:

12

2.3.1.1. Rodete

El Rodete es el corazón de toda turbomáquina y el lugar donde se genera el intercambio

energético con el fluido. Se suelen emplear los índices 1 y 2 para establecer la entrada y salida

del rodete. Está constituido por un disco que funciona como soporte a las palas, también

llamadas álabes, o cucharas en el caso de las turbinas Pelton. La geometría con la cual se

realizan los álabes es fundamental para permitir el intercambio energético con el fluido; sobre

éstas reposa parte importante del rendimiento global de toda la turbomáquina y el tipo de

cambio energético generado (si la energía será transferida por cambio de presión o velocidad).

Los rodetes pueden ser axiales, radiales, mixtos o tangenciales.

Figura 2.1. Rodete radial.

Figura 2.2. Rodete axial.

2.3.1.2. Eje o árbol

Tiene la doble función de trasmitir potencia (desde o hacia el rotor) y ser el soporte sobre el

que yace el rotor. En el caso de las turbomáquinas motoras éste siempre está conectado a

13

alguna clase de motor, como puede ser un motor eléctrico, o incluso una turbina como es

común en los turborreactores, muchas veces entre el árbol y el motor que mueve a la

turbomáquina se encuentra algún sistema de transmisión mecánica, como puede ser un

embrague o una caja reductora. En el caso de las turbomáquinas generadoras, es frecuente

encontrar un generador eléctrico al otro extremo del árbol, o incluso hay árboles largos que

soportan al rotor en el medio y en un extremo se encuentra una turbomáquina generadora y al

otro un generador.

2.3.2. Partes estáticas

Al conjunto de todas las partes estáticas de la turbomáquina (y en otras máquinas también) se

le suele denominar estator.

2.3.2.1. Entradas y salidas

Estas partes son comunes en todas las turbomáquinas, pero pueden variar de forma y

geometría entre todas. Existen turbomáquinas generadoras de doble admisión, es decir, que

tienen dos entradas diferenciadas y una salida única de fluido. Estas partes pueden constar de

una brida en el caso de la mayoría de las bombas y compresores, pero en las turbinas

hidráulicas grandes, sólo son grandes tuberías y la salida muchas veces tiene forma de difusor.

En los molinos de viento, por ejemplo, la entrada y la salida sólo pueden ser superficies

imaginarias antes y después del rotor. El distribuidor, es el órgano cuya misión es conducir el

fluido desde la sección de entrada hacia el rodete. Se suelen utilizar los índices 0 y 1 para

designar las magnitudes a la entrada del distribuidor y a la salida (entrada en el rodete). Por

otro lado, el difusor es un elemento que se encuentra a la salida del rodete y que disminuye la

velocidad del fluido, además de acondicionar hidráulicamente el fluido para su conducción.

2.3.2.2. Álabes directores

También llamados palas directoras, son álabes fijos al estator, por los cuales pasa el fluido

de trabajo antes o después de pasar al rotor a realizar el intercambio energético. Muchas

14

turbomáquinas carecen de ellos, pero en aquellas donde si figuran éstos son de vital

importancia. En las turbomáquinas motoras se encargan de dirigir el fluido en un cierto

ángulo, así como acelerarlo para optimizar el funcionamiento de la máquina. En las

turbomáquinas generadoras se encuentran a la salida del rotor. Los álabes directores también

pueden llegar a funcionar como reguladores de flujo, abriéndose o cerrándose a manera de

válvula para regular el caudal que entra a la máquina.

2.3.2.3. Cojinetes, rodamientos o rolineras

Es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste

por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento, pueden variar de

tipos y tamaños entre todas las turbomáquinas.

Cada clase de rodamientos muestra propiedades características, que dependen de su diseño y

que lo hacen más o menos apropiado para una aplicación dada. Por ejemplo, los rodamientos

rígidos de bolas pueden soportar cargas radiales moderadas así como cargas axiales pequeñas.

Tienen baja fricción y pueden ser producidos con gran precisión.

Los Rodamientos pueden clasificarse como sigue:

Rodamientos rígidos de bolas.

Son usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no separables,

capaces de operar en altas e incluso muy altas velocidades y requieren poca atención o

mantenimiento en servicio. Estas características, unidas a su ventaja de precio, conllevan que

sean los rodamientos más utilizados.

Rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular.

El rodamiento de una hilera de bolas con contacto angular tiene dispuestos sus caminos de

rodadura de forma que la presión ejercida por las bolas es aplicada oblicuamente con respecto

15

al eje. Como consecuencia de esta disposición, el rodamiento es especialmente apropiado para

soportar no solamente cargas radiales, sino también grandes cargas axiales, debiendo montarse

el mismo en contraposición con otro rodamiento que pueda recibir carga axial en sentido

contrario.

Rodamientos de agujas.

Son rodamientos con rodillos cilíndricos muy delgados y largos en relación con su menor

diámetro. A pesar de su pequeña sección, estos rodamientos tienen una gran capacidad de

carga y son eminentemente apropiados para las aplicaciones donde el espacio radial es

limitado. Este tipo de rodamientos es comúnmente muy utilizado en los pedales para

bicicletas.

Rodamientos de rodillos cónicos.

El rodamiento de rodillos cónicos, debido a la posición oblicua de los rodillos y caminos de

rodadura, es especialmente adecuado para resistir cargas radiales y axiales simultáneas. Para

casos en que la carga axial es muy importante hay una serie de rodamientos cuyo ángulo es

muy abierto. Este rodamiento debe montarse en oposición con otro rodamiento capaz de

soportar los esfuerzos axiales en sentido contrario. El rodamiento es desmontable; el aro

interior con sus rodillos y el aro exterior se montan cada uno separadamente.

Rodamientos de rodillos cilíndricos de empuje.

Son apropiados para aplicaciones que deben soportar pesadas cargas axiales. Además, son

insensibles a los choques, son fuertes y requieren poco espacio axial. Son rodamientos de una

sola dirección y solamente pueden aceptar cargas axiales en una dirección. Su uso principal es

en aplicaciones donde la capacidad de carga de los rodamientos de bolas de empuje es

inadecuada. Tienen diversos usos industriales, y su extracción es segura.

Rodamientos axiales de rodillos a rótula.

16

El rodamiento axial de rodillos a rótula tiene una hilera de rodillos situados oblicuamente,

los cuales, guiados por una pestaña del aro fijo al eje, giran sobre la superficie esférica del aro

apoyado en el soporte. En consecuencia, el rodamiento posee una gran capacidad de carga y es

de alineación manual. Debido a la especial ejecución de la superficie de apoyo de los rodillos

en la pestaña de guía, los rodillos giran separados de la pestaña por una fina capa de aceite. El

rodamiento puede, por lo mismo, girar a una gran velocidad, aun soportando elevada carga.

Contrariamente a los otros rodamientos axiales, éste puede resistir también cargas radiales.

Rodamiento de bolas a rótula.

Los rodamientos de bolas a rótula tienen dos hileras de bolas que apoyan sobre un camino de

rodadura esférico en el aro exterior, permitiendo desalineaciones angulares del eje respecto al

soporte. Son utilizados en aplicaciones donde pueden producirse desalineaciones

considerables, por ejemplo, por efecto de las dilataciones, de flexiones en el eje o por el modo

de construcción. De esta forma, liberan dos grados de libertad correspondientes al giro del aro

interior respecto a los dos ejes geométricos perpendiculares al eje del aro exterior.

Este tipo de rodamientos tienen menor fricción que otros tipos de rodamientos, por lo que se

calientan menos en las mismas condiciones de carga y velocidad, siendo aptos para mayores

velocidades.

Rodamientos de rodillos cilíndricos.

Rodamiento de rodillos cilíndricos: un rodamiento de rodillos cilíndricos normalmente tiene

una hilera de rodillos. Estos rodillos son guiados por pestañas de uno de los aros, mientras que

el otro aro puede tener pestañas o no.

Según sea la disposición de las pestañas, hay varios tipos de rodamientos de rodillos

cilíndricos:

17

Tipo NU: con dos pestañas en el aro exterior y sin pestañas en el aro interior. Sólo admiten

cargas radiales, son desmontables y permiten desplazamientos axiales relativos del

alojamiento y eje en ambos sentidos.

Tipo N: con dos pestañas en el aro interior y sin pestañas en el aro exterior. Sus características

similares al anterior tipo.

Tipo NJ: con dos pestañas en el aro exterior y una pestaña en el aro interior. Puede utilizarse

para la fijación axial del eje en un sentido.

Tipo NUP: con dos pestañas integrales en el aro exterior y con una pestaña integral y dos

pestañas en el aro interior. Una de las pestañas del aro interior no es integral, es decir, es

similar a una arandela para permitir el montaje y el desmontaje. Se utilizan para fijar

axialmente un eje en ambos sentidos.

Los rodamientos de rodillos son más rígidos que los de bolas y se utilizan para cargas

pesadas y ejes de gran diámetro.

Rodamientos de rodillos a rótula.

El rodamiento de rodillos a rótula tiene dos hileras de rodillos con camino esférico común en

el aro exterior siendo, por lo tanto, de alineación automática. El número y tamaño de sus

rodillos le dan una capacidad de carga muy grande. La mayoría de las series puede soportar no

solamente fuertes cargas radiales sino también cargas axiales considerables en ambas

direcciones. Pueden ser reemplazados por rodamientos de la misma designación que se dará

por medio de letras y números según corresponda a la normalización determinada.

Rodamientos axiales de bolas de simple efecto.

El rodamiento axial de bolas de simple efecto consta de una hilera de bolas entre dos aros,

uno de los cuales, el aro fijo al eje, es de asiento plano, mientras que el otro, el aro apoyado en

el soporte, puede tener asiento plano o esférico. En este último caso, el rodamiento se apoya

en una contraplaca. Los rodamientos con asiento plano deberían, sin duda, preferirse para la

mayoría de las aplicaciones, pero los de asiento esférico son muy útiles en ciertos casos, para

18

compensar pequeñas inexactitudes de fabricación de los soportes. El rodamiento está

destinado a resistir solamente carga axial en una dirección.

Rodamientos de aguja de empuje.

Pueden soportar pesadas cargas axiales, son insensibles a las cargas de choque y proveen

aplicaciones de rodamientos duras requiriendo un mínimo de espacio axial.

2.3.2.4. Sellos

Otra parte importante de una turbomáquina son los sellos, los cuales son dispositivos que

impiden la salida del fluido de la turbomáquina. Cumplen una función crítica principalmente

en los acoplamientos móviles como en los rodamientos. Pueden variar de tipos y ubicación

dentro una turbomáquina a otra.

2.4. Freno Prony

El Freno de Prony es un sistema dinamométrico, utilizado para medir el par de giro de los

motores a partir del siglo XIX. Debe este nombre a su inventor, el ingeniero francés Gaspard de

Prony (1775-1839).

El freno consta de un brazo, sobre el que van montados un dinamómetro y una rueda, que tiene

adosada una cincha de alto rozamiento. Esta rueda es la que se conecta al eje del motor del cual

se quiere medir su potencia. El ajuste de la cincha es variable. Esto es, se puede controlar el

torque de carga aplicado al motor. En otros modelos, se compone de dos zapatas extraíbles

montadas sobre una mordaza, adaptada para abrazar un eje de diámetro dado, y conectadas a una

palanca, por lo general controlada por una célula de carga o por una fuerza (contrapeso) ajustable.

Aunque el cálculo más representativo de los rodamientos es la vida del mismo, el esfuerzo en

ellos es relevante, abajo se muestran las ecuaciones para sus cálculos.

19

2.5. Esfuerzos en los rodamientos

En los rodamientos los esfuerzos producidos son grandes porque el área de contacto es

pequeña, para darnos idea de su magnitud, supongamos que aplicamos una fuerza de 0,45 Kgf. a

un par de bolas en contacto y cuyo diámetro sea de 1,27 cm., esto hace que el esfuerzo de

contacto predicho por la ecuación de Hertz respectiva, sea del orden de los 10.546 Kgf/cm2. A

continuación mostramos la ecuación de Hertz para el cálculo de los esfuerzos de contacto en

cilindros, tal expresión es:

2

2

2

1

2

1

212

c

E

1

E

1 b

r

1

r

1 F

En la cual:

σc = Esfuerzo de contacto.

F = Carga radial aplicada.

μ = Coeficiente de Poisson.

r1 = Radio del cilindro más pequeño.

r2 = Radio del cilindro más grande.

b = Longitud de los cilindros bajo contacto

Admitiendo que el coeficiente de Poisson toma un valor único de 0.3, la ecuación 2-1 toma la

siguiente forma:

21

212

c

E

1

E

1 b

r

1

r

1 F 35.0

Las ecuaciones de Hertz son útiles porque predicen esfuerzos muy próximos a los reales.

20

El grado de osculación es un factor que afecta la magnitud del esfuerzo real y se refiere a la

forma como las superficies entran en contacto. En la figura 2.3a el área de contacto es mayor que

en la figura 2.3b, por lo tanto en la primera el esfuerzo de contacto es menor.

En la figura 2.3c, el área de contacto es la mayor, esta condición genera menores esfuerzos de

compresión. Por esta razón es que los canales de rodadura de los rodamientos de bolas son

curvados, para así tratar de envolver al máximo las bolas.

Figura 2.3. Grado de osculación.

2.6. Vida de los rodamientos

Debido a los grandes esfuerzos a que están sometidos los rodamientos, estos tienen una vida

útil limitada, tales esfuerzos son aplicados en forma repetitiva, por lo que la falla en estos

elementos ocurre casi exclusivamente por fatiga cuando el rodamiento está bien lubricado, bien

montado y sellado contra la entrada de polvo o suciedad.

La vida de un rodamiento se define como el número de revoluciones (o de horas a una

velocidad constante determinada) que el rodamiento puede dar, antes de que se manifieste el

primer signo de fatiga (desconchado) en uno de sus aros o de sus elementos rodantes.

Sin embargo, los ensayos de laboratorio y la experiencia obtenida en la práctica han puesto de

manifiesto que rodamientos aparentemente iguales, funcionando en idénticas condiciones, tienen

vidas diferentes. Es por tanto esencial para el cálculo del tamaño del rodamiento, una definición

clara del término "vida".

F F F

(a) (b) (c)

21

Toda la información que se presente en este estudio sobre capacidades de carga dinámica, está

basada en la vida alcanzada o sobrepasada por el 90 % de los rodamientos aparentemente

idénticos de un grupo suficientemente grande. A esta vida se la denomina vida nominal y está de

acuerdo con la definición ISO.

La vida media de los rodamientos es aproximadamente cinco veces la vida nominal.

El método más sencillo para calcular la vida de un rodamiento, consiste en la aplicación de la

formula ISO de la vida nominal, es decir:

p

10P

CL

o p

1

10 )L(P

C

Donde:

L10 = Vida nominal en millones de revoluciones.

C = Capacidad de carga dinámica en N.

P = Carga dinámica equivalente en N.

p = Exponente de la fórmula de la vida.

(p = 3 para rodamientos de bolas, y p = 10/3 para rodamientos de rodillos)

La capacidad de carga dinámica C, se define como la carga constante admisible para una

duración nominal del rodamiento de un millón de revoluciones.

Para rodamientos que funcionan a velocidad constante, es más conveniente expresar la vida

nominal en horas de servicio, en tales condiciones la ecuación a usar es:

6

p

h10 10P

C

n 6

1L

Donde:

L10h = Vida nominal en horas de servicio.

n = Velocidad angular en r.p.m.

22

En el caso de vehículos automotrices y ferrocarriles, especialmente cuando se trata de los

rodamientos de cubos de ruedas y cajas de grasa, puede ser conveniente expresar la vida en

términos de kilómetros recorridos. Para realizar este cálculo se puede emplear la siguiente

fórmula:

10a10 L D L

Siendo:

L10a = Vida nominal en millones de kilómetros recorridos.

D = Diámetro de la rueda en mm.

2.7. Vida ajustada

En algunos casos puede ser conveniente considerar con más detalle la influencia de otros

factores en la duración de los rodamientos. Para este fin ISO introdujo en 1977, la siguiente

fórmula para la vida ajustada:

10321a L a a aL

Donde:

La = Vida ajustada en millones de revoluciones.

a1 = Factor de ajuste de la vida por la fiabilidad.

a2 = Factor de ajuste de la vida por el material.

a3 = Factor de ajuste de la vida por condiciones de funcionamiento.

Se entiende por fiabilidad la probabilidad de que un rodamiento pueda alcanzar o sobrepasar

una duración determinada.

Se usa el factor a1 por fiabilidad para determinar otras vidas diferentes a la nominal (L10), es

decir, vidas que son alcanzadas o superadas con una probabilidad mayor que el 90 %.

Como los factores a2 y a3 son interdependientes, se ha modificado la expresión de la vida

ajustada a la siguiente:

23

10231a L a aL

El factor a23 viene determinado esencialmente por las condiciones de lubricación del

rodamiento. Para que se pueda formar una película de lubricante con la capacidad de carga

adecuada, el lubricante debe tener una determinada viscosidad mínima1.

2.8. Rueda hidráulica:

Es la turbomáquina motora hidráulica más antigua de los motores hidráulicos, que aprovecha la

energía de un fluido continuo que pasa a través de ella sin cambios considerables en su densidad,

el cual entrega su energía a través de los álabes del rodete, para producir un movimiento de

rotación que, transferido mediante un eje, genera energía eléctrica a partir de energía mecánica.

En ellas, la energía potencial del agua se transforma en energía mecánica, como se muestra en la

Figura 2.6, o bien, su energía cinética se transforma en energía mecánica, como se indica en las

Figuras 2.4 y 2.5.

Se clasifican en: a) Ruedas movidas por el costado b) Ruedas movidas por debajo c) Ruedas

movidas por arriba.

Figura 2.4. Ruedas movidas por el costado.

Figura 2.5. Ruedas movidas por debajo.

24

Figura 2.6. Ruedas movidas por arriba.

2.9. Tipos de ruedas hidráulicas.

Los motores hidráulicos llamados ruedas, pueden considerarse subdivididos, según la forma en

que principalmente accionan el agua, en: ruedas hidráulicas comunes, ruedas de impulso y ruedas

de reacción.

En las ruedas hidráulicas comunes, el agua obra principalmente por su propio peso, llenando

unos cubos o cajones que al moverse hacia abajo ponen en movimiento la rueda. Otra

característica de las ruedas hidráulicas comunes es que el agua deja los cubos por el mismo sitio

por donde entró, mientras que en el resto de los motores hidráulicos no sucede así. En las ruedas

de reacción y las turbinas, el agua tiene una circulación constante a través de unos canales curvos

de que están provistas. Aparte de lo anterior tienen diferentes características propias, tales como

su forma de construcción, su número de revoluciones, entre otros. Existen numerosas

instalaciones de ruedas hidráulicas comunes, daremos a continuación una breve descripción de

las mismas.

Entre las ruedas hidráulicas comunes pueden distinguirse tres formas distintas que se

diferencian entre sí por el lugar donde se hace la alimentación o admisión del agua que las

mueve, originándose en esta forma las ruedas con alimentación por arriba (Overshot); las ruedas

con alimentación lateral o de costado (Breastshot) y por último, las ruedas con alimentación por

abajo (Undershot).

25

Rueda con alimentación inferior (Undershot):

Es conocida también como rueda simple, es el tipo de rueda hidráulica utilizada por las antiguas

comunidades griegas y romanas, ya que es el tipo más simple, barato y más fácil de construir. En

este diseño es apoyada desde arriba, colocada directamente en la dirección en que el río fluye, y

el movimiento del agua crea una acción de empuje contra las paletas sumergidas en la parte

inferior de la rueda que le permite girar en una sola dirección respecto a la dirección del flujo de

agua.

Este tipo de diseño de rueda hidráulica se utiliza generalmente en áreas planas sin pendiente

natural del terreno o donde el flujo de agua tiene un movimiento lo suficientemente rápido. En

comparación con los otros diseños, éste tipo es ineficiente, porque sólo se puede aprovechar un

20% de la energía potencial para hacer girar la rueda. Además la energía del flujo del agua solo

se utiliza una sola vez para girar la rueda, después ésta fluye con el resto del agua.

Otra desventaja de la rueda undershot, es que requiere grandes cantidades de agua que se

mueva a gran velocidad. Por lo tanto, son colocadas en las orillas de las corrientes de agua

(pequeños ríos, arroyos, o riachuelos), los cuales no tienen la suficiente energía potencial en el

agua en movimiento, basándose en la energía cinética que transmite la corriente del flujo.

Figura 2.7. Rueda hidráulica Undershot con sus respectivos movimientos.

(www.alternative-energy-tutorials.com/hydro-energy/waterwheel-design.html)

Una forma de mejorar la eficiencia ligeramente de una rueda hidráulica undershot es desviar un

porcentaje del agua en el rio a lo largo de un canal o conducto, de modo que el 100% del agua

http://www.alternative-energy-tutorials.com/hydro-energy/waterwheel-design.html

26

desviada se utiliza para girar la rueda. Con el fin de lograr este undershot, ya que el espacio se

pone más reducido y genera menos escape de fluido a los alrededores de las paletas, esto solo se

cumple si el ancho de la rueda hidráulica es cercano al ancho del canal o conducto.

Rueda con alimentación superior (Overshot)

Es la rueda con diseño más común, pero es más complicada en su construcción y diseño que sus

homólogas, ya que utiliza cubos o pequeños compartimientos, tanto para la captura como para la

contención el agua. Estos cubos se llenan del agua que fluye en la parte superior de la rueda. El

peso gravitacional del agua en los cubos llenos, hace que la rueda gire alrededor de su eje central

mientras del otro lado de la rueda se van vaciando.

Este tipo de rueda utiliza la gravedad para mejorar el rendimiento a través del peso generado

por el agua, por lo que las ruedas hidráulicas Overshot, son mucho más eficientes que los diseños

Undershot, ya que casi toda el agua y su peso, se está utilizando para producir potencia de salida;

sin embargo, la energía del agua se utiliza sólo una vez para hacer girar la rueda, después de lo

cual fluye lejos con el resto del agua.

El conducto que permite la circulación del agua hacia las paletas de la rueda, está suspendido

por encima del rio o arroyo y generalmente éste se alimenta de alguna ladera de las colinas que

pueden proporcionar un suministro de agua desde arriba hacia abajo. La distancia vertical entre el

conducto y el rio debe ser de 5 a 20 metros. Una pequeña represa o vertedero pueden ser

construidos y utilizados para darle mayor velocidad al agua, siendo el volumen lo que realmente

mueve la rueda.

27

Figura 2.8. Rueda hidráulica Overshot con sus respectivos movimientos.


Las ruedas Overshot, generalmente se construyen lo más grande posible para dar el mayor

recorrido a ese volumen de agua que va descendiendo dentro de los cubos para hacer girar la

rueda. Sin embargo, las ruedas hidráulicas de gran diámetro son más complicadas y costosas de

construir debido al peso de las mismas.

Rueda con alimentación de costado por arriba (Pitchback)

Es una variación de la rueda Overshot, ya que utiliza el peso que origina el agua sobre los

cubos para girar la rueda, y también utiliza el flujo de las aguas residuales por debajo de ella para

dar un impulso adicional. A diferencia de la rueda hidráulica Overshot, que canaliza el agua

directamente sobre la rueda haciendo que gire en la dirección del flujo del agua, este tipo de

rueda es alimentada verticalmente a través de un embudo y después en la parte inferior con las

aguas residuales.

Al igual que la rueda Overshot, el peso gravitatorio del agua en los cubos ocasiona que la rueda

gire pero en la dirección opuesta. A medida que el ángulo de rotación se acerca a la parte inferior

de la rueda, el agua dentro de la cubeta se vacía de forma lenta y continua con la energía

proporcionada por la corriente de las aguas residuales, y se traslada hacia la parte superior para

iniciar nuevamente el ciclo de generación. Lo interesante es el uso de la energía del agua dos

veces (arriba y abajo).


28

La ventaja de esto es que la eficiencia del diseño de la rueda hidráulica se aumenta en gran

medida, 80% adicional por la energía del agua, ya que es impulsado por el peso y presión del

agua dirigida en los cubos en la parte superior, así como el flujo proporcionado por las aguas

residuales. Sin embargo, su desventaja es que necesita una disposición de suministro de agua

ligeramente complejo en la alimentación superior.

Figura 2.9. Rueda hidráulica Pitchback con sus respectivos movimientos.


Rueda con alimentación de costado por el medio (Breastshot)

Esta rueda como las anteriormente mencionadas, posee un diseño montado verticalmente,

donde el agua entra en los cubos en la mitad, a la altura del eje, o justo por encima de él, y luego

fluye hacia afuera en la parte inferior en la dirección de la rotación de la rueda. En general, la

rueda de agua Breastshot se utiliza en situaciones donde la cabeza del agua es insuficiente para

alimentar un diseño de rueda hidráulica Overshot o Pitchback.

La desventaja es el peso gravitatorio del agua a solo el cuarto de rotación, a diferencia de sus

homólogas. Para superar esta baja altura de cabezal, las ruedas tienden a poseer un cubo más

ancho para extraer la cantidad de energía potencial del agua. Además el aumento en la anchura y


29

el esfuerzo producto del peso del agua, tiende a hacer más complejo estructuralmente su montaje

e instalación.

Figura 2.10. Rueda hidráulica Breatshot sus respectivos movimientos.


30

CAPÍTULO 3

MARCO METODOLOGICO

Para determinar si el proyecto es factible funcionalmente, se deben tomar en cuenta las

dimensiones y especificaciones del modelo de rueda hidráulica (turbina), en conjunto con los

datos obtenidos a través de la instrumentación del banco de pruebas del canal de medición y

proyectarlos a dimensiones de campo, que permitan determinar la potencia generada por cada

turbina instalada.

La metodología se realizó en 4 etapas: primero se colaboró en la adecuación del banco de

pruebas, luego se le realizó mantenimiento al canal de medición, para así posteriormente realizar

el diseño de la rueda hidráulica y por último proceder a su construcción.

Figura 3.1. Esquema del banco de pruebas bomba – turbina.

31

3.1. Adecuación del banco de pruebas.

El banco de pruebas del LABCEM debió adecuarse con la construcción de un marco de

pruebas, con el fin de realizar los distintos ensayos con la rueda hidráulica. A continuación se

describirá como se colaboró en dicha adecuación para los ensayos experimentales, que fueron

realizados con el prototipo de rueda hidráulica:

3.1.1. Mesa rodante y la caja del tablero de control.

Se cuenta con una mesa con ruedas, a la que se le adaptó una caja de control ya existente,

conectándose los distintos instrumentos de medición del canal, y vaciando la información en una

computadora portátil (ver Figura 3.2).

La caja del tablero fue adaptada a la mesa con ruedas, a través dos tramos de perfiles en “L” y

de barras roscadas de 7 pulgadas de largo, reguladas en altura mediante tuercas de 3/8 pulgadas y

arandelas.

La finalidad de adaptar la caja del tablero de control a la mesa con ruedas, es colocarla en la

posición requerida, de acuerdo a la disposición de los equipos de medición y la ubicación de la

computadora portátil.

Figura 3.2. Mesa con ruedas adaptada con tablero de control.

32

3.1.2. Adecuación del cableado en el tablero de control.

El interior del tablero de control fue revisado puerto por puerto con el fin de chequear que todas

las señales capturadas sean las correctas para ser leídas adecuadamente por el computador, para

ello fue necesario verificar, corregir y agregar algunos de los cables conectados en las regletas.

Cada puerto de conexión fue identificado y le fue asignado un número de identificación, para

que se correspondan los datos obtenidos en el computador, partiendo de las mismas referencias

para todas las mediciones realizadas.

3.1.3. Estructura de soporte para la rueda hidráulica con freno Prony.

Se colaboró en la realización y ensamble de la estructura para el soporte de la rueda hidráulica,

la misma se realizó mediante perfiles tipo UNISTRUT, abrazaderas morochas para perfil “C” y

tornillos con tuercas y arandelas, todos en acabado galvanizado; 2 soportes bandera, 2 soportes

simples, además de dos tuberías galvanizadas dispuestas verticalmente con agujeros

equidistantes, en el que seleccionando el par más apropiado y de acuerdo a la prueba a realizar,

se introduce el eje de la rueda hidráulica. Una de las tuberías tiene agujeros pasantes y la otra

posee agujeros en una sola pared del tubo, para que el eje de la rueda hidráulica utilice a éste

como tope.

Figura 3.3. Estructura de soporte utilizando perfiles “C” del tipo UNISTRUT.

33

En un lateral de la estructura se tiene un dinamómetro casero graduable en presión, para ajustar

la banda que realizará la función del freno Prony, ésta después de varios ensayos fue realizada de

goma y cuero.

Para la inclusión de los dinamómetros en la estructura, éstos cuentan con un soporte unido al

marco estructural de la rueda hidráulica.

Los dinamómetros tienen la graduación a través de las barras roscadas que lo sujetan,

pudiéndose ajustar o aflojar a conveniencia para obtener los valores deseados en el computador.

Figura 3.4. Disposición de los dinamómetros y su soporte superior.

Con la inclusión del freno Prony sobre el tubo central de la rueda hidráulica, aunado al propio

ancho que requieren los álabes y la simetría para mantener la rueda hidráulica en el centro del

canal, se determinó el espacio en el que se iban a ubicar las dos barras verticales o laterales que

sostendrán el eje de la rueda hidráulica.

34

Figura 3.5. Freno Prony aplicado al lateral de la turbina. Al extremo del tubo, imán para

RPM.

Al extremo del tubo central de la rueda hidráulica, se encuentra adherido un imán con forma de

cilindro plano, el cual gira solidario a la rueda hidráulica. Fijo al tubo estructural, se encuentra el

receptor del impulso recibido por el imán en cada uno de sus giros. Estos impulsos capturados,

son enviados a la caja del tablero de control y posteriormente al computador para poder ser

interpretados en vueltas por minuto [RPM].

3.1.4. Instrumentación para la lectura de variables en el canal para cada experimento.

El canal del laboratorio, fue instrumentado para medir varias variables, para obtener los niveles

de la superficie del agua, antes y después de la turbina, el torque que produce la corriente de agua

a través del freno Prony, el medidor magnético de RPM, y la velocidad del agua, medida por un

molinete en distintos puntos, para obtener un perfil de velocidades del canal.

La caída de presión se midió con dos medidores de nivel del agua, uno colocado al inicio del

canal y otro colocado al final, la diferencia de estos dos niveles está relacionada con la resistencia

que hace la rueda hidráulica colocada entre estos dos medidores, al flujo del agua del canal dando

como resultado, la caída de presión hidráulica.

35

El torque que produce el agua sobre los álabes de la rueda hidráulica es medido a través de los

dinamómetros del freno Prony, que registran la fuerza que es necesaria para detener la rueda

hidráulica resistiéndose al paso del fluido. El medidor magnético nos da las RPM de la rueda

hidráulica para cada configuración.

El molinete, se coloca delante de la rueda hidráulica en varias posiciones para determinar a

distintos niveles de fluido cómo varía la velocidad del agua desde los laterales hasta el centro del

canal, permitiendo obtener el perfil de velocidades, que nos identifique el punto más óptimo para

colocar la rueda hidráulica; de esta manera, se pretende sacar el mayor provecho sobre la

velocidad del fluido del canal en los álabes de la turbina.

3.2. Mantenimiento del canal de medición.

En el canal de medición fue necesario realizar un mantenimiento correctivo, ya que para

realizar las pruebas de la rueda hidráulica, se necesita disponer del mayor caudal de agua posible.

Es por ello que fue necesario revisar la compuerta que regula la cantidad de agua que deriva en el

canal de medición, ya que no se podía graduar y se encontraba trabada en su recorrido vertical de

apertura y cierre.

3.2.1. Compuerta para el control del nivel de agua.

La compuerta que controla el nivel de agua se encuentra alojada en una estructura de concreto,

y su elevación vertical depende de la regulación que se le dé a través del motor, el cual tiene

acoplado un eje con dos cadenas (ambas cadenas para desplazar verticalmente cada lado de la

compuerta). En la Figura 3.6 se puede observar esta disposición.

36

Figura 3.6. Motor que regula la altura de la compuerta mediante dos cadenas.

Esta compuerta tiene límites de recorrido superior e inferior a través de sensores (Limit

Switch), para evitar que se salga del recorrido para el cual fue diseñado. De esta manera, el motor

deja de funcionar cuando el sensor le corta el suministro de energía y el sistema se detiene. En la

Figura 3.7 se puede observar el sensor cuando el sistema falló.

Figura 3.7. Sensor Limit Switch desprendido de la estructura.

El sensor que limitaba el recorrido inferior al bajar la compuerta, en alguna oportunidad falló en

su estructura interna y no detuvo la misma, esta siguió su recorrido hasta que hizo contacto con la

estructura del soporte del sensor y las camisas que protegen la cadena. Este contacto ocasionó

que la compuerta se trabara y que la cadena más cercana al motor se rompiera.

37

Figura 3.8. Compuerta sin el cobertor de la cadena.

Para el mantenimiento correctivo se instalaron andamios que permitieran el acceso a cada una

de las partes que se debían desmontar. Primero se sacaron los cobertores de las cadenas para

observar las cadenas en todo su recorrido (Figura 3.8), esto permitió observar que el último

eslabón de la cadena izquierda se había roto (Figura 3.9). Una vez ubicada la falla se procedió a

sustituir el eslabón y a enderezar los cobertores para poder volver a instalarlos. Los sensores que

limitan el recorrido no fueron instalados, por lo que se deben adquirir para facilitar su futura

graduación y evitar posibles daños por descuido humano.

Figura 3.9. Eslabón partido de la cadena para subir la compuerta.

38

3.3. Diseño de la turbina hidráulica

El diseño fue realizado con el soporte del software comercial SolidWorks® 2013, para poder

generar sólidos y realizar el estudio dinámico y estático, evaluando su resistencia. Los planos

finales, fueron realizados en Autocad® 2012.

El banco de pruebas permite el posicionamiento de la rueda hidráulica, bien sea sumergida o

fuera del agua, y proporciona la posibilidad de girarla para recibir la corriente de agua con un

ángulo de inclinación [α].

En el diseño de la rueda hidráulica fue necesario definir varios parámetros como punto de

partida para realizar el dimensionamiento de los elementos que la componen. Debido a las

limitaciones de espacio del canal de medición, se realizó la estructura del banco de pruebas y de

acuerdo a ello, se fijaron las dimensiones con las que se dispone para diseñar el prototipo de

turbina. Aunado a esto, para el diseño se consideró que la construcción y ensamble fueran

posibles al llevarlo al modelo real.

En un principio se evaluó la idea de diseñar la turbina para ser construida con la impresora de

prototipos, sin embargo, estaba limitada por el tamaño máximo de pieza que podía imprimirse en

la máquina. Posteriormente, se evaluó la posibilidad de dividir la estructura completa en varias

piezas que pudiesen ser realizadas con la impresora de prototipos, de acuerdo al número de álabes

y pudiesen ser ensambladas para obtener la rueda hidráulica plástica en ABS.

En la fase preliminar, con la lluvia de ideas, se generaron varios tipos de configuraciones,

donde se encontró como limitante número de álabes posibles para una rueda hidráulica de

pequeña escala, al ser colocada en el banco de pruebas.

El número de álabes se eligió impar, para obligar que exista rotación de la turbina, para ensayos

donde ésta se encuentre sumergida en el canal de medición, de esta manera, los vectores de

impacto de la corriente del agua, encuentran una mayor superficie donde ejercer la fuerza en una

mitad de la turbina que en la otra.

39

3.3.1. Configuraciones iniciales de 5, 7 y 9 álabes.

Una vez dibujados los prototipos con 5 y 9 álabes, se decidió que el número de álabes a diseñar

y posteriormente construir sería de 7, debido a que la construcción con 9 álabes, no sería factible

bajo métodos convencionales por la disposición múltiples paletas en un espacio pequeño y la de 5

álabes sólo tendría entre dos (2) y tres (3) paletas o álabes por debajo de su eje (ver Figura 3.10).

Una mayor cantidad de paletas, es beneficiosa para que la velocidad angular sea más estable,

reduciendo así el escalonamiento en el movimiento rotativo a través de su eje.

Figura 3.10. Configuraciones iniciales de 5 y 9 álabes.

Luego de determinar el número de álabes a diseñar para el banco de pruebas, se procedió a

dibujarlo suavizando las uniones de cada paleta con el núcleo de la rueda, para ello, se le

realizaron radios de entalla, minimizando así los posibles fallos del material en estas zonas (ver

Figura 3.11).

Figura 3.11 Configuración inicial de 7 álabes.

40

3.3.2. Primer diseño con refuerzos y la muestra de su estructura central.

El material supuesto fue PMMA, es por ello que a la configuración de la Figura 3.10 se le

agregó como soporte, un par de aros a cada lado de la rueda hidráulica, y se dimensionó el núcleo

de la rueda de 387 mm de largo y el diámetro del tubo de 2 pulgadas, tomando en cuenta las

dimensiones para el alojamiento de la banda del freno Prony (Ver figura 3.12).

Figura 3.12. Diseño 1. Turbina con aros laterales de refuerzo y alojamiento para freno Prony.

3.3.3. Segundo diseño con álabes cortos.

Luego se evaluó la modificación de los álabes, para hacerlos más cortos y mejorar la eficiencia

en el canal de medición (ver Figura 3.13.). Sin embargo, esta idea fue desechada ya que el

propósito del diseño es comparar los distintos tipos del álabes (rectos, helicoidales, entre otros)

bajo los mismos parámetros, por lo que se extienden hasta el eje para realizar los distintos

ensayos en el banco de pruebas (totalmente sumergido, a distintas elevaciones y ángulos de

inclinación en la incidencia de la corriente de agua).

Figura 3.13. Diseño 2. Rueda Hidráulica reforzada con aros laterales y álabes cortos.

41

3.3.4. Diseño de turbina para el canal de medición del Laboratorio de Física.

Posteriormente se colaboró en el desarrollo del diseño de una nueva rueda hidráulica solicitada

por el profesor Antonio Vidal, para un canal del laboratorio de física, que mide 140 mm de

ancho. La rueda se realizó con un ancho de 70 mm para separarla de las paredes laterales del

canal y minimizar las perturbaciones en la velocidad del fluido. Los álabes son de 70 x 70 mm

para un diámetro total de 170 mm, quedando el cilindro central con un diámetro de 30 mm y los

rodamientos seleccionados son SKF 619/5. Esta Turbina será construida en la impresora de

prototipos, dado que tiene un tamaño menor y es viable para este equipo. Cuenta con un espesor

general de 2 mm y los aros tienen un ancho de 4 mm (ver Figura 3.14.).

Figura 3.14. Primer diseño para el canal de medición del Laboratorio de Física.

El primer diseño es frágil, y se solicitó que los álabes llegasen hasta el cilindro central y

tuviesen espacio para un freno Prony, entonces, se rediseñó la rueda y se obtuvo el segundo

diseño (ver Figura 3.15.), con el mismo espesor de 2 mm, pero los aros de 7 mm de ancho y los

álabes son completos llegando hasta el cilindro central. También se le dejó el espacio para el

freno Prony, y se utilizaron radios de entalla en las uniones para obtener un diseño más robusto.

Figura 3.15. Segundo diseño para el canal de medición del Laboratorio de Física.

42

3.3.5. Tercer diseño de álabes con nervios de refuerzo.

Se volvió a retomar el diseño 2 (Figura 3.13.) y se rediseñó con un modelo distinto de paletas,

donde se le da la rigidez a la estructura mediante unos nervios que acompañan radialmente al

álabe en toda su extensión hasta el diámetro externo, con ello se evalúa la opción de suprimir los

aros de soporte a ambos lados. También se le incluyó el alojamiento para los rodamientos Serie

6000 2RS y el espacio para introducir el eje fijo donde ajustará la pista interna de los

rodamientos. Estos rodamientos seleccionados son obturados para funcionar inmersos en el agua

del canal, protegiendo su lubricación interna y por lo tanto otorgando un elevado tiempo de vida

útil.

Se trata de un diseño factible, pero debe construirse en 3 materiales distintos, particularmente el

PMMA (para su uso en los nervios y el eje central) es complicado y costoso de obtener en

nuestro país. El eje es tallado con la máquina-herramienta Torno, sobre una barra de Nylon, o de

un elastómero llamado Thordon (ver Figura 3.16) que se encuentran en el país.

Figura 3.16. Barra hueca del elastómero Thordon [arriba] y barra sólida de Nylon [abajo].

A continuación se muestra el listado de precios de los materiales posibles para la barra central

en este diseño:

Tabla 3.1 Listado de precios de materiales para la barra central del diseño 3 (27/07/15).

43

Los nervios fueron concebidos para elaborarse con barras de aluminio de 3/8” incrustadas en la

barra del eje y sostenidas por prisioneros, a estos nervios se les fijan los álabes de PMMA, a

través del uso de tonillos tipo Allen de cabeza plana M2x1 (ver Figura 3.17.). Los nervios llevan

tallados una cara plana para asentar y fijar las láminas de los álabes.

Figura 3.1.7. Diseño 3. Turbina con nervios de refuerzo en los álabes.

3.3.6. Cuarto diseño de hierro dúctil y aro de refuerzo.

Como el diseño debe ser lo más adaptable posible a distintas configuraciones de álabes y para

facilitar su construcción se dispuso a utilizar el mismo material para todas sus partes, entonces se

decidió elaborar otro diseño, dividiéndose la estructura en tres piezas más el eje interno, esto

debido a que tanto los extremos de la rueda hidráulica como el eje, permanecerán iguales para

cualquier tipo de configuración, esto facilita el ensamble, disminuye los costos para su

construcción e incrementa la versatilidad del prototipo.

En un extremo debe de alojarse un rodamiento y una ranura para que actúe el freno Prony y en

el extremo contrario debe alojarse el otro rodamiento; entre ambas piezas se colocará el elemento

que se requiera, según las distintas configuraciones de álabes (rectos, helicoidales, entre otros)

que se requieran utilizar para los múltiples ensayos posibles.

44

En este Proyecto de Grado se diseñó el modelo para una turbina hidráulica de álabes rectos y se

planteó el diseño para álabes helicoidales, dejando una puerta abierta de múltiples proyectos de

diseño, construcción y ensamblaje con las piezas aquí elaboradas.

En la Figura 3.18. se observa el diseño definitivo para la turbina hidráulica de álabes rectos.

Una vez realizado este diseño y seleccionando hierro dulce como material, se procedió a

evaluarlo mediante el módulo de simulación (SolidWorks Simulation) de SolidWorks® 2013,

donde se ensayó estática y dinámicamente, obteniéndose valores holgados para los esfuerzos a

los que va a estar sometido el diseño.

Figura 3.18. Diseño 4 (definitivo) de álabes rectos con un solo aro de refuerzo.

Luego de seleccionar como diseño definitivo de álabes rectos el de la Figura 3.18., se elaboró

el diseño de dos turbinas hidráulicas de álabes helicoidales. Una de ellas está realizada con un

paso de 27⁰ y la otra con un paso de 52⁰, estos son algunos de los modelos por construir, para dar

paso a múltiples ensayos en el banco de pruebas y comparar sus resultados con la que se

construyó en este proyecto. El ensayar múltiples turbinas, permite tener un despliegue de

opciones y ensayos para un estudio más detallado y así, trabajar en la mejora de la eficiencia en

esta área de las turbinas microgeneradoras. En la figura 3.19. se pueden observar los dos diseños.

45

Figura 3.19. Vistas de dos (2) diseños de álabes helicoidales a 27⁰ y 52⁰ respectivamente.

3.3.7. Simulación en SolidWorks® 2013.

Para proceder a la simulación se eligió como el diseño más factible el número 4, ya que ofrece

varias ventajas en su construcción, las piezas pueden ser soldadas y se encuentran en el mercado

de nuestro país todos los materiales.

Con esta selección se procedió a entrar en el módulo Simulation de SolidWorks® 2013 y se

agregaron las conexiones, sujeciones y las cargas externas como el efecto de la gravedad y las

presiones distribuidas del agua en cada una de los álabes o paletas. Este estudio fue hecho con los

4 álabes sumergidos en el agua del canal hasta el centro eje de la rueda hidráulica (ver Figura

3.20.). Para realizar la simulación, es necesario mantener estática la rueda hidráulica y para ello

se sujetó el eje en donde van alojados los rodamientos.

Figura 3.20. Esquema de la operación de la turbina en el canal de medición.

46

Se realizaron dos tipos de ensayos, el estático (sin corriente del agua) y el dinámico (con

corriente del agua), ambos se realizan con el cilindro central detenido (estático).

El análisis estático se realizó con las fuerzas que ejerce la presión del agua por ambas caras de

los álabes que se encuentran sumergidos (álabes superiores e inferiores de la Figura 3.20.)

Para las consideraciones analíticas de diseño tomadas en cuenta en la elaboración preliminar de

la turbina, se tomó el instante donde cuatro (04) de los álabes están sumergidos, y sus alturas para

los álabes derechos e izquierdos, están equidistantes desde una perspectiva geométrico-angular.

Para ello, se realizó el análisis hidrostático de la presión con respecto a los metros de columna

de agua, en el cual, se pudo demostrar analíticamente que a la profundidad a la que están

expuestos los álabes de la turbina es despreciable. Para los dos álabes inferiores, la presión

hidrostática promedio de una pendiente de 64,290, solo representa un 1,14%, de la presión

atmosférica, en el instante considerado. El otro par de álabes cuya inclinación con respecto a la

superficie es de 12,350, la presión hidrostática representa un 0,28% de la presión atmosférica.

Por lo tanto, es apreciable que las modificaciones de la estructura, al estar sometida a estas

presiones, desde una perspectiva hidrostática, son ínfimas con respecto a las del medio donde se

fabricó, por lo que se determina que si a ésto se le añade un factor de seguridad, de fiabilidad, y/o

de corrección mayor a los porcentajes expresados, esta consideración ya formará parte de manera

intrínseca al coeficiente estimado.

Tabla 3.2. Presión hidrostática de referencia, la de los álabes superiores y los inferiores.

Profundidad

h (m)

Presión (atm)

H2O

Presión (atm)

Aire Presión Total

10 1 1 2

2,826.10-2

2,826.10-3

1 1,002826

0,1144 0,01144 1 1,01144

47

Tabla 3.3. Conversión de la presión hidrostática de atm a N/m2

Presión (atm)

H20-Hidrostática

Presión (N/m2)

H20-Hidrostática

1 101325

2,826.10-3

286,35

0,01144 1159

Tabla 3.4. Porcentaje de referencia de la presión a nivel del mar versus la de los álabes.

Presión (atm)

H20-Hidrostática

Presión (N/m2)

H20-Hidrostática Porcentaje (%)

1 101325 100

2,826.10-3

286,35 0,28

0,01144 1159 1,14

Tabla 3.5. Presión hidrostática, profundidad promedio de cada álabe (derechos e izquierdos).

Pendiente (0)

Profundidad h

(m)

Presión (atm)

H20-Hidrostática

12,850

2,826.10-2

2,826.10-3

64,290

0,1144 0,01144

De acuerdo a los valores indicados en la tabla 3.3, se consideró una presión distribuida de 287

N/m2 para los dos (2) álabes sumergidos a 12,85⁰ (superiores) y de 1159 N/m

2 a los sumergidos a

64,29⁰ (inferiores). La malla utilizada es de elementos cuadráticos de alto orden, es decir, es la

malla más tupida que proporciona el software SolidWorks® 2013 para obtener la mayor

precisión en el resultado.

48

Figura 3.21. Simulación Estática con presión hidrostática.

Para el análisis dinámico, se utilizó una velocidad del agua horizontal de 0,36 m/s, la cual

equivale a una presión de la corriente de agua de 65 N/m2 aplicada a los álabes, se agregaron las

reacciones de los rodamientos, y las verticales del freno Prony, además de las sujeciones del

cilindro central para provocar la situación más desfavorable en los cálculos de la simulación.

Figura 3.22. Simulación Dinámica con presión hidrodinámica.

A continuación, se mostrará el procedimiento a seguir para el cálculo de la fuerza de la

corriente en los álabes:

El largo y ancho de cada álabe tiene un valor de 10 pulgadas = 0,254 m

49

Potencia P =

con

Velocidad de la corriente

Área

Densidad de agua

Potencia Pt =

Potencia mecánica Pm = y despejo la fuerza Pm

Fuerza F =

Presión

Esto indica que la corriente del agua con velocidad puede ser expresada

perpendicularmente a la cara de los álabes sumergidos, como una presión distribuida de 65 Pa

para efectos de la simulación en SolidWorks® 2013.

Luego de completar el objetivo de las simulaciones de la Turbina Hidráulica a construir, se

realizó un avance en dos (2) diseños y simulaciones adicionales, en esta oportunidad de álabes

helicoidales.

Figura 3.23. Diseño y simulación Dinámica para álabes helicoidales a 27⁰.

50

Figura 3.24. Diseño y simulación Dinámica para álabes helicoidales a 52⁰.

3.4. Construcción de la turbina hidráulica.

Una vez realizada la simulación y al observar sus resultados positivos en el informe del Anexo

A, se puede establecer que la rueda cumple ampliamente con las fuerzas a las que va a estar

sometida en su funcionamiento.

3.4.1. Eje de la turbina hidráulica.

Una de las partes o elemento fundamental de la Rueda Hidráulica, es el eje. Éste queda

solidario a la estructura del banco de pruebas, pero se debe fijar una vez que toda la turbina esté

ensamblada. El método de fijación es, encajar un extremo en el marco del banco de pruebas, el

otro extremo del eje se traspasa en el marco estructural y se fija con una tuerca. El eje está

construido a partir de un cabilla lisa, a la cual se le cilindraron sus dos extremos de acuerdo con

las medidas indicadas en el plano del ANEXO E y con la ayuda del torno.

Figura 3.25. Eje de la turbina.

51

Figura 3.26. Detalle del eje en el extremo A.

En la Figura 3.27. se puede observar el ensamblaje de los rodamientos y el cambio de sección

en el eje para su ajuste, ambos rodamientos son iguales de la serie 6000 2RS. El ajuste prensado

para el rodamiento con respecto al eje el de 10H6/k6 y tanto la tuerca como la arandela son de

5/16 pulgadas.

Figura 3.27. Ubicación de los rodamientos en el eje de la Turbina.

Como accesorio se colocó una barra de aluminio de diámetro 5/8 de pulgada, para servir de

espaciador en el extremo A al momento del montaje en el banco de pruebas.

3.4.2. Pieza del extremo A.

Esta pieza cilíndrica presenta una ranura en donde actúa la banda del freno Prony, en su cara

externa tiene el alojamiento para el rodamiento y por el otro lado tiene un cambio de sección para

disminuir el diámetro y permitir su encaje en la estructura que contiene los álabes. El ajuste

prensado para la pista externa del rodamiento es de 26H6/k6. La fijación con la otra estructura, se

realiza a través de dos tornillos tipo Allen de 4 mm dispuestos a 90 grados uno del otro, estos

52

tornillos se alojarán en agujeros con rosca hembra de 4 mm. La pieza tiene un agujero pasante

para el paso libre del eje.

Figura 3.28. Extremo A con su rodamiento.

Isometría frontal [izquierda] y posterior [derecha].

3.4.3. Pieza del extremo B.

Esta pieza cilíndrica presenta en su cara externa, el alojamiento para el rodamiento y por el otro

lado tiene un escalón para disminuir el diámetro y permitir su encaje en la estructura que

contiene los álabes. El ajuste prensado para la pista externa del rodamiento es de 26H6/k6. La

fijación con la otra estructura, se realiza con dos tornillos tipo Allen de 4 mm dispuestos a 90

grados uno del otro, estos tornillos entraran en agujeros con rosca hembra de 4 mm.

Figura 3.29. Extremo B. Isometría frontal [izquierda] y posterior [derecha].

3.4.4. Cuerpo intercambiable de los álabes.

Esta pieza consta de un tubo central de 1,5 pulgadas y calibre 11, el cual tiene distribuido en su

superficie 7 álabes, realizados en 7 láminas pulidas de 10 x 10 pulgadas y de calibre 16, los

53

mismos fueron soldados al tubo con 6 electrodos E6013 3/32 x 14 pulgadas. Según el diseño

previo y para darle fortaleza al modelo manteniendo la separación entre los álabes, se colocaron

14 semi-aros del mismo tamaño realizados con la misma lámina pulida, y que también fueron

soldados al cuerpo de los álabes (ver Figura 3.30). Todas las soldaduras fueron suavizadas con

masilla roja de retoque OPEX y la estructura completa fue pintada con fondo anticorrosivo rojo

para evitar su oxidación, previo a la colocación de pintura blanco mate en spray. En los extremos

del tubo central cuenta con dos agujeros u orificios pasantes de cada lado a 90 grados uno del

otro, para ser alineados con las piezas A y B y que permitan su ensamble.

Figura 3.30. Pieza central, estructura de los álabes.

A continuación se describirá con detalle el proceso de construcción:

Inicialmente, se marcaron y cortaron con sobre medida, los 7 cuadrados (álabes) de la lámina,

de 10 x 10 pulgadas. Luego se utilizó una sierra de cinta para cortarlos, una vez separados, se

colocaron paralelos unos a otros y se fijaron en la fresadora, se les realizó un pequeño arranque

54

de viruta con la finalidad de igualar todas las dimensiones de las 7 láminas cuadradas al mismo

tiempo, llevándolas a la especificación de 10 x 10 pulgadas. Posteriormente, estos cantos fueron

suavizados con la ayuda de una lima eliminando los filos cortantes.

Luego, se cortó el largo del tubo central (Tubo negro de 6 m) y se refrentó en el torno para

obtener un corte limpio. También, fue ligeramente torneado realizando un cilindrado del diámetro

interior en sus dos extremos, con el fin de eliminar la costura interna del tubo y suavizar

cualquier irregularidad u ovalidad que existía en su superficie interna, facilitando así el encaje de

las dos piezas A y B de los dos extremos. Para este torneado se utilizó el reloj comparador para

así centrar el tubo antes del proceso de arranque de viruta. Posteriormente, se procedió a elaborar

con el taladro de pie, los agujeros pasantes por donde se ensamblarán las piezas A y B de los

extremos, estos están dispuestos a 90 grados uno de otro cuidando que no coincidieran con la

posición de los álabes.

A este tubo central, se le marcó la posición de los álabes, ésta fue de 51,43⁰ respecto al anterior

y se procedió a unir estos álabes al tubo central, realizando soldaduras punteadas con sumo

cuidado para no exceder la generación de calor que termine doblando la lámina; afortunadamente

la lámina de 1,5 mm de espesor, resiste la soldadura sin deformarse apreciablemente.

Los aros de refuerzo de los álabes fueron realizados en 7 secciones (7 semi-aros) de cada lado

para ser encajados entre los álabes antes de ser soldados a la estructura. Se fabricaron a partir de

una lámina pulida, con el uso de una impresora se obtuvo su forma del plano de Autocad® 2012,

y con ella se realizó una plantilla impresa en cartulina. Esta plantilla se usó para marcar los 14

arcos que se necesitaban, luego se cortaron con la sierra de cinta y se suavizaron con el esmeril de

banco, antes de ser soldadas a la estructura.

55

Figura 3.31. Plantilla para cortar los 14 semi-aros.

El eje fue realizado con una cabilla lisa, cilindrada con la ayuda del torno en sus extremos para

alojar los rodamientos y para fijarse al marco del banco de pruebas. Su diámetro máximo entra

libremente en el interior de la turbina; éste se mantiene solidario al marco del banco de pruebas,

mientras que la rotación la hace la turbina a través de los rodamientos. En uno de los extremos

fue tallada una rosca para permitir su fijación al marco del banco de pruebas con el espaciador, la

arandela y la tuerca de 5/16 pulgadas.

El dimensionamiento del rodamiento fue seleccionado realizando ingeniería inversa, ya que

hubo que proyectar todos los diámetros del eje en función de los agujeros de fijación

preexistentes y aumentar el cambio de sección, en función de la altura de la pista interna de los

rodamientos.

Se instalaron dos rodamientos rígidos de bolas serie 6000 2RS obturados para evitar la

corrosión que produce el medio acuoso donde se realizarán los ensayos. Estos rodamientos

aguantan cómodamente las cargas a las que van a estar sometidos.

La ranura para la acción del freno Prony se dimensionó de acuerdo al marco de montura

preexistente del banco de pruebas y de esta manera conservar la geometría del diseño.

Todos los diámetros fueron escogidos, con el criterio de seleccionar lo que más se ajusta al

mínimo posible en función de la estructura de fijación y materiales existentes en el mercado con

el fin de abaratar los costos.

56

3.4.5. Rodamientos.

Se seleccionaron dos (2) rodamientos rígidos de bolas obturados de la serie 6000 2RS. Las

siglas 2RS indican la obturación rozante RS de caucho de nitrilo (NBR) a ambos lados del

rodamiento. En la Figura 3.32. se puede observar el rodamiento seleccionado.

Figura 3.32. Rodamiento rígido de bolas FAG obturado serie 6000 2RS.

Su selección fue determinada por los diámetros con que se encontraba para su alojamiento, es

por ello que se buscó su especificación (Tabla 3.6) para ver si cumple con las cargas necesarias.

Tabla 3.6. Especificaciones del rodamiento rígido de bolas obturado serie 6000 2RS.

El mayor peso reportado en el informe para álabes rectos fue de 15,66 kg, multiplicándolo por

la aceleración de la gravedad 9,81 m/s2 tenemos una capacidad de carga estática de 153,64 N

versus 1,96 kN (ver Tabla 3.6.) con 8 RPM versus 67.000 RPM, lo cual entra holgadamente en la

especificación.

57

Se puede visualizar en los cálculos realizados, con el software de elección de cojinetes, que la

expectativa de vida de los rodamientos seleccionados según las cargas a las cuáles está sometido,

se incrementa de manera considerable, ya que la velocidad angular a la cual éstos funcionan, es

menor que la establecida por catálogo, razón por la cual, al comparar los valores analíticos

calculados, con las especificaciones del fabricante, se puede determinar que la escogencia de

rodamientos es adecuada.

3.4.6. Ensamblaje de las piezas.

El ensamblaje resulta sencillo, consiste en encajar las dos (2) piezas A y B de los extremos, en

la pieza de la estructura de los álabes, y colocar los dos tornillos tipo Allen de fijación a cada una.

Previamente, la pieza del extremo A debe tener alojado el rodamiento. Una vez que se tiene este

conjunto, se le introduce el eje con el rodamiento ajustado en el extremo B (ver Figura 3.33.),

ejerciendo presión para llevarlos a su posición final, en este momento se ha terminado su

ensamblaje. Luego de tener la Rueda Hidráulica armada, se procede a instalarla, para ello, el eje

se encaja de un lado en el marco del banco de pruebas y por el otro lado se le coloca el espaciador

y se instala traspasando con el eje el marco nuevamente, luego se le coloca la arandela y la

tuerca.

Figura 3.33. Eje en el extremo B con el rodamiento en su posición.

En la Figura 3.34. se puede observar la Turbina Hidráulica ensamblada. Esta consta de las tres

(3) piezas más el eje con sus dos (2) rodamientos, la tuerca y la arandela. Toda la construcción

cumple perfectamente con el diseño 4 seleccionado.

58

Figura 3.34. Construcción terminada de la rueda hidráulica.

Luego de tener el prototipo de Turbina Hidráulica construida, se procedió a instalarla en el

banco de pruebas del canal de medición para ensayarlo (Figura 3.35.). Como ayuda visual para

evaluarla, se le realizó una línea (verde) en uno de los extremos de un álabe, donde se pudo

apreciar cuantas revoluciones por minuto se producían para un determinado ajuste del freno

Prony.

59

Figura 3.35. Instalación de la rueda hidráulica en el banco de pruebas del canal de medición.

60

CAPÍTULO 4

RESULTADOS

En el siguiente capítulo se detallarán los resultados obtenidos de la construcción del prototipo

de turbina hidráulica versus el diseño y simulación del software SolidWorks® 2013, a partir del

diseño escogido de álabes rectos planteado al inicio del presente trabajo de grado. Como soporte,

referirse a los planos asociados a la construcción de las piezas que se encuentran ubicados en el

ANEXO E.

4.1. Estudio estático

En la verificación de los resultados obtenidos de manera analítica para las presiones

hidrostáticas en la turbina de álabes rectos, se pudo cotejar que, al evaluar los porcentajes

calculados, la presión atmosférica es la más relevante en la turbina y la presión hidrostática tiene

un efecto reducido en los álabes, la suma de los dos efectos de estas presiones, es de poca

magnitud. Es por ello que se puede considerar, que el modelo se ve afectado mayormente por la

acción de la fuerza de gravedad. En otro orden de ideas, como el modelo está realizado en hierro

dúctil, la presión hidrostática para la profundidad máxima de los álabes, no ejerce una presión

considerable, lo que hace que no sea apreciable visualmente en la simulación. Esto se puede

corroborar con el informe del ANEXO A.

Los resultados de esta simulación, indican que el máximo desplazamiento del modelo está en el

orden de 0,03 mm, y los esfuerzos sólo se muestran en las uniones entre los álabes y el aro de

refuerzo, estando muy alejados de los valores de límite elástico (ver Figura 4.1.). Esto refleja que

el modelo siempre trabajará en el rango elástico, cumpliendo ampliamente con los requisitos

estructurales en el análisis estático.

61

Para el modelo del estudio estático (sin corriente de agua), la simulación indica valores

inferiores que los obtenidos en el estudio dinámico (con la corriente del agua), es por ello que

este estudio es de mayor relevancia para este prototipo de turbina hidráulica.

Figura 4.1. Simulación estática para álabes rectos.

4.2. Estudio dinámico.

Este estudio se realizó con los tres modelos de álabes, el de álabes rectos, el helicoidal a 27⁰ y

el helicoidal a 52⁰ (ANEXOS B, C y D). Los diseños helicoidales se elaboraron como parte del

estudio, para darle continuidad al proyecto en futuros estudios, donde pudiesen ensayar múltiples

configuraciones de álabes. Para fines de este análisis, a continuación, sólo se reportarán los

resultados del modelo con álabes rectos, dado que fue el seleccionado para ser construido.

El estudio dinámico muestra que para el prototipo, las tensiones son mayores que en el estudio

estático, debido a que está bajo los efectos de la corriente del agua, con una velocidad de 0,36

m/s. El mayor valor de las tensiones reportadas en este estudio dinámico son de 6.443.036,0 N/m2

(ver Figura 4.2.) versus 3.980.903,3 N/m2 del estudio estático.

En el caso de los desplazamientos, se encontró como mayor valor 0,361 mm versus 0,003 mm

del estudio estático, con lo cual se reafirma la idea de que este prototipo abarca los resultados de

la simulación estática por ser más críticos.

62

Figura 4.2. Simulación dinámica para álabes rectos.

4.3. Software SolidWorks® 2013.

Ante los resultados mostrados en los estudios estático y dinámico, es importante señalar que se

evidencia la utilidad del uso del software SolidWorks® 2013, dado que permite la visualización

de los resultados para la posterior interpretación de los mismos. Así mismo, se trata de un

software amigable, que permite realizar modificaciones en cualquier parte del diseño reportando

los parámetros actualizados, sin necesidad de rehacer tanto el diseño como la simulación.

4.4. Análisis de resultados de la turbina hidráulica en operación.

Una vez realizado el diseño, las simulaciones y construcción de la turbina hidráulica de álabes

rectos se procede la instalación de este prototipo en el banco de pruebas del canal de medición.

Se pudo detallar que el prototipo bajo la corriente de agua rota con facilidad, su eje no sufre de

pandeo apreciable y debido a que lo elevado de su peso, lo hace contar con una inercia

considerable que ayuda a reducir el efecto de escalonamiento a la entrada de cada álabe en el

agua del canal.

En el momento de la operación, se divisó a través de un conteo manual usando una marca verde

(ver Figura 3.34.) que la Turbina Hidráulica gira entre 7 y 8 RPM.

63

4.5. Costos asociados al prototipo construido.

En la tabla 4.1. se puede observar el listado de precios de todos los materiales utilizados durante

la construcción del prototipo de turbina hidráulica para el 27/07/15. Sin embargo, es importante

destacar que no han sido contabilizadas ni calculadas las horas hombre para adicionar el costo de

la mano de obra.

Tabla 4.1. Listado de precios de materiales adquiridos para construcción de la turbina

hidráulica.

Tabla 4.2. Listado de precios estimados para los materiales existentes.

Como se puede observar en la tabla 4.1., el total de costos de los materiales adquiridos para la

construcción del prototipo de turbina hidráulica para el día 27/07/15 es de Bs. 38.406,72. Por su

parte, el total estimado de materiales utilizados que no fueron comprados por tenerse en

existencia fue de Bs. 9.127,51 (Ver Tabla 4.2). El total de los costos de la construcción, sin contar

64

la mano de obra, fue de Bs. 47.534,23. Los soportes de las facturas de los materiales adquiridos

se encuentran en el ANEXO F.

65

CONCLUSIONES

La generación de energía a través del aprovechamiento de los recursos hídricos existentes en

Venezuela es posible a través del uso de turbinas hidráulicas para aprovechar los recursos

hídricos de baja altura hidráulica.

Este estudio tuvo como finalidad diseñar, simular y construir una turbina hidráulica de álabes

rectos que permitiera generar energía eléctrica a través de energía mecánica.

El diseño de todas las piezas y la configuración del sistema fue realizado adaptándose a las

condiciones impuestas por el espacio limitado en el banco de pruebas del canal de medición,

conservando la simetría para obtener los mejores resultados posibles bajo esas dimensiones.

Este estudio abre una nueva puerta para la inclusión de una práctica en el LABCEM en donde

los estudiantes puedan estudiar los comportamientos de los distintos tipos de turbinas, así como

la estimulación para el desarrollo de nuevos diseños.

Los materiales con los que se construyó el prototipo están disponibles en el país, disminuyendo

los costos y permitiendo realizar otros prototipos con los mismos materiales en futuros estudios.

El estudio dinámico muestra que el mayor valor de las tensiones reportadas fue de 6.443.036,0

N/m2 versus 3.980.903,3 N/m2 del estudio estático.

En relación con los desplazamientos, se encontró un mayor valor en el estudio dinámico (0,361

mm) que en el estudio estático (0,003 mm).

El software SolidWorks® 2013 permite una apropiada visualización de los resultados para un

buen análisis e interpretación de los mismos. Además, es amigable para poder realizar

modificaciones en cualquier parte del diseño sin rehacer nada de lo ya logrado.

66

Durante la operación con la turbina hidráulica construida, se encontró que el prototipo no sufrió

de pandeo apreciable y posee una inercia considerable que reduce el efecto de escalonamiento a

la entrada del cada álabe en el agua del canal.

Con este estudio se verifica que un diseño versátil funciona para poder generar energía. Con los

cálculos teóricos, esta turbina lograría generar como tope 1,49 Watts en el aprovechamiento de la

corriente de velocidad 0,36 m/s.

El prototipo será donado al LABCEM, para contribuir con los estudios en el área de las

turbomáquinas hidráulicas tan importante para el país, a través del aprovechamiento de la baja

altura hidráulica.

67

RECOMENDACIONES

Calcular la potencia real de la turbina hidráulica en una práctica del canal de medición del

LABCEM para determinar la eficiencia del prototipo.

Ensayar el prototipo a distintos ángulos de inclinación y distintas elevaciones para determinar

su mejor punto de operación.

Engrasar las piezas A y B antes de ensamblarlas con el cuerpo de la turbina.

Realizar otros prototipos para ser estudiados y comparados con el aquí presentado, buscando

opciones efectivas y a bajo costo que pudieran ser de utilidad para la generación de energía en

las comunidades.

Instalar los sensores de recorrido para las cadenas de la compuerta del canal de medición para

mejorar la seguridad en el funcionamiento.

Establecer un plan de mantenimiento preventivo del canal de medición para el

aprovechamiento del mismo en futuras oportunidades.

68

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Hibbeler, R.C.,”Mecánica de Materiales”, Pearson Educación, 6ta edición, México 2006

Budynas R., Nisbett J. “Diseño En Ingeniería Mecánica” McGraw-Hill, México, 8ª.edición. 2008.

Goncalves, Raúl “Introducción al análisis de esfuerzos”, Equinoccio, 3era edición, Venezuela.

Beer, J., Johnston, R y DeWolf, J., “Mecánica de Materiales” McGraw Hill Interamericana

Mott, Robert, “Diseño de elementos de máquinas”, Pearson Educación, 4ta Edición, México,

2006.

Prof. Omar Jordan M. Diseño de elementos de máquinas II. Universidad Nacional Experimental

del Táchira. Junio 2004.

Catálogo de Rodamientos SKF

Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de Alabes Rectos - Estudio Estático 1

ANEXO A

INFORME EN SOLIDWORKS DE TURBINA DE ALABES RECTOS (ESTÁTICO)

Simulación de Alabes Rectos - Estudio Estático Fecha: lunes, 11 de abril de 2016 Diseñador: Solidworks Nombre de estudio: Estudio 1 Tipo de análisis: Análisis estático

Table of Contents Descripción ........................................... 1

Información de modelo ............................. 2

Propiedades del estudio ............................ 3

Unidades .............................................. 3

Propiedades de material ........................... 4

Cargas y sujeciones.................................. 5

Información de malla ............................... 7

Detalles del sensor .................................. 9

Fuerzas resultantes.................................. 9

Resultados del estudio ............................ 10

Descripción Simulación de Alabes Rectos – Estudio Estático


Información de modelo

Nombre del modelo: Alabes Rectos - Estudio Estático

Configuración actual: Predeterminado

Sólidos

Nombre de documento y referencia

Tratado como Propiedades volumétricas Ruta al documento/Fecha

de modificación

Saliente-Extruir8

Sólido

Masa:15.6618 kg Volumen:0.00220588 m^3

Densidad:7100 kg/m^3 Peso:153.485 N

C:\Users\Zeus\Desktop\Alabes Rectos - Estudio

Estático.SLDPRT Apr 11 15:10:23 2016


Propiedades del estudio Nombre de estudio Estudio 1

Tipo de análisis Análisis estático

Tipo de malla Malla sólida

Efecto térmico: Activar

Opción térmica Incluir cargas térmicas

Temperatura a tensión cero 298 Kelvin

Incluir los efectos de la presión de fluidos desde SolidWorks Flow Simulation

Desactivar

Tipo de solver FFEPlus

Efecto de rigidización por tensión (Inplane): Desactivar

Muelle blando: Desactivar

Desahogo inercial: Desactivar

Opciones de unión rígida incompatibles Automática

Gran desplazamiento Desactivar

Calcular fuerzas de cuerpo libre Activar

Fricción Desactivar

Utilizar método adaptativo: Desactivar

Carpeta de resultados Documento de SolidWorks (C:\Users\Zeus\Desktop)

Unidades Sistema de unidades: Métrico (MKS)

Longitud/Desplazamiento mm

Temperatura Kelvin

Velocidad angular Rad/seg

Presión/Tensión N/m^2


Propiedades de material

Referencia de modelo Propiedades Componentes

Nombre: Hierro dúctil Tipo de modelo: Isotrópico elástico

lineal Criterio de error predeterminado:

Tensión máxima de von Mises

Límite elástico: 5.51485e+008 N/m^2 Límite de tracción: 8.61695e+008 N/m^2

Módulo elástico: 1.2e+011 N/m^2 Coeficiente de

Poisson: 0.31

Densidad: 7100 kg/m^3 Módulo cortante: 7.7e+010 N/m^2

Coeficiente de dilatación térmica:

1.1e-005 /Kelvin

Sólido 1(Saliente-Extruir8)(7 alabes version 5)

Datos de curva:N/A


Cargas y sujeciones

Nombre de sujeción

Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Sobre caras cilíndricas-1

Entidades: 2 cara(s) Tipo: Sobre caras cilíndricas

Traslación: ---, 0 rad., --- Unidades: mm

Fuerzas resultantes Componentes X Y Z Resultante

Fuerza de reacción(N) 0.229058 153.609 -0.0176354 153.609

Momento de reacción(N·m)

0 0 0 0

Nombre de carga

Cargar imagen Detalles de carga

Gravedad-1

Referencia: Planta Valores: 0 0 -9.81

Unidades: SI

Presión-1

Entidades: 1 cara(s) Tipo: Normal a cara

seleccionada Valor: 287

Unidades: N/m^2

Presión-2



Unidades: N/m^2


Presión-3



Unidades: N/m^2

Presión-4



Unidades: N/m^2

Presión-5



Unidades: N/m^2

Presión-6



Unidades: N/m^2

Presión-7



Unidades: N/m^2

Presión-8



Unidades: N/m^2


Información de malla Tipo de malla Malla sólida

Mallador utilizado: Malla estándar

Transición automática: Desactivar

Incluir bucles automáticos de malla: Desactivar

Puntos jacobianos 4 Puntos

Tamaño de elementos 36.2508 mm

Tolerancia 0.3 mm

Calidad de malla Elementos cuadráticos de alto orden

Información de malla - Detalles

Número total de nodos 90279

Número total de elementos 44527

Cociente máximo de aspecto 20.552

% de elementos cuyo cociente de aspecto es < 3 73.1

% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10 3.35

% de elementos distorsionados (Jacobiana) 0

Tiempo para completar la malla (hh;mm;ss): 00:00:45

Nombre de computadora: ZEUS-PC


Información sobre el control de malla:

Nombre del control de malla

Imagen del control de malla Detalles del control de malla

Control-1

Entidades: 1 Sólido(s) Unidades: mm Tamaño: 10.3574

Coeficiente: 1.5

Control-2

Entidades: 207 arista(s) Unidades: mm Tamaño: 5.17869

Coeficiente: 1.5


Detalles del sensor

Nombre del sensor Ubicación Detalles del sensor

Factor de seguridad mínimo1

Valor: 138.533 Entidades : Resultado :Factor de seguridad Componente :NA Criterio :Máx. de modelos Criterio de paso: En todos los pasos Paso nº:1 Valor de aviso: NA

Fuerzas resultantes

Fuerzas de reacción

Conjunto de selecciones

Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante

Todo el modelo N 0.229058 153.609 -0.0176354 153.609

Momentos de reacción



Todo el modelo N·m 0 0 0 0


Resultados del estudio

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 VON: Tensión de von Mises 144.366 N/m^2 Nodo: 68502

3.9809e+006 N/m^2 Nodo: 61314

Alabes Rectos - Estudio Estático - Tensiones


Desplazamientos1 URES: Desplazamiento resultante 0.00689925 mm Nodo: 1835

0.0326119 mm Nodo: 54747


Alabes Rectos - Estudio Estático - Desplazamientos


Deformaciones unitarias1 ESTRN: Deformación unitaria equivalente

1.41684e-009 Elemento: 23659

1.99571e-005 Elemento: 25851


Alabes Rectos - Estudio Estático - Deformaciones unitarias

Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de Alabes Rectos - Estudio Dinámico 1

ANEXO B

INFORME EN SOLIDWORKS DE TURBINA DE ÁLABES RECTOS (DINÁMICO)

Simulación de Alabes Rectos - Estudio Dinámico Fecha: martes, 12 de abril de 2016 Diseñador: Zeus Anca Nombre de estudio: Estudio 1 Tipo de análisis: Análisis estático




Unidades .............................................. 3





Resultados del estudio ............................ 10

Descripción Simulación de Álabes Rectos - Estudio Estático

Zeus Anca

12/04/2016



Nombre del modelo: Alabes Rectos - Estudio Dinámico


Sólidos



de modificación

Saliente-Extruir10

Sólido

Masa:8.93434 kg Volumen:0.00125836 m^3


C:\Users\Zeus\Desktop\Alabes Rectos - Estudio Dinámico.SLDPRT

Apr 09 21:31:24 2016

Zeus Anca

12/04/2016


Propiedades del estudio Nombre de estudio Estudio 1







Desactivar










Carpeta de resultados Documento de SolidWorks (C:\Users\Zeus\Desktop\Proyecto de grado)



Temperatura Kelvin



Zeus Anca

12/04/2016









Poisson: 0.31



1.1e-005 /Kelvin

Sólido 1(Saliente-Extruir10)(7 alabes version 5)

Datos de curva:N/A

Zeus Anca

12/04/2016


Cargas y sujeciones

Nombre de sujeción


Fijo-1

Entidades: 12 cara(s) Tipo: Geometría fija


Fuerza de reacción(N) 16.7755 87.657 0.00269562 89.2478


0 0 0 0

Nombre de carga


Gravedad-1


Unidades: SI

Cargas en rodamientos-1

Entidades: 2 cara(s) Sistema de coordenadas: Sistema de coordenadas1

Fuerza Valores: 0 1 0 N



Fuerza Valores: 0 -1 0 N

Zeus Anca

12/04/2016


Presión-1

Entidades: 4 cara(s), 1 plano(s) Referencia: Plano1

Tipo: A lo largo del plano Dir. 1 Valor: 65

Unidades: N/m^2

Zeus Anca

12/04/2016








Tolerancia 1.03166 mm











Zeus Anca

12/04/2016


Información sobre el control de malla:

Nombre del control de malla

Imagen del control de malla Detalles del control de malla

Control-1

Entidades: 75 cara(s) Unidades: mm Tamaño: 5.12437

Coeficiente: 1.5

Zeus Anca

12/04/2016


Fuerzas resultantes




Todo el modelo N 16.7755 87.657 0.00269562 89.2478





Zeus Anca

12/04/2016





6.44304e+006 N/m^2 Nodo: 254374

Alabes Rectos - Estudio Dinámico-Estudio 1-Tensiones-Tensiones1


Desplazamientos1 URES: Desplazamiento resultante 0 mm Nodo: 1

0.361126 mm Nodo: 32023

Zeus Anca

12/04/2016


Alabes Rectos - Estudio Dinámico - Desplazamientos



7.47104e-011 Elemento: 64196

2.65706e-005 Elemento: 33653

Zeus Anca

12/04/2016


Alabes Rectos - Estudio Dinámico - Deformaciones unitarias

Nombre Tipo

Desplazamientos1{1} Forma deformada

Zeus Anca

12/04/2016


Alabes Rectos - Estudio Dinámico - Desplazamientos

Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de Helicoidal. Eje 43mm 27 grados 1

ANEXO C

INFORME EN SOLIDWORKS DE TURBINA DE ALABES HELICOIDALES (DINAMICO A 27º)

Simulación Dinámica de turbina Helicoidal a 27 grados Fecha: sábado, 09 de abril de 2016 Diseñador: Zeus Anca Nombre de estudio: Estático Tipo de análisis: Análisis estático




Unidades .............................................. 3





Resultados del estudio .............................. 9

Descripción Turbina hidráulica de álabes helicoidales a 27 grados – Simulación dinámica.



Nombre del modelo: Helicoidal. Eje 43mm 27 grados


Sólidos



de modificación

Cortar-Extruir4

Sólido

Masa:7.81471 kg Volumen:0.00110066 m^3


C:\Users\Zeus\Desktop\Helicoidal a 27 grados –

Estudio dinámico.SLDPRT Jul 20 21:44:22 2015


Propiedades del estudio Nombre de estudio Estatico







Desactivar













Temperatura Kelvin











Poisson: 0.31



1.1e-005 /Kelvin

Sólido 1(Cortar-Extruir4)(Helicoidal a 27 grados)

Datos de curva:N/A


Cargas y sujeciones

Nombre de sujeción


Fijo-1



Fuerza de reacción(N) 16.1671 76.4888 0.0765986 77.6139


0 0 0 0

Nombre de carga


Gravedad-1


Unidades: SI







Fuerza Valores: -1 0 0 N

Presión-1

Entidades: 3 cara(s), 1 plano(s) Referencia: Plano1

Tipo: A lo largo del plano Dir. 1 Valor: -65

Unidades: N/m^2


Fuerzas resultantes




Todo el modelo N 13.1671 76.4888 0.0765986 77.6139









1.32406e+007 N/m^2 Nodo: 25402

Helicoidal a 27 grados - Estático - Tensiones



1.69378 mm Nodo: 18506


Helicoidal a 27 grados – Estático - Desplazamientos



5.6551e-011 Elemento: 8620

4.50296e-005 Elemento: 12193


Helicoidal a 27 grados - Estático - Deformaciones unitarias

Nombre Tipo

Desplazamientos1{1} Forma deformada


Helicoidal a 27 grados – Estático - Desplazamientos

Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de Helicoidal a 52 grados - Estudio dinámico 1

ANEXO D

INFORME EN SOLIDWORKS DE TURBINA DE ALABES HELICOIDALES (DINAMICO A 52⁰)

Simulación dinámica de la turbina helicoidal a 52 grados Fecha: domingo, 10 de abril de 2016 Diseñador: Zeus Anca Nombre de estudio: Estático a 52 grados Tipo de análisis: Análisis estático




Unidades .............................................. 3





Resultados del estudio .............................. 9

Descripción Turbina Hidráulica de álabes helicoidales a 52 grados – simulación dinámica.

Zeus Anca

10/04/2016

Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de Helicoidal a 52 grados - Estudio

dinámico 2


Nombre del modelo: Helicoidal a 52 grados - Estudio dinámico


Sólidos



de modificación

Cortar-Extruir4

Sólido

Masa:7.714 kg Volumen:0.00108648 m^3


C:\Users\Zeus\Desktop\Helicoidal a 52 grados -

Estudio dinámico.SLDPRT Apr 10 10:36:33 2016

Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 3

Propiedades del estudio Nombre de estudio Estatico a 52 grados







Desactivar













Temperatura Kelvin



Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 4








Poisson: 0.31



1.1e-005 /Kelvin

Sólido 1(Cortar-Extruir4)(Helicoidal. Eje 43mm 52 grados)

Datos de curva:N/A

Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 5

Cargas y sujeciones

Nombre de sujeción


Fijo-1



Fuerza de reacción(N) 13.9227 75.1097 -0.115329 76.3893


0 0 0 0

Nombre de carga


Gravedad-1


Unidades: SI





Entidades: 1 cara(s), 1 plano(s) Sistema de coordenadas: Sistema de coordenadas1

Fuerza Valores: 0 -1 0 N

Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 6

Presión-1

Entidades: 3 cara(s) Referencia: Cara< 1 >

Tipo: A lo largo del plano Dir. 1 Valor: -65

Unidades: N/m^2

Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 7


















Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 8

Fuerzas resultantes




Todo el modelo N 13.9227 75.1097 -0.115329 76.3893





Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 9




9.61723e+006 N/m^2 Nodo: 10912

Helicoidal a 52 grados - Estudio dinámico - Tensiones



1.31628 mm Nodo: 1351

Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 10

Helicoidal a 52 grados - Estudio dinámico - Desplazamientos



1.4725e-010 Elemento: 7406

4.83462e-005 Elemento: 9549

Zeus Anca

10/04/2016


dinámico 11

Helicoidal a 52 grados - Estudio dinámico - Deformaciones unitarias

ANEXO E

PLANOS

1

ANEXO F

FACTURAS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR - bib.usb.ve · proyecto comenzó con el levantamiento de información...

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