Ventilador Axial

Universidad Nacional de San AgustínEscuela Profesional de Ingeniería Mecánica

Diseño y calculo de un ventilador axial para un simulador de paracaidismo

INDICE

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES

1.1 INTRODUCCION1.2 SIMULADOR DE PARACAIDISMO1.3 TUNEL DE VIENTO

CAPÍTULO 2 DISEÑO DE FORMA

2.1 DESCRIPCION Y REQUERIMIENTOS2.2 MODELO SELECCIONADO2.3 DIAGRAMA DEL MODELO

CAPÍTULO 3 CÁLCULO Y DISEÑO

3.1. CÁLCULO DE LOS PARAMETROS REQUERIDOS3.2. CÁLCULO DEL VENTILADOR AXIAL3.3. SELECCIÓN DEL MOTOR3.4 PLANOS DEL DISEÑO

CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1 CONCLUSIONES4.2 RECOMENDACIONES

CAPITULO

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GENERALIDADES

1.1 Introducción

La caída libre comenzó siendo una práctica de carácter militar y luego se convirtió en un deporte aéreo. Esta práctica deportiva genera el máximo vértigo y adrenalina que una persona puede experimentar en vida.Se consolido como un deporte hace tan solo unas décadas y ahora con la gran aparición de los grandes simuladores de paracaidismo es que el deporte está adquiriendo un profesionalismo mayor.

Los simuladores de paracaidismo fueron diseñados originalmente para crear un área de práctica para los aficionados en este deporte, capturando la verdadera sensación de caída libre. Es un túnel de viento vertical que le permite experimentar la libertad de vuelo.

Muchos movimientos tienen lugar en el seno de medios fluidos. Vivimos sumergidos en un mar de aire (la atmósfera terrestre), por lo que son abundantes los ejemplos de movimientos de objetos que ocurren en el interior de este medio. La influencia del medio en estos movimientos es considerable. Las fuerzas de rozamiento entorpecen y modifican sensiblemente el movimiento y a menudo conviene intervenir para minimizar en lo posible estas influencias. Los estudios de aerodinámica, por ejemplo, diseñan perfiles afilados en vehículos, con objeto de facilitar su penetración en el aire.

Otras veces, la influencia del medio se puede aprovechar positivamente, logrando algunas aplicaciones notables. Por ejemplo, el empuje puede ser aprovechado para hacer volar globos aerostáticos, la ingeniería aeronáutica aprovecha corrientes de aire generadas por helicópteros y por aviones para mantenerlos en vuelo.

La nueva gama de simuladores de paracaidismo lo permiten. Este tipo de túneles de viento te permitirán experimentar la sensación de una caída libre a 250 Km. /h. Cada simulacro que se encuentra instalado en los diferentes centros de paracaidismo del mundo cuenta con un instructor que te enseñará cómo mantener el equilibrio, girar, subir y bajar, mientras planeas en el viento con un traje y unas gafas especiales. Los márgenes de seguridad implantados por los simuladores de paracaidismo son lo suficientemente amplios para que puedan ser usufructuados por niños de 5 años hasta adultos que no excedan los 110 Kg. de peso.

1.2 Simulador de paracaidismo

Es un sistema compuesto por una cabina que reproduce con toda fidelidad la de un avión y por una serie de dispositivos que permiten reproducir y crear las condiciones a las que se ve sometido el piloto durante el vuelo (incluso con la proyección de imágenes sintetizadas sobre la superficie interior de la cúpula de la cabina). Todo el sistema,

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gobernado mediante un ordenador, permite entrenar a los pilotos tanto en misiones de vuelo rutinario como en acciones concretas (aterrizaje en portaaeronaves, etc.).En el que se basa en el control de la caída en el seno de la atmósfera, pero sin aprovechar las turbulencias de ésta.

Conocer los secretos de la caída libre y el paracaidismo ahora se puede sin subirse a un avión. La nueva gama de simuladores de paracaidismo lo permiten. Este tipo de túneles de viento te permitirán experimentar la sensación de una caída libre de 180 a 250 Km. /h. Los márgenes de seguridad implantados por los simuladores de paracaidismo son lo suficientemente amplios para que puedan ser usufructuados por niños de 5 años hasta adultos que no excedan los 110 Kg. de peso, un peso adecuado sería 90 kg.

Simulador para prácticas militares

1.3 Túnel de viento

El Túnel de Viento consiste en una infraestructura que permite, mediante un flujo de aire, simular la caída libre del saltador, de forma que puede ejecutar las maniobras objeto de aprendizaje y experimentar sensaciones similares a las de un lanzamiento real, pero en un entorno controlado.

Con 4,26 metros de diámetro y 2,80 metros de altura, la cámara de vuelo del túnel de viento de la Base Aérea de Alcantarilla es una de los más grandes del mundo. Las dimensiones de su planta circular permiten el vuelo en su interior de hasta cuatro personas con equipo de combate y cuenta con la ventaja añadida de que sus paredes, además de ser resistentes a golpes y posibles impactos de objetos, son transparentes, de

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modo que es posible ver el interior de la cámara tanto desde la zona de espera como desde la zona de observación.

Por otro lado y en un espacio independiente e insonorizado, se ubica la Sala de Control del túnel, desde la cual se controla el sistema de apertura y cierre del acceso a la zona de espera y la cámara de vuelo, el arranque, la parada y el estado de sus cuatro ventiladores axiales, la velocidad del aire en circulación -que puede llegar a los 250 kilómetros por hora- y el sistema de vídeo. Este último componente resulta fundamental a la hora de realizar grabaciones y tomar fotografías para su posterior visionado en el aula de formación de cara a corregir errores.

Túnel de viento de la Base Aérea de AlcantarillaCada año alrededor de 6.000 militares realizan sus cursos de formación en el túnel, del que también se benefician los instructores, que no se ven sujetos a restricciones de

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disponibilidad de aviones o factores climatológicos, así como la Patrulla Acrobática de Paracaidismo del Ejército del Aire (PAPEA). No en vano y como indica Blanco, “pasar de disponer de entre 50-55 segundos en el lanzamiento desde el avión a contar con minutos en el aire, resulta clave para el entrenamiento de los acróbatas de la PAPEA”. Y es que se estima que, en una sesión de 15 minutos en el navegador se obtiene un rendimiento similar al de 25 lanzamientos en real.

Practica de militares en la Base Aérea de Alcantarilla

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CAPITULO 2

DISEÑO DE LA FORMA

2.1 DESCRIPCION Y REQUERIMIENTO

Los ventiladores axiales son aptos para mover grandes caudales de aire con bajas presiones. Son de bajo rendimiento pero con buenas aplicaciones en la industria. La transferencia de energía se produce mayoritariamente en forma de presión dinámica.

Se aplica en circulación y extracción de aire en naves industriales. Se instalan en pared sin ningún conducto. Utilizados con objetivo de renovación de aire.

En nuestro diseño simularemos la caída en un paracaídas real y tomaremos las siguientes consideraciones.

a) Velocidad aparente

La velocidad límite de caída de una persona en el aire es bastante elevada (del orden de 60m/s), desde luego excesiva para que llegue al suelo un ser humano con esa velocidad. Por eso son imprescindibles los paracaídas y, por nuestra parte, hemos incorporado uno en la animación anterior. Planteamos que en el momento de su apertura disminuya bruscamente la velocidad, lo que es equivalente a incorporar en el modelo físico-matemático una modificación repentina de la velocidad límite. Así, la simulación responde satisfactoriamente a todas las predicciones.

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b) Medidas de seguridad del simulador de paracaidismo:

• Para que el practicante no choque con el suelo fue implantado un sistema de redes elásticas y metálicas en la parte inferior.

• Para que el practicante no choque con el techo se implementó un detector de presencia.

• En caso de que el suministro de energía se corte se le incorporó un sistema de alimentación propio.

2.2 Modelo seleccionado

Nuestro modelo tiene muchos parámetros variables tales como: La velocidad del aire, el número de personas en el simulador, el tipo de indumentaria, entre otras.

Si consideramos que área superficial de contacto con el aire de una persona adulta de talla y peso promedio es 1m2, las velocidades posibles de 90, 180 y 250 km / h (velocidad máxima), el caudal será

Área superficial (m2)

Velocidad (km/h)

Caudal en la cámara(x103 m3/h)

Caudal por ventilador(m3/h)

4 250 1000 250 0003 250 750 187 5002 250 500 125 0001 250 250 62 5004 180 720 180 0003 180 540 135 0002 180 360 90 0001 180 180 45 0004 90 360 90 0003 90 270 67 5002 90 180 45 0001 90 90 22 500

Estos con los posibles parámetros de diseño.

En nuestro verdadero análisis tomaremos los siguientes valores

Velocidad a la que se mueve el flujo es aire en la entrada

V=60m/ s

La velocidad v2 disminuye ya que el área aumenta al llegar el flujo de aire al nivel superior

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A2=πx2,52

4=4,91m2

v2=QA2

=64.24,91

=13,1m /s

Consideramos el cuerpo de una persona como un cilindro de las siguientes medidas:

D=0,40mh=1,70m

Densidad del aire ρ=1,20kg/m3

2.3 DIAGRAMA DEL MODELO

La idea del siguiente trabajo es poder mantener a una persona sustentada en el aire usando solamente la fuerza ejercida por el aire que sale del ventilador a una alta velocidad como se ve en la figura.

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Esquema general del simulador

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CAPITULO 3

CALCULO Y DISEÑO

3.1. CÁLCULO DE LOS PARAMETROS REQUERIDOS

Calculo de la fuerza de arrastre

La fuerza de arrastre en un cilindro generado por la gran velocidad a la que se mueve el flujo es aire de 60 m/s, es determinada con la siguiente expresión:

F A=12C A ρV

2 A

Donde:F A : Fuerza de arrastreC A : Coeficiente de arrastreρ : Densidad del fluido, aireV : Velocidad del aireA : Área transversal

Calculamos el coeficiente de arrastre en función del Número de Reynolds:

ℜ=VDν

De acuerdo con nuestra selección:

V=13.1m /sD=0,40mν=1,45 x10−5m /s2

ℜ=13,1 x 0,401,45 x10−5=4,34 x 10

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De acuerdo con la siguiente grafica:

Coeficiente de arrastre en cilindros y esferas en función del Número de Reynolds

Entonces C A=0,90

F A=12C A ρV

2 A

Consideramos el cuerpo de una persona como un cilindro de las siguientes medidas:

D=0,40mh=1,70m

El área del cilindro será: A=Dh=0,40 x1,70=0,72m2 la densidad del aire es ρ=1,20kg/m3; por lo que:

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F A=120,90 x1,20 x 13,12 x0,72

F A=66,72N

Calculo de la presión necesaria

Encontraremos la fuerza gravitacional ejercida por la masa del cuerpo. Si la masa promedio será de 80 kg, la fuerza será:

Fg=mg=80 x9,81

Fg=784,80N

La fuerza total ejercida en la persona será de:

FT=¿Fg−F A ¿

FT=¿784,80N−66,72N ¿

FT=¿718,08N ¿

El área superficial que estará en contacto con el flujo de aire será:

A s=πDh2

=πx 0,40x 1,702

=1,07m2

La presión necesaria para vencer la fuerza total es:

P=FT ¿ A s

P=718,08N /1,07m2

P=671,10Pa

La presión por velocidad se calcula con:

P=ρ v2

2

2

P=1.2×13,12

2

Con lo que conseguimos una presión de Pv=103,0Pa

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La presion por altura a una altura de sustentación de aproximadamente 3 m del ventilador tenemos que es P=35.90 Pa

Ahora las perdidas por fricción en el túnel que son mínimas en un ducto de 3 metros de alto, que será a la altura que se encuentre el cuerpo sustentado, se tendrá una pérdida de presión ya sean por fricción, por entrada al ducto entre otras serán de ∆ P=1.50Pa.Por la ecuación de Bernoulli tenemos:

Pv=P+ρ v2

2

2+z2ρg+∆P

P=(671,10+103,0+35.90+1.50)Pa

P=812Pa

Asumiendo que existirán algunas perdidas elevaremos la presión a 820 Pa

Calculo del caudal

Q=VA

Q=60m/ s x1,07m2

Q=64,2m3/s

Q=231120m3/hr

3.2 CALCULO DEL VENTILADOR AXIAL

FÓRMULAS UTILIZADAS EN EL CÁLCULO DEL VENTILADOR

Coeficiente de rapidez del Ventilador

n y=53Q1/2ω

p3/4

Diámetro del rodete

D=0 ,32(0 ,545ny+4b ) .√ p

n

Diámetro del rodete utilizando la ecuación de continuidad

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D=2,9. 3√ 1ν (1−ν2 )

3√ QK ϕ .n

Velocidad tangencial en el diámetro exterior del rodete

u=π .D .n60

Área de circunferencia

F=π .D2

4

Coeficiente de caudal

ϕ '=Q= QFu

= c u

u

Coeficiente de presión ψ

Ψ= 2. pρ .u2

Coeficiente teórico de presión

Ψ T=k .Ψ

Longitud de la paleta

l=(D−D BT )2

Las paletas cilíndricas de sección constante se utilizan sólo para ν≥0,7 es decir para las paletas cortas. En este caso es admisible calcular los parámetros de las paletas según el diámetro medio:

D cp=√ D2+D BT 2

2

Relación de áreas de secciones del casquillo y del rodete

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F BT

F= 4 πD BT 2

4 πD2=γ2

Área de la sección anular

F 1=F−F BT=F (1− F BT

F)=F (1−ν2 )

Coeficiente de caudal

ϕ= QF (1−ν2)u

= ϕ'1−ν2

Componente axial

c a=ϕ .u

Velocidad absoluta que entra axialmente

r i=D BT

2+l(2i−1)2n

Ángulo medio de entrada de la paleta en la sección i

β mi=arctg ( c a

u i−c ua /2)

Ángulo de salida del flujo de la cascada

β 2=arctg( c au i−c ua

)

c ua= pρ .u i.η H

Relación cuerda paso para el radio medio

τ cp=(C y τ ) cpC y

Radio promedio relativo de la cascada

r cp=r cp

R=√ 1+υ22

Número de paletas

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z= π . τ cp .D . r cp

b

Relación cuerda-paso de la sección media

τ i= z .bπ .D . r i

Eficiencia de la cascada

η H= 1−μ .tg βm

1+μ .ctg β m

Potencia en el árbol del V.A.

N= p .Qη

RESUMEN DE PARAMETROS

Coeficiente de rapidez del Ventilador ny= 348.2513899

Axial con álabes torcidos planos [200-400]Diámetro del rodete D= 1.45 m

Diámetro del rodete utlizando la ecuación de continuidad D2 = 1.56 mDiámetro relativo del casquillo ν (0,4-0,8)= 0.6

Relación entre velocidad axial y tangencial en el diámetro exterior del casquillo Kφ=ca/ubt (0,6-1,0) = 0.9

ASUMIENDO EL DIÁMETRO DEL RODETE = D = 1500 mmVelocidad tangencial en el diámetro exterior del rodete u= 94.25 m/s

Área de circunferencia F= 1.767 m/sCoeficiente de caudal φ'= 0.385 m/s

Coeficiente de presión ψ ψ= 0.154

Coeficiente teórico de presión ψT= 0.193

Diámetro del casquillo DBT= 1200 mm

Longitud de la paleta l = 300 mmCoeficiente de caudal φ= 0.6

Componente axial ca= 56.55 m/s

Efiencia hidraúlica (0,75*0,92)= ηh = 0.8

Relación cuerda paso para el radio medio τcp= 0.25

Número de paletas z= 10 álabes

Parámetros geométricos de las secciones de las paletas (i=7)

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NÚMERO DE ZONA

RADIO MEDIO

RADIO RELATIVO

VELOCIDAD TANGENCIAL

COMPONENTE TANGENCIAL

ÁNGULO DE ENTRADA

ÁNGULO PROMEDIO

ÁNGULO DE SALIDA

CARGA AERODINÁMICA

RELACIÓN CUERDA

PASO

COEFICIENTE DE

SUSTENTACIÓN

1 471.429 0.629 59.241 14.418 43.670 47.383 51.599 0.377 0.328 1.148

2 514.286 0.686 64.627 13.217 41.190 44.266 47.726 0.328 0.301 1.089

3 557.143 0.743 70.013 12.200 38.930 41.502 44.368 0.287 0.278 1.034

4 600.000 0.800 75.398 11.329 36.870 39.040 41.433 0.253 0.258 0.983

5 642.857 0.857 80.784 10.573 34.990 36.835 38.849 0.225 0.241 0.935

6 685.714 0.914 86.169 9.913 33.280 34.850 36.560 0.201 0.226 0.891

7 728.571 0.971 91.555 9.330 31.700 33.057 34.518 0.181 0.212 0.851

PROM 600.000 0.800 75.398 11.569 37.233 39.562 42.150 0.264 0.263 0.990

Eficiencia de la cascada

μ = 0.03

ηH= 0.94

Eficiencia total del ventiladorRendimiento mecánico: 0.96

Rendimiento de transmisión fajas : 0.95Eficiencia hidráulica asumida : 0.8

Eficiencia total η = 0.7296Potencia en el árbol del V.A.

N = 72154.61 WattsN = 96.72 Hp

m

mH

ctgtg

.1.1

QpN .

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CAPÍTULO 4

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1 CONCLUSIONES

1. El ventilador calculado tendrá una capacidad de carga de 80kg.2. El ventilador calculado se desprecia la fuerza de sustentación.3. Se utilizará un ventilador de diez álabes, y se seleccionó un perfil NACA 4412, por

ser de uso muy común en este tipo de aplicaciones.4. El motor seleccionado será un motor HONDA mono-cilíndrico de 13 hp.

4.2 RECOMENDACIONES1. El ventilador no puede superar la carga máxima, esta está limitada.2. Este modelo puede llevar un regulador de velocidad el cual proporcionaría

diferentes caudales para cargas menores.3. La conclusión de este diseño simula una caída real de un paracaidista sin mayores

complicaciones.

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