1

CARACTERIZACIÓN DE ROTORES HIDROCINÉTICOS PARA UNA TURBINA FLUVIAL DE

PEQUEÑA ESCALA

Pedro Felipe Londoño Dávila

(201130031)

Profesor Asesor

Ing. Álvaro E. Pinilla S.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C. Mayo 2016

2

CARACTERIZACIÓN DE ROTORES HIDROCINÉTICOS PARA UNA TURBINA FLUVIAL DE

PEQUEÑA ESCALA

Pedro Felipe Londoño Dávila

(201130031)

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

Profesor Asesor

Ing. Álvaro E. Pinilla S.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C. Mayo 2016

3

Nota de aceptación:

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

_________________________________

Asesor

Bogotá D.C., mayo de 2016

4

Bogotá D.C., mayo de 2016

Doctor

Jairo Arturo Escobar Gutiérrez

Director Departamento de Ingeniería Mecánica

Universidad de los Andes

Estimado Doctor Escobar:

Por medio de la presente me permito poner a su consideración el proyecto de grado

“CARACTERIZACIÓN DE ROTORES HIDROCINÉTICOS PARA UNA TURBINA FLUVIAL DE

PEQUEÑA ESCALA”, elaborado por Pedro Felipe Londoño Dávila, como requisito parcial

para optar al título de Ingeniero Mecánico.

Cordialmente,

Pedro Felipe Londoño Dávila

5

AGRADECIMIENTOS

Agradezco en primer lugar a Dios y a la Virgen porque sin Ellos yo no hubiera llegado a

este punto. A mis padres y mis hermanos, les doy gracias por apoyarme a lo largo de la

carrera, gracias por estar ahí siempre y por sus valiosos consejos. También agradezco al

profesor Álvaro Pinilla por aceptar ser mi asesor, despertar mi interés en el tema y por

incentivarme a tomar decisiones durante el proyecto.

Agradezco a mis amigos que con su conocimiento y su tiempo hicieron esto posible.

Gracias por su amistad. Doy un especial agradecimiento a los técnicos de los

laboratorios de manufactura y de fluidos de la Universidad de los Andes por haberme

ayudado tanto, incluso cuando eso representó aportar parte de su tiempo.

Con todos ellos estoy eternamente agradecido.

6

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………… 1

1.1 Breve acercamiento a contexto colombiano……………………………………………. 1

1.2 Motivación………………………………………………………………………………………………. 1

1.3 Objetivos…………………………………………………………………………………………………. 2

2. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………………………………. 2

2.1 Conceptos básicos de rotores………………………………………………………………….. 2

2.2 Sistemas hidrocinéticos rotor-generador…………………………………………………. 4

2.3 Sellos mecánicos………………………………………………………………………………………. 5

3. MONTAJE EXPERIMENTAL……………………………………………………………………………….. 7

3.1 Montaje en el túnel de viento…………………………………………………………………… 7

3.2 Calibración de instrumentos……………………………………………………………………… 8

3.3 Medición del momento de inercia…………………………………………………………….. 9

3.4 Medición del momento par de arranque…………………………………………………… 10

3.5 Procesamiento de datos……………………………………………………………………………. 10

3.6 Selección y montaje experimental de sellos para cavidad hermética…………. 10

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………………………………………….. 11

4.1 Respuesta del rotor……………………………………………………………………………………. 11

4.2 Curvas filtradas de velocidad angular…………………………………………………………. 13

4.3 Curvas de coeficiente de potencia Cp…………………………………………………………. 14

4.4 Curvas de coeficiente de momento par Cq…………………………………………………. 15

4.5 Curvas de potencia contra velocidad angular……………………………………………… 16

4.6 Prueba de sello mecánico…………………………………………………………………………… 18

5. CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………… 18

6. RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO…………………………………………………. 19

7. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………… 20

8. ANEXOS

7

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Flujo durante la extracción de energía…………………………………………………….. 3

Figura 2 Curva de coeficiente de potencia contra razón de velocidades……………….. 3

Figura 3 Algunos sistemas de conversión de energía hidrocinética actuales…………. 4

Figura 4 Ilustración de los componentes de un sello mecánico…………………………….. 6

Figura 5 Vista frontal del montaje de rotores en el túnel de viento….…………………… 8

Figura 6 Montaje de los rotores en el túnel de viento…………………………………………… 9

Figura 7 Rotores sobre base circular balanceada………………………………………………….. 11

Figura 8 Esquema del montaje para medir el par de arranque……………………………… 11

Figura 9 Respuesta del rotor S………………………………………………..……………………………. 12

Figura 10 Respuesta del rotor M…………………………………………………………………………… 12

Figura 11 Curva filtrada de la respuesta del rotor S………………………………………………. 13

Figura 12 Curva filtrada de la respuesta del rotor M…………………………………………….. 14

Figura 13 Coeficiente de potencia para rotor S…………………………………………………….. 15

Figura 14 Coeficiente de potencia para rotor M…………………………………………………… 15

Figura 15 Coeficiente de momento par para rotor S…………………………………………….. 16

Figura 16 Coeficiente de momento par para rotor M……………………………………………. 16

Figura 17 Curvas de potencia contra velocidad angular del rotor S……………………….. 17

Figura 18 Curvas de potencia contra velocidad angular del rotor M……………………… 18

Figura 19 Esquema de prototipo deseado……………………………………..……………………… 19

Figura 20 Ensamble y montaje para prueba de sello……………………..……………………… 20

Figura 21 Desgaste del eje causado por el contacto con la cara fija del sello…………. 20

8

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Criterios de selección de sellos con base en el material de las caras………… 7

Tabla 2 Criterios de selección de sellos con base en el tipo de fluido……………………. 7

Tabla 3 Velocidades de viento para cada rotor en el túnel de viento……………………. 10

Tabla 4 Valores de momento de inercia para cada rotor………………………………………. 10

9

LISTADO DE VARIABLES

𝜆 Velocidad específica

𝜌 Densidad

Ω Velocidad angular

Ω Aceleración angular

A Área

𝐶p Coeficiente de rendimiento

𝐶q Coeficiente de momento par

I Momento de inercia

Q Momento par

R Radio

V Velocidad de viento

1

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Breve acercamiento al contexto colombiano

En la actualidad la búsqueda de nuevas formas de producción de energía se ha vuelto

uno de los principales objetivos de la ingeniería, ya que el desarrollo industrial y

tecnológico requieren de un buen suministro de esta. La alternativa que ofrece la

conversión de energía hidrocinética, o HEC por sus siglas en inglés, ha sido identificada

como una forma viable, significativa y ambientalmente amigable para suplir

electricidad (Laws & Epps, 2015) lo cual, sin duda, ha promovido el desarrollo de

numerosos estudios acerca de estas nuevas tecnologías, siendo así que la cantidad de

estudios y publicaciones sobre estas tecnologías es abundante en las bases de datos y

periódicos científicos.

Analizando el contexto colombiano, es claro que por ser uno de los países con mayor

cantidad de fuentes hídricas (Caracol Radio, 2012) la alternativa de extracción de

energía de las corrientes de agua cobra importancia. Adicionalmente, el hecho de que

Colombia no tenga una red eléctrica que abarque todos los rincones del territorio

nacional es un incentivo para la utilización y desarrollo de métodos portátiles de

producción energética como una solución viable a la falta de cobertura de la red

nacional, lo que facilitaría la realización de muchas actividades humanas y proveería

de servicios que actualmente muchas poblaciones rurales carecen.

La idea de implementar tecnología de HEC en pequeña escala en Colombia podría en

definitiva contribuir al posterior desarrollo o utilización de sistemas de producción de

gran escala diferentes a los embalses o represas tradicionales, que por varias décadas

han sido la solución más común en el país (La República, 2015). Pensando en los

efectos ambientales, la llegada de tales sistemas aportaría en gran medida a eliminar

la dependencia de combustibles fósiles para generación de electricidad que, aunque

pequeña, reduciría las emisiones de CO2 especialmente en el archipiélago de San

Andrés y Providencia donde cerca del 90% del suministro eléctrico se obtiene de la

combustión de Diesel (National Renewable Energy Laboratory USA, 2015).

1.2 Motivación

Este proyecto es una iniciativa de la Armada Nacional con el que se busca obtener

energía eléctrica para el consumo humano a partir de la corriente de los ríos. Es por

tanto, un proyecto que trae consigo una amplia investigación.

Ahora bien, el presente proyecto consiste en realizar la caracterización de dos rotores

con diferentes perfiles, que fueron diseñados por Andrés Felipe Sánchez Porras y

Rafael Machado Molina, con el propósito de validar los datos que ellos reportaron y

así aportar información para la selección de uno de los perfiles para la construcción de

2

un futuro prototipo de sistema hidrocinético de rotor-generador de eje horizontal para

producción a pequeña escala.

En este documento no se tratará información sobre el diseño de perfiles sino

solamente conceptos básicos de su funcionamiento. Para efectos de este documento

se usarán los términos rotor S y rotor M haciendo referencia a los rotores fabricados

por Sánchez y Machado respectivamente. Sin perjuicio de lo anterior para obtener

información detallada sobre los trabajos realizados por ellos se debe consultar las

siguientes referencias (Sánchez, 2015) (Machado, 2015).

1.3 Objetivos

El objetivo principal de este proyecto es aportar nueva información que permita

avanzar en la construcción de un prototipo sumergible de un sistema rotor-generador.

Los siguientes objetivos específicos se han planteado para alcanzar el principal:

- Manufacturar el rotor M

- Caracterizar ambos rotores y postular alguno para su uso en el prototipo futuro

- Proponer y probar un tipo de sello mecánico

3

2. MARCO TEÓRICO

2.1 Conceptos básicos de rotores

A diferencia de muchos mecanismos o máquinas, los rotores y en general las hélices,

poseen bajas eficiencias porque existen leyes que así lo dictan. El alemán Albert Betz

hizo uno de los descubrimientos más importantes sobre rotores al formular lo que hoy

se conoce como la ley de Betz, la cual determina el valor teórico máximo de la energía

que se puede extraer de un flujo de aire.

La extracción de energía del viento funciona de la siguiente manera. Si se tiene un flujo

de aire con velocidad V1 y área A1 que circula a través de un rotor de área A habrá un

cambio en la velocidad y el área del flujo de aire justo cuando pasa por el rotor,

haciendo que la velocidad de salida V2 sea menor a V1 y que el área de salida A2 sea

mayor a A1. Las relaciones de V1A1 = V2A2 indican que el flujo másico se conserva, pero

no la energía cinética del viento. La siguiente figura describe el caso.

Figura 1 Flujo durante la extracción de energía (Sánchez, 2015).

El límite de energía capaz de extraerse del viento encontrado por Betz es de 0,593 y se

logra sólo cuando la relación entre las V2 y V1 es de 1/3. Este límite se representa en

coeficiente de potencia Cp que es la relación entre la potencia del rotor y la potencia

del viento en un área determinada. La siguiente figura expone la relación.

4

Figura 2 Curva de coeficiente de potencia contra razón de velocidades (Hau, 2005).

Esta relación descrita por Betz no se mantiene cuando el flujo es de agua ya que este

es un fluido menos compresible y los cambios de presión con considerablemente más

grandes en este medio (Kirke, 2003). Sin embargo, como este proyecto busca

caracterizar los rotores en un túnel de viento se vuelve relevante conocer esta relación

para tener una idea de lo que es posible lograr. Una forma de comparar el desempeño

de diferentes rotores es obteniendo las curvas adimensionales de coeficientes de

momento par Cq y coeficientes de potencia Cp que están en función de la velocidad

relativa de rotor λ, así la dependencia de la velocidad del viento desaparece. Los

valores adimensionales se describen a continuación.

Con A como el área del rotor que se calcula con su radio R, P la potencia mecánica de

este, Q el momento par producido por el rotor, y Ω la velocidad angular.

2.2 Sistemas hidrocinéticos rotor-generador

La tecnología de conversión de energía hidrocinética se divide en tres tipos según los

sitios donde operarán; estos son ríos, estuarios y canales, y océanos. A la fecha la

mayoría de la investigación y desarrollo ha estado dirigida a los sistemas posicionados

en estuarios y canales (Laws & Epps, 2015). Los conversores hidrocinéticos también

son clasificados según la forma en como extraen la energía, siendo las categorías flujo

horizontal, flujo cruzado y oscilante.

La mayoría de sistemas hidrocinéticos lo constituyen configuraciones de flujo

horizontal (Laws & Epps, 2015) ya que la manufactura de los perfiles de este tipo de

conversores es compleja y costosa, la atención en el desarrollo está centrada en la

producción de los perfiles mediante métodos locales que permitan reducir el precio de

5

producción. Sin embargo, existen sistemas que se comercializan para producción de

altas tasas de energía, como los que se muestran en seguida.

Figura 3 Algunos sistemas de conversión de energía hidrocinética actuales (Laws & Epps, 2015).

Como se dijo anteriormente, el desarrollo de este proyecto está dirigido a la obtención

de información para un prototipo de pequeña escala, aunque se considera

fundamental conocer algunos aspectos y sistemas que actualmente se comercializan.

2.3 Sellos mecánicos

Un sello mecánico es un dispositivo que se usa para sellar la interfaz entre un eje

rotatorio y un alojamiento o cavidad estacionaria, es decir que existe una parte del

sello que se encuentra en movimiento, pero otra que no lo está, aunque ambas estén

en contacto. Estas partes en contacto se denominan caras del sello y generalmente

existe una delgada película del fluido entre ellas que ayuda a lubricar y evita que se

quemen por la fricción. También se encuentran los sellos secundarios que se encargan

de sellar los componentes internos de los sellos y en la mayoría de los casos son

estacionarios, significando que no hay movimiento relativo entre estos. La siguiente

figura muestra un esquema simple de un sello mecánico.

6

Figura 4 Ilustración de los componentes de un sello mecánico (Heubner).

En la figura anterior también se detallan resortes cuya función es mantener la presión

entre las caras cuando haya movimiento. Ya que lo que define el desempeño de los

sellos mecánicos es el material de sus caras, se mostrarán algunas tablas que

proporcionan criterios de selección según el tipo de material de las caras y fluido que

se desea retener (Heubner).

7

Tabla 1 Criterios de selección de sellos con base en el material de las caras (Heubner).

Tabla 2 Criterios de selección de sellos con base en el tipo de fluido (Heubner).

De las tablas anteriores se deduce que los sellos de Silicio son los más adecuados para

el uso en el prototipo por su alta resistencia a la abrasión que pueden causar los

sedimentos, y por su alto desempeño en aplicaciones generales. Por eso se diseñará

un banco de prueba para evaluar su desempeño.

8

3. MONTAJE EXPERIMENTAL

3.1 Montaje en túnel de viento

La medición de la velocidad angular del rotor en el túnel de viento se realizó utilizando

un motor DC comercial como generador. Para realizar la adquisición de datos se

configuró el montaje como circuito abierto, de esta manera el motor genera un voltaje

en función de la velocidad de su eje sin que exista carga eléctrica. Las siguientes

imágenes muestran los rotores utilizados y debajo de estas se encuentra la

información técnica.

Figura 5 Vista frontal del montaje de rotores en el túnel de viento.

Rotor M Rotor S

Diámetro: 30 cm Diámetro: 30 cm

Material: Resina Clear® Material: ABS

Vel. Específica de diseño (λ): 3 Vel. Específica de diseño (λ): 5

Inercia (kg mm2): 475 Inercia (kg mm2): 116

NOTA: La principal diferencia geométrica entre ambos rotores es la variación del

ángulo a lo largo del aspa. El Rotor M tiene una variación pronunciada mientras que

las aspas del Rotor S tienden a una geometría más plana.

El programa utilizado para la toma de datos fue LabView. Para las pruebas en el túnel

se decidió medir la respuesta de los rotores desde el reposo hasta la velocidad de

desboque. La acomodación de cada rotor dentro del túnel de viento se muestra en las

siguientes imágenes.

9

Figura 6 Montaje de los rotores en el túnel de viento.

A los datos adquiridos de velocidad angular en función del tiempo se les realizó el

ajuste de un polinomio de grado 6 para poder derivarlo y así obtener los datos de

aceleración angular en función del tiempo. Utilizando la inercia (ver sección 3.3) de

cada rotor se calculó la potencia y el par generados mediante las siguientes

ecuaciones:

𝑄 = 𝐼 Ω

𝑃 = 𝑄 Ω

Con los valores de potencia y momento para se calcularon los coeficientes

adimensionales de potencia y momento par, que se definen como:

𝐶𝑝 =𝑃

12 𝑉3𝜌𝐴

𝐶𝑡 = 𝑃

12 𝑉2𝜌𝐴𝑅

3.2 Medición de velocidad en el túnel de viento

Para el desarrollo de las pruebas se establecieron 8 diferentes velocidades del

ventilador del túnel de viento. Debido a que la geometría e inercia de ambos rotores

es diferente las velocidades de circulación del viento al interior del túnel variaban

10

durante los ensayos, por lo que los valores de velocidad de viento incidente sobre

cada rotor son ligeramente diferentes y se detallan en la siguiente tabla.

Tabla 3 Velocidades de viento para cada rotor en el túnel de viento.

3.3 Medición del momento de inercia

Para obtener los valores de momento de inercia de cada rotor se utilizó el método del

péndulo trifilar. Con el objetivo de no abrir huecos en los rotores se fabricó y balanceó

una base de madera de forma circular sobre la cual se fijaron los rotores. Este método

proporciona la inercia del objeto con respecto a un eje que pasa por su centro

midiendo el tiempo de cada oscilación. Los resultados de la inercia de cada rotor están

contenidos en la siguiente tabla.

Tabla 4 Valores de momento de inercia para cada rotor.

Inercia [kg mm2]

Rotor M 475

Rotor S 116

Velocidad del ventilador (rpm)

Velocidad del viento (m/s)

Rotor M Rotor S

150 4,3 4,5

175 5,4 5,7

200 6,5 6,8

225 7,6 8,1

250 8,7 9,3

275 9,8 10,4

300 11,0 11,6

325 12,1 12,8

11

Figura 7 Rotores sobre base circular balanceada.

3.4 Medición del momento par de arranque

El momento par de arranque fue medido utilizando una masa de 50 g calibrada, que se

sujetó al prisionero del eje por una cuerda, y aumentando la velocidad del viento hasta

que quedara en equilibrio. Conociendo el radio del eje de ambos rotores se calcula su

momento par de arranque con la velocidad del viento.

Figura 8 Esquema del montaje para medir el par de arranque (Sánchez, 2015).

3.5 Procesamiento de datos

Debido a la gran cantidad de ruido obtenido en los datos adquiridos se requirió

realizar un filtro en Matlab, teniendo en cuenta la frecuencia de muestreo de 40 Hz

configurada en el programa de adquisición LabVIEW. El código implementado se

encuentra en los archivos anexos.

12

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS

4.1 Respuesta del Rotor

La respuesta de cada rotor acoplado al motor DC a las diferentes velocidades de viento

incidente se muestra a continuación

Figura 9 Respuesta del rotor S.

Figura 10 Respuesta del rotor M.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 2 4 6 8 10

Vo

ltaj

e (

V)

Tiempo (s)

4,5 m/s

8,1 m/s

11,6 m/s

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 2 4 6 8 10 12 14

Vo

ltaj

e (

V)

Tiempo (s)

4,3 m/s

8,7 m/s

12,1 m/s

13

Las gráficas anteriores muestran una respuesta de voltaje en función del tiempo ya

que es esta la señal que se obtiene utilizando el motor DC como generador. Para

ambos rotores se observa que la dispersión de los datos va aumentando a medida que

lo hace la velocidad del viento, lo que se debe en su mayor parte a las vibraciones del

montaje (Agnieszka, 2005). Lo anterior no quiere decir que el banco de pruebas

vibrara en exceso, sino que el motor DC es extremadamente sensible a dichas

oscilaciones. Lo anterior se comprobó haciendo girar el motor DC a muy bajas

revoluciones, a velocidades de viento muy bajas, donde no hay vibraciones y

obteniendo líneas muy suaves.

4.2 Curvas filtradas de velocidad angular

Posteriormente se filtraron los datos de cada rotor y mediante la ecuación encontrada

en la calibración del motor DC se obtuvieron, mediante método indirecto, las curvas

de velocidad. Estas se encuentran en las siguientes gráficas.

Figura 11 Curva filtrada de la respuesta del rotor S.

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

Ve

loci

dad

an

gula

r (R

PM

)

Tiempo (s)

4,5 m/s

8,1 m/s

11,6 m/s

14

Figura 12 Curva filtrada de la respuesta del rotor M.

De las gráficas anteriores se observa que la diferencia entre las velocidades de

desboque para ambos rotores están casi uniformemente espaciadas, lo cual indica que

el aumento de la velocidad en el rotor para cada velocidad de viento tiene un

comportamiento casi lineal. La velocidad de desboque fue verificada con el tacómetro

para validar que fuera la indicada en la conversión de voltaje a velocidad. La diferencia

máxima encontrada entre el valor medido con el motor DC y con el tacómetro fue de

47 RPM, indicando que la señal de voltaje es bastante precisa.

4.3 Curvas de coeficiente de potencia Cp

Las curvas de coeficiente de potencia CP al igual que las de coeficiente de momento

par CQ fueron graficadas a partir de un ajuste a un polinomio de grado 6 hecho a las

curvas filtradas de velocidad. El coeficiente de potencia CP para ambos rotores se

encuentra graficado a continuación.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15

Vel

oci

dad

an

gula

r (R

PM

)

Tiempo (s)

4,3 m/s

8,7 m/s

12,1 m/s

15

Figura 13 Coeficiente de potencia para rotor S.

De la gráfica del rotor de Sánchez las curvas tienden a agruparse con excepción de la

que corresponde a una velocidad de viento de 6,9 m/s, la cual se separa porque los

datos fueron afectados por la amplitud de las vibraciones en ese punto de operación.

Es decir que el banco osciló ligeramente con mayor amplitud cuando la velocidad del

viento era de 6,9 m/s. Sin embargo, se detalla un Cp de 0,19 a una velocidad específica

λ de 4,4. Estos resultados difieren en pequeña medida con los reportados por Sánchez

(2015) con Cp de 0,22 y λ de 3,8. El valor de λ obtenido en estas pruebas se aproxima

mucho más al valor de diseño de 5.

Figura 14 Coeficiente de potencia para rotor M.

Al contrario de los resultados del rotor de Sánchez, el rotor de Machado presenta

curvas de Cp con menos dispersión, con excepción de la velocidad de viento de 4,3

m/s. Para este rotor esta curva se separa en gran medida de las demás ya que, por su

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0 1 2 3 4 5 6 7

Cp

λ

4,5 m/s

5,7 m/s

6,9 m/s

8,1 m/s

9,3 m/s

10,4 m/s

11,6 m/s

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0 1 2 3 4 5

Cp

λ

4.3 m/s

6.5 m/s

7,6 m/s

8,7 m/s

9,8 m/s

11.0 m/s

12.1 m/s

16

mayor inercia, que equivale a más de tres veces la del rotor Sánchez, las velocidades

bajas de viento apenas logran hacerlo girar. Lo anterior indica que las fuerzas de

fricción y vibraciones son más notorias a velocidades bajas de viento en este rotor.

Este rotor obtuvo un Cp de 0,16 y λ de 3,3. La velocidad específica de diseño para este

rotor es de 3, siendo la obtenida muy cercana a esta. El valor de Cp difiere bastante

con el reportado por Machado (2015) de 0,34 para λ de 3,7.

4.4 Curvas de coeficiente de momento par Cq

Las curvas de coeficiente de momento par se detallan a continuación.

Figura 15 Coeficiente de momento par para rotor S.

Figura 16 Coeficiente de momento par para rotor M.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 1 2 3 4 5 6 7

Cq

λ

4,5 m/s

5,7 m/s

6,9 m/s

8,1 m/s

9,3 m/s

10,4 m/s

11,6 m/s

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0 1 2 3 4 5

Cq

λ

4.3 m/s

6.5 m/s

7,6 m/s

8,7 m/s

9,8 m/s

11.0 m/s

12.1 m/s

17

A las velocidades de viento de 6,9 y 4,3 m/s las curvas de Cp aparecen desplazadas al

igual que sucedió en las curvas de Cp en ambos rotores. Para el rotor de Sánchez se

tiene Cq de 0,047 en λ de 3,0 y para el rotor de Machado (2015) se tiene un Cp de

0,063 a λ de 1,5. El valor de momento par de arranque obtenido para el rotor S y el

rotor M son de 0,018 y 0,025 respectivamente.

Los estudios anteriores de Sánchez (2015) y Machado (2015) reportaron Cq de 0,067 a

λ de 2,9 y Cq de 0,11 a λ de 2,5 respectivamente. En ambos casos el Cq se ve reducido

considerablemente.

4.5 Curvas de potencia contra velocidad angular

Claramente es necesario conocer el valor de la potencia mecánica que el rotor es

capaz de entregar a cualquier sistema acoplado a este. Por este motivo se muestra en

seguida las curvas de potencia para el rango de revoluciones operado en el túnel de

viento.

Figura 17 Curvas de potencia contra velocidad angular del rotor S.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1000 2000 3000 4000 5000

Po

ten

cia

(W)

RPM

4,5 m/s

9,3 m/s

11,6 m/s

18

Figura 18 Curvas de potencia contra velocidad angular del rotor M.

De las anteriores curvas se detalla que el rango óptimo de operación para el rotor de

Sánchez, dentro de las velocidades de viento utilizadas, se encuentra entre las 1300 y

3500 RPM. Por otro lado, el rango de óptimo para el rotor de Machado se encuentra

entre las 600 y las 2500 RPM. Adicionalmente se observa que para velocidades de

viento similares el rotor de Sánchez produce menor potencia, lo cual es consecuente

con los resultados menores de Cp y Cq encontrados.

4.6 Prueba de sello mecánico

El sello seleccionado para esta prueba es un sello tipo 6 (sello de resorte corto) el cual

consta de paredes deslizantes y fijas fabricadas en carburo de silicio, que como

describen las tablas 4 y 5 son ideales para sellar agua con sedimentos y residuos como

los que se encuentran en los ríos que generan alta abrasión. Sin embargo, a causa del

alto precio de venta se optó por realizar el montaje con el mismo tipo de sello (tipo 6)

pero con carbono como material de la cara móvil y un cerámico recubierto con nitrilo

en la cara fija.

El prototipo del sistema rotor generador que se desea producir se muestra en la figura

0

2

4

6

8

10

12

0 1000 2000 3000 4000

Po

ten

cia

(W)

RPM

4,3 m/s

9,8 m/s

12,1 m/s

19

Figura 19 Esquema de prototipo deseado.

El montaje para esta prueba consiste en una cavidad sellada fabricada con un tubo de

11

4 pulgadas con sus respectivas tapas en el mismo material. Una de las tapas posee un

agujero de 1 pulgada de diámetro en su cara mientras que la otra tiene uno de 11

8

pulgadas de diámetro en el mismo lugar. La perforación de 1 pulgada aloja la cara fija

del sello y la de 11

8 aloja un rodamiento para el eje. Ya que lo que se quiere impedir en

este caso es la entrada de fluido al interior de la cavidad se necesita que la parte móvil

del sello quede fuera de la ella, de tal manera que el fluido cree una película lubricante

entre las dos caras del sello.

Para evaluar el desempeño de esta configuración se acopla un motor eléctrico DC al

eje haciendo que este gire a 1500 rpm mientras que la cara del extremo donde está el

sello se encuentre sumergida. Adicional a esto se dejó sumergido el montaje por 3 días

para verificar su eficacia fuera de operación. En la prueba con el motor acoplado la

masa de la cavidad de PVC fue medida antes de ser sumergida y se controló cada 30

minutos durante 4 horas para verificar que no existiera entrada de agua.

Adicionalmente el eje fue desmontado para asegurarse de que la cavidad estuviera

seca en el interior. Los planos de cada parte manufacturada y del ensamble de la

cavidad sellada se encuentran en los anexos. A continuación se detallan la imagen del

montaje.

20

Figura 20 Ensamble y montaje para prueba del sello.

El montaje presentado anteriormente selló adecuadamente la cavidad en prueba

estática, es decir que su masa no aumentó y se mantuvo en 344,3 g después de 3 días.

Durante la prueba de 4 horas acoplado al motor eléctrico el sello cumplió su objetivo

también y no permitió el ingreso de líquido. Sin embargo, el hecho de que el eje de

aluminio se apoyara sobre la cara fija del sello ocasionó desgaste sobre este, sin efecto

alguno mientras el eje giraba, haciendo que las caras del sello no quedaran alineadas y

ocasionando la entrada de agua una vez que el eje se detuvo. Se pensó que utilizar un

rodamiento en el extremo del sello no era necesario ya que el eje no estaba sometido

a cargas laterales ni axiales tan grandes como las que genera un rotor bajo el agua,

pero el resultado fue indeseado para la prueba. Las imágenes del desgaste se

muestran a continuación.

Figura 21 Desgaste del eje causado por el contacto con la cara fija del sello.

21

5. CONCLUSIONES

Con base en los resultados obtenidos se concluye que las vibraciones de los montajes

pueden afectar radicalmente las curvas adimensionales de los rotores como se notó

en 2 valores de velocidades. Incluso las oscilaciones mínimas se ven reflejadas en los

datos adquiridos. No obstante, los resultados obtenidos se consideran coherentes con

la realidad y se afirma que el uso de un motor DC como generador es un adecuado

instrumento de medición.

En cuanto al desempeño de los rotores se comprobó que a pesar de ser diseñados con

velocidades específicas y geometrías totalmente diferentes sus coeficientes de

potencia son similares. Lógicamente el hecho de operar a velocidades angulares

similares, pero tener inercias muy diferentes hace que el rotor que posea la mayor

inercia genere más potencia.

Respecto al sello mecánico utilizado se concluye que, aunque no fue el del material

seleccionado, cumple satisfactoriamente su función. La configuración utilizada para

este montaje funciona, pero es posible realizar ciertas mejoras para evitar desgastes

indeseados en partes críticas como el eje.

22

6. RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO

En primer lugar, se recomienda adquirir un tacogenerador como instrumento de

medición para caracterizar rotores. Estos producen una señal más precisa que se

distorsiona menos con las vibraciones.

Para el montaje de prueba del sello mecánico se recomienda incluir un rodamiento en

el extremo donde se ubica el sello, de tal manera que el eje no gire sobre la cara fija de

este y no produzca desgastes indeseados. Además, se sugiere realizar la prueba con

los sellos del material escogido en un ambiente que simule la cantidad de sedimentos

y posibles contaminaciones que un río contiene.

Finalmente se recomienda medir el consumo de potencia de la configuración de sello

utilizada ya que podrían representar un valor significativo en comparación con la

potencia producida por el rotor.

23

7. BIBLIOGRAFÍA

Agnieszka, M. (2005). Rotordynamics. Boca Ratón: Taylor & Francis.

Caracol Radio. (23 de marzo de 2012). Obtenido de

http://caracol.com.co/radio/2012/03/23/ecologia/1332489300_659123.html

Hau, E. (2006). Wind turbines: fundamentals, technologies, application, economics. Springer

Science & Business Media.

Huebner, M. (s.f.). Flowserve Corporation. Deer Park, Texas.

Kirke, B. (18 de agosto de 2003). Developments in ducted water current turbines. Obtenido de

School of Engineering, Griffith University:

http://www.freeenergynews.com/Directory/Tidal/Davidson-

Hill_venturi/Kirke_Technical_Report_on_Davidson-Hill_turbine.pdf

La República. (21 de febrero de 2015). Economía: Tres nuevas hidroeléctricas generarán 517

megavatios más para Colombia este año. Obtenido de http://www.larepublica.co/tres-

nuevas-hidroel%C3%A9ctricas-generar%C3%A1n-517-megavatios-m%C3%A1s-para-

colombia-este-a%C3%B1o_222631

Laws, N., & Epps, B. (2015). Hydrokinetic energy conversion: Technology, research, and outlook.

Hanover, USA: Thayer School of Engineering, Dartmouth College.

Machado M, R. (2015). Diseño y caracterización de componentes para una turbina fluvial de

pequeña escala. Bogotá, Colombia: Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de

los Andes.

National Renewable Energy Laboratory. (marzo de 2015). Energy Transition Initiative: Islands.

Obtenido de http://www.nrel.gov/docs/fy15osti/62710.pdf

Sánchez P, A. F. (2015). Diseño y caracterización de un rotor eólico para bajo número de Reynolds.

Bogotá, Colombia: Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes.

24

ANEXOS

Curva de calibración de motor DC utilizado como generador

Código de filtro en MATLAB

clear all;clc f=40; %Filtro fc=.25; [J,P]=butter(2,fc/(f/2));

y = 4967,3x - 29,991R² = 0,9994

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

RP

M

Voltaje

DETAIL A

SCALE 2 : 1

A

SHEET 1 OF 1

DRAWN by

CHECKED

QA

MFG

APPROVED

13/05/2016

SIZE

A4

SCALE

REV

Pedro Felipe Londoño

Universidad de los Andes

Aluminio

Eje

Todas la medidas son en milímitro a menos de

que se especifique lo contrario. Toadas las

tolerancias son ± 0.45

1:1

Title

12.75

15.88

11.70

1.15

19.90

179.85

R.45

25.50

SHEET 2 OF 4

DRAWN by

CHECKED

QA

MFG

APPROVED

13/05/2016

SIZE

A4

SCALE

REV

Pedro Felipe Londoño

Universidad de los Andes

PVC

Contenedor

Todas la medidas son en milímitro a menos de

que se especifique lo contrario. Toadas las

tolerancias son ± 0.45

1:1

Title

151.50

Segmento de tubo de PVC de 1

1

4 in diámetro nominal

SHEET 3 OF 4

DRAWN by

CHECKED

QA

MFG

APPROVED

13/05/2016

SIZE

A4

SCALE

REV

Pedro Felipe Londoño

Universidad de los Andes

PVC

Tapones

Todas la medidas son en milímitro a menos de

que se especifique lo contrario. Toadas las

tolerancias son ± 0.45

1:1

Title

Tapón para tubería de 1

1

4 in con agujero centrado y pasante de 1

1

8 in

Tapón para tubería de 1

1

4 in con agujero centrado y pasante de 1 in

SHEET 4 OF 4

DRAWN by

CHECKED

QA

MFG

APPROVED

13/05/2016

SIZE

A4

SCALE

REV

Pedro Felipe Londoño

Universidad de los Andes

PVC

Explosión de

montaje para prueba

de sello

El ensamble se realiza en el como lo muestra la

imagen.

1:3

Title

Eje

Tapón con agujero de 1 in

Segmento de tubo de PVC

Tapón con agujero de 1

1

8 in

Rodamiento para eje de

1

2 in y diámetro externo de 1

1

8 in

Sello mecánico de carbón - nitrilo tipo 6 par eje de

1

2 in (parte móvil)

Parte fija del sello

4

BENEFITS

VENTAJAS

RANGOS DE OPERACIÓN

OPERATING RANGES

PRESIÓN: Vacío a 145 psig (10 bar)

TEMPERATURA: Hasta 217°F (103°C)

VELOCIDAD: 2362 fpm (12m/s)

PRESSURE: Vacuum to 145 psig (10 bar)

TEMPERATURE: Up to 217°F (103°C)

VELOCITY: 2362 fpm (12m/s)

Medidas en pulgadas / Dimensions in inches

SELLO RESORTE CORTO TIPO 6COMPACT SIMPLE SPRING SEAL TYPE 6

++

++

Diseñado para sellar fluidos no agresivos tales como agua doméstica, de riego, minería y otros similares.

Mechanical seal designed with short working length for sealing domestic water and others non aggressive fluids.

AISI 304.

Carbon.

Ceramic.

Buna.

MATERIALES

MATERIALS

AISI 304.

Carbón .

Cerámica.

Buna.

SEALCOSELLADO DE FLUIDOS

R

1/2"

5/8"

3/4”

1”

0.930”

1.185”

1.302”

1.552”

23.62

30.10

33.07

39.42

25.40

31.75

34.93

41.28

6.35

10.31

10.31

11.10

16.66

18.24

18.24

20.62

1.000”

1.250”

1.375”

1.625”

0.250”

0.406”

0.406”

0.437”

0.656”

0.718”

0.718”

0.812”

EJESHAFT

Ø A

Inch Inch Inch Inch Inchmm mm mm mm

DIAMETRO EXTERIOR

Ø B

CAJACOUNTERBORE

Ø C

LONGITUD DE OPERACIÓNWORKING LENGTH

L

ALTURA ASIENTO

DSEAT HEIGHT

vige

ncia

a p

artir

del

20

09

0014/r

ev 0

6/0

9

0207 Rev 10/12

Ø B

Ø A

Ø C

DL