ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS
DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
DISEÑO DE UN COPLE CON
FUSIBLE MECÁNICO DE IMPACTO
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE M A E S T R O E N C I E N C I A S C O N E S P E C I A L I D A D E N
INGENIERIA MECANICA.
P R E S E N T A :
I N G.
ALEJANDRO SALAS
FLORES
DIRECTOR: DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERON
A mi esposa y mi hijo con todo el amor:
Araceli Gallegos Vargas
Juan Carlos Salas Gallegos
A mis padres que aunque lejos sus bendiciones siempre
llegan a mi:
Juan Salas Rojas
Juana Flores Moreno
A mis Hermanos:
Antonio
Enrique
Héctor
Armando
Arturo
Lupita
César
A toda mi familia:
Por estar cerca siempre que se necesita de ellos.
Y a todos aquellos que en algún momento preguntaron y se
preocuparon por como estaba.
A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
de la Escuela Superior de Ingenieria Mecanica y
Electrica. (SEPI- ESIME).
Por la formación.
Al Dr. Ortega:
Por toda la ayuda al inicio de mi camino en la SEPI.
A mi director de tesis y colaboradores:
Dr Guillermo Urriolagoitia Calderón, Dr. Luis Héctor Góm ez, por el
apoyo incondicional a mi persona para llevar a su término este
trabajo de tesis.
A mis compañeros y amigos:
Que siempre están ahí cuando los necesito.
ÍNDI CE
Índice
ivÍndice de Tablas
xiiÏndice de Figuras
xiiiSimbología
xxiResumen
xxivAbstract
xxvObjetivo
xxviJustificación
xxviiCAPITULO I
INTRODUCCIÓN
ABASTECIMIENTO DE AGUA
1
1. 1. PROBLEMÁTICA GENERAL. 2
1. 2. LOS POZOS PROFUNDOS. 4
1. 2. 1. Características del pozo profundo 4
1. 3. IMPORTANCIA DEL AGUA SUBTERRÁNEA. 6
1. 4. PRECIPITACIÓN PLUVIAL, RECARGA DE LAS FUENTES
SUBTERRÁNEAS. 6
1. 5. ACUÍFERO, PROVEEDOR DE AGUA SUBTERRÁNEA. 7
1.6. EXPLORACIÓN HIDROGEOLÓGICA. 10
1. 6.1. Estudio Geofísico. 11
1. 7. POZO PROFUNDO, CAPTACIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA. 15
1. 8. MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN DEL POZO PROFUNDO. 17
1. 8. 1. Sistema por percusión. 18
1. 8. 2. Sistema rotatorio. 19
1. 8. 3. Etapas en la construcción del pozo profundo. 21
1. 8. 3. 1. Perforación Exploratoria. 22
1. 8 .3. 2. Diseño del Pozo. 22
1. 9. OBTENCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL POZO, AFORO. 25
1. 9. 1. El nivel Estático. 25
1. 9. 2. El nivel Dinámico. 26
1. 9. 3. El caudal de explotación posible. 26
1. 9. 4. Registro de la verticalidad. 26
1. 9. 5. Registro de video. 26
1. 10. EQUIPO DE BOMBEO. 28
1. 11. PLANTEAMIENTO DEL PROBLENA. 32
1. 12. CASO DE ESTUDIO. 32
1. 13. SUMARIO. 36
CAPITULO II
BOMBAS
372. 1. GENERALIDADES. 38
2. 2. BOMBAS CENTRÍFUGAS. 38
2. 2. 1. Descripción De Las Bombas Centrífugas. 38
2. 2. 2. Clasificación. 40
2. 2. 3. Definiciones y Nomenclatura. 42
2. 2. 1. Clasificación De Las Bombas Por El Tipo De
Material De Sus Partes. 42
2. 2. 2. Clasificación De Las Bombas Por El Tipo De Succión. 44 2. 2. 3. Clasificación De Las Bombas Por Su Dirección De Su Flujo. 44
2. 3 PARTES DE LA BOMBA. 45
2. 3. 1. Carcaza. 45
2. 3. 1. 1. Tipos. 45
2. 3. 1. 2. Materiales De La Carcaza. 53
2. 3. 2. Impulsores. 53
2. 3. 3. Anillos De Desgaste. 58
2. 3. 4. Estoperos, Empaques Y Sellos. 59
2. 3. 5. Flechas. 62
2. 3. 6. Cojinetes 65
2. 3. 7. Bases. 70
CAPITULO III
MOTORES ELÉCTRICOS
763. 1. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS
(POR SU TIPO DE ALIMENTACIÓN) 77
3. 1. 1. Motores de Corriente Directa (DC). 77
3. 1. 2. Motores de Corriente Alterna (AC). 79
3. 1. 2. 1. El Motor Síncrono. 79
3. 1. 2. 2. El Motor Asincrónico O De Inducción. 80
3. 1. 2. 2. 1. Motor Asincrónico De Rotor Bobinado. 80
3. 1. 2. 2. 2. Motor Asincrónico Tipo Jaula De Ardilla. 81
3. 1. 3. Otros Motores. 82
3. 1. 3. 1. Motor Universal. 82
3. 1. 3. 2. Motor A Pasos. 82
3. 2. APLICACIONES GENERALES DE LOS DIFERENTES TIPOS DE
MOTORES ELÉCTRICOS. 83
3. 3. CLASIFICACION LOS MOTORES ASINCRONOS TRIFÁSICOS
POR NEMA. 84
3. 3. 1. Motor diseño NEMA A. 84
3. 3. 2. Motor diseño NEMA B. 85
3. 3. 3. Motor diseño NEMA C. 85
3. 3. 4. Motor diseño NEMA D. 86
3. 3. 5. Motor diseño NEMA E. 86
3. 3. 6. Motor diseño NEMA F. 87
3. 4. GLOSARIO DE TÉRMINOS PARA MOTORES ELÉCTRICOS. 88
3. 4. 1. Especificaciones Para Motores Eléctricos en México. 90
3. 4 .2. Especificaciones dimensiónales. 91
CAPITULO IV
ACOPLAMIENTOS
974.1 INTRODUCCIÓN 98
4. 2. CLASIFICACION DE LOS ACOPLAMINTOS 99
4. 2. 1. Acoplamientos rígidos. 99
4. 2. 2. 1. Acoplamientos Rígidos De Casquillo Partido. 99
4. 2. 2. 2. Acoplamiento Rígido Por Brida. 100
4. 2. 2. 3. Acoplamiento Rígido De Casquillo A Compresión. 100
4. 2. 3. Acoplamientos Flexibles. 101
4. 2. 3. 1. Acoplamientos Elastoméricos. 101
4. 2. 3. 2. Acoplamientos Flexibles Metálicos. 102
4. 2. 3. 3. Acoplamiento De Resortes. 104
4. 2. 3. 4. Acoplamiento De Engranes. 104
4. 2. 3. 5. Acoplamientos Schmidt. 105
4. 2. 3. 6. Acoplamientos De Fluido. 106
4. 2. 4. Las líneas de ejes son colineales. 108
4. 3. METODO DE ANÁLISIS DE LOS COPLES. 108
CAPITULO V
DISEÑO DE ACOPLAMIENTOS
TEORIAS DE FALLAS
1145. 1. INTRODUCCIÓN. 115
5. 2. TRABAJO. 115
5. 2. 1. Trabajo de una fuerza. 115
5. 2. 2. Trabajo de un momento. 117
5. 2. 3. Energía de deformación. 118
5. 2. 4. Energía de deformación producida por esfuerzo normal. 118 5. 2. 5. Energía de deformación producida por esfuerzo cortante. 120
5. 2. 6. Principio de trabajo virtual. 121
5. 3. TIPOS DE FALLA. 124
5. 3. 1. Resistencia Estática. 125
5. 3. 2. Concentración De Esfuerzos. 126
5. 3. 3. Teorías De Falla De Un Material. 126
5. 3. 4. Teoría Del Esfuerzo Principal Máximo. 127
5. 3. 5. Teoría De La Deformación Unitaria Principal Máxima. 128
5. 3. 6. Teoría Del Esfuerzo Cortante Máximo. 129
5. 3. 7. Teorías De Las Energías De Deformación. 132
5. 3. 8. Teoría De La Fricción Interna. 137
5. 3. 9. Falla De Materiales Dúctiles. 140
5. 3. 10. Falla De Materiales Frágiles. 143
CAPITULIO VI
MÉTODO DE ELEMENTO FINITO
1486. 1. INTRODUCCIÓN. 149
6. 2. ANÁLISIS MEDIANTE EL MÉTODO DE ELEMENTO FINITO. 149
6. 3. ANTECEDENTES HISTORICOS DEL MÉTODO DE ELEMENTO
FINITO. 150
6. 4. FUNDAMENTOS DEL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO. 153
6. 5. PROCEDIMIENTO GENERAL PARA REALIZAR UN ANÁLISIS
POR ELEMENTO FINITO. 154
6. 5. 1. Determinación De Las Propiedades Del Miembro Analizar.
6. 5. 2. Discretización Del Medio Continuo. 154
6. 5. 3. Selección Del Modelo De Desplazamiento A Utilizar 155 6. 5. 4. Definición De Las Ecuaciones A Utilizar En El Método Del
Elemento Finito 164
6. 5. 5. Ensamble De Las Ecuaciones Finales 171
6. 5. 6. Aplicar Las Condiciones De Frontera 172
6. 5. 6. Resolución Del Sistema De Ecuaciones Resultante 172
CAPÍTULO VII
CASO DE ESTUDIO
ANALÍSIS DEL COPLE MECÁNICO DE IMPACTO
1757. 1. DESCRIPCIÓN DEL COPLE CON FUSIBLE MECÁNICO
DE IMPACTO
.175
178
7. 1. 1. Modo de operación 177
7. 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1787. 3. TIPOS DE SOLICITACIONES USADAS EN LOS
ANALISIS.
181
7. 4. PROPIEDADES MATERIALES
1827. 5. LAS CONSIDERACIONES PARA EL MODELO DEL
ELEMENTO FINITO
182
7. 6. PRIMER CASO DE SOLICITACIÓN
1867. 6. 1. Suposiciones. 186
7. 7. 1. Las Cargas 186
7. 5. 3. Aplicación de las cargas 188
7. 5. 4. Condiciones De Frontera. 188
7. 5. 5. Resultados. 189
7. 6. SEGUNDO CASO DE SOLICITACIÓN
1957. 6. 1. Las Cargas 195
7. 6. 2. Suposiciones 197
7. 6. 3. Aplicación De Las Cargas 197
7. 6. 4. Condiciones De Frontera 197
7. 6. 5. Resultados 198
7. 7. 1. Las Cargas 204
7. 7. 2. Las Suposiciones 205
7. 7. 3. Aplicación Cargas 205
7. 7. 4. Condiciones De Frontera 205
7. 7. 5. Resultados 206
7. 8. CUARTO DE SOLICITACIÓN
2127. 8. 1. Las Cargas 212
7. 8. 2. Suposiciones 213
7. 8. 3. Aplicaciones De Las Cargas 213
7. 8. 4. Condiciones De Frontera 214
7. 8. 5. Resultados 214
C. 1 CONCLUSIONES
220INDICE DE TABLAS
Tabla 1. 1. Dimensiones de los coples para diferentes
armazones. 35
Tabla 2. 1. Clasificación de las bombas. 42
Tabla 2. 2. Tipos carcaza.
46
Tabla 2. 3. Tipos de impulsores. 54
Tabla 2. 4. Clasificación de bombas según la
Norma Oficial Mexicana. 74
Tabla 3. 1. Tabla comparativa para el motor
de diseño NEMA E. 87
Tabla 3. 2. Cargas axiales mínimas. 91
Tabla 3. 3. Dimensiones nominales para motores
Verticales. 92
Tabla 4. 1. Resumen y guía para la selección
de acoplamientos. 109
Tabla 5. 1. Relaciones de esfuerzo -deformación elásticos. 135 Tabla 5. 2. Fórmulas recomendadas para la anticipación o
predicción de la seguridad cuando se considera una falla o fractura por fragilidad.
Tabla 7. 1. Propiedades mecánicas del Hierro dúctil y Fundición
gris. 182
Tabla 7. 2. Propiedades mecánicas del acero usado en el
fusible. 182
Tabla 7. 3. Número de elementos por caso a analizar. 183
INDICE FIGURAS
Figura 1. 1. Acueductos de Segovia en España . 2
Figura 1. 2. Pozo Profundo. 4
Figura 1. 3. Esquema de utilización del agua. 5
Figura 1. 4. Ciclo del agua. 7
Figura 1. 5. Tipos de Capas acuíferas. 8
Figura 1. 6. Formación de mantos acuíferos. 9
Figura 1. 7. Ejemplo de un mapa geológico mostrando la localización de los agujeros de prueba. 11 Figura 1. 8. Secciones transversales geológicas del mapas de la
figura 1. 7. 12
Figura 1. 9. Esquema de un pozo profundo. 15
Figura 1. 10. Construcción de pozos profundos. 17
Figura 1. 11. Diseño de un pozo profundo. 27
Figura 1. 12. A.-presión atmosférica en todos los puntos. No ha y diferencia en los niveles de agua. B.-presión en el tubo reducida acero atmósferas (vació total). El nivel del agua en el tubo se eleva, aproximadamente, a 34 pies (10.33 m). 29
Figura 1. 13. Principios de bombeo de un pozo. 31
Figura 1. 14. Esquema del cople a analizar. 34
Figura 2. 1. Instalaciones típicas de bombas. 40
Figura 2. 2. Carcaza tipo voluta. 46
Figura 2. 3. Carcaza tipo difusor. 42
Figura 2. 6 Carcaza partida por un plano horizontal. 49 Figura 2. 7. Succión lateral. Descarga por arriba. 50 Figura 2. 8. Succión por arriba, descarga por arriba. 50 Figura 2. 9. Succión por abajo. Descarga lateral. 50 Figura 2. 10. Bomba de cuatro pasos con impulsores opuestos. 51
Figura 2. 11. Impulsor de simple succión. 54
Figura 2. 12. Impulsor doble succión. 55
Figura 2. 13. Impulsor de aspas curvas. 56
Figura 2. 14. Impulsor tipo Francis. 56
Figura 2. 15. Impulsor doble flujo. 56
Figura 2. 16. Impulsor mixto . 57
Figura 2. 17. Impulsor axial. 57
Figura 2. 18. Impulsor tipo inatascable. 57
Figura 2. 19. Impulsores abiertos. 57
Figura 2. 20. Impulsor cerrado. 58
Figura 2. 21. Diferentes tipos de anillo de desgaste. 59
Figura 2. 22. Jaula de sello. 61
Figura 2. 23. Empaque de fibras sintéticas con jaula . 61
Figura 2. 24. Sellos mecánicos. 62
Figura 2. 25. Flecha. 64
Figura 2. 26. Camisa de flecha. 64
Figura 2. 27. Diversos tipos de baleros . 65
Figura 2. 28. Alojamientos para baleros lubricados con aceite y
grasa, respectivamente. 67
Figura 2. 29. Bomba de pozo profundo lubricada con agua mostrando partes constructivas. 68 Figura 2. 30. Bomba de pozo profundo lubricada con aceite. 69
Figura 2. 31. Alojamiento de baleros. 71
Figura 2. 33. Dibujo esquemático tipo grupo bomba motor.
72
Figura 2. 34. Cabezal de descarga. 73
Figura 3. 1 Motor CD. 78
Figura 3. 2. Motor Jaula de ardilla. 81
Figura 3. 3 Dimensiones para motores eléctricos. 93
Figura 3. 4. Motor flecha hueca. 94
Figura 3. 5. Motor flecha sólida. 95
Figura 3. 6. Partes constitutivas de un motor de flecha hueca. 96
Figura 4. 1. Tipos de desalineamientos en flechas. 100
Figura 4. 2. Acoplamiento Rígido de Casquillo. 101
Figura 4. 3. Acoplamiento Rígido con Brida. 102
Figura 4. 4. Acoplamiento de Casquillo a) Compresión, pernos axiales, Casquillo exterior. b) Pernos y
c) Cilindros Ahuasados. 102
Figura 4. 5. Acoplamiento Elastoméricos Anulares. 104
Figura 4. 6. Acoplamiento Falk. 105
Figura 4. 7. Acoplamiento Metálico Flexible. 105
Figura 4. 8. Acoplamiento Helicoidal. 106
Figura 4. 9. Acoplamiento de Engranes. 107
Figura 4. 10. Acoplamiento Schmidt Para Desalineamiento
Paralelo. 107
Figura 4. 11. Acoplamiento de Fluido. 108
Figura 4. 12. Cople Rígido. 112
Figura 5. 1. Trabajo producido por un fuerza. 118
Figura 5. 2. Trabajo promedio. 118
Figura 5. 3. Trabajo producido por un momento. 120
Figura 5. 4. Energía de deformación producida por un esfuerzo
normal. 121
Figura 5. 5. Energía de deformación producida por
esfuerzo cortante. 122
Figura 5. 6. Principio de trabajo virtual. 123
Figura 5. 7. Fuerza F' virtual aplicada. 124
Figura 5. 8. Teoría del esfuerzo principal máximo en
tres dimensiones. 130
Figura 5. 9. Gráfica de la teoría de falla del esfuerzo principal máximo de estados de esfuerzo
biaxiales usando Sc > St. 130
Figura 5. 10. Gráfica de la teoría de la deformación unitaria principal máxima para estados de esfuerzo
biaxiales. 131
Figura 5. 11. Teoría del esfuerzo cortante máximo representada
gráficamente en tres dimensiones. 133
Figura 5. 12. Teoría del esfuerzo cortante máximo para
esfuerzos biaxiales. 134
Figura 5. 13. Elemento con esfuerzos triaxiales. 137
Figura 5. 14. Teoría de la energía de distorsión representada
gráficamente en tres dimensiones. 140
Figura 5. 15. Teoría de la energía de la distorsión
para estados de esfuerzo biaxiales. 140
Figura 5. 16. Círculos de Mohr para esfuerzo triaxial.
Figura 5. 17. Tres círculos de Mohr, uno del ensayo de compresión uniaxial, otro de un ensayo en cortante puro y otro del ensayo en tensión
uniaxial. 142
Figura 5. 18. Teoría de fricción interna biaxial. 142 Figura 5. 19. Gráficas de dos teorías de falla para esfuerzos
biaxiales que muestran cómo los resultados de ensayos confirman las predicciones de las
teorías. 144
Figura 5. 20. Gráfica de puntos de datos experimentados obtenidos de ensayos de hierro fundido. También se presentan las gráficas de tres teorías de falla
de posible utilidad para materiales frágiles. 147
Figura 6. 1. Elemento finito Unidimensional. 160
Figura 6. 2. Elementos finitos bidimensionales. 161
Figura 6. 3. Elemento Finito Tridimensional. 162
Figura 6. 4. Sistema de coordenadas. 163
Figura 6. 5. Solución y aproximaciones de los polinomios
de interpolaciones. 168
Figura 7. 1. Esquema partes del mecanismo de no retroceso. 176
Figura 7. 2. Motor girando en sentido correcto. 177
Figura 7. 3. Motor girando en sentido incorrecto. 178 Figura 7. 4. Diferentes tipos de coples analizados
Sin factura, con fractura y nueva geometría). 180
Figura 7. 5. Mallado del cople sin fractura. 184
Figura 7. 7. Mallado del cople de hierro dúctil con
nueva geometría. 185
Figura 7. 8. Se muestra modelo del elemento finito y Las cargas consideradas. (Hierro dúctil y Fundición gris). 187 Figura 7. 9. Se muestra modelo del elemento finito y las cargas
consideradas (hierro dúctil con factura similar para
fundición gris). 187
Figura 7. 10. Se muestra modelo del elemento finito y las cargas
consideradas (Hierro dúctil con nueva geometría) 187 Figura 7. 11. Esfuerzo principal máximo de el cople
sin fractura (fundición gris). 189
Figura 7. 12. Esfuerzo principal máximo de el cople
con fractura (Fundición gris). 190
Figure 7. 13. Esfuerzo principal máximo de el cople
sin fractura (Hierro dúctil). 191
Figura 7. 14. Esfuerzo principal máximo del cople
con fractura (Hierro dúctil). 192
Figure 7. 15. Esfuerzo principal máximo del cople
con la geometría propuesta. 193
Figura 7. 16. Esfuerzo principal máximo del lado
de la parte de atrás del cople. 194
Figura 7. 17. Aplicación de cargas.
195 Figura 7. 18 Mallado del elemento finito con cargas aplicadas
modelo sin fractura. 196
Figura 7. 19. Mallado del modelo con grieta elemento
aplicadas, nueva geometría.
Figura 7. 21. Esfuerzo principal máximo para el cople
sin defectos (Fundición gris). 199
Figura 7. 22. Esfuerzo principal máximo para el cople
con fractura (Fundición gris). 199
Figura 7. 23. Esfuerzo principal máximo para el cople
sin defectos (Hierro dúctil). 200
Figura 7. 24. Esfuerzo principal máximo del cople
sin con fractura (Hierro dúctil). 201
Figura 7. 25. Esfuerzo principal máximo lado frontal. 202 Figure 7. 26. Esfuerzo principal máximo lado posterior. 203 Figura 7. 27. Muestra las cargas que se consideran en
el modelo del elemento finito. 204
Figura 7. 28. Esfuerzo principal máximo para el cople
sin fractura. 206
Figura 7. 29. Esfuerzo principal máximo para el cople
con fractura. 207
Figura 7. 30. Esfuerzo principal máximo para el cople
sin fractura. 208
Figura 7. 31. Esfuerzo principal máximo para el cople
sin fractura. 209
Figura 7. 32. Esfuerzo principal máximo del cople 210 Figure 7. 33. Campos de esfuerzos principales máximos
en la parte de posterior del cople. 211
Figura 7. 34. Muestran el modelo sin fractura y las cargas
centrífugas aplicadas. 212
Figura 7. 35. Muestran el modelo con fractura y las cargas
centrífugas aplicadas. 212
del cople con cargas aplicadas.
Figura 7. 37. Campo de esfuerzo principal máximo cople sin fractura.
214
Figura 7. 38. Campo de esfuerzo principal máximo del cople
con fractura. 215
Figura 7. 39. Campo de esfuerzos principales máximos en el
cople sin fractura. 216
Figura 7. 40. Campo de esfuerzos principales máximos en el
cople sin fractura 217
Figura 7. 41. Campo de esfuerzo principal máximo cople con
nueva geometría (Lado frontal). 218
Figura 7. 42. Campo de esfuerzo principal máximo cople
SIMBOLOGIA
CNA Comisión Estatal del Agua
NEMA National Electrical Manufacturer’s Association.
T Torque
F, P Fuerza
τ Esfuerzo cortante genérico
N Número de tornillos, funciones de forma
d Diámetro del tornillo
Ddc Diámetro de centros en el cople
A, As Área
π Pi
σ Esfuerzo normal
St Resistencia a la tensión
Sc Resistencia a la Compresión
σ1, σ2, σ3, Esfuerzos principales
Sy Resistencia a la fluencia
Ssy Resistencia a la fluencia en cortante
" 1
σ Componentes hidrostáticas de los esfuerzos principales
U Energía, trabajo,
ε1 Deformación unitaria
E Modulo de elasticidad, número total de elementos
G Modulo de rigidez
dx, dz, dy, Diferenciales en x, y y z
dA Diferencial de área
dF Diferencial de fuerza
dV Diferencial de volumen
dU Diferencial trabajo
dL Deformación interna en la fibras, debidas a fuerzas reales.
b Base
h Altura
M Momento
α, θ, λ, φ, γ, β Ángulos, deformaciones angulares
f Carga interna
F´ Fuerza virtual
Σ Sumatoria
∫
IntegralΛ Desplazamiento interno
MEF Método de Elemento Finito
FEM Finite Element Method
BEM Método de Elemento Frontera (Boundary Element Method)
L Longitud
u Funciones lineales
C Coeficientes independientes de polinomios
x, y, z, Variables
[ ] Matriz
Π Energía potencial
Wp Energía potencial de las cargas aplicadas, trabajo por
componentes de esfuerzo que actúan en la superficie
W Trabajo
e Un elemento finito
d∆ densidad de la energía de deformación
{}T Matriza transpuesta
εο Deformación unitaria inicial
σο Esfuerzo inicial.
[D] Matriz de elasticidad
[N] Matriz de funciones de forma
[B] Matriz que contiene las funciones de forma para deformaciones
Wc Trabajo realiza por las cargas concentradas
v, u, y Componentes de desplazamiento
[k]e Matriz de rígidez del elemento
[f]e Vector fuerza
[K] Matriza de rígidez global
{F} Vector fuerza global
psi lb/in2
RESUMEN
Con la finalidad de observar el comportamiento de un cople con fusible mecánico de impacto, ante diferentes tipos de solicitaciones. Nos vimos en la tarea de investigar la operación de estos elementos mecánicos.
Todo empieza con la necesidad de extraer el agua del subsuelo, dando como resultado la creación de pozos profundos equipados con equipos de bombeo de alta capacidad. Estos equipos formados por un conjunto de un motor y una bomba vertical (de flecha hueca), los cuales en la mayoría de los casos esta acoplados por un cople con fusible mecánico de impacto, el cual impide el giro en sentido contrario al de operación, provocando que el fusible ejerza una fuerza sobre el cople, provocándole un estado de esfuerzo desfavorable.
El desarrollo del trabajo, se presenta en primer instancia, la problemática existente en la construcción de los pozos profundos, seguido el equipo utilizado para la extracción de el agua (bombas y motores eléctricos), seguido de la metodología y bases teóricas para el calculo de coples, completadas de las teorías de falla para cargas estáticas y además de los antecedentes teóricos del Método del Elemento Finito (MEF).
ABSTRACT
With the purpose of observing the behavior of a cople with mechanical fuse of impact, before different types of solicitations. We saw each other in the task of investigating the operation of these mechanical elements.
Everything begins with the necessity of extracting the water of the underground, giving the creation of deep wells equipped with teams of pumping of high capacity as a result. These teams formed by a group of a motor and a vertical pump (of hollow arrow), those which in most of the cases this coupled by a cople with mechanical fuse of impact, which impedes the turn in sense contrary to that of operation, causing that the fuse exercises a force on the cople, provoking him a state of unfavorable effort.
The development of the work, is presented in first instance, the existent problem in the construction of the deep, followed wells the team used for the extraction of the water (bombs and electric motors), followed by the methodology and theoretical bases for the I calculate of coples, completed of the flaw theories for static loads and besides the theoretical antecedents of the Method of the Finite Element (MEF).
OBJETIVO
JUSTIFICACIÓN
Considerando el buen funcionamiento de los equipos de bombeo, es indispensable tener el equipo de repuesto y recambio en optimas condiciones de operación. Observando la problemática presentada en algunas de las instalaciones con los motores de flecha hueca (en el cople), nos vemos en la necesidad de estudiar las causas que puedan producir una falla en él; para poder eliminar esa posibilidad al momento de instalar el equipo.
CAPíTULO I
INTRODUCCIÓN
ABASTECIMIENTO DE AGUA
1. 1. PROBLEMÁTICA GENERAL
Es posible “escribir la historia del desarrollo del hombre en relación con la ansiedad épica por el agua”. Las civilizaciones primitivas surgieron en valles fertilizados por grandes ríos, como el Nilo. Entre los monumentos de la civilización del Imperio Romano, están los grandes acueductos de Segovia, en España (figura 1.1).
Figura 1. 1. Acueductos de Segovia en España.
A lo largo de los años, se ha desarrollado una diversidad de formas para cubrir la necesidad del suministro del agua, se hable del agua de consumo humano o para riego. Dentro de este proceso se han pasado desde; la explotación de los manantiales o mantos acuíferos superficiales hasta, lo actual que es la extracción del vital líquido del subsuelo.
La obtención agua con calidad suficiente para consumo humano o para riego, sin necesidad de trasladarla de los grandes lagos, presas, ríos ó mar, es la extracción del agua del subsuelo de la misma zona donde se necesita.
excavación de pozos poco profundos, llamados también pozos someros, los cuales, sin
necesidad de equipo especial, la obtención del agua era posible. Observando esta situación la población inició la explotación del agua en cantidad, el desperdicio se dió, sin pensar que la sobre explotación, y los cambios climáticos en el mundo entero motivará a que los mantos acuíferos tendieran a bajar sus niveles.
1. 2.
LOS POZOS PROFUNDOS.
Figura 1. 2. Pozo Profundo.
Con los antecedentes citados, se dio la era de los pozos profundos, que consiste en
una perforación en el subsuelo de un diámetro esbelto, en el cual se introduce una camisa de acero para ademar y proteger el pozo de derrumbes, y a la vez para poder introducir un filtro.
La profundidad de los pozos varia; según la zona, el manto acuífero que se va a explotar. Se manejan 100, 150, 200, 250, y hasta 300 metros de profundidad, los diámetros del ademe van en función de la cantidad de agua a extraer.
1. 2. 1. Características del pozo profundo
sobre la calidad del agua suministrada.
Figura 1. 3. Esquema de utilización del agua.
1. 3. IMPORTANCIA DEL AGUA SUBTERRÁNEA
Las condiciones climáticas adversas que dominan gran parte de nuestro país, determinan que el agua subterránea sea uno de los recursos más importantes de México: en más del 50% de su territorio, donde prevalecen los climas desértico o semidesértico, el subsuelo aloja a las principales y a menudo, las únicas fuentes de abastecimiento de agua.
Fuera de la porción árida del país, dicho recurso reviste también importancia, ya que por su permanencia, amplia distribución y menor exposición a la contaminación, es preferentemente captada para consumo humano y uso industrial, además constituye un valioso auxiliar en las regiones agrícolas sustentadas por fuentes de agua superficial.
En la actualidad, las fuentes subterráneas sostienen el desarrollo agrícola en la porción árida del país, satisfacen las necesidades de agua de la inmensa mayoría de los núcleos de población y suministran casi el total del agua que requieren los desarrollos industriales.
1. 4. PRECIPITACIÓN PLUVIAL, RECARGA DE LAS FUENTES
SUBTERRÁNEAS.
El agua subterránea forma parte de un gran sistema circulatorio; el ciclo hidrológico, que comprende prácticamente a toda el agua que, en sus diferentes formas líquida, sólida o gaseosa se encuentra en movimiento en nuestro planeta.
considerada, por ello, la recarga de agua subterránea es más abundante en las regiones lluviosas que en las áridas (ver figura 1.5.). La distribución del agua precipitada entre la superficie y el subsuelo es controlada, además por otros factores como: la pendiente topográfica, el tipo de suelo, la cobertura vegetal y la distribución temporal de lluvia.
La distribución temporal de la lluvia está representada por dos características: duración e intensidad. Las lluvias cortas de gran intensidad producen cuantiosos escurrimientos, pero no favorecen a la infiltración porque el terreno no tiene oportunidad de absorberla, en cambio, las lluvias prolongadas de baja intensidad generan menos escurrimientos y más infiltración.
Figura 1. 4. Ciclo del agua.
1. 5. ACUÍFERO, PROVEEDOR DE AGUA SUBTERRÁNEA
superficie, los materiales se encuentran totalmente saturados. Por convención, se denomina "agua subterránea", sólo a la contenida en esta zona, diferenciándola del agua existente en la zona no saturada.
Figura 1. 5. Tipos de capaz acuíferas.
1. 6. EXPLORACIÓN HIDROGEOLÓGICA
El agua subterránea es un recurso casi omnipresente, se le puede encontrar prácticamente en cualquier sitio, en diversas cantidades y de buena o mala calidad. El problema principal no consiste tanto en su localización, sino más bien en la identificación de sitios o de áreas donde se le puede captar económicamente en cantidad suficiente y la calidad adecuada, para satisfacer una necesidad específica de ese recurso. La localización de sitios favorables para el emplazamiento de captaciones de agua subterránea, es relativamente sencilla en las partes bajas de cuencas, donde existen acuíferos granulares, someros, extensos y con agua de buena calidad. Por el contrario, en regiones de condiciones geológicas adversas, como en amplias zonas del altiplano mexicano, la localización de acuíferos para satisfacer aún las necesidades menores de agua, ha sido siempre un problema de difícil solución. En el transcurso de las últimas décadas, el desarrollo de los recursos hidráulicos subterráneos, ha progresado rápidamente en nuestro país. A consecuencia de ello, en la mayoría de los acuíferos accesibles, la disponibilidad de agua ya esta totalmente aprovechada o comprometida, aún más, muchos de ellos están siendo sobre explotados, con graves efectos económicos y ambientales. En tales casos, para satisfacer nuevas demandas de agua es necesario localizar fuentes en áreas o a profundidades todavía no exploradas.
La hidrogeología, cuya base fundamental es la geología, es una ciencia multidisciplinaria, en la cual se utilizan métodos y técnicas como; prospección, geofísica, perforación de pozos, geoquímica de rocas y agua, hidráulica subterránea, percepción remota y modelación matemática, orientadas a la exploración y caracterización de acuíferos. En cada caso, las técnicas a utilizar dependen de los objetivos de la exploración y de las características y complejidad del marco hidrogeológico.
aplicación combinada de técnicas de exploración del subsuelo.
Actualmente, se dispone de un amplio conocimiento de la hidrogeología de México, obtenida a través de estudios, que con diferentes objetivos han realizado dependencias oficiales, instituciones académicas y empresas privadas. Esta información está dispersa y no ha sido publicada íntegramente; no obstante, parte de ella puede ser consultada, lo cual reduce el tiempo y costo de los trabajos que son necesarios para resolver un problema específico.
1. 6. 1. Estudio geofísico
Figura 1. 8. Secciones transversales geológicas de la figura 1. 7.
A medida que el grado de dificultad para encontrar el agua subterránea aumenta y los costos de perforación se incrementan, la necesidad de contar con métodos indirectos de exploración que permitan detectar su presencia desde la superficie se hace indispensable.
geohidrológica son los geoeléctricos y geosísmicos, debido a la calidad de sus resultados y a los bajos costos de aplicación. El resto es empleado, principalmente en estudios regionales, como localizadores de estructuras en el subsuelo, que determinan el comportamiento de los acuíferos. Sin embargo, algunos de estos métodos presentan modalidades para ser utilizados en los pozos, aportando así información concerniente a las características litológicas y geohidrológicas de las rocas (porosidad, proporción arena arcilla, etcétera).
El más usado en nuestro país es el estudio geofísico, método de prospección geoeléctrica, el cual se aplica bajo los siguientes criterios:
Utiliza el paso por el terreno de una corriente natural o artificial, no hace intervenir campos magnéticos. Por lo tanto, este método se basa en la medición de; resistividad, conductividad longitudinal y resistencia transversal que caracterizan las rocas y capas geológicas. Esta actividad se realiza principalmente por sondeos eléctricos verticales.
Es importante citar que el hecho de realizar un estudio geofísico, no garantiza por si solo que se localice agua subterránea, ya que es un medio de orientación, la certeza de obtención de agua o lo contrario, será hasta analizar la información de los estudios y trabajos realizados durante la perforación del pozo exploratorio.
Dentro de los campos de la hidrogeología y de la ingeniería, el pozo es una obra que reviste gran importancia práctica, ya sea como exploración directa o como captación de agua subterránea. A pesar del gran desarrollo de las técnicas indirectas de prospección geohidrológica, el pozo exploratorio sigue siendo insustituible como fuente directa de información acerca del subsuelo: es el único método que puede proporcionar datos precisos acerca de la secuencia estratigráfica, la litología y las características hidrogeológicas de las rocas, así como niveles y calidad del agua subterránea, además, aporta la información necesaria para traducir los resultados de los métodos geofísicos a términos hidrogeológicos.
Cabe hacer hincapié que en nuestro país existe una área del gobierno federal, llamada Comisión Nacional del Agua (CNA), Este organismo administra la información de la extracción del agua del subsuelo, desde la perforación hasta la autorización del caudal de extracción. La CNA obtiene información para determinar si las precipitaciones de las zonas y su filtración son suficientes para mantener los mantos acuífe ros recargados con respecto a la extracción que se le esta realizando, además determina la capacidad de cada manto, y trata de mantener el equilibrio entre extracción y recarga, con esta acción se controla y evita exista sobreexplotación de los mantos.
1. 7. POZO PROFUNDO, CAPTACIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA
Figura 1. 9. Esquema de un pozo profundo.
El pozo profundo es la obra más común para la captación de agua subterránea, es el corazón de la mayoría de los sistemas que abastecen a los núcleos de población, desde las pequeñas comunidades rurales, hasta las gigantescas ciudades, suministra agua a las grandes zonas de riego por bombeo ya la mayoría de los desarrollos industriales. Dada su importancia y su creciente costo de construcción, equipamiento, operación y mantenimiento, es de primordial importancia seleccionar la localización adecuada de los pozos, de tal manera que cumplan satisfactoriamente los objetivos con el menor costo posible.
hidráulicas de los acuíferos, la posición del nivel freático y la distribución vertical de la carga hidráulica, las características físico-químicas del agua y su distribución, la conexión del acuífero con algún curso o cuerpo de agua superficial.
Dentro de las características hidráulicas del acuífero, la transmisividad es la de mayor interés ya que de ella depende principalmente el rendimiento de los acuíferos. Por otra, parte la profundidad del nivel estático también es importante, ya que es uno de los factores que determinan el costo del bombeo.
Figura 1. 10. Construcción de pozos profundos.
La tecnología de construcción de pozos para la explotación de los recursos naturales existentes en el subsuelo de nuestro país, ha tenido un desarrollo espectacular en el transcurso de las últimas décadas. En particular, la tecnología para la captación del agua del subsuelo se ha desarrollado de forma notable, paralelamente con los avances tecnológicos de la industria petrolera.
sanitarios y el uso del pozo. Para construir los pozos destinados a la captación del agua subterránea, se utilizan, de manera general, dos sistemas básicos de perforación: percusión y el rotatorio.
En el transcurso del tiempo han surgido varios métodos, que conservando los principio básicos de uno o de ambos sistemas. Han desarrollado una nueva técnica y manifiestan una mayor versatilidad, de tal forma que se tienen variantes como: rotatorio de circulación inversa, neumático y vibro percusión entre otros.
1. 8. 1. Sistema por percusión
Este procedimiento de perforación es uno del más antiguo que se conoce, gradualmente ha sido desplazado por los equipos modernos de perforación rotatoria; pero aun es utilizado preferentemente para construir pozos en ciertos tipos de terrenos. La utilización de la percusión se basa en la fragilidad de las rocas.
El método de percusión, utiliza cable y una herramienta, presenta utilidad en una amplia variedad de condiciones geológicas, pudiendo ser en ocasiones, la mejor opción y en algunos casos el único método de usarse. Se fundamenta en el principio de la caída libre de una barrena pesada, aplicando golpes contra el fondo de un agujero y penetrando, de esta manera el suelo. Los cortes se retiran periódicamente. La herramienta para perforar y despolvar se lleva en líneas o cables separados enrollados en tambores elevadores independientes.
Con este sistema de perforación se puede recuperar muestras a cualquier profundidad, excelente en el muestreo de materiales granulares gruesos, y se puede emplear en lugares con poco agua. Los pozos se construyen con una posibilidad mínima de contaminación.
El perforista mediante el contacto de la palma de su mano con el cable de la herramienta mantiene un contacto intimo con el proceso de perforación, conociendo e inclusive determinando el tipo de material que se cruza. Generalmente solo se necesita una cuadrilla para operar el equipo. Los pozos que emplean este método pueden ser verificados en cualquier momento para determinar su avance y verticalidad. Además los pozos construidos bajo este sistema, presentan un fácil y práctico desarrollo del pozo, no requiere de trabajos adicionales, ni el uso de agentes dispersantes para la limpieza del mismo.
Las limitaciones que presenta el sistema de perforación por percusión son: El avance de perforación es relativamente lento comparado con otros métodos. La falta de rigidez en la sarta de perforación provoca poco control de la verticalidad del pozo. Se presenta una reducción al efecto cortante. Cuando se cortan materiales no consolidados, las paredes se colapsan retardando el avance de la perforación lo que implica un ademado cuyo costo final es elevado. Permite un muestreo de buena calidad en las formaciones consolidadas; en las no consolidadas de grano fino mezcla los horizontes perforados al rescatar la muestra.
1. 8. 2. Sistema rotatorio
estos equipos se han alcanzado profundidades de 2,000 metros, con diámetros de 76.2 centímetros.
El método de perforación por rotación consiste: en horadar un agujero mediante la acción rotatoria de una barrena, y la remoción de los fragmentos que se producen se eliminan a través de un fluido que continuamente se hace circular, conforme la barrena penetra en los materiales de la formación. La barrena se fija al extremo inferior de una sarta de tubería. En el sistema rotatorio de circulación directa, el fluido de perforación es bombeado a través de la tubería y expulsado por medio de la barrena. Consecuentemente, fluye verticalmente hasta la superficie por el espacio anular que se halla alrededor de la tubería. Ya en la superficie del terreno, el fluido se conduce hasta una fosa de sedimentación y de esta reboza a otra fosa, donde de nuevo es bombeada al interior del pozo. Este es solo una de las variantes.
Este método emplea fluidos de perforación cuya función es: Enfriar y lubricar a la barrena de perforación; Remover los fragmentos de recorte del fondo del pozo; Mantener los cortes y fragmentos en suspensión; Estabilizar, proteger y sellar las paredes del pozo; Prevenir la entrada de fluidos provenientes de las formaciones perforadas; y minimizar las probabilidades de contaminación entre mantos acuíferos atravesados.
Aun que parece el método más adecuado tiene limitaciones, que se citan a continuación: (1) dificulta para remoción de los fluidos de perforación y la costra filtrante durante el desarrollo del pozo, cuando se excede el perímetro de influencia. (2) Los fluidos de perforación y sus aditivos influyen en la calidad del agua subterránea. (3) Las muestras que se obtiene son cortes de dimensiones pequeñas, que no permiten una buena interpretación de las formaciones que se han perforado. (4) El costo por el muestreo con un método adicional se incrementa notablemente sobre todo a partir de profundidades mayores a 45 metros. (5) Dificulta identificar los horizontes acuíferos, debido a la invasión de los fluidos de perforación principalmente en las zonas permeables, con la posibilidad de contaminación provocando interpretaciones erróneas y reduce la permeabilidad de manera irreversible. (6) La transportación del equipo requiere en algunos casos de vehículos y grúas especiales, lo cual complica su empleo en terrenos de difícil acceso o de topografía accidentada.
1. 8. 3. Etapas en la construcción del pozo profundo
La construcción de un pozo profundo tiene un costo elevado, esto es debido a que para iniciar la perforación se parte de un estudio indirecto que se complementa con la experiencia e información de la zona, si la construcción del pozo se realiza bajo esta línea, las probabilidades de que se pueda captar agua en el pozo profundo son mínimas, pasando a ser un solo gasto sin beneficio.
Con el fin de evitar gastos, durante el proceso de construcción del pozo profundo se ha creado un punto intermedio donde se permite analizar información real y precisa del sitio de perforación obtenida durante la primer etapa. Para su comprensión se define a la primer etapa como la perforación exploratoria ya la segunda etapa como la terminación del pozo.
Debido a la heterogeneidad del subsuelo, aún cuando se disponga de estudios previos, de exploraciones indirectas o de datos acerca de pozos circunvecinos, las condiciones hidrogeológicas existentes en un sitio sólo pueden conocerse con detalle a través de una exploración directa. Por ello, cualquiera que sea su objetivo, todo pozo tiene en principio un carácter exploratorio.
Independientemente del método empleado, la perforación permite recabar información acerca de las condiciones hidrogeológicas locales a través de los registros y pruebas del pozo pruebas de penetración, cortes litológicos, Registro eléctrico (en el interior del pozo). El registro eléctrico es la medición por método directo de las propiedades físicas de los materiales cortados por una perforación exploratoria, que en función de la resistividad del suelo determina la existencia de zonas permeables en la perforación exploratoria.
Todos los registros apuntados se complementan entre sí, por lo que deben ser interpretados conjuntamente. Como resultado, se puede determinar con certeza la ubicación, litología y espesor de los acuíferos: la distribución vertical de la carga hidráulica, y la calidad del agua que contienen.
Con base a la interpretación de la información obtenida en esta etapa si el sitio de la perforación exploratoria tiene posibilidades de captar agua, se autoriza continuar la terminación del pozo profundo, y el ingeniero geólogo determina el diseño final del pozo. Si la probabilidad de captar agua es negativa, la orden sería suspender los trabajos y se buscaría una nueva ubicación la perforación exploratoria.
1. 8. 3. 2. Diseño del pozo
En el diseño del pozo se determina y dimensiona los siguientes parámetros: profundidad del pozo, diámetro y material de ademe, diámetros de ampliación de la perforación exploratoria, longitud de tubería lisa para ademe, longitud de la tubería de cedazo, tipo de cedazo, además de algunos parámetros como los son el tipo de filtro y su protección sanitaria, que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtención de agua de buena calidad y libre de contaminantes.
1. 8. 3. 3. Terminación del pozo profundo
a) Ampliación de la perforación.
La etapa de terminación se inicia con la ampliación de la perforación exploratoria hasta un diámetro y profundidad que el diseño del pozo indica. La ampliación también abarca la preparación de la zona donde se instalara el contra ademe, que en ocasiones se realiza en la primer etapa con el fin de proteger a la perforación de posibles derrumbes.
b) Ademado (entubar).
Seguida de la ampliación se procede a ademar (entubar), asegurando la alineación, y nivelación a fin de obtener la verticalidad del entubado, la unión se realiza con soldadura de arco eléctrico, si el ademe es de acero o si el ademe es de PVC con coples especiales, el contra ademe es instalado con los mismos criterios y cuidados.
c) Filtro de grava.
el pozo sea productor de arena.
La producción de arena en un pozo es uno de los mayores problemas que afectan aun sistema que se abastece de agua por este medio, ya que provoca daños a impulsores, tazones, columnas de descarga, válvulas, líneas de conducción, red de distribución y otros componentes, reduciendo su vida útil e incrementando los costos de mantenimiento.
El aforo consiste en efectuar la medición del nivel del agua que se presenta en el interior del pozo, cuando se extrae de él un determinado gasto. Estas mediciones se efectúan para diferentes gastos. El aforo se realiza después de haber desarrollo del pozo.
La prueba de aforo es una operación que se realiza para determinar; el caudal óptimo,
los niveles de funcionamiento del pozo, el abatimiento del nivel estático en función del gasto, y la eficiencia del pozo. El objetivo es llegar a conocer el funcionamiento de los pozos y del acuífero, con el fin de explotar a éste último adecuadamente.
La prueba de aforo se realiza con una bomba vertical tipo turbina, con una columna de longitud tal, que la bomba no succione aire al abatirse el nivel del agua. La bomba es accionada por un motor de combustión interna capaz de variar las revoluciones (rpm). Para la toma de lecturas se cuenta con un dispositivo de medición de caudal, para evaluar los niveles se emplea una sonda preferentemente eléctrica, que permita medir con precisión y rapidez los descensos del nivel del agua subterránea. Con el aforo se obtiene la siguiente información:
1. 9. 1. El nivel estático
Es la distancia desde el terreno natural hasta el nivel del agua dentro del pozo, cuando no está afectado por el bombeo, representando la distancia hasta el espejo del agua que se presenta cuando no está trabajando un pozo.
1. 9. 2. El nivel dinámico
estabiliza. Este nivel tiene variaciones con el tiempo, debido a cambios climáticos, perforación de más pozos en la zona, etc. Los cuales deberán ser determinados en el estudio geohidrológico perteneciente a la zona donde se localiza el pozo.
1. 9. 3. El caudal de explotación posible
Se obtiene en la prueba de aforo, ya que es la principal herramienta disponible para el estudio del comportamiento de los pozos, así como la predicción de caudales, tanto critico como efectivo.
1. 9. 4. Registro de la verticalidad
La verticalidad del pozo es un parámetro de suma importancia, ya que un pozo que no deje pasar al cuerpo de tazones completamente libre o que induzca a la columna del equipo a sufrir inclinaciones, limita el uso de la bomba vertical tipo turbina, debido a que se presentarían problemas en la flecha de línea, por lo que un equipo sumergible sería la opción más apropiada. Al existir una desviación notable, se proporciona un área de paso muy reducida, la cual será el parámetro de selección para el diámetro máximo en el equipo de bombeo. El registro de verticalidad se realiza en la etapa final de construcción del pozo, con este se comprueba que el pozo no este desviado o inclinado respecto aún eje vertical imaginario, ya que estas características afectan la vida de los equipos de bombeo e inclusive algunos no se pueden instalar como es el caso de una bomba vertical tipo turbina.
1. 9. 5 registro de video
Recientemente se ha solicitado como comprobación final un registro de vídeo del interior del pozo, el cual confirma toda la información que el constructor emite, y se verifica la calidad del trabajo con soporte visual.
CONO DE ABATI MI ENTO
N IV E L D IN Á M IC O N IV E L E S T Á T IC O A D E M E L IS O A D E M E D E C E D A Z O P R O F U N D ID A D T O T A L C O N T R A A D E M E T A P O N D E F O N D O
NI VEL DE
TERREN O TUBO EN GRAVAD OR
BROCAL DEL POZO
DI SEÑ O DE CON STRUCCI ÓN DE UN POZO PROFUN DO
DI ÁMETRO DE PERFORACI ÓN
DI ÁMETRO DE ADEME
1. 10. EQUIPO DE BOMBEO
La perforación y la terminación de un pozo sólo constituyen una parte de la solución al problema de la obtención de agua en cantidad suficiente donde se desea usarla. Generalmente, los pozos pequeños se utilizan para suministrar agua a una casa, un grupo de casas u otros consumidores de escasas necesidades, como una pequeña fábrica. En estos casos, se requiere el agua para usarla a alturas algo mayores que la del pozo y a menudo a distancia apreciable del mismo. Por lo tanto, debe encontrarse algún medio de elevarla desde la fuente y forzarla a través de un tubo a velocidades adecuadas, hasta los puntos y alturas de empleo. La excepción a esta aseveración es el caso de pozo de flujo artesiano, que tiene una descarga suficiente a presión adecuada, para satisfacer las demandas limitadas de una o varias casas pequeñas sin ninguna ayuda externa. Sin embargo, generalmente se necesita ayuda y ésta se recibe bajo la forma de una bomba apropiada. Es importante que esta sea la adecuada, seleccionada sobre la base de la demanda que debe satisfacer y la capacidad del pozo para producir agua. No puede, ni debe ser cualquier bomba, ya que, en tal caso no es probable que se cubran las necesidades.
elevación del agua desde cierto nivel bajo hasta la toma de la bomba o su lado de succión. La segunda se refiere a la presión aplicada al agua en la bomba para impulsarla hacia su destino.
Figura 1. 12. A. Presión atmosférica en todos los puntos. No hay diferencia en los niveles de agua. B. Presión en el tubo reducida a cero atmósferas (vació total). El nivel del agua en el tubo se eleva,
aproximadamente, a 34 pies (10.33 m).
cuando la presión sobre la superficie del agua dentro del tubo se reduce a cero atmósferas (absolutas). Entonces, la columna de agua ejercerá una presión descendente igual a la presión atmosférica (figuras 1. 12.). La presión atmosférica al nivel del mar es aproximadamente equivalente a una columna de agua de 34 pies (10.33 m) y esta es la elevación a la cual subirá el agua dentro del tubo. La presión atmosférica disminuye al aumentar la altitud o altura sobre el nivel del mar. Asimismo, la altura máxima a la cual puede hacerse subir la columna de agua también disminuye cuando aumenta la altitud.
El término succión (o aspiración) se emplea para describir la cantidad en la cual se reduce la presión en el tubo por debajo de la atmosférica. Puede aplicarse succión al tubo accionando con una bomba conectada en su extremo superior. El nivel a que se eleva el agua dentro del tubo por encima de la superficie en el recipiente grande se denomina altura de succión. Una bomba a fin de bombear agua, debe ser capaz de crear suficiente succión para elevarla en el tubo hasta el nivel del extremo de succión de la bomba. En la figura 1. 13., el entubado del pozo representa el recipiente más grande mientras que el conducto de succión de la bomba ocupa el lugar del tubo. Nótese que la elevación del agua en la tubería de succión debe estar acompañada por una disminución del nivel del agua en el entubado del pozo.
El nivel del agua dentro del entubado y el tubo de succión antes de que la bomba desarrolle la altura de succión se llama nivel estático del agua. El nivel en el entubado del pozo durante el bombeo es el nivel de bombeo del agua.
Figura 1. 13. Principios de bombeo de un pozo.
como la temperatura del agua y la fricción o resistencia al flujo en la tubería de succión reducen la altura de succión. Al nivel del mar, de ordinario, las bombas mejor diseñadas desarrollan una altura de succión de aproximadamente 25 pies (7.6 m) mientras que la altura de succión de una bomba promedio varía entre 15 y 18 pies (4.5 a 5.5 m) aproximadamente. Si es necesario elevar agua de un pozo desde un nivel situado a 25 pies (7.6 m) o más bajo la superficie del suelo, debe encargarse algún, medio, para la bomba dentro del pozo y, ya sea sumergiéndola completamente en el agua o llevándola bastante cerca de la superficie del líquido; permitiendo que desarrolle la altura de succión de ésta.
Esta altura límite de succión se emplea para clasificar las bombas en tipos para superficie, o bombas para pozos poco profundos, y bombas para pozos profundos. Las bombas del tipo de superficie son aquellas que se instalan en la superficie del suelo o sobre él y están limitadas a elevar agua por succión desde una profundidad generalmente no mayor de 25 pies (7.6 m,) aproximadamente, bajo la superficie del suelo. Las bombas de pozo profundo, son las que se instalan dentro del pozo y se emplean para extraer agua desde profundidades, generalmente mayores de 25 pies (7.6 m) bajo la superficie del suelo.
Otra clasificación muy común de las bombas las divide en dos tipos principales basados en los principios mecánicos que implican. Estos dos tipos son de desplazamiento constante y de desplazamiento variable.
1. 11. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Recientemente se han detectado algunos casos de falla en los acoplamientos de los motores de flecha hueca. Por tanto, el investigar acerca de que esta sucediendo requiere de un análisis detallado de la situación que se presento y detallar las causas para darle una solución pronta.
El análisis a realizar debe reunir información suficiente para determinar si el material del que se fabrica este cople representa parte del problema o si la configuración geométrica de misma genera concentraciones de esfuerzo en alguna zona critica. Por tanto, se analizaran dos geometrías distintas, la presentada cuando ocurrió la falla y una geometría propuesta. Además, de estos análisis se hará una comparación de cuando este cople se encuentre con un defecto. Cabe mencionar que, el análisis de la nueva geometría se hará con hierro dúctil y el análisis del cople con la geometría actual se hará de hierro dúctil y fundición gris al igual que el cople con defecto.
El análisis resulta complejo ya que son cinco elementos a analizar y dos materiales diferentes. Por tanto, los métodos prácticos pueden resultar caros y complicados para su comprensión y aplicación. Así que, se ha decidido realizar estos por medio de métodos numéricos computacionales, ya que estos resultan ser más eficientes, baratos y se pueden analizar diferentes materiales con solo definir estos al momento de realizar el análisis.
Se ha escogido hacerlo con ANSYS, ya que, este presenta una gama importante de aplicaciones en el diseño, fácil manejo, aproximaciones a los casos prácticos y se considera la más poderosa herramienta para la resolución de problemas en ingeniería.
1. 12. CASO DE ESTUDIO
muestra a continuación.
Flecha hueca Dimensiones del cople Cuñero Armazón Unidades
BC QC QN QX
BX Ancho Prof. XC XF Agujeros Machuelados BY mm 6.4 28.58 25.40 -- 19.08 4.78 2.77 9.53 46.05
213 TP
215 TP plg .250 1.125 1.00 -- .751 .188 .109 .375 1.813 190” – 32 x (.625”) prof. mm 3.18 34.93 31.75 -- 25.40 6.35 3.56 9.53 46.05
254 TP
256 TP plg .125 1.375 1.250 -- 1.000 .250 .140 .375 1.813 190” – 32 x (.625”) prof. Mm 3.18 34.93 31.75 -- 25.40 6.35 3.56 9.53 46.05
284 TP
286 TP plg .125 1.375 1.250 -- 1.000 .250 .140 .375 1.813 190” – 32 x (.625”) prof. Mm 6.35 47.63 44.45 52.32 30.18 6.35 3.56 12.70 50.80
324 TP
326 TP plg .250 1.875 1.750 2.060 1.188 .250 .140 .500 2.000 .250” – 20 x (.625”) prof. Mm 6.35 47.63 44.45 -- 30.18 6.35 3.56 12.70 50.80
364 TP
365 TP plg .250 1.875 1.750 -- 1.188 .250 .140 .500 2.000 .250” – 20 x (.625”) prof. mm 6.35 50.80 49.23 -- 36.53 9.53 5.16 15.88 63.50
404 TP
405 TP plg .250 2.00 1.938 -- 1.438 .375 .203 .625 2.500 .250” – 20 x (.625”) prof. mm 6.35 50.80 49.23 60.45 42.88 9.53 5.16 15.88 63.50
444 TP
445 TP plg .250 2.000 1.938 2.380 1.688 .375 .203 .625 2.500 .250” – 20 x (.625”) prof. Mm 6.35 63.5 61.92 73.15 57.15 9.53 5.16 15.88 .63.50
449 TP
plg .250 2.500 2.438 2.880 2.250 .375 .203 .625 2.500 .250” – 20 x (.625”) prof.
Fuente : [8]
1. 13. SUMARIO
CAPÍTULO II
BOMBAS
2. 1. GENERALIDADES
Existen varios tipos de maquinas hidráulicas. Entre ellas se encuentran las que transfieren la energía mediante un fluido (convertidores de par), las que transfieren energía mecánica (bombas) y las que convierten la energía de un fluido en energía mecánica (turbinas).
Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía mecánica, que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o velocidad.
Así tendremos bombas para cambiar la posición de cierto fluido. Un ejemplo lo constituye una bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el agua del subsuelo salga a la superficie. Lo inverso que sucede en una bomba se tiene una maquina llamada normalmente turbina, la cual transforma la energía de un fluido, en sus diferentes componentes citadas, en energía mecánica.
2. 2. BOMBAS CENTRIFUGAS
2. 2. 1. Descripción de las bombas centrifugas
líquidos que contengan sólidos.
Las bombas de flujo radial tiene una envolvente helicoidal, que se le denomina voluta, que guía al flujo desde el impulso hasta el tubo de descarga. El incremento de la sección transversal a lo largo de la envolvente tiende a mantener constante la velocidad en su interior. Esto ayuda a proporcionar unas condiciones del flujo relativamente sua ves a la salida del impulsor. Algunas bombas tiene álabes difusores en la voluta. Estas bombas son conocidas como turbobombas. Algunas bombas radiales son del tipo doble aspiración y tienen impulsores idénticos situados simétricamente espalda contra espalda. El agua entra a la bomba por ambos lados y se descarga en la voluta o en los alabes difusores. La ventaja de las bombas con doble aspiración es la reducción de la fricción mecánica producida por el empuje en los cojinetes ya que está equilibrado.
Las bombas pueden ser unicelulares o multicelulares, una bomba unicelular tiene un único impulsor, mientras que una multicelular tiene dos o más impulsores dispuestos de forma que la salida a uno de ellos va a la entrada del siguiente. Las bombas de pozo profundo son de un tipo de turbobomba, normalmente multicelular, que tiene varios impulsores situados en un eje vertical suspendido de un actuador, normalmente un motor eléctrico, situado en la superficie terrestre. Cada impulsor descarga en un difusor de alabes fijos, cazoleta, coaxial con el eje que dirige el agua hacia el siguiente impulsor.
agua abandone la bomba si esta se detiene. La tubería de descarga suele incorporar una válvula de registro y un a válvula de cierre. La primera evita que se cree un flujo de retorno a trabes de la bomba en caso de que haya una caída de potencia. Las tuberías de aspiración que toman agua de un depósito suelen tener un filtro para prevenir la entrada de las partículas que pudiera atascar la bomba.
Las bombas de flujo axial (figura 2. 1. (b)) suelen tener dos o cuatro palas por los que tiene grandes conductos sin obstáculos, que permiten trabajar con agua que contenga elementos sólidos sin que se produzca un atascamiento. Los álabes de algunas bombas axiales grandes son ajustables para variar la inclinación de y mejorar el rendimiento bajo condiciones reales.
Filt ro Valvula de
pie
Reduct or excént rico
Bom ba Valvula de registro Valvula de cierre
a) I nst alación t ípica de una bom ba cent rífuga b) I nst alación t ípica de una bom ba axial
Motor
Ej
e
Álabe guía
Áábe del im pulsor
Figura 2. 1. Instalaciones típicas de bombas.
2. 2. 2. Clasificación
Siendo tan variado los tipos de bombas que existen, conveniente hacer una adecuada clasificación (Ver tabla 2.1.).
Entenderemos la importancia de este tipo de maquinaria.
Tabla 2. 1. Clasificación de las bombas
DOBLE ACCIÓN
SIMPLE
DOBLE VAPOR
PISTON
EMBOLO SIMPLE
ACCIÓN DOBLE ACCION SIMPLE DOBLE TRIPLE MULTIPLE POTENCIA RECIPROCANTES DIAFRAGMA SIMPLE MULTIPLE OPERADA P/FLUIDO OPERADA MECÁNICAMENTE ROTOR SIMPLE ASPAS PISTON MIEMB RO FLEXIBLE
TORNILLO DESPLAZAMIENTO POSITIVO ROTATORIAS ROTOR MULTIPLE ENGRANES LOBULOS BALANCINES TORNILLOS AUTOCEBANTES
CENADAS POR MEDIOS EXTERNOS FLUJO RADIAL FLUJO MIXTO SIMPLE SUCCION DOBLE SUCCION UNIPASO MULITPAS O IMP. ABIERTO IMP. SEMIABIERTO IMP. CERRADO CENTRIFIGAS
FLUJO AXIAL SIMPLE SUCCION UNIPASO MULTIPASO IMP. ABIERTO IMP. CERRADO
PERIFÉRICAS UNIPASO MULTIPASO
AUTOCEBANTES
CEBADAS POR MEDIOS EXTERNOS
BOMBAS
DINÁMICAS
ESPECIALES ELECTROMAGNÉTICAS
2. 2. 3. Definiciones y nomenclatura
Las partes constitutivas de una bomba centrífuga dependen de la construcción y de su tipo.
Tamaño. El tamaño nominal de una bomba centrífuga se determinan generalmente
por el diámetro interior de la brida de descarga. Sin embargo, esta designación no es
suficiente puesto que no establece el gasto que puede proporcionar una bomba, ya que esta dependerá de la velocidad de rotación así como el diámetro del impulsor.
Sentido de rotación. El sentido de rotación de una bomba centrífuga puede ser:
En el sentido de las manecillas del reloj.
En el sentido contrario a las manecillas del reloj.
El punto de observación debe ser en una bomba horizontal cuando el observador esta colocado en el lado del cople de la bomba.
Lo mismo sucede para las bombas verticales en las cuales el observador debe colocarse mirando hacia debajo de la flecha superior de la bomba.
2. 2. 4. Clasificación de las bombas por el tipo de material de sus
partes.
Las designaciones frecuentemente usadas para bombas son:
§ Bombas estándar (fierro y bronce). § Bomba toda de fierro.
§ Bomba toda de bronce
§ Bombas de acero con partes internas de fierro o acero inoxidable.
Las bombas centrífugas pueden construirse también de otros metales, aleaciones y materiales como porcelana, vidrio, hules, etc. Las condiciones de servicio y la naturaleza del líquido manejado determinarán el tipo de material usará. Para bombas de alimentación de agua potable la construcción mas normal es la estándar de fierro y bronce.
Las bombas de pozo profundo usadas para alimentación de agua usan los
siguientes materiales:
§ Tazones – Fierro. § Impulsores – Bronce.
§ Flechas de impulsor – Acero inoxidable 13 % Cr. § Flechas de línea – Acero al carbono.
§ Chumaceras – Bronce.
§ Cabezal de descarga – Fierro o acero
En general, las condiciones de servicio que afectan principalmente la selección de materiales son las siguientes:
§ Corrosión de del liquido manejado. § Acción electroquímica.
§ Abrasión de los sólidos en suspensión. § Temperatura de bombeo.
§ Carga de operación. § Vida esperada.
