Diseño y construcción del sistema propulsivo para un micro vehículo aéreo

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(1)DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA PROPULSIVO PARA UN MICRO VEHÍCULO AÉREO. CAMILO ANDRÉS GONZÁLEZ ARTUNDUAGA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D. C., ENERO DE 2008.

(2) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA PROPULSIVO PARA UN MICRO VEHÍCULO AÉREO. CAMILO ANDRÉS GONZÁLEZ ARTUNDUAGA Cód. 200315718. Trabajo de grado presentado a la Universidad de Los Andes como requisito parcial de grado en Ingeniería Mecánica. Asesor Ing. Álvaro E. Pinilla S. PhD. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D. C. ENERO DE 2008.

(3) NOTAS DE ACEPTACIÓN. _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________. ________________________________ Ing. Álvaro E. Pinilla S.. Bogotá D C. Enero de 2008.

(4) Bogotá D. C. Enero de 2008. Ingeniero LUIS MARIO MATEUS Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de Los Andes. Estimado Ingeniero Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado titulado “Diseño y Construcción de un Sistema Propulsivo para un Micro Vehículo Aéreo” como requisito parcial de grado en el programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes.. Agradezco su atención, Atentamente. Camilo Andrés González Artunduaga.

(5) Agradecimientos. Es mi deseo expresar mi más profundo sentido de gratitud a mi asesor de grado el Ing. Ál varo Enrique Pinilla S. por su invaluable ayuda, guía y consejo en cada una de las etapas que este trabajo de grado representó. Adicionalmente porque él me mostró una maravillosa área de la Ingeniería Mecánica que precisamente es mi deseo apropiarla como parte de mi vida profesional. También deseo expresar mi sentido de gratitud a todo el personal del laboratorio de Ingeniería Mecánica por su paciencia, ayuda, consejo y compañía; especialmente a Omar Rodríguez, Ramiro Beltrán y Juan Carlos García puesto que gracias a ellos este trabajo fue posible. De igual manera agradezco a mis padres y amigos por su apoyo, ayuda, esperanza y paciencia en todas las etapas de mi carrera y vida.. v.

(6) A mis papás. vi.

(7) Tabla de Contenido Lista de Figuras ............................................................................................................................. viii Lista de Tablas ................................................................................................................................ ix Lista de Ecuaciones .........................................................................................................................x Lista de Variables ............................................................................................................................ xi 1.. Introducción.............................................................................................................................. 1. 2.. Comentarios Introductorios...................................................................................................... 3. 3.. Diseño del Ventilador ............................................................................................................... 6 3.1. Cálculo de las Variables de Entrada ................................................................................ 8. 3.2. Selección del Motor .........................................................................................................10. 3.3. Cálculo del Diámetro Óptimo ..........................................................................................13. 3.4. Selección del Perfil Aerodinámico...................................................................................14. 3.5. Diseño de Aspa ...............................................................................................................18. 3.6. Diseño del Ducto y de sus Componentes .......................................................................25. 3.7. Caracterización del Ventilador y Rendimiento Teórico...................................................27. 4.. Simulación Computacional .....................................................................................................35. 5.. Proceso de Manufactura.........................................................................................................39. 6.. Prueba Experimental ..............................................................................................................42 6.1. Diseño del Banco de Pruebas .........................................................................................42. 6.2. Procedimiento Exper imental ...........................................................................................44. 6.3. Medición de Datos ...........................................................................................................47. 7.. Conclusiones y Recomendaciones ........................................................................................55. 8.. Bibliografía ..............................................................................................................................59. 9.. Anexos ....................................................................................................................................60. vii.

(8) Lista de Figuras Figura 2-1. Partes de un Ventilador Cerrado ............................................................................................3 Figura 2-2. Perfil Aerodinámico..............................................................................................................4 Figura 3-1. Micro Vehículo de Despegue Vertical......................................................................................7 Figura 3-2. Flujo Másico Necesario .......................................................................................................10 Figura 3-3. Motor EM350 ....................................................................................................................11 Figura 3-4. Velocidad y Corriente del EM350..........................................................................................12 Figura 3-5. Potencia y Eficiencia del EM350 ...........................................................................................12 Figura 3-6. Diagrama de Cordier...........................................................................................................14 Figura 3-7. Perfil Goettingen 417A........................................................................................................15 Figura 3-8. Perfil Modificado Goettingen 417A.......................................................................................17 Figura 3-9. Longitud de Cuerda ............................................................................................................21 Figura 3-10. Angulo de Calaje...............................................................................................................21 Figura 3-11. Perfil de Referencia...........................................................................................................22 Figura 3-12. Centro Aerodinámico del Perfil...........................................................................................23 Figura 3-13. Rotación del Perfil ............................................................................................................23 Figura 3-14. Geometría del Perfil..........................................................................................................24 Figura 3-15. Rotor ..............................................................................................................................24 Figura 3-16. Ducto y Estator.................................................................................................................26 Figura 3-17. Geometría del Ducto.........................................................................................................27 Figura 3-18. Velocidad Inducida Tangencial ...........................................................................................28 Figura 3-19. Eficiencia del Elemento de Aspa .........................................................................................29 Figura 3-20. Presiones y Potencias Teóricas ...........................................................................................32 Figura 3-21. Eficiencia Teórica..............................................................................................................32 Figura 3-22. Rendimiento Teórico.........................................................................................................34 Figura 4-1. Estado de Esfuerzo del Aspa ................................................................................................36 Figura 4-2. Nivel de Presión de Sonido ..................................................................................................37 Figura 4-3. Líneas de Corriente.............................................................................................................37 Figura 4-4. Plano de Presión ................................................................................................................38 Figura 5-1. Material de Aporte y de Relleno para el Ventilador.................................................................40 Figura 5-2. Ventilador Cerrado.............................................................................................................40 Figura 6-1. Plataforma del Banco de Pruebas .........................................................................................43 Figura 6-2. Carro de Pruebas................................................................................................................43 Figura 6-3. Medición del Empuje y Velocidad del Viento..........................................................................45 Figura 6-4. Medición del Torque y de la Velocidad..................................................................................46 Figura 6-5. Banco de Pruebas...............................................................................................................47 Figura 6-6. Ventiladores Evaluados .......................................................................................................48 Figura 6-7. Curva de Empuje ................................................................................................................50 Figura 6-8. Curva de Torque.................................................................................................................51 Figura 6-9. Eficiencia Aerodinámica ......................................................................................................52 Figura 6-10. Eficiencia Mecánica ..........................................................................................................53 Figura 6-11. Eficiencia Total .................................................................................................................54. viii.

(9) Lista de Tablas Tabla 3-1. Presión Atmosférica y Densidad del Aire .............................................................................. 9 Tabla 3-2. Propiedades del Perfil Goettingen 417A..............................................................................17 Tabla 3-3. Parámetros de Diseño........................................................................................................19 Tabla 3-4. Geometría del Aspa ...........................................................................................................20 Tabla 3-5. Contabilidad de Potencias ..................................................................................................31 Tabla 6-1. Instrumentos Utilizados .....................................................................................................44. ix.

(10) Lista de Ecuaciones Ecuación 2-1. Eficiencia Aerodinámica................................................................................................. 5 Ecuación 2-2. Eficiencia Mecánica ....................................................................................................... 5 Ecuación 2-3. Eficiencia Total .............................................................................................................. 5 Ecuación 3-1.Velocidad Específica ......................................................................................................13 Ecuación 3-2. Diámetro Específico......................................................................................................13 Ecuación 3-3. Numero de Reynolds Aproximado.................................................................................14 Ecuación 3-4. Radio Mínimo ..............................................................................................................18 Ecuación 3-5. Angulo de Calaje ..........................................................................................................19 Ecuación 3-6. Angulo de Incidencia ....................................................................................................19 Ecuación 3-7. Longitud de Cuerda ......................................................................................................20 Ecuación 3-8. Velocidad Efectiva ........................................................................................................20 Ecuación 3-9. Angulo del Estator........................................................................................................25 Ecuación 3-10. Velocidad Inducida Tangencial ....................................................................................27 Ecuación 3-11. Eficiencia del Elemento de Aspa ..................................................................................28 Ecuación 3-12. Potencia Requerida Teórica.........................................................................................30 Ecuación 3-13. Potencia Efectiva Teórica ............................................................................................30 Ecuación 3-14. Eficiencia Teórica........................................................................................................30 Ecuación 3-15. Coeficiente de Torque ................................................................................................33 Ecuación 3-16. Coeficiente de Empuje ................................................................................................33. x.

(11) Lista de Variables Ф. Angulo de Incidencia. Α opt. Angulo Optimo de ataque del perfil. A eff. Área efectiva del Ventilador. A rng. Área de los Anillos. A tot. Área total del Ventilador. ∆P. Cambio de Presión. Q. Caudal. Cd. Coeficiente de Arrastre del perfil 2D. CT. Coeficiente de Empuje. Cl. Coeficiente de Sustentación del Perfil 2D. CQ. Coeficiente de Torque. ρ. Densidad del fluido. δ. Diámetro Especifico. ηaer. Eficiencia Aerodinámica del Ventilador. ηmec. Eficiencia Mecánica del Ventilador. η. Eficiencia Total del Ventilador. B. Número de Aspas en el Ventilador. r. Posición Radial. Weff. Potencia Teórica Efectiva producida por el ventilador. Wreq. Potencia Teórica Requerida para mover el ventilador. J. Relación de Avance. ω. Velocidad Angular de Rotación del Ventilador. U∞. Velocidad del fluido lejos del Ventilador. V eff. Velocidad Efectiva del fluido sobre las aspas del ventilador. σ. Velocidad Especifica. Ut. Velocidad Inducida Tangencialmente por acción del Ventilador. xi.

(12) 1. Introducción Una iniciativa que ha tomado mucha fuerza durante los últimos años en las líneas de investigación a nivel internacional hace referencia a todo tipo de miniaturización de tecnologías. aeroespaciales. Por nombrar algunos ejemplos: MAVs (Micro Aerial. Vehicle), UAVs (Unmmaned Aerial Vehicles), PAVs (Personal Aerial Vehicles) y los aeromodelos de alto rendimiento. Hoy en día estos vehículos están siendo diseñados para un amplio número de aplicaciones en el campo del entretenimiento, la investigación, la evaluación de tecnologías o el soporte. Las tareas varían, desde ser modelos para exposición, hasta tareas de alta complejidad como reconocimiento del terreno en operaciones de espionaje y de rescate. Dentro de este contexto, ha y suficiente tecnología por desarrollar y poner a prueba aún. La Universidad de Los Andes, en tanto institución académica e investigativa, es pionera en el desarrollo, la implantación y la asesoría de tecnologías a nivel nacional. Por esta razón, no debe quedarse por fuera de este campo de investigación y, poco a poco, ir concentrando esfuerzos para generar una base de conocimientos y de discusión del tema que en el futuro sirva como pie para el desarrollo de una potencial industria aeroespacial nacional. Una serie de trabajos previos desarrollados en la Universidad, como trabajos de grado, demuestran que la Universidad ya dispone del suficiente conocimiento desarrollado y de los recursos necesarios, tanto tecnológicos como humanos, para incursionar en esta área del conocimiento y empezar a realizar pequeños proyectos de conocimiento y exploración. Posiblemente las áreas más desarrolladas localmente son la aerodinámica y los procesos de manufactura, las cuales deberían ser usadas como pilares en esta creciente y fascinante área. El trabajo presentado pretende hacer parte de este proceso al desarrollar un pequeño prototipo de un sistema de propulsión para un vehículo, tomando como base los resultados conseguidos en trabajos previos en el desarrollo y evaluación de 1.

(13) ventiladores y de hélices propulsoras para aeromodelos. El sistema de propulsión estaría compuesto por un ventilador cerrado en un ducto. Durante el transcurso de cada etapa del proyecto, se enfatiza el proceso formal y matemático de diseño para luego someterse a una rigurosa etapa de evaluación y experimentación. Se escoge un sistema de propulsión basado en ventiladores, concretamente en ventiladores cerrados en ductos, puesto que estos dispositivos neumáticos han sido objetivo de innumerables refinamientos de tipo tecnológico e industrial, a tal punto que hoy tienen una muy alta eficiencia en comparación con otra maquinaria igualmente industrializada. El impacto del desarrollo es tan alto e interesante que las mismas compañías manufactureras de aviones en tamaño a escala y en tamaño real han puesto mucha atención a los ventiladores de alta eficiencia como componentes de sus sistemas de propulsión. Hay diversas razones que explican esta tendencia: la estética, la eficiencia, los bajos costos de diseño y de manufactura, el alto rendimiento y el bajo riesgo que ocasiona sus usos. En las próximas páginas se explora brevemente el diseño, la construcción y la evaluación de un primer prototipo de micro ventilador cerrado como componente principal de un sistema de propulsión diseñado para un pequeño vehículo aéreo.. 2.

(14) 2. Comentarios Introductorios Un ventilador es un dispositivo mecánico usado para producir una corriente de flujo con algún propósito: recirculación, enfriamiento, abastecimiento y, como se comenta en la pagina inmediatamente anterior, propulsión. En el caso de un sistema propulsivo, un alto cambio de presión estática es requerido luego que el flujo pasa por el ventilador. Los ventiladores cerrados en ducto están compuestos básicamente por cuatro (4) partes: el rotor, un conjunto de aspas con perfiles de ala o aerodinámicos que al rotar generan un cambio favorable para una aplicación en el flujo; el ducto, un canal completamente cerrado que guía el movimiento del flujo; el cubo, compuesto por la nariz, la cola del ventilador, así como el volumen necesario para ubicar y sostener el motor tractor; y los correctores de flujo, ubicados antes y después del rotor, los cuales cambian la dirección del flujo y eliminan sus movimientos erráticos para incrementar el rendimiento y la eficiencia del ventilador. La figura 2-1 muestra un esquema muy general de los componentes básicos de un ventilador en ducto.. Figura 2-1. Partes de un Ventilador Cerrado. 1. 1. Tomado de A xial Flow Fans: Design and Practice. Wallis, Allan. Axial Flow Fans: Design and Practice. Ney York : Academic Press, 1961. Pagina 4.. 3.

(15) Un ventilador cerrado correctamente diseñado es mucho más eficiente que su equivalente sin ducto. La razón que explica este hecho se debe a que los ventiladores en ducto no inducen un cambio, algunas veces significativo, en la velocidad axial del fluido de trabajo justo antes de la ubicación física de las aspas como sí lo hacen los ventiladores al aire libre. Cada aspa tiene una geometría característica transversal. A dicha geometría se le llama perfil aerodinámico y es el final responsable del las propiedades y del rendimiento del ventilador. La figura No. 2-2 muestra la convención que se usará a lo largo de este trabajo con relación a los perfiles aerodinámicos.. Figura 2-2. Perfil Aerodinámico. 2. El diseño de ventiladores se fundamenta básicamente en una combinación de dos teorías (1): la teoría del momentum angular y la teoría del elemento de aspa. Una descripción más completa de cada teoría, sus consideraciones y una descripción minuciosa de cada paso de la deducción puede ser encontrada en las referencias (1) (2) (3). A grandes rasgos, la teoría del momento angular parte de una contabilidad de potencias antes y después del ventilador mientras que la teoría del elemento de aspa se concentra en la dinámica existente en el perfil aerodinámico que conforma la sección trasversal del aspa.. 2. Tomado de http://www.kitebuggy.com.ar/perfil%20alar.jpg. Acceso: Enero 13 de 2008.. 4.

(16) En (1) se encuentra la deducción formal de cada una de las ecuaciones de diseño usadas en el trascurso de la etapa de diseño tratada en el capitulo No. 3. Para el desarrollo del procedimiento experimental y de evaluación de los parámetros del rendimiento del micro ventilador cerrado, se hace necesario definir los siguientes conceptos: 1. Eficiencia Aerodinámica: Una medida sobre la capacidad de transferir potencia otorgada por el motor al fluido de trabajo. Depende de 4 variables: el torque (T), la velocidad angular de rotación del motor (ω), el caudal producido por el motor (Q) y la presión que lleva dicho caudal (ΔP). La eficiencia aerodinámica está definida como: . . Ecuación 2-1. Eficiencia Aerodinámica. 2. Eficiencia Mecánica: Una medida sobre la capacidad de transferir potencia otorgada por la fuente de poder al eje del motor. Depende de 4 variables: el voltaje (V) y la corriente (I) a la entrada del motor y el torque (T) y velocidad angular (ω) en el eje del motor. Está definida como: . . . . Ecuación 2-2. Eficiencia Mecánica. 3. Eficiencia Total: Es la combinación de las potencias aerodinámica y mecánica. Se define como el producto de las dos. . . . . Ecuación 2-3. Eficiencia Total. 5.

(17) 3. Diseño del Ventilador. En esta sección, se ilustra y se especifica pasa a paso cada uno de los procedimientos teóricos llevados a cabo para la materialización de un micro ventilador de tipo cerrado (en ducto) que hace parte del sistema propulsivo de un mico vehículo aéreo como un aeromodelo, un MAV, ó un U AV. El procedimiento que se lleva a cabo para el diseño se basa en un modelo simplificado puesto que, como se especifica en la sección de comentarios introductorios, solo se usan dos principios básicos: la teoría del momentum angular y la teoría del elemento de aspa. Esta combinación proporciona información sobre la distribución de la cuerda a lo largo del aspa y el ángulo de calaje, lo cual permite construir la geometría del ventilador. Pero este análisis no tiene en cuenta algunos factores que tienen una influencia importante en el rendimiento final del ventilador. Algunos de estos factores excluidos del análisis son: los efectos producidos por las fuerzas de arrastre, el número finito de alabes, los efectos tridimensionales del flujo y de la geometría, las pérdidas en la punta y la rugosidad de la superficie, que hace parte del alabe. (1) Por otro lado, el análisis que es presentado es lo suficientemente sencillo pero a la ve z robusto, lo que le permite ser aplicado en el diseño simplificado de ventiladores o de bombas de tipo axial, dependiendo del tipo de fluido al que se le agregue energía. Es importante aclarar que el diseño simplificado de ventiladores axiales (ó bombas axiales) es una muy buena aproximación al diseño real de estos dispositivos para bajos rendimientos esperados, es decir, bajos aumentos en la presión o en cabeza del fluido de trabajo. Al inicio de este proyecto de grado, el objetivo final que se pretendía lograr era la construcción de un micro vehículo aéreo de despegue vertical, un pequeño vehículo que conseguiría la propulsión suficiente para romper la gravedad por medio de cuatro micro ventiladores cerrados. Pero en ese diseño no se estaba estipulado un sistema de 6.

(18) control de movimiento o de rotación, ni un sistema de propulsión en el plano horizontal; sólo se aspiraba a que el vehículo despegara del suelo, se elevara algunos centímetros y luego aterrizara de manera no comprometedora estructuralmente (por falta de un sistema de control sofisticado). Pero una serie de inconvenientes de último momento (que serán especificados mas adelante con sus posibles soluciones) se fueron presentando uno tras de otro e impidieron lograr este objetivo en toda su cabalidad. Como consecuencia, los objetivos y las especificaciones iníciales sufrieron algunos cambios pero manteniendo el mismo enfoque planteado inicialmente en un proyecto que se centra en el diseño y en la construcción del sistema propulsivo para un micro vehículo aéreo basado en micro ventiladores. Estos hechos no afectan el proceso de diseño ni de pruebas realizado, así como tampoco los resultados finales. Entonces, este trabajo constituye un paso intermedio para lograr los objetivos establecidos inicialmente. La figura No. 3-1 Muestra un modelo muy simplificado del vehículo que se deseaba construir.. Figura 3-1. Micro Vehículo de Despegue Vertical. Entrando en materia al contenido de este capítulo, el proceso de diseño simplificado para ventiladores cerrados en ducto (ó bombas axiales) es un proceso sencillo que a grandes rasgos se compone por los siguientes pasos (1):. 7.

(19) 1. Calcular el aumento de presión o de cabeza en el fluido de trabajo que se quiere lograr y el caudal necesario para lograrlo. 2. Escoger una velocidad o un rango de velocidades apropiado para la operación del ventilador y que está limitado por el rendimiento del motor que será usado. 3. Determinar el diámetro adecuado del ventilador a partir de las variables calculadas en los pasos uno (1) y dos (2). 4. Elegir un perfil aerodinámico adecuado para un Número de Reynolds aproximado en el punto de operación del ventilador. 5. Dividir el área efectiva de operación del ventilador en partes con aéreas iguales (con el fin de mantener constante el cambio de presión) y aplicarle a cada una de ellas las ecuaciones que permite conocer la distribución de la cuerda y el ángulo de calaje. 6. De ser necesario, volver a los pasos uno (1) o dos (2) de ser necesario para cambiar dichas variables de entrada procurando encajar el diseño a factores limitantes como integridad estructural, nivel de ruido, volumen, cargas inerciales, etc. A continuación se muestran con más detalle cada uno de los pasos mencionados anteriormente.. 3.1. Cálculo de las Variables de Entrada. El factor más importante que determina el curso del diseño del un micro ventilador es el rendimiento que éste debe ofrecer como un sistema propulsivo para un micro vehículo. Por lo tanto, la primera variable de carácter decisivo es el empuje que debe ejercer bajo unas condiciones de operación determinadas. Este valor depende de las características del vehículo en el que debe operar el sistema propulsivo y de sus aplicaciones. En la concepción original del proyecto, se estipuló un peso no superior a 500 gr, valor suficiente para construir un micro vehículo incluyendo su sistema propulsivo, una batería de alto amperaje y un peso pago. Si el vehículo está compuesto por cuatro 8.

(20) micro ventiladores, cada uno de ellos debe ejercer un empuje de 125 gr equivalente a 1.225 N. El peso estipulado es un poco superior a los modelos comerciales de VTOLs disponibles en el mercado del aeromodelismo (no incluyen ninguna carga paga lo que los hace para uso exclusivo de la industria del entretenimiento). Para hacer los cálculos necesarios se usó un modelo de atmósfera estándar que permite hallar la presión atmosférica y la densidad del aire a una altura determinada. Los detalles del modelo usado se encuentran en el anexo No. 1. Esto es importante porque el diseño debe estar concebido para un óptimo rendimiento en la ciudad de Bogotá. La tabla No. 3-1 incluye los valores usados en proceso de diseño. Altura (m) Presión Atmosférica (Pa) Densidad (kg/m 3) 0. 101325. 1,229. 1000. 89869. 1,088. 2000. 79485. 0,962. 2600. 73736. 0,893. 3000. 70095. 0,849. Tabla 3-1. Presión Atmosférica y Densidad del Aire. Por restricciones de tamaño, el sistema propulsivo debe ser lo más pequeño posible pero lo suficientemente grande para poder otorgar el rendimiento esperado. En la industria del aeromodelismo, los productos comerciales tipo ventilador cerrado (ducted fans) con un empuje similar al requerido oscilan entre 6.4 cm y 9 cm. Se decidió usar un diámetro de 8 cm para el micro ventilador lo que genera un área total de: Se debe suponer un área interna donde se ubicará el cubo y que por lo general es cerca del 50% del área total. Con esta nueva área se calcula el cambio de presión estática que debe proporcionar el micro ventilador para poder generar el empuje requerido. Esta selección puede generar varias iteraciones en el proceso completo de diseño hasta conseguir una que cumpla con todas las restricciones. Se escogió un diámetro para el cubo equivalente al 45% del diámetro total.. 9.

(21) Bajo estas consideraciones, el cambio de presión que debe producir el micro ventilador fue de 310 Pa. A partir de estos datos, se calcularon los requerimientos del flujo necesarios a través del micro ventilador usando la segunda ley de Newton aplicada a los fluidos.. Flujo Másico Necesario 0,14. Flujo Másico (kg/s). 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0,25. 0,75. 1,25. 1,75. 2,25. Fuerza de Empuje (N). Figura 3-2. Flujo Másico Necesario. La figura No. 3-2 relaciona el flujo másico necesario que debe mover el ventilador para producir una fuerza de empuje entre 0.25 N (25 gr) y 2.5 N (250 gr). El punto requerido es 1.225 N, lo que implica un flujo de 0.085 kg/s y con una velocidad de salida de 21.2 m/s.. 3.2. Selección del Motor. La selección del motor es una parte crítica en el proceso de diseño puesto que el motor debe ser lo suficientemente poderoso para mover el ventilador en las condiciones de operación designadas evitando caer en una mala selección. Es decir, seleccionando un motor muy pequeño o por el contrario muy grande para lo que se requiere cayendo en. 10.

(22) el riesgo de generarle un daño permanente, una carencia de poder o un costo elevado en rendimiento y eficiencia. Para la selección de motor, lo ideal fue tomar como partida motores para aplicaciones similares y abarcar la mayor cantidad de catálogos posibles. Luego de una búsqueda exhaustiva se seleccionó un motor diseñado para la industria del aeromodelismo bajo la referencia EDF350 distribuido por Grand Wing System 3 . Aunque el motor es distribuido por GWS, éste fue fabricado por Mabuchi Motor de Japón4. En la figura No. 3-3 se muestra el motor seleccionado contrastándolo con una moneda de $100 que tiene un diámetro de 23 mm. Las dimensiones del motor son: diámetro de 24.4 mm, largo 30.8 mm con un eje de diámetro 2.0 mm y de largo 7.3 mm5.. Figura 3-3. Motor EM350. El rendimiento del motor a voltaje nominal (6V) se resume aproximadamente en la figuras No. 3-4 y No. 3-5. 3. Grand Wing System o GWS es una com pañía manufacturera de accesorios pa ra aerom odelism o (radio controlled aircraft) con base en Taiwán y en Los Estados Unidos. La dirección web de la com pañía es http://www.gwsus.com 4 Mabushi Motor es una manufacture ra japonesa de motores eléctricos DC peque ños No. 1 del mundo. Tiene motores para todo tipo de aplicaciones desde juguetes hasta ae roespaciales. 5 Más información disponible del m otor EM350 en http://www.gwsus.com/english/product/m otor/motor.htm. 11.

(23) Los datos necesarios para construir la grafica provinieron del sitio web del fabricante y de algunas mediciones simples hechas en el laboratorio de Servicios de Manufactura de La Universidad de Los Andes.. 35000. 40 35 30 25 20 15 10 5 0. Velocidad (rpm). 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Corriente (A). Velocidad y Corriente del EM350. 600. Torque (rpm) Velocidad. Corriente. Figura 3-4. Velocidad y Corriente del EM350. Potencia (W). 50. 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%. 40 30 20 10 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Eficiencia. Potencia y Eficiencia del EM350. 600. Torque (grcm) Potencia. Eficiencia. Figura 3-5. Potencia y Eficiencia del EM350. Las gráficas muestran que el mejor punto de operación para el motor es cuando genera un torque de unos 50 grcm a una velocidad de 27500 rpm aproximadamente. El motor. 12.

(24) no podrá operar en este régimen puesto que requiere una carga inercial muy pequeña y el tamaño del micro ventilador puede excederla. Una velocidad apropiada es de 15000 rpm aproximadamente puesto que a esta velocidad el motor puede trabajar con una carga inercial mayor y dispone de mayor potencia, aunque implique un costo energético alto debido a la baja eficiencia. 3.3. Cálculo del Diámetro Óptimo. Se procede a verificar que el diámetro seleccionado para el micro ventilador es el adecuado para las condiciones de operación previamente calculadas. La herramienta a usar es el Diagrama de Cordier que relaciona dos coeficientes adimensionales para turbo-máquinas en una línea de diseño óptima. Los coeficientes son la Velocidad Específica y el Diámetro Específico. Estos están definidos en las ecuaciones No. 3-1 y No. 3-2 respectivamente. !"#$. % $ &'()*+,-. Ecuación 3-1.Velocidad Específica. " 0, &'()0,. / +,- $ $ %. Ecuación 3-2. Diámetro Específico. Reemplazando en las ecuaciones con los valores obtenidos, los siguientes son los resultados 1. . 1. 13.

(25) En el diagrama, figura No. 3-6, el micro ventilador está representado por la marca gruesa. Se observa que las dimensiones del ventilador no están tan disparejas de la geometría óptima.. 6. Figura 3-6. Diagrama de Cordier. 3.4. Selección del Perfil Aerodinámico. Con el fin de seleccionar el perfil aerodinámico adecuado, primero se calculó un Número de Reynolds aproximado en el 75% el radio del ventilador (1).. Ecuación 3-3. Numero de Reynolds Aproximado. 6. Diagrama de Cordier. Http://www.lstm.unierlangen.de/allgem/lehre/stroemungsmechanik_cbi/folien/chapte r10.pdf. Recuperado Septiembre 5, 2007. 14.

(26) Reemplazando con los valores calculados anteriormente, se obtiene 23445 116 Este número corresponde a un bajo régimen de Reynolds y un perfil adecuado es un Goettingen 417A. Se escoge este perfil debido a que ha sido estudiado ampliamente y los valores reportados para sus coeficientes de Sustentación y de Arrastre han sido medidos experimentalmente por diversos grupos de investigación, laboratorios y universidades en diversas ocasiones los cual los hace muy confiables. Además este perfil es clásico para bajo Número de Reynolds. En la figura No. 3-7 se muestra una vista de la geometría del perfil Goettingen 417A. Se observa su poca combadura (el perfil Goe417A es sencillamente una placa curvada con un 6% de combadura ubicado en el 40% de la línea de cuerda) y un grosor muy bajo, lo que lo hace complicado de fabricar en pequeñas escalas.. Goettingen 417A Airfoil 0,1 0 -0,1. 0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 0,9. 1. Figura 3-7. Perfil Goettingen 417A. Los ejes relacionan el porcentaje en longitud de la línea de cuerda del perfil. Esta geometría se construyó con base a las coordenadas del perfil reportadas en la base de datos de perfiles aerodinámicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign7. Se pueden recuperar las coordenadas del perfil en el anexo No. 2. Pensando en la manufactura de este perfil, se hizo necesaria una modificación permitiéndole ser fabricado en la máquina de prototipo rápido disponible en el laboratorio de Servicios de Manufactura de la Universidad de Los Andes. Este problema se anticipa puesto que para una cuerda de un centímetro (1 cm) se requiere un espesor cerca de un tercio de milímetro (0.03 cm), y este valor es un poco menor a 7. Airfoil Data Base. http://www.ae.uiuc.edu/m-selig/ads/coord_ database.html. Ultimo Acceso: Septiem bre 8, 2007. 15.

(27) la mínima resolución disponible en la máquina. Además, se recomienda colocar varias capas por razones de integridad estructural. La modificación hecha al perfil es muy sencilla y efectiva. Se calculan las coordenadas de la línea de combadura del perfil con el fin de obtener las distancias existentes entre las líneas de intradós y e xtradós con la línea de combadura a lo largo de la línea de cuerda. Estas distancias se multiplican por un factor, en este caso el número dos (2), para ser nuevamente sumados a la línea de combadura y encontrar unas nuevas coordenadas para el extradós y el intradós del perfil. En el fondo, este procedimiento lo que hace es escalar el grosor del perfil pero manteniendo constantes las coordenadas de los puntos que conforman la línea de combadura. Este procedimiento se fundamenta en el hecho que las propiedades aerodinámicas de un perfil dependen fuertemente de la línea de combadura bajo el método de la Teoría Linealizada de alabes (1) ó comúnmente llamada Teoría de Perfiles Delgados (1) (2) (3). Este análisis sólo es correcto bajo tres suposiciones: 1. Un perfil delgado 2. Una poca curvatura en la línea de combadura. 3. Bajos ángulos de ataque. Dado que el perfil Goe417A cumple estas restricciones, es posible modificar el grosor del perfil manteniendo tanto la línea de combadura como sus propiedades aerodinámicas. En la figura No. 3-8 se ilustra el perfil Goettingen 417A (línea punteada) y un nuevo perfil (línea solida) con propiedades aerodinámicas muy similares y de posible manufactura en la máquina de prototipo rápido. En el anexo No. 2 se encuentran las nuevas coordenadas para las líneas de extradós y de intradós.. 16.

(28) Modified Goettingen 417A 0,1 0,05 0 -0,05 0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. Goe417A. 0,6. 0,7. 0,8. 0,9. 1. Goe417A Mod. Figura 3-8. Perfil Modificado Goettingen 417A. En trabajos previos, por ejemplo “Diseño y Prueba de Hélices para Aeromodelos” de C. E. Al zate, ya se habla de modificaciones al grosor de los perfiles aerodinámicos con el fin de poder ser fabricados mediante los medios disponibles pero el método presentado no. es. recomendado puesto. que. afecta. considerablemente. las. propiedades. aerodinámicas reduciendo confiabilidad en los resultados experimentales posteriores. Bajo las consideraciones anteriormente plasmadas, las propiedades aerodinámicas del perfil modificado se resumen en la tabla No. 3-2. Las Curvas del perfil se presentan en el anexo No 2. Propiedad. Valor. No. Reynolds. 42000. Coeficiente de Sustentación. 0.90. Coeficiente de Arrastre. 0.03. Angulo Óptimo. 4.6°. Relación Cl/Cd. 30. Tabla 3-2. Propiedades del Perfil Goettingen 417A. Los valores que se presentan en la tabla No. 3-2 corresponden a valores experimentales y por lo tanto, no provienen de simulaciones computacionales. Este es el principal problema que se encuentra a la hora de trabajar con perfiles aerodinámicos contemporáneos cuyas propiedades reportadas en la literatura o en bases de datos no son resultado de experimentos en un túnel de viento.. 17.

(29) 3.5. Diseño de Aspa. Hasta este punto se han calculado todos los parámetros de diseño del micro ventilador cerrado. Ahora, se procedió a usar las ecuaciones de diseño simplificado de ventiladores o bombas axiales para calcular los parámetros geométricos de los alabes. Se calculó el radio mínimo que debe tener el cubo del micro ventilador para definir el área efectiva y así mismo garantizar que los alabes del ventilador no interfieran entre sí. 7. 89. : ;. Ecuación 3-4. Radio Mínimo. 7. 89 . 1<. Dado que el radio mínimo fue de 16 mm, el diámetro mínimo es de 32 mm que corresponde al 40% del diámetro mayor. Este valor es menor al valor propuesto etapas atrás de un 45% (36 mm de diámetro). Por lo tanto no se requirieron hacer nuevas iteraciones en el proceso de diseño. En la tabla No. 3-3 se presenta un resumen de todos los parámetros requeridos en el diseño. Puesto que el cambio de presión debe ser constante a lo largo de los diferentes elementos de aspa que conforman el alabe, el área efectiva se dividió en anillos con áreas iguales y a cada una de estas secciones se le aplicaron las ecuaciones de diseño del ventilador con el fin de hallar la distribución de la cuerda y el ángulo de calaje en cada posición radial (1).. 18.

(30) Parámetro. Valor. Presión. 310 Pa. Caudal. 0.085 m 3/s. Diámetro Externo. 0.08 m. Cubo. 45%. Velocidad Rot.. 15000 r.p.m.. Velocidad Fluido. 21.2 m/s. Presión Atmosférica (Bogotá). 73700 Pa. Temperatura. 15º. Densidad Fluido. 0.892 kg/m 3. Numero de Alabes. 4. Coeficiente Sustentación. 0.90. Coeficiente de Arrastre. 0.03. Angulo Óptimo. 4.6º. Tabla 3-3. Parámetros de Diseño. A partir de los parámetros de diseño se encontraron los valores del área efectiva y del área total del ventilador. Por facilidad se dividió el área efectiva en 20 anillos con el fin de obtener un alto grado de detalle. Cada anillo tiene un área de: 9= Recapitulando las ecuaciones de diseño que provienen de la combinación de la teoría del momento angular y de la teoría de elemento de aspa, se tiene: &7) > ?@4 Ecuación 3-5. Angulo de Calaje. ABAC D. E∞ G 7 F E. Ecuación 3-6. Angulo de Incidencia. 19.

(31) H &7 ) . 1 IJK;. . "7. H LMN > F O HPQ. K R4. NSC >$. Ecuación 3-7. Longitud de Cuerda . !E∞ ? & 7 F E). Ecuación 3-8. Velocidad Efectiva. La tabla No. 3-4 resume la longitud de la cuerda, el valor del ángulo de calaje y la posición radial a la que deben ser aplicados elementos de aspa con estas características. Posición Radial (mm ) Angulo de Calaje (º) Longitud de Cuerda (mm) 19. 48,6. 36,3. 20. 44,0. 30,6. 22. 40,7. 27,2. 23. 38,2. 24,7. 25. 36,2. 22,9. 26. 34,5. 21,4. 27. 33,1. 20,2. 28. 31,8. 19,2. 29. 30,7. 18,3. 30. 29,8. 17,5. 32. 28,9. 16,9. 33. 28,1. 16,3. 33. 27,4. 15,7. 34. 26,7. 15,2. 35. 26,1. 14,8. 36. 25,6. 14,4. 37. 25,0. 14,0. 38. 24,6. 13,7. 39. 24,1. 13,3. 40. 23,7. 13,0. Tabla 3-4. Geometría del Aspa. 20.

(32) Es más intuitivo observar la información de la Longitud de Cuerda y de Ángulo de Calaje de manera gráfica en función de la distancia radial. En las figuras No. 3-9 y No. 3-10 se representa dicha información respectivamente.. Longitud De Cuerda 40,0 35,0 Cuerda (mm). 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 16,0. 21,0. 26,0. 31,0. 36,0. 41,0. 36,0. 41,0. Distancia Radial (mm). Figura 3-9. Longitud de Cuerda. Angulo de Calaje 60,0 Angulo de Calaje (°). 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 16,0. 21,0. 26,0. 31,0. Distancia Radial (mm). Figura 3-10. Angulo de Calaje. 21.

(33) Disponible la información de distribución de la cuerda y del ángulo de calaje se procedió a construir un modelo geométrico de cada uno de los alabes y finalmente del ventilador. Para el ensamble hay que tener en cuenta un detalle importante y se refiere a la forma de relacionar cada uno de los elementos de aspa que conforman cada uno de los alabes. El procedimiento de modelado se presenta a continuación con la ayuda de una herramienta de CAD, la herramienta usada es Solid Edge V19. El primer paso fue dibujar las coordenadas del perfil Goettingen 417A modificado con el fin de obtener un esquema en 2D del perfil con unas dimensiones base cualquiera, por ejemplo una longitud de cuerda de un centímetro (1 cm), para luego ser escalado a la longitud de cada elemento de aspa. El perfil base se observa en la figura No. 3-11.. Figura 3-11. Perfil de Referencia. El punto de referencia para relacionar cada uno de los elementos de aspa es el punto correspondiente a la cuarta cuerda. En este punto se ubica el centro aerodinámico de cada perfil. Se debe hacer coincidir este punto en todos los perfiles, es decir, debe funcionar como un eje de revolución. Por comodidad, se hizo coincidir este punto con el origen del sistema coordenado que maneja la herramienta CAD. La figura No. 3-12 ilustra este procedimiento.. 22.

(34) Figura 3-12. Centro Aerodinámico del Perfil. El procedimiento de dibujo se hizo mecánico dibujando el perfil base a la distancia adecuada y se escala a la longitud requerida. El último paso fue darle el ángulo de calaje adecuado según la tabla No. 3-4 usando como centro o punto de giro el eje de revolución mencionado anteriormente o el punto de 25% de cuerda como se indica en la figura No 3-13.. Figura 3-13. Rotación del Perfil. Se hizo el mismo procedimiento con los 20 perfiles en los puntos analizados y luego se hizo una protrusión por barrido para generar la superficie que conforma un alabe. La forma final de cada uno de los alabes se muestra en la figura No. 3-14. 23.

(35) Figura 3-14. Geometría del Perfil. Finalmente se hicieron copias idénticas para generar el número total de aspas que componen el micro ventilador, para luego generar el cubo y dar los últimos ajustes al modelo. Se destaca especialmente el diseño de un mecanismo que permita ajusta el eje del motor al modelo físico del micro ventilador. Además se requiere hacer una serie de redondeos en todas las esquinas especialmente en los lugares donde cada aspa se une al cubo con el fin de otorgarle integridad estructural. El modelo final del micro ventilador se observa esquemáticamente en la figura No. 3-15 y los planos detallados se adjuntan al final del documento en el anexo No. 3.. Figura 3-15. Rotor. 24.

(36) 3.6. Diseño del Ducto y de sus Componentes. El siguiente paso fue generar la geometría del ducto donde se encuentra el ventilador y el estator. En el diseño actual los únicos componentes que hacen parte del estator son los correctores de flujo que al mismo tiempo funcionan como componentes estructurales manteniendo el cubo en el centro del ducto y soportando las cargas producidas por el motor. El ducto no requería diseños ni consideraciones especiales puesto que no se necesita pasar algún ducto menor para cables, fluido o sensores; tampoco por consideraciones especiales para el proceso de ensamblaje. Lo importante es mantener la superficie interior del mismo en un buen estado y procurar un excelente proceso de manufactura. En cuanto al estator, existen sofisticados modelos de diseño de los correctores de flujo usando las mismas técnicas usadas en el diseño de las aspas. Pero una simple consideración fue usada para simplificar los cálculos de diseño de esta pieza. Si la relación entre la velocidad tangencial inducida por acción del rotor y la velocidad axial del fluido es muy pequeña (inferior a 0.4), se puede usar un diseño simple (4). Este diseño se compone de un único perfil simétrico cuya línea de “no sustentación” coincide aproximadamente con la línea de flujo. El ángulo óptimo que debe usarse en el estator a una distancia radial del eje de revolución está definido por la ecuación No. 3-9. @ ABAC D. E∞ G E. Ecuación 3-9. Angulo del Estator. Este ángulo esta medido desde un plano trasversal al flujo. La figura No. 3-16 muestra un esquema de los correctores de flujo usados en el micro ventilador. Se calcularon ángulos para el estator por cada una de las posiciones radiales mostradas de la tabla No. 3-4 Usando sus respectivas velocidades inducidas, se obtuvieron ángulos entre 25.

(37) 52.8º y 74.4º (un rango de 21.6º). El ángulo final lo determinó el promedio aritmético de todos los ángulos obtenidos (consideración tomada para el diseño) cuyo valor fue 68º.. Figura 3-16. Ducto y Estator. El número óptimo de correctores de flujo que deben usarse es el número primo más cercano por arriba o por abajo al número de aspas que componen el ventilador. En el diseño actual se tiene cuatro aspas en el ventilador, por lo tanto se colocaron tres (3) correctores de flujo igualmente espaciados. La idea de esta distribución es evitar cualquier tipo de resonancia. El cubo se diseñó con el mismo diámetro determinado en la etapa de diseño (45% del diámetro de ducto). En el diseño del cubo se definió la forma con que el motor se ensambla al ventilador. Para eso se hizo un agujero interno con el diámetro del motor más un pequeño ajuste (0.6 mm) que permita introducir y retirar el motor con suavidad y adicionalmente permitir la libre dilatación del cascaron del motor cuando esté en operación. Adicionalmente, se ubica una pequeña banda con dos agujeros que permitan ajustar el motor a la estructura con dos tornillos. La figura No. 3-17 muestra el modelo final del ducto. Los planos detallados del diseño se incluyen en el anexo No 3.. 26.

(38) Figura 3-17. Geometría del Ducto. 3.7. Caracterización del Ventilador y Rendimiento Teórico. El proceso de diseño del micro ventilador no solamente proporciona información para construir la geometría del mismo. En los pasos intermedios del diseño se obtiene valiosa información que permite caracterizar el modelo y finalmente predecir el rendimiento en estado de operación. La primera información que se extrajo es la relacionada con la velocidad inducida tangencialmente por el ventilador debido a su carácter rotacional y a los vórtices generados por acción del perfil aerodinámico. La velocidad inducida tangencial es de importancia puesto que la eficiencia de cada elemento de aspa está directamente relacionada con esta cantidad. La velocidad tangencial es calculada como la solución a la ecuación No. 3-10.. Ecuación 3-10. Velocidad Inducida Tangencial. 27.

(39) Para el punto de operación (15000 r.p.m.), la velocidad inducida tangencialmente se muestra en la figura No. 3-18.. Velocidad (m/s). Velocidada Inducida Tangencial 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 16,0. 21,0. 26,0. 31,0. 36,0. 41,0. Distancia Radial (mm). Figura 3-18. Velocidad Inducida Tangencial. A partir de estos valores se puede calcular directamente la eficiencia de cada elemento de aspa. La relación se presenta en la ecuación No. 3-11. La solución a esta ecuación en función de la distancia radial se presenta en la figura No. 3-19. 1 F. E 7. Ecuación 3-11. Eficiencia del Elemento de Aspa. Se aprecia que a mayor velocidad inducida es menor la eficiencia del elemento de aspa. Siendo cada vez más eficiente para distancias radiales mayores. La justificación de este hecho es la disminución en la estela producida en el fluido a distancias radiales mayores.. 28.

(40) Eficiencia del Elemento de Aspa 100,0% 95,0% Eficiencia (%). 90,0% 85,0% 80,0% 75,0% 70,0% 65,0% 60,0% 16,0. 21,0. 26,0. 31,0. 36,0. 41,0. Distancia Radial (mm). Figura 3-19. Eficiencia del Elemento de Aspa. La velocidad efectiva del fluido también proporciona información relativa a los niveles de ruido que se experimentarán durante la operación del ventilador. Este análisis esta fuera del alcance de este trabajo de grado por lo tanto solo se mostrará como resultado de una simulación CFX.8 Las variables a caracterizar con detalle a la hora de predecir el rendimiento del ventilador son la potencia producida efectiva, la potencia requerida para mover el ventilador, la eficiencia total del ventilador, el caudal que mueve dada una velocidad de operación, el torque requerido por el motor y el empuje producido Esta última variable es la de mayor interés puesto que no hay que olvidar el fin último de este trabajo de grado como el diseño y la construcción de un micro ventilador que será usado como sistema propulsivo para un micro vehículo aéreo. Primero se analizó el punto a la velocidad de operación para luego extender el análisis a un mayor rango de velocidades. El proceso es bastante sencillo y empezó con una contabilidad de potencias por cada elemento de aspa. Estos datos provienen 8. Un análisis de tallado sobre los efe ctos de la velocidad de punta y las posibles modificaciones existentes a los alabes con fin de aumenta r la eficiencia y disminuir los niveles de ruido puede se r encontrado e n un trabajo de grado ante rior a cargo de M. Kabie rschke Colonia titulado “Caracterización y Diseño de Hé lices y Rotores con Alta velocidad de Punta”. 29.

(41) directamente de la etapa de diseño usando las ecuaciones No. 3-12 para el cálculo de la potencia requerida para mover el ventilador, la ecuación No. 3-13 para el cálculo de la potencia efectiva generada transmitida al fluido y la ecuación No. para la eficiencia total del ventilador. Estas ecuaciones fueron tratadas discretamente debido al número de elementos de aspa usados en el proceso de diseño simplificado. TU V"E∞; E7 7 Ecuación 3-12. Potencia Requerida Teórica. T V "E∞77 Ecuación 3-13. Potencia Efectiva Teórica. . T TU. Ecuación 3-14. Eficiencia Teórica. La tabla No. 3-5 incluye la contabilidad de potencias para el punto de operación. Si se hizo el mismo procedimiento para varios puntos de operación, es decir cambiando el volumen de aire que entra al ventilador, el rendimiento teórico está determinado por las gráficas No. 3-20 y No. 3-21, donde se presenta una relación de presión, potencia requerida y eficiencia. De acuerdo con estas gráficas, el rango óptimo de operación se ubica entre un Caudal de 0.06 y 0.09 m 3/s. Para otros rangos se tienen penalizaciones en la eficiencia.. 30.

(42) Posición Radial (mm) Potencia Requerida (W/m) Potencia Efectiva (W/m) 19. 1,812. 1,3175. 20. 1,676. 1,3175. 22. 1,601. 1,3175. 23. 1,554. 1,3175. 25. 1,520. 1,3175. 26. 1,495. 1,3175. 27. 1,475. 1,3175. 28. 1,459. 1,3175. 29. 1,447. 1,3175. 30. 1,436. 1,3175. 32. 1,427. 1,3175. 33. 1,419. 1,3175. 33. 1,413. 1,3175. 34. 1,407. 1,3175. 35. 1,402. 1,3175. 36. 1,397. 1,3175. 37. 1,393. 1,3175. 38. 1,389. 1,3175. 39. 1,386. 1,3175. 40. 1,383. 1,3175. Total. 29.49 W. 26.35 W. Tabla 3-5. Contabilidad de Potencias. 31.

(43) 400 350 300 250 200 150 100 50 0. 35 30 25 20 15 10. Potencia (W). Presión (Pa). Presiones y Potencias Teóricas. 5 0. 0,00. 0,02. 0,04. 0,06. 0,08. 0,10. 0,12. Caudal (m3 /s) Presión. Potencia Teórica Requerida. Figura 3-20. Presiones y Potencias Teóricas. Efficiencia Teórica 100%. Eficiencia (%). 80% 60% 40% 20% 0% 0,00. 0,02. 0,04. 0,06. 0,08. 0,10. 0,12. Caudal (m3 /s). Figura 3-21. Eficiencia Teórica. A partir de la (tabla No. 3-4 para el punto de operación se calculó dos números adimensionales que permiten predecir el torque y el empuje producido por el ventilador en operación. Son los coeficientes de Torque y de Empuje definidos respectivamente por las ecuaciones No. 3-15 y No. 3-16.. 32.

(44) JW . TUX. ;Y / Z. Ecuación 3-15. Coeficiente de Torque. J[ . TX. ;Y / -. Ecuación 3-16. Coeficiente de Empuje. Las relaciones dieron como resultado un Coeficiente de Torque igual 0.1 y un Coeficiente de Empuje igual a 0.54. Estos dos números adimensionales deberían permanecer constantes en el régimen de operación puesto que en el fondo dependen de la geometría del ventilador, del perfil usado, del régimen de trabajo (Número de Reynolds), el número de Mach y de la velocidad de Avance (2) (3). Dado que la geometría no cambia, las propiedades del fluido y el régimen de trabajo cambian muy poco, y la velocidad de avance es aproximadamente cero (0) en el primer enfoque de este trabajo de grado, se puede considerar como una buena aproximación que estos dos coeficientes permanecen constantes. Por lo tanto se puede predecir el torque y el empuje. La figura No. 3-22 muestra esa información respectivamente. Esta gráfica ya predice un problema importante y es que el micro ventilador solo tiene un rendimiento aceptable a altos regímenes, es decir a altas velocidades. Este hecho se observa en que a velocidades menores de 6000 rpm el empuje producido no es importante. Esta respuesta del sistema aumenta la responsabilidad final en las capacidades del motor.. 33.

(45) Rendimiento Teórico 250 100. 200. 80. 150. 60. 100. 40. Torque (grcm). Empuje (gr). 120. 50. 20 0. 0 0. 2000. 4000. 6000. 8000. 10000. 12000. 14000. Velocidad (rpm) Empuje. Torque. Figura 3-22. Rendimiento Teórico. 34.

(46) 4. Simulación Computacional. Con el fin de aprobar el comportamiento del material seleccionado para fabricar el micro ventilador, se llevó a cabo una simulación de elementos finitos para el punto de operación. Se requería verificar que el estado de esfuerzos sobre cada una de las aspas del ventilador no sea lo suficientemente alto para inducir algún tipo de falla mecánica. Si ese es el caso, un nuevo material y por lo tanto un nuevo método de manufactura debe ser tenido en cuenta. La simulación se hizo en la plataforma ANSYS Workbench en su versión 11. La simulación se baso en un modelo estructural estático sometido a las mismas condiciones de esfuerzos a los que el micro ventilador está sometido en su punto de operación. Los resultados muestran que el esfuerzo máximo al cual el material es sometido es de 2.7 Mpa superficialmente a unos 66% de la línea de cuerda justo donde se une el cubo con el aspa del micro ventilador. Este punto crítico no presenta ningún riesgo de tipo estructural puesto que el factor de seguridad es aproximadamente 9 en esta zona. La figura No. 4-1 muestra gráficamente la distribución de esfuerzos sobre cada una de las aspas que componen el micro ventilador.. 35.

(47) Figura 4-1. Estado de Esfuerzo del Aspa. De igual manera se hizo una simulación CFX del ventilador con el fin de evaluar algunos parámetros y tener una primera aproximación al rendimiento esperado. A través de una simulación CFX Turbo es posible evaluar muchos parámetros de las turbo máquinas al punto que por sí solo es un trabajo completo de investigación. El primer análisis que se hizo hace referencia a los niveles de sonido teórico producido por el micro ventilador en el punto de operación. Esta simulación es de importancia puesto que las velocidades de punta son cercanas a Mach 0.2, velocidad que puede producir niveles de sonido perjudiciales para la salud del oído humano y por lo tanto puede sugerir el uso de instrumentos adicionales de seguridad. La simulación muestra que se tienen niveles de presión de sonido que varían entre 90.5 y 71.2 dB para frecuencias entre 810 Hz y 4900 Hz. La figura No. 4-2 muestra una distribución aproximada de los niveles de presión del sonido en función de la frecuencia. Este rango de valores de presión son equivalentes al sonido de una autopista (cerca de 90 dB) y el sonido de un automóvil (70 dB) 9 ; los valores mayores a 80 dB son considerados perjudiciales para la salud del oído si hay largos periodos de exposición, por lo tanto se debe usar un tapa oídos a la hora de la experimentación para evitar posibles molestias.. 9. Ultimate Sound pressure Level Decibel Table. William Hamby. 2004. http://www.makeitlouder.com/decibel%20level%20cha rt.txt. Ultimo Acces o: Octubre 27, 2007. 36.

(48) Nivel de Presión de Sonido Nivel de Presión (dB). 95 90 85 80 75 70 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. Frecuencia (Hz). Figura 4-2. Nivel de Presión de Sonido. Como un ejercicio académico más que práctico se simuló el flujo a través del micro ventilador. La figura No. 4-3 muestra esquemáticamente las líneas de flujo a través del micro ventilador.. Figura 4-3. Líneas de Corriente. 37.

(49) La imagen predice la velocidad a la cual se mueve el flujo antes, durante y después del micro ventilador que varían en el rango de 3.14 m/s hasta 80 m/s. Por último se tomó como referencia un plano transversal ubicado justo después de las aspas del micro ventilador. En este plano se evaluó la presión total ejercida de tal manera que se pueda calcular el empuje de la máquina. La figura No. 4-4 muestra la ubicación del plano en el ventilador y la distribución de la presión. Según CFX, el empuje de la máquina es de 1.022 N, un 18% menos del valor teórico usando un análisis simplificado.. Figura 4-4. Plano de Presión. 38.

(50) 5. Proceso de Manufactura. El proceso de manufactura de las piezas que conforman el micro ventilador (aspas y ducto) se llevó a cabo usando la máquina de Prototipo Rápido disponible en el laboratorio de Servicios de Manufactura de la Universidad de Los Andes de referencia Stratasys Dimension 200. El material empleado para la fabricación es el ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno) un polímero plástico con una baja resistencia mecánica pero la suficiente para ser usada en ensayos mecánicos y prototipos a escala. Sus propiedades le permiten ser recubierto por pinturas, lacas, esmaltes, resinas, entre otros; ensamblado y mecanizado. La máquina de prototipo disponible usa proceso de deposición de material fundido FDM10 (Fused Deposition Modeling), donde se reconstruye la geometría del modelo por medio de una deposición semilíquida del material que proviene de una diminuta boquilla formando una serie de capas finas. La resolución de la máquina se refiere a qué tan pequeña puede ser el grosor de cada unas de las capas depositadas. Para la máquina disponible en el laboratorio, ésta es de 0.254 mm pero lo aconsejable es no fabricar piezas con grosores inferiores a 1.016 mm. El tamaño de las piezas posibles a fabricar está limitado por el tamaño del área de impresión que para el modelo usado es un cubo con una base de 20 cm de ancho, 20 cm de largo y 30 cm de alto, este tamaño fue suficiente para la fabricación de las aspas y del cubo simultáneamente. La primera fase en el proceso de manufactura fue cargar la geometría proveniente del CAD (mediante archivos de tipo STL) en Catalyst. Un software que traduce la geometría y genera una serie de caminos y tra yectorias que debe serguir la boquilla de la máquina para generar la geometría deseada, además genera los volúmenes donde. 10. FDM es una marca registrada por Stratasys Inc. Http://www.stratasys.com. 39.

(51) se debe colocar material de relleno permitiendo que se fabrique cualquier geometría. La figura No. 5-1 muestra el análisis hecho por Catalyst en el ducto y en el ventilador.. Figura 5-1. Material de Aporte y de Relleno para el Ventilador. El proceso de manufactura tomó cerca de 7 horas gastando 42.6 gramos de material polimérico de aporte (ABS) y 45 gr de material de relleno. En la figura No. 5-2 se observa la fidelidad de geométrica contrastando el modelo CAD y la pieza recién fabricada.. Figura 5-2. Ventilador Cerrado. Este proceso de Manufactura tiene una gran desventaja la cual es la calidad superficial. Lo ideal es una superficie lisa, continua y con muy pocas imperfecciones pero el proceso de prototipeado deja algunas discontinuidades, agujeros y algunas otras 40.

(52) imperfecciones. Para corregir este inconveniente, las superficies de las piezas fueron recubiertas con esmalte procurando generar una superficie lisa y rellenar todos los huecos que produce la manufactura. El relleno de esmalte aumenta en 1.7 gramos el peso del micro ventilador. Este proceso es de vital importancia y se hace con el mayor cuidado posible puesto que diferencias en la rugosidad, en el grosor de la capa de esmalte aplicado, en la dirección de aplicación y en la uniformidad de la capa afecta fuertemente las propiedades aerodinámicas del perfil y por ende el rendimiento del micro ventilador. Los pesos de las piezas fabricadas en la máquina de prototipo son 14.9 gramos para los rotores y 29.4 gramos para el ducto y el estator.. 41.

(53) 6. Prueba Experimental. Cumplidos parcialmente los objetivos (diseño y caracterización teórica de un micro ventilador) se procedió a implementar un sistema de pruebas que permita medir el desempeño del micro ventilador bajo condiciones controladas. Dentro de los parámetros a medir se encuentran la corriente y el voltaje suministrados por la fuente de poder; el torque y la velocidad de rotación del eje del motor; y el empuje y la distribución de velocidades del viento producido por el ventilador. Antes de proceder a realizar una medición, se requería diseñar y/o construir un sistema calibrado de medición, es decir un banco de pruebas.. 6.1. Diseño del Banco de Pruebas. Por facilidad se miden cuatro parámetros de los especificados en el banco de pruebas, estos son el empuje, la velocidad del viento, el torque y la velocidad de rotación del motor. Por lo tanto el banco de pruebas tiene cuatro grados de libertad completamente independientes. Los otros dos parámetros de importancia se miden directamente en la salida del sistema que suministra la potencia eléctrica mediante dos multímetros. El banco de pruebas consiste básicamente de dos piezas: una placa base y un pequeño carro. La placa base consiste en una plataforma con un par de rieles que sirven de guía para el movimiento del carrito. La plataforma es construida en acero y los rieles son perfiles Z de acero igualmente. En la figura No 6-1 se observa una imagen CAD de la plataforma y una imagen real del sistema después que fue manufacturada.. 42.

(54) Figura 6-1. Plataforma del Banco de Pruebas. El carrito consiste en una pequeña base con rodamientos que le permiten un libre desplazamiento sobre el sistema de rieles. montado sobre la placa base.. Adicionalmente el carrito posee dos varillas con un anillo o arandela ubicado en la parte superior de éstas con el fin de servir como punto de referencia para la medición del torque. También se incluye una platina con un agujero en la parte superior donde se introduce un rodamiento y un eje que en un extremo soporta el micro ventilador. La figura No. 6-2 muestra una imagen CAD y real de esta sección del banco de pruebas.. Figura 6-2. Carro de Pruebas. 43.

(55) Los planos detallados de las piezas y del ensamble del banco de pruebas se incluyen en el Anexo No 3.. 6.2. Procedimiento Experimental. La tabla No. 6-1 resume todos equipos e instrumentos de medición utilizados en las mediciones del rendimiento del micro ventilador. El funcionamiento del banco de pruebas es simple e intuitivo. Cuando el micro ventilador se encuentre en funcionamiento induce un cambio de presión que se hace evidente como una fuerza de empuje logrando que el carrito se deslice libremente por el carril de la placa base. Mediante el uso de contrapesos se hace una fuerza en dirección contraria a la dirección de la fuerza de empuje. Cuando el peso de las masas sea equivalente a la fuerza de empuje el carrito no presentará movimiento alguno, este es el punto buscado en cada medición. Con el uso de un anemómetro de hilo caliente se mide la velocidad del viento inducido por acción del micro ventilador. Se miden tres puntos, uno sobre el borde del ducto, en una posición intermedia y sobre el borde del cubo. El anemómetro usado para las pruebas pertenece al laboratorio de Fluidos y es de marca Extech. La figura No. 6-3 ilustra el proceso de medición para la lectura del empuje y de la velocidad del viento. Instrumento. Variable. Resolución. Fuente de Poder. Voltaje. --. Multímetro Digital. Voltaje. 0.01 V. Multímetro Digital. Corriente. 0.01 A. Tacómetro Digital. Velocidad Rotacional. 1 rpm. Anemómetro. Velocidad del Viento. 0.1 m/s. Tabla 6-1. Instrumentos Utilizados. 44.

(56) Figura 6-3. Medición del Empuje y Velocidad del Viento. La velocidad de rotación del micro ventilador se mide con el uso de un estroboscopio o de un tacómetro digital. Se prefiere el uso del tacómetro digital puesto que es mucho más exacto que el estroboscopio. El tacómetro usado en las mediciones realizadas pertenece a los laboratorios del departamento de Ingeniera Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes y es de referencia Bluepoint T139. El tacómetro digital requiere el uso de una cinta reflexiva que se coloca en alguna de las aspas del micro ventilador. Para la medición del torque se usa un procedimiento muy similar al utilizado en la medición del empuje. Cuando el motor está en funcionamiento induce un torque sobre su carcasa protectora igual en magnitud pero en sentido contrario al torque usado por el motor en mover el micro ventilador. Si se hace que el eje del motor esté alineado con un eje externo ajustado a la carcasa, el torque será inducido en igual magnitud al 45.

(57) primer eje haciéndolo girar. Se colocan unos brazos sobre este eje y en un extremo masas que generan un torque que contrarreste la rotación inducida. El punto buscado es aquel donde el eje no gire por acción del torque inducido por el motor. Como puntos de referencia se usan las varillas con el anillo colocadas en el carrito. La figura No. 6-4 ilustra el proceso de medición de la velocidad del motor (micro ventilador) y del torque.. Figura 6-4. Medición del Torque y de la Velocidad. Para el proceso de pruebas se usa una fuente de poder de alto amperaje. La fuente usada es una HP 6002A DC perteneciente a los laboratorios de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes. La figura No. 6-5 muestra esquemáticamente todo el montaje experimental realizado para la caracterización del micro ventilador.. 46.