Diseño y fabricación de un ventilador axial para un túnel de viento

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(1)IM-2007-I-07. DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN VENTILADOR AXIAL PARA UN TÚNEL DE VIENTO. SANTIAGO CAICEDO CALLEJAS 200214743. Proyecto de Grado. Asesor: Ing. Álvaro Pinilla, PhD. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2007.

(2) IM-2007-I-07. AGRADECIMIENTOS. A mi familia por haber confiado en mis capacidades; al ingeniero Álvaro Pinilla por su paciencia y aportes al desarrollo del proyecto; al ingeniero Andrés Vargas por su colaboración; a mis compañeros y amigos, por su apoyo e ideas..

(3) IM-2007-I-07. CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN. 1. 1. OBJ ETIVOS. 2. 2. VALIDACIÓN DEL MODELO TEÓRICO. 3. 2.1. CARACTERÍSTICAS DEL VENTILADOR SIEMENS. 3. 2.1.1. Dimensiones principales. 3. 2.1.2. Geometría de las aspas. 4. 2.2. ANÁLISIS TEÓRICO DE RENDIMIENTO. 6. 2.2.1. Diseño de algoritmo. 6. 2.2.2. Cálculo de parámetros de desempeño. 6. 2.3. PRUEBA EXPERIMENTAL. 7. 2.3.1. Montaje Experimental. 7. 2.3.2. Instrumentos de medición. 8. 2.3.2.1.. Tubo Pitot. 8. 2.3.2.2.. Transductor de presión. 9. 2.3.2.3.. Estroboscopio. 10. 2.3.2.4.. Pinza Amperimétrica. 10. 2.3.2.5.. Multímetro. 11. 2.3.3. Procedimiento. 11. 2.3.4. Resultados. 13. 2.3.4.1. Medición de intensidad de turbulencia. 13. 2.3.4.2. Curvas de presión contra caudal. 14. 3. DISEÑO DEL VENTILADOR 3.1. CARACTERÍSTICAS Y GEOMETRÍA 3.1.1. Selección del perfil aerodinámico. 18 18 19.

(4) IM-2007-I-07. 3.1.2. Diseño de las aspas. 20. 3.1.3. Diseño del mecanismo de sujeción de las aspas. 21. 3.1.4. Diseño de empenaje. 21. 3.1.5. Diseño de correctores de flujo (estator). 22. 3.2. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 3.2.1. Simulación de esfuerzos en las aspas 3.3. CURVAS TEÓRICAS DE RENDIMIENTO A 1150 RPM. 23 23 25. 3.3.1. Curvas de presión y potencia contra caudal. 25. 3.3.2. Curva de eficiencia contra caudal. 26. 4. FABRICACIÓN DE MODELO A ESCALA 4.1. FABRICACIÓN DE LAS ASPAS. 27 27. 4.1.1. Diseño de la estrategia de mecanizado. 27. 4.1.2. Montaje y proceso de manufactura. 28. 4.1.3. Piezas finales. 29. 4.2. FABRICACIÓN DEL CUBO. 29. 4.2.1. Diseño de la estrategia de mecanizado. 29. 4.2.2. Montaje y proceso de manufactura. 30. 4.2.3. Piezas finales. 31. 4.3. ENSAMBLE DEL CONJUNTO. 31. 5. PRUEBAS DEL MODELO ESCALA. 32. 5.1. CON LA ENTRADA DE AIRE LIBRE. 32. 5.1.1. Montaje experimental y procedimiento. 32. 5.1.2. Resultados. 32. 5.2. CON LA ENTRADA DE AIRE EN UN DUCTO. 35. 5.2.1. Montaje experimental y procedimiento. 35. 5.2.2. Resultados. 35. 5.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6. CONCLUSIONES. 36 38.

(5) IM-2007-I-07. 7. BIBLIOGRAFÍA. 40. ANEXO A. INFORMACIÓN AERODINÁMICA PLACA CURVADA. ANEXO B. CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR SIEMENS. ANEXO C. RESULTADOS PRUEBAS VENTILADOR SIEMENS. ANEXO D. CÁLCULOS DE DISEÑO VENTILADOR TÚNEL TVIM-55-60-1X1. ANEXO E. CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR TÚNEL TVIM-55-60-1X1. ANEXO F. RESULTADOS PRUEBAS VENTILADOR ESCALA 1 :5,33. ANEXO G. CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR ESCALA 1 :5,33.

(6) IM-2007-I-07. LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1.. Medidas principales del ventilador Siemens. 4. Figura 2.. Variación de CL y CD con el ángulo de ataque para placa. 5. curvada Figura 3.. Montaje experimental. 7. Figura 4.. Curva de calibración del sensor de presión diferencial. 10. Figura 5.. Posiciones de medición de presión. 11. Figura 6.. Medición de velocidad antes de los correctores. 13. Figura 7.. Medición de velocidad después de los correctores. 13. Figura 8.. Curva de presión contra caudal para ventilador. 14. Siemens a 1800 RPM Figura 9.. Curva de presión contra caudal para ventilador. 15. Siemens a 2400 RPM Figura 10.. Curva de presión contra caudal para ventilador. 16. Siemens a 3500 RPM Figura 11.. Curvas de eficiencia contra caudal para el ventilador. 17. Siemens Figura 12.. Geometría del perfil E387. 20. Figura 13.. Mecanismo de sujeción de las aspas. 21. Figura 14.. Geometría del empenaje. 22. Figura 15.. Distribución de esfuerzos sobre el aspa. 24. Figura 16.. Distribución de la deformación total sobre el aspa. 24. Figura 17.. Curvas teóricas de presión y potencia contra caudal a. 25. 1150 RPM Figura 18.. Curva teórica de eficiencia contra caudal a 1150 RPM. 26. Figura 19.. Curva de presión contra caudal para el prototipo a 2400. 32. RPM.

(7) IM-2007-I-07. Figura 20.. Curva de presión contra caudal para el prototipo a 3000. 33. RPM Figura 21.. Curva de presión contra caudal para el prototipo a 3500. 34. RPM Figura 22.. Curvas de presión estática contra caudal con entrada en. 35. un ducto Figura 23.. Curvas de presión contra caudal para los dos montajes. 36.

(8) IM-2007-I-07. LISTA DE IMÁGENES Pág. Imagen 1.. Ventilador axial Siemens. 3. Imagen 2.. Túnel de prueba. 8. Imagen 3.. Montaje para fabricación de las aspas del prototipo. 28. Imagen 4.. Proceso de manufactura de las aspas. 28. Imagen 5.. Aspas terminadas. 29. Imagen 6.. Montaje para fabricación del cubo del prototipo. 30. Imagen 7.. Proceso de manufactura del disco. 30. Imagen 8.. Disco terminado. 31. Imagen 9.. Ensamble del prototipo. 31.

(9) IM-2007-I-07. LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1.. Geometría de las aspas del ventilador Siemens. 4. Tabla 2.. Condiciones del aire en el modelo teórico. 6. Tabla 3.. Resultados teóricos ventilador Siemens. 7.

(10) IM-2007-I-07. INTRODUCCIÓN Dentro del proceso de diseño y fabricación del túnel de viento TVIM-55-60-1X1 de la Universidad de los Andes, se requiere la implementación de un ventilador axial para impulsar el aire en el interior del túnel, de acuerdo con los parámetros de operación del mismo. Por lo anterior, este proyecto se centra en el diseño y manufactura de un prototipo del ventilador requerido para el túnel en referencia, para lo cual se efectuaron una serie de pruebas experimentales sobre un ventilador axial Siemens, con el propósito de validar el modelo planteado por la teoría aerodinámica para diseño de turbinas y ventiladores axiales, y aplicarlo en los procesos posteriores de diseño y fabricación del prototipo a escala del equipo requerido. Durante el desarrollo del proyecto, se utilizaron herramientas de simulación por elementos finitos para análisis de integridad estructural de los modelos y se implementaron técnicas de manufactura asistida por computador. Así mismo, el proyecto comprende el diseño del empenaje y estator necesarios para reestablecer el flujo de aire a la salida del ventilador, como condición esencial para una adecuada operación del túnel de viento. Para una mayor comprensión de los contenidos de este documento, se recomienda la lectura previa de los capítulos 1 y 4 de la referencia [1], así como de la referencia [2] en su totalidad.. 1.

(11) IM-2007-I-07. 1. OBJETIVOS Éste proyecto tiene como objetivo general el diseño y fabricación de un prototipo de ventilador axial para ser utilizado en el túnel de viento TVIM-55-601X1 de la Universidad de los Andes. Para lo anterior, se buscará validar la teoría aerodinámica para diseño de turbinas y ventiladores axiales a través de la evaluación experimental de un circulador de aire Siemens, y con base en esto determinar la geometría del conjunto del ventilador axial. Durante el proceso de diseño, se evaluará el efecto de diferentes perfiles aerodinámicos sobre el desempeño del ventilador. Así mismo, este proyecto tiene como objetivo la implementación de técnicas de manufactura asistida por computador, como parte del proceso de fabricación del prototipo del ventilador a escala, para su posterior evaluación experimental. De esta forma, se pretende establecer un punto de partida para el desarrollo posterior de una estrategia de manufactura eficiente, que permita facilitar el proceso de fabricación de las aspas y el cubo del ventilador diseñado.. 2.

(12) IM-2007-I-07. 2. VALIDACIÓN DEL MODELO TEÓRICO Para validar la teoría de diseño de ventiladores, se seleccionó un ventilador axial Siemens empleado comúnmente para extracción de aire, y utilizando un algoritmo matemático basado en el modelo teórico, se determinaron los parámetros de desempeño esperados, los cuales fueron posteriormente confrontados. con los. resultados. obtenidos. de una serie de pruebas. experimentales efectuadas. 2.1. CARACTERÍSTICAS DEL VENTILADOR SIEMENS 2.1.1. Dimensiones principales. Imagen 1. Ventilador axial Siemens. 3.

(13) IM-2007-I-07. Figura 1. Medidas principales del ventilador Siemens (dimensiones en mm). 2.1.2. Geometría de las aspas Para determinar la geometría de las aspas, se efectuaron mediciones de la longitud de cuerda y ángulo de calaje en 20 posiciones radiales, cuyos resultados se muestran a continuación:. P osición Ángulo de Cuerda (m) radial (m) calaje (°) 0,0660 0,0720 0,0776 0,0828 0,0877 0,0923 0,0967 0,1010 0,1050 0,1089 0,1127 0,1163 0,1198 0,1233 0,1266 0,1298 0,1330 0,1361 0,1391 0,1421 0,1450. 0,0838 0,0828 0,0820 0,0813 0,0807 0,0801 0,0797 0,0793 0,0789 0,0786 0,0783 0,0781 0,0778 0,0777 0,0775 0,0735 0,0683 0,0623 0,0533 0,0320 0,0000. 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52 0,00. Tabla 1. Geometría de las aspas del ventilador Siemens. 4.

(14) IM-2007-I-07. De igual forma, se determinó que el perfil aerodinámico corresponde a una placa curvada, con una combadura del 6% y un espesor constante de 5 mm. La información aerodinámica para este perfil, con una relación de aspecto de 5 y a un número de Reynolds de 400.000, se obtuvo de la referencia [3]. Teniendo en cuenta que el valor óptimo del coeficiente de sustentación se obtiene de la curva corregida para una relación de aspecto infinita (en dos dimensiones), fue necesario efectuar este ajuste utilizando las ecuaciones del capítulo 5.3.3 de la referencia [1]. Las curvas de los coeficientes de sustentación y arrastre contra el ángulo de ataque para ambos casos se muestran en la figura 2.. 1,5 CL Relación de Aspecto 5 CL Relación de Aspecto Infinita CD Relación de Aspecto 5 CD Relación de Aspecto I nfinita. 1,25. 1. CL , CD. 0,75. 0,5. 0,25. 0 -5. 0. 5. 10. 15. 20. 25. -0,25 Án gulo de ataque (°). Figura 2. Variación de CL y CD con el ángulo de ataque para placa curvada. Aunque la información anterior corresponde a un número de Reynolds de 400.000, y el número de Reynolds del perfil en el ventilador Siemens es de aproximadamente 200.000, pues está acoplado a un motor trifásico de. 5.

(15) IM-2007-I-07. inducción Siemens de 3.500 RPM, se considera válido utilizar estos resultados para modelar teóricamente el desempeño aerodinámico del equipo. 2.2. ANÁLISIS TEÓRICO DE RENDIMIENTO 2.2.1. Diseño de algoritmo Con el propósito de predecir teóricamente el comportamiento del ventilador Siemens, se implementó un algoritmo matemático que utiliza la teoría aerodinámica de diseño de ventiladores axiales para determinar parámetros como la velocidad de rotación de la estela, ángulo de ataque del perfil, coeficientes de sustentación y arrastre, potencia consumida y aumento de presión en las 20 posiciones radiales medidas, a un determinado caudal de aire. Para esto, se utilizaron como variables de entrada la velocidad angular del motor, el diámetro del ventilador y del cubo, la geometría completa de las aspas (ángulo de calaje y longitud de cuerda), la densidad del aire y el caudal deseado. 2.2.2. Cálculo de parámetros de desempeño La tabla 2 muestra las condiciones del aire utilizadas en el modelo:. Viscosidad Presiónatm 2 (m /s) (Pa) 0,000014. Temperatura Densidad 3 (ºC) (kg/m ). 74600. 20. 0,88. Tabla 2. Condiciones del aire en el modelo teórico. Para los cálculos teóricos se seleccionaron tres velocidades de operación del motor (1800, 2400 y 3500 RPM), y se determinaron, en cada caso, los parámetros de desempeño a dos diferentes caudales de aire. Los resultados. 6.

(16) IM-2007-I-07. obtenidos para el aumento en la presión estática a través del rotor se muestran en la tabla 3. 1800. Velocidad (rpm) 3. 2400. 3500. Caudal (m /s). 0,15. 0,65. 0,15. 0,6. 0,15. 0,65. ∆Presión (mm H 2O). 8,75. 7,93. 15,56. 14,31. 32,54. 26,36. Tabla 3. Resultados teóricos ventilador Siemens. La información detallada de los parámetros del ventilador calculados en cada posición radial se encuentra en el Anexo B. 2.3. PRUEBA EXPERIMENTAL Para la prueba experimental del ventilador Siemens, se utilizó la norma “Laboratory Methods of Testing Fans for Aerodynamic Performance Rating” de ANSI/AMC A (ver referencia [4]), la cual establece el montaje y procedimiento requeridos para determinar el desempeño aerodinámico de ventiladores axiales. Durante la prueba, que se llevó a cabo en un túnel de 32 cm de diámetro y 3.2 m de longitud, se realizaron mediciones de presión estática y dinámica para determinar el aumento de presión y el caudal, así como mediciones de velocidad angular y potencia consumida para establecer la eficiencia. 2.3.1. Montaje experimental P L.1. PL.2. PL.3 2.7 m 1.6 m. 3.2 m PITOT. Figura 3. Montaje experimental. 7.

(17) IM-2007-I-07. Imagen 2. Túnel de prueba. En el montaje utilizado, el ventilador se aloja en un extremo del ducto, con su entrada de aire libre (ver Figura 3, plano 1), mientras que en el extremo opuesto del túnel se ubica un dispositivo cónico para regular el caudal de aire a través del mismo. A una distancia de 1,1 m del plano 2 se encuentra un arreglo de tubos correctores de flujo de 1 pulgada de diámetro cada uno. En el plano 3 se llevan a cabo las mediciones de presión dinámica y estática utilizando un tubo Pitot. El motor eléctrico utilizado es un Siemens de 0,9 HP de potencia y 3.500 RPM, conectado a un variador de velocidad Telemecanique Altivar 66. 2.3.2. Instrumentos de medición 2.3.2.1. Tubo Pitot El tubo Pitot es un instrumento de medición de presión, utilizado también para determinar la velocidad de un fluido en movimiento. Está formado por un tubo. 8.

(18) IM-2007-I-07. que apunta en la dirección del flujo, y en cu yo e xtremo hay un punto de estancamiento. En él, es posible medir la presión total (Pt), que es la suma de las presiones dinámica (Pv) y estática (Ps). Así mismo, el tubo tiene una serie de perforaciones perpendiculares a la dirección del flujo, a través de los cuales es posible medir la presión estática. De esta forma, aplicando la ecuación de Bernoulli se tiene que:. PS +. 1 ρ V 2 = Pt 2. Así, es posible determinar la velocidad del fluido utilizando:. V=. 2(Pt − PS ). ρ. Para más detalles acerca del funcionamiento y características del tubo Pitot se recomienda consultar el capítulo 3.4 de la referencia [1]. 2.3.2.2. Transductor de presión Para medir las presiones con el tubo Pitot, se utilizó un sensor piezoresistivo de presión diferencial Freescale MPXV5004DP, con un rango de medición de 0 a 400 mm H2O, y el cual requiere una alimentación de 5V DC. Las especificaciones técnicas completas del instrumento se encuentran en la referencia [5]. Antes de efectuar las mediciones, se llevó a cabo la calibración del sensor utilizando una columna de agua y variando su altura. La curva obtenida se muestra en la figura 4.. 9.

(19) IM-2007-I-07. 4. Respuesta (V ). 3,5 3. V = 0,01P + 1,1215. 2,5 2 1,5 1 0. 100. 200. P resión (mm H 2O). Figura 4. Curva de calibración del sensor de presión diferencial. 2.3.2.3. Estroboscopio La velocidad angular se midió utilizando un estroboscopio, el cual permite medir las revoluciones por minuto a las que gira el ventilador. Para esto se estableció una marca en una de las aspas y se varió la frecuencia de disparo del instrumento hasta observar este punto quieto, garantizando así una medición correcta de la velocidad. Para más detalles acerca del funcionamiento de este instrumento se recomienda consultar el capítulo 10.3 de la referencia [9]. 2.3.2.4. Pinza amperimétrica La pinza amperimétrica es un instrumento que utiliza el campo magnético generado por la circulación de corriente a través de un conductor para medir la intensidad de ésta. Así, es posible determinar la potencia eléctrica entregada al motor, utilizando:. Pmotor = VL I 3 Donde I representa la corriente medida y VL el voltaje entre líneas.. 10.

(20) IM-2007-I-07. 2.3.2.5. Multímetro Se utilizó para medir la respuesta en voltaje del sensor de presión diferencial. El instrumento empleado corresponde a un multímetro Fluke 87, cuyas especificaciones técnicas se encuentran en la referencia [10]. 2.3.3. Procedimiento El procedimiento de medición consistió en variar progresivamente el caudal de aire para una determinada velocidad angular del ventilador, lo cual se logró alterando la distancia del cono regulador a la salida del túnel. Así, para cada posición del cono se tomaron mediciones de presión dinámica y estática, temperatura del aire y corriente eléctrica. Las presiones fueron medidas en diferentes posiciones radiales, como se muestra en la figura 5.. Figura 5. Posiciones de medición de presión (dimensiones en cm). Para calcular la presión dinámica a un determinado caudal se utilizó:. 11.

(21) IM-2007-I-07. ⎛ ∑ Pvr ⎞ ⎟ Pv = ⎜ ⎜ n ⎟ ⎝ ⎠. 2. Donde Pvr son los valores de presión dinámica obtenidos en cada posición radial. Con esto, el caudal y la velocidad media del aire se obtuvieron de:. V=. 2 Pv. Q = AV. ρ. La presión estática se calculó por medio de:. Ps =. ∑ Psr n. Antes de caracterizar el ventilador Siemens, se llevó a cabo una prueba de intensidad de turbulencia, la cual consiste en medir durante un tiempo determinado la velocidad del aire en el túnel. En este caso, se efectuaron mediciones a una distancia de 50 cm antes y después de los correctores de flujo instalados, con el propósito de verificar su efectividad. Para esto se utilizó el anemómetro de hilo caliente Extech 407001A, con su salida conectada a un computador, y se midió la velocidad del aire cada 3 segundos, durante 5 minutos aproximadamente. Así, la intensidad de turbulencia se determinó de:. ∑ (x − x )2 ( n − 1) _. Intensidad de Turbulencia =. _. x El valor obtenido se expresa como un porcentaje.. 12.

(22) IM-2007-I-07. 2.3.4. Resultados 2.3.4.1. Medición de intensidad de turbulencia Los resultados de las mediciones de intensidad de turbulencia antes y después de los correctores de flujo se muestran a continuación:. 10,4. Velocidad (m/s). 10,2 10 9, 8 9, 6 9, 4 9, 2 9 8, 8 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Tie mpo (s). Figura 6. Medición de velocidad antes de los correctores. 9,4. Velocidad (m/s). 9,2 9 8,8 8,6 8,4 8,2 8 7,8 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Tiempo (s). Figura 7. Medición de velocidad después de los correctores. La intensidad de turbulencia de antes y después de los correctores fue de 2,1% y 0,8%, respectivamente, lo cual demuestra su efectividad.. 13.

(23) IM-2007-I-07. 2.3.4.2. Cur vas de presión contra caudal Operando el ventilador Siemens a 1800, 2400 y 3500 RPM, se obtuvieron los siguientes resultados: Para ω=1800 RPM:. 14. 12. Presion (mm H2 O). 10. 8. 6. 4. 2. 0 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 3. Caudal (m /s) Ps. Pt. Teórico. Figura 8. Curva de presión contra caudal para ventilador Siemens a 1800 RPM. 14.

(24) IM-2007-I-07. Para ω=2400 RPM:. 18 16 14. Presion (mm H2O). 12 10 8 6 4 2 0 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 0,9. 3. Caudal (m /s) Ps. Pt. Teórico. Figura 9. Curva de presión contra caudal para ventilador Siemens a 2400 RPM. De acuerdo con las curvas de presión contra caudal obtenidas, es posible afirmar que los resultados derivados de los cálculos teóricos se aproximan bastante bien al comportamiento real del ventilador. Así mismo, se observa que el caudal mínimo obtenido es mayor a cero, lo cual se debe a limitaciones en el uso del cono regulador de caudal.. 15.

(25) IM-2007-I-07. Para ω=3500 RPM:. 35. 30. Presion (mm H2O). 25. 20. 15. 10. 5. 0 0,1. 0,3. 0,5. 0,7. 0,9. 1,1. 3. Caudal (m /s) Ps. Pt. Teórico. Figura 10. Curva de presión contra caudal para ventilador Siemens a 3500 RPM. Con las mediciones de corriente y voltaje efectuadas, y el valor de cosφ=0.8 correspondiente al motor utilizado, se determinó la potencia entregada. Conociendo la potencia neumática del ventilador (de las curvas de presión contra caudal), se obtuvieron las curvas de eficiencia contra caudal, para cada velocidad angular, las cuales se muestran en la figura 11.. 16.

(26) IM-2007-I-07. 16% 14%. Eficiencia. 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 0,0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 0,9. 1,0. 1,1. 3. Caudal (m /s) 3500 rpm. 2350 rpm. 1766 rpm. Figura 11. Curvas de eficiencia contra caudal para el ventilador Siemens. Los resultados experimentales muestran que la eficiencia de conversión de energía del ventilador Siemens es muy baja, pues en ningún caso supera el 20%. Además, a medida que disminuye la velocidad angular, la eficiencia decrece significativamente.. 17.

(27) IM-2007-I-07. 3. DISEÑO DEL VENTILADOR El proceso de diseño del ventilador se llevó a cabo de acuerdo con los parámetros de operación del túnel del viento TVIM-55-60-1X1. Para esto, se aplicaron los conceptos de la teoría aerodinámica de diseño de ventiladores axiales. verificada. anteriormente, y. después. de. seleccionar. el. perfil. aerodinámico a utilizar, se obtuvieron las distribuciones de cuerda y ángulo de calaje de las aspas, así como la geometría de los correctores (estator) requeridos para enderezar el flujo a la salida del rotor. Además, también se diseñó el mecanismo de sujeción de las aspas al cubo del ventilador, y se calculó la geometría del empenaje requerido para mantener ordenado el flujo después de los correctores. 3.1. CARACTERÍSTICAS Y GEOMETRÍA A continuación se muestran los parámetros utilizados para el diseño del ventilador: Diámetro del ventilador:. 1,6 m. Diámetro del cubo:. 0,8 m. Número de aspas:. 12. Caudal:. 3 60 m /s. Densidad del aire:. 0,88 g/cm 3. Aumento de presión:. 650 Pa. Velocidad angular:. 1150 RPM. El diámetro del ventilador está dado por el tamaño del túnel de viento, mientras que el diámetro del cubo se determinó de acuerdo con las dimensiones del motor eléctrico seleccionado (de 1150 RPM), el cual deberá alojarse en el. 18.

(28) IM-2007-I-07. interior del empenaje. Así mismo, tanto el aumento de presión como el caudal requeridos, son parámetros del diseño del túnel. Finalmente, el número de aspas se definió de tal forma que la longitud de cuerda a lo largo de las mismas tuviera las dimensiones adecuadas para simplificar su proceso de manufactura. 3.1.1. Selección del perfil aerodinámico La selección del perfil aerodinámico se llevó a cabo teniendo en cuenta el número de Reynolds aproximado, que en este caso es de 500.000. Por lo anterior, se buscó un perfil cuya información aerodinámica para este número de Reynolds fuera conocida. Sin embargo el criterio más importante a la hora de seleccionar el perfil aerodinámico para un ventilador axial, es maximizar la relación entre la sustentación y el arrastre, para lo cual es necesario conocer la variación de dichos parámetros con el ángulo de ataque del perfil. Adicionalmente, es. necesario. tener. en. cuenta. el. espesor. del perfil. aerodinámico, ya que este factor afecta directamente la resistencia de las aspas, que deberán soportar las fuerzas generadas por la interacción del perfil con el fluido. Con base en lo anterior, se seleccionó el perfil aerodinámico E387, el cual fue diseñado originalmente en 1960 por Richard Eppler para ser utilizado en aeroplanos, lo que lo convierte en un perfil de bajo número de Reynolds. La información aerodinámica de este perfil para un número de Reynolds de 500.000 se encuentra en la referencia [6], y corresponde a resultados de pruebas realizadas en el Laboratorio Subsónico de Aerodinámica de la Universidad de Illinois en el año 2002.. 19.

(29) IM-2007-I-07. A continuación se muestra la geometría del perfil E387:. Figura 12. Geometría del perfil E3871. De acuerdo con la información aerodinámica, los parámetros de rendimiento en el punto de óptimo son: Ángulo de ataque (αopti mo):. 6,11°. Coeficiente de sustentación (Cl):. 1,047. Coeficiente de arrastre (Cd):. 0,0099. Relación Cl/Cd:. 105,75. 3.1.2. Diseño de las aspas Utilizando la teoría de ventiladores axiales, y con los anteriores parámetros de diseño, se obtuvieron las distribuciones de cuerda y ángulo de calaje a lo largo de la aspas, cuyos valores se encuentran en el anexo D. Con el propósito de facilitar el proceso de manufactura de las aspas, su construcción geométrica se llevó a cabo manteniendo el borde fuga como una línea recta y rotando el perfil aerodinámico alrededor de ella. Los resultados obtenidos para las potencias neumática y del motor fueron 52,3 HP y 57,4 HP, respectivamente, dando como resultado una eficiencia del 90%. Estos valores corresponden a la condición de diseño del ventilador operando a 3 una velocidad angular de 1150 RPM y bombeando un caudal de 60 m /s.. 1. Tomada de [6]. 20.

(30) IM-2007-I-07. 3.1.3. Diseño del mecanismo de sujeción de las aspas Teniendo en cuenta las diferentes fuerzas que interactúan con las aspas cuando el ventilador se encuentra girando a su velocidad nominal (1150 RPM), se diseñó el mecanismo de sujeción al cubo, como se muestra en la figura 13.. Figura 13. Mecanismo de sujeción de las aspas. En este sistema, el cubo del ventilador está compuesto por dos discos entre los que se ajustan las aspas para evitar cualquier desplazamiento de éstas en las direcciones radial, axial y tangencial. La unión de los discos se realiza por medio de pernos ubicados en los puntos intermedios entre las aspas. El material seleccionado para la fabricación del conjunto corresponde a una aleación de aluminio, por su buena relación entre alta resistencia y bajo peso. 3.1.4. Diseño del empenaje El diseño del empenaje se llevó a cabo utilizando la teoría y ecuaciones para flujo potencial axisimétrico, combinando un flujo uniforme y una fuente. Este. 21.

(31) IM-2007-I-07. modelo es también utilizado para simular un tubo Pitot, ya que tiene un punto de estancamiento en el extremo. Su geometría se construye a partir de la ecuación:. r ⎛θ ⎞ = csc⎜ ⎟ a ⎝2⎠ Para un valor de a de 0,2 m, se obtuvo la siguiente geometría:. 0,5. Eje y (m). 0,3. 0,0 -0,3. 0,0. 0,3. 0,6. 0,9. 1,2. -0,3. -0,5. Eje x (m). Figura 14. Geometría del empenaje. Para más detalles acerca de la teoría de flujo potencial axisimétrico, se recomienda consultar el capítulo 8.8 de la referencia [7]. 3.1.5. Diseño de correctores de flujo (estator) Los correctores de flujo deben ubicarse en el plano de salida del ventilador, y su función es de la eliminar la rotación de la estela para obtener un flujo en la dirección axial aguas abajo del rotor.. 22.

(32) IM-2007-I-07. Por lo anterior, su geometría se determina a partir de la dirección con la que la estela sale del ventilador, representada por el ángulo γ, y cu yos valores obtenidos para las diferentes posiciones radiales analizadas, se encuentran en el anexo D. Para evitar fenómenos de resonancia en el interior del túnel, deberán instalarse 13 correctores de flujo, pues este número no puede ser múltiplo del número de aspas del ventilador. 3.2. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS Con el propósito de verificar el comportamiento del material seleccionado para fabricar el conjunto, se llevó a cabo una simulación por elementos finitos para la condición de operación de diseño (1150 RPM), cuya distribución de fuerzas es ya conocida. 3.2.1. Simulación de esfuerzos en las aspas La simulación de esfuerzos en las aspas del ventilador se llevó a cabo utilizando ANSYS Workbench 9.0, y aplicando un modelo de análisis estructural estático. Teniendo en cuenta las distribuciones de fuerza axial y tangencial (ver anexo D), así como la fuerza centrífuga producida por la rotación del ventilador, se determinaron los esfuerzos y deformaciones correspondientes, los cuales se muestran en las figuras 15 y 16 respectivamente. Los resultados de la simulación muestran que el esfuerzo máximo obtenido es de 44,61 MPa y ocurre sobre la superficie del aspa, a aproximadamente un. 23.

(33) IM-2007-I-07. tercio de su longitud en un punto cercano al borde de ataque del perfil. De igual forma, el factor de seguridad mínimo obtenido es de 6,27.. Figura 15. Distribución de esfuerzos sobre el aspa. Figura 16. Distribución de la deformación total sobre el aspa. 24.

(34) IM-2007-I-07. La deformación total máxima obtenida es de 7,52 mm, y se presenta en la punta del aspa, donde la velocidad de incidencia sobre el perfil también es máxima. Teniendo en cuenta que esta deformación no es significativa, y que además se presenta en una pequeña porción de la misma, es posible afirmar que el diseño obtenido es adecuado para el nivel de esfuerzos al que estará sometido. 3.3. CURVAS TEÓRICAS DE RENDIMIENTO A 1150 RPM 3.3.1. Cur vas de presión y potencia contra caudal. 800. 45. 700. 40 35 30. 500. 25 400 20 300. 15. 200. 10 Presión Potencia. 100. 5. 0 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 0 100. 3. Caudal (m /s) Figura 17. Curvas teóricas de presión y potencia contra caudal a 1150 RPM. 25. Potencia (kW). Presión (Pa). 600.

(35) IM-2007-I-07. 3.3.2. Cur va de eficiencia contra caudal. 100% 90%. Eficiencia (%). 80% 70% 60% 50% 40% 30% 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. 3. Caudal (m /s) Figura 18. Curva teórica de eficiencia contra caudal a 1150 RPM. Las curvas anteriores se determinaron a partir de una estimación de los coeficientes de arrastre y sustentación del perfil E387 para ángulos de ataque mayores a 13º, pues la información aerodinámica en esta zona de operación del perfil a un número de Reynolds de 500.000 no se encuentra disponible en la referencia [6].. 26.

(36) IM-2007-I-07. 4. FABRICACIÓN DE MODELO A ESCALA Para estudiar experimentalmente el comportamiento del perfil E387 a bajos números de Reynolds, y verificar los procesos de manufactura aplicables en la fabricación del ventilador, se produjo un modelo a escala geométrica 1:5,33 en aluminio comercial 6061, de tal forma que el diámetro del rotor se ajustara al del ducto utilizado para caracterizar el ventilador axial Siemens. En la fabricación de este prototipo se implementaron técnicas de manufactura asistida por computador, utilizando el centro de mecanizado de cuatro ejes Fadal VMC2216 del Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. 4.1. FABRICACIÓN DE LAS ASPAS 4.1.1. Diseño de la estrategia de mecanizado Teniendo en cuenta la geometría de las aspas, la cual implica ángulo de calaje y longitud de cuerda variables a lo largo de las mismas, fue necesario seleccionar como estrategia de mecanizado manufactura en cuatro ejes, para lo cual se definieron las siguientes dimensiones para el material bruto: diámetro de 38 mm y longitud de 180 mm. Con base en lo anterior, se seleccionó como herramienta de corte una fresa de tungsteno de punta redonda de 6 mm de diámetro, dos filos y 60 mm de longitud. Finalmente, utilizando el software CAM Unigraphics NX4, se generó el código de máquina correspondiente, en el cual se especificaron cortes de desbaste de 2 mm de profundidad y un corte de acabado de 0,1 mm de. 27.

(37) IM-2007-I-07. profundidad, y se efectuó una simulación del proceso para verificar posibles errores. 4.1.2. Montaje y proceso de manufactura. Imagen 3. Montaje para fabricación de las aspas del prototipo. Imagen 4. Proceso de manufactura de las aspas. 28.

(38) IM-2007-I-07. 4.1.3. Piezas finales. Imagen 5. Aspas terminadas. 4.2. FABRICACIÓN DEL CUBO 4.2.1. Diseño de la estrategia de mecanizado Teniendo en cuenta la geometría de los dos discos que conforman el cubo del ventilador, se seleccionó como estrategia de mecanizado manufactura en tres ejes, para lo cual, se definieron las siguientes dimensiones para el material bruto: placa cuadrada de 160 mm x 160 mm x 20 mm. Con base en lo anterior, se seleccionaron como herramientas de corte: una fresa plana de 16 mm de diámetro, dos insertos intercambiables y 8 mm de longitud para desbaste, una fresa redonda de 6 mm de diámetro, dos filos y 60 mm de longitud para semiacabado, y una fresa plana de 3 mm de diámetro, 2 filos y 30 mm de longitud para acabado. Finalmente, se generó el código de máquina correspondiente, en el cual se especificaron cortes de desbaste de 3. 29.

(39) IM-2007-I-07. mm de profundidad, cortes de semiacabado de 1 mm de profundidad, y un corte de acabado de 0,1 mm de profundidad. 4.2.2. Montaje y proceso de manufactura. Imagen 6. Montaje para fabricación del cubo del prototipo. Imagen 7. Proceso de manufactura del disco. 30.

(40) IM-2007-I-07. 4.2.3. Piezas finales. Imagen 8. Disco terminado. 4.3. ENSAMBLE DEL CONJUNTO. Imagen 9. Ensamble del prototipo. 31.

(41) IM-2007-I-07. 5. PRUEBAS DEL MODELO A ESCALA 5.1. CON LA ENTRADA DE AIRE LIBRE 5.1.1. Montaje experimental y procedimiento Corresponden a los mismos utilizados en las pruebas realizadas al ventilador axial Siemens (ver sección 2.3.1 a 2.3.3 de este documento). 5.1.2. Resultados Para ω=2400 RPM: 7 6. Presión (mm H 2O). 5 4 3 2 1 0 0,0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 3. Caudal (m /s) Pt. Ps. Teórico. Figura 19. Curva de presión contra caudal para el prototipo a 2400 RPM. 32. 0,6.

(42) IM-2007-I-07. Para ω=3000 RPM: 12. P resión (mm H2O). 10. 8. 6. 4. 2. 0 0,0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 3. Caudal (m /s) Pt. Ps. Teórico. Figura 20. Curva de presión contra caudal para el prototipo a 3000 RPM. Las figuras 19, 20 y 21 muestran las curvas experimentales de presión total contra caudal del prototipo para tres velocidades de operación (2400, 3000 y 3500 RPM), y auque son similares en su forma, el comportamiento mostrado no corresponde al de una curva de presión contra caudal típica de un ventilador axial. Sin embargo, el número de Reynolds aproximado del perfil bajo estas condiciones de operación se encuentra entre 30.000 y 40.000, es decir, es un orden de magnitud menor que el número para el cual se diseñó el ventilador, por lo que el comportamiento de sus coeficientes de sustentación y arrastre cambia significativamente.. 33.

(43) IM-2007-I-07. Para ω=3500 RPM: 18 16. P resión (mm H2O). 14 12 10 8 6 4 2 0 0,0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 3. Caudal (m /s) Pt. Ps. Teórico. Figura 21. Curva de presión contra caudal para el prototipo a 3500 RPM. Por lo anterior, se calcularon y graficaron los parámetros de presión y caudal para cada velocidad angular utilizando el modelo teórico (ver gráficas 19, 20 y 21), a partir de una estimación del comportamiento de los coeficientes de sustentación y arrastre a un número de Reynolds de 40.000. Para esto, fue necesario considerar una pérdida de rendimiento del perfil ocasionada por un fenómeno de separación de burbuja, el cual causa que el fluido se desprenda a ángulos de ataque muy pequeños, generando una pérdida de sustentación transitoria, y una posterior recuperación a medida que continua incrementando el ángulo de ataque. Dicho fenómeno, que se origina debido a que la interacción entre el perfil y el aire es muy débil, ha sido estudiado exhaustivamente en el perfil E387 en particular. Ver referencia [8].. 34.

(44) IM-2007-I-07. 5.2. CON LA ENTRADA DE AIRE EN UN DUCTO 5.2.1. Montaje experimental y procedimiento En esta configuración, se añadió una sección de ducto de 2 m de longitud antes del plano de entrada del ventilador, de tal forma que el aumento de presión a través del mismo se determina considerando únicamente el aumento en la presión estática, pues la velocidad no cambia por el principio de continuidad. 5.2.2. Resultados. 18 16. Presion (mm H2 O). 14 12 10 8 6 4 2 0 0,0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. Caudal (m3/s) 3500 rpm. 3000 rpm. 2400 rpm. Figura 22. Curvas de presión estática contra caudal con entrada en un ducto. 35. 0,8.

(45) IM-2007-I-07. 5.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS Los resultados obtenidos utilizando la configuración con la entrada de aire del ventilador libre, muestran que el modelo teórico se aproxima bastante bien al comportamiento real del ventilador, a pesar de que las curvas obtenidas no tienen la forma de una curva de presión contra caudal típica de un ventilador axial. Sin embargo, esto se debe a que el modelo teórico desarrollado considera el fenómeno de separación de burbuja que ocurre en el flujo sobre el perfil a ángulos de ataque muy bajos, cercanos a 40.000. Tras analizar estos resultados, se determinó que la forma de la curva obtenida se debe a que en esta condición, el perfil aerodinámico se encuentra operando en la zona en que empieza a recuperarse de la pérdida de sustentación generada por el fenómeno de separación.. 18 16. Presion (mm H2O). 14. 3500 rpm con ducto 2400 rpm con ducto. 3000 rpm con ducto 3500 rpm libre. 3000 rpm libre. 2400 rpm libre. 12 10 8 6 4 2 0 0,0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 3. Caudal (m /s) Figura 23. Curvas de presión contra caudal para los dos montajes. 36. 0,8.

(46) IM-2007-I-07. La figura 23 muestra que las curvas de aumento de presión a través del ventilador obtenidas utilizando el ducto de entrada y dejando la entrada libre, son muy similares para cada una de las velocidades angulares seleccionadas.. 37.

(47) IM-2007-I-07. 6. CONCLUSIONES Se realizaron pruebas sobre un ventilador axial Siemens y se obtuvieron las correspondientes curvas de presión total y estática contra caudal para diferentes velocidades de operación del motor. Comparando dichas curvas con los resultados provenientes del modelo matemático desarrollado a partir de la teoría aerodinámica para diseño de turbinas y ventiladores axiales, se encontró que para las velocidades angulares seleccionadas, los valores son muy similares, lo cual permite validar satisfactoriamente las predicciones teóricas. Así mismo, los resultados experimentales muestran que la eficiencia de conversión de energía del ventilador Siemens es muy baja, pues en ningún caso supera el 20%. Esto se debe principalmente a que el equipo está diseñado para bombear un determinado caudal de aire, sin tener en cuenta su eficiencia aerodinámica. De igual forma, los resultados experimentales muestran que a medida que disminuye la velocidad angular, la eficiencia cae significativamente, pues la disminución en la potencia neumática es mucho mayor que la disminución en la potencia consumida por el motor. Es por esto que este tipo de ventiladores están diseñados para operar eficientemente a una determinada velocidad. Se diseñó un ventilador axial para ser utilizado en el túnel de viento TVIM-5560-1X1 de la Universidad de los Andes, de acuerdo con sus parámetros de operación. Después de seleccionar el perfil aerodinámico adecuado para el número de Reynolds correspondiente, se diseñaron las aspas, cubo, empenaje y correctores de flujo, así como el mecanismo de sujeción y ensamble. Adicionalmente, se seleccionó una aleación de aluminio como material para la fabricación. de. ventilador,. cuya. integridad. estructural. fue. satisfactoriamente mediante una simulación por elementos finitos.. 38. verificada.

(48) IM-2007-I-07. Implementando técnicas de manufactura asistida por computador, se fabricó un modelo a escala geométrica 1:5,33 del ventilador diseñado, y se llevaron a cabo pruebas experimentales de las cuales se obtuvieron las correspondientes curvas de presión total y estática contra caudal para tres velocidades angulares: 2400, 3000 y 3500 RPM. A pesar de que las curvas obtenidas experimentalmente no tienen la forma de una curva típica de presión contra caudal de un ventilador axial, esto se debe a que el perfil aerodinámico en el prototipo se encuentra operando en una zona (ángulos de ataque) en la cual se está recuperando de un pérdida de sustentación originada por un fenómeno de separación de burbuja, pues el número de Reynolds del perfil en esta condición es muy bajo (15 veces menor que en el ventilador diseñado). Esto se vio reflejado en una caída dramática del rendimiento aerodinámico del perfil. Sin embargo, el modelo teórico aplicado estimando el comportamiento de los coeficientes de sustentación y arrastre, predice de forma adecuada el comportamiento del prototipo, lo cual permite además validar el diseño del ventilador para el túnel de viento TVIM-55-60-1X1. Como conclusión general de este proyecto, se puede afirmar que la teoría aerodinámica para diseño de ventiladores axiales permite predecir de manera acertada el desempeño aerodinámico de cualquier rotor de este tipo, con lo cual se cumplió el principal objetivo. Por otra parte, el proceso de manufactura utilizado para la fabricación del prototipo a escala, sirvió como aprendizaje y punto de partida para el desarrollo futuro de una estrategia de manufactura eficiente para la producción de las aspas y el cubo del ventilador diseñado.. 39.

(49) IM-2007-I-07. 7. BIBLIOGRAFÍA [1] ANDERSON, John D., Jr.: Fundamentals of Aerodynamics, Third Edition, McGraw Hill, 2001. [2] PINILL A, Álvaro E.: Análisis simplificado de diseño de ventiladores axiales, Notas del curso de Aerodinámica, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., 2006. [3] HAGEMAN, André: Catalogue of Aerodynamic Characteristics of Airfoils in 4 6 the Reynolds numbers 10 -10 , Eindhoven University of Technology, 1980. [4] ANSI/AMCA 210-99: Laboratory Methods of Testing Fans for Aerodynamic Performance Rating, Arlington Heights, 2000. [5] http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPXV5004G.pdf [6] SELIG, Michael S., MCGRAN AH AN, Bryan D.: Wind Tunnel Aerodynamic Tests of Six Airfoils for Use on Small Wind Turbines, National Renewable Energy Laboratory, 2003. [7] WHITE, Frank M.: Fluid Mechanics, Fifth Edition, McGraw Hill, 2003. [8] COLE, Gregory M., MUELLER, Thomas J.: Experimental Measurements of the Laminar Separation Bubble on an Eppler 387 Airfoil at Low Reynolds Numbers, NASA Langley Research Center, 1990. [9] BECKWITH, Thomas G., MARANGONI, Ro y D., LIENHARD V, John D.: Mechanical Measurements, Fifth Edition, Addison-Wesley, 1995. [10] http://support.fluke.com/find-sales/Download/Asset/2161164_B_w.pdf. 40.

(50) IM-2007-I-07. ANEXO A INFORMACIÓN AERODINÁMICA PLACA CURVADA Relación de Aspecto 5. Relación de Aspecto Infinita. α (°). CL. CD. α (°). CL. CD. -4,9 -0,1 4,8 9,6 12,1 14,6 22,1 29,6 39,7. -0,1730 0,3020 0,6600 0,9840 1,0830 1,0700 1,0500 0,9860 0,8670. 0,0600 0,0248 0,0370 0,1100 0,1750 0,2380 0,3550 0,5130 0,6650. -4,9 -0,1 4,8 9,6 12,1 14,6 18 25 30. -0,1873 0,3575 0,9135 1,0900 1,0840 1,0720 1,0640 1,0300 0,9900. 0,0580 0,0187 0,0079 0,1615 0,2813 0,4480 0,6148 0,7664 0,9388. ANEXO B CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR SIEMENS 3. Con ω=1800 RPM, Q=0 m /s r (m). c (m). β (°). Φ Ο (°). 0,0660 0,0720 0,0776 0,0828 0,0877 0,0923 0,0967 0,1010 0,1050 0,1089 0,1127 0,1163 0,1198 0,1233 0,1266 0,1298 0,1330 0,1361 0,1391 0,1421 0,1450. 0,08377 0,08283 0,08201 0,08130 0,08068 0,08014 0,07967 0,07925 0,07889 0,07857 0,07829 0,07805 0,07785 0,07768 0,07754 0,07346 0,06829 0,06231 0,05328 0,03202. 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00. α (°) Veff (m/s) 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 12,441 13,579 14,629 15,608 16,530 17,402 18,233 19,029 19,790 20,525 21,234 21,920 22,586 23,232 23,862 24,474 25,072 25,656 26,225 26,785. Cl. Cd. dl. 0,714 0,736 0,755 0,774 0,792 0,809 0,825 0,840 0,855 0,869 0,882 0,895 0,907 0,919 0,930 0,926 0,925 0,920 0,936 0,943. 0,809 0,780 0,754 0,730 0,708 0,688 0,670 0,652 0,635 0,619 0,603 0,588 0,572 0,556 0,540 0,546 0,548 0,554 0,532 0,520. 0,025 0,028 0,030 0,033 0,036 0,038 0,041 0,043 0,045 0,048 0,050 0,052 0,054 0,057 0,059 0,057 0,054 0,050 0,045 0,055. Ut (m/s) ∆P (Pa) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00. 47,04 52,62 57,94 63,05 67,97 72,79 77,54 81,93 86,64 90,96 95,36 99,67 103,96 108,25 112,27 108,65 103,48 95,90 85,66 105,73 Prom.. ∆P (mm H2 O) 4,797 5,365 5,908 6,429 6,931 7,423 7,907 8,355 8,835 9,275 9,724 10,164 10,601 11,039 11,448 11,080 10,552 9,779 8,735 10,781 8,76.

(51) IM-2007-I-07. Con ω=1800 RPM, Q=0,65 m 3/s r (m). c (m). β (°). ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s). 0,0660 0,0720 0,0776 0,0828 0,0877 0,0923 0,0967 0,1010 0,1050 0,1089 0,1127 0,1163 0,1198 0,1233 0,1266 0,1298 0,1330 0,1361 0,1391 0,1421 0,1450. 0,08377 0,08283 0,08201 0,08130 0,08068 0,08014 0,07967 0,07925 0,07889 0,07857 0,07829 0,07805 0,07785 0,07768 0,07754 0,07346 0,06829 0,06231 0,05328 0,03202. 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 50,84 48,45 46,29 44,31 42,50 40,85 39,33 37,93 36,65 35,46 34,36 33,34 32,39 31,50 30,66 30,07 29,38 28,67 27,70 27,47. 1,35 2,14 2,79 3,33 3,77 4,10 4,34 4,52 4,60 4,63 4,60 4,53 4,41 4,25 4,07 5,05 5,88 6,96 6,52 6,04. 16,018 16,596 17,183 17,780 18,383 18,989 19,596 20,206 20,805 21,408 22,004 22,597 23,186 23,770 24,354 24,788 25,315 25,886 26,716 26,923. Cl. Cd. dl. 0,538 0,634 0,711 0,771 0,817 0,850 0,873 0,889 0,896 0,899 0,897 0,890 0,879 0,865 0,847 0,934 0,993 1,048 1,029 1,003. 0,011 0,009 0,007 0,007 0,006 0,007 0,007 0,007 0,007 0,007 0,007 0,007 0,007 0,007 0,007 0,008 0,012 0,018 0,015 0,012. 0,031 0,035 0,039 0,043 0,045 0,048 0,050 0,051 0,053 0,054 0,054 0,055 0,056 0,056 0,056 0,059 0,059 0,058 0,051 0,059. ∆P (mm H2 O) 1,485 3,689 1,795 4,515 2,069 5,249 2,309 5,897 2,516 6,473 2,694 6,980 2,849 7,429 2,974 7,810 3,088 8,162 3,176 8,454 3,250 8,709 3,307 8,921 3,348 9,091 3,375 9,222 3,381 9,297 3,605 9,869 3,667 10,006 3,638 9,855 3,155 8,755 3,702 10,210 Prom. 7,93. Ut (m/s) ω dT (W) 2,118 2,345 2,510 2,624 2,700 2,747 2,772 2,773 2,769 2,746 2,716 2,677 2,630 2,578 2,514 2,614 2,595 2,516 2,135 2,452. 3. Con ω=2400 RPM, Q=0 m /s r (m). c (m). β (°). Φ Ο (°). 0,0660 0,0720 0,0776 0,0828 0,0877 0,0923 0,0967 0,1010 0,1050 0,1089 0,1127 0,1163 0,1198 0,1233 0,1266 0,1298 0,1330 0,1361 0,1391 0,1421 0,1450. 0,08377 0,08283 0,08201 0,08130 0,08068 0,08014 0,07967 0,07925 0,07889 0,07857 0,07829 0,07805 0,07785 0,07768 0,07754 0,07346 0,06829 0,06231 0,05328 0,03202. 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00. α (°) Veff (m/s) 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 16,588 18,105 19,505 20,811 22,039 23,203 24,311 25,372 26,387 27,367 28,312 29,227 30,114 30,976 31,816 32,632 33,429 34,208 34,967 35,714. Cl. Cd. dl. 0,714 0,736 0,755 0,774 0,792 0,809 0,825 0,840 0,855 0,869 0,882 0,895 0,907 0,919 0,930 0,926 0,925 0,920 0,936 0,943. 0,809 0,780 0,754 0,730 0,708 0,688 0,670 0,652 0,635 0,619 0,603 0,588 0,572 0,556 0,540 0,546 0,548 0,554 0,532 0,520. 0,044 0,049 0,054 0,059 0,063 0,068 0,072 0,076 0,081 0,085 0,089 0,093 0,097 0,101 0,105 0,101 0,096 0,089 0,080 0,098. Ut (m/s) ∆P (Pa) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00. 83,63 93,54 103,00 112,08 120,83 129,41 137,86 145,65 154,03 161,70 169,52 177,20 184,81 192,45 199,59 193,16 183,96 170,49 152,28 187,96 Prom.. ∆P (mm H2 O) 8,527 9,538 10,503 11,430 12,321 13,196 14,058 14,853 15,706 16,489 17,287 18,069 18,846 19,624 20,353 19,697 18,759 17,385 15,529 19,166 15,57.

(52) IM-2007-I-07. Con ω=2400 RPM, Q=0,6 m3 /s r (m). c (m). β (°). ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s). 0,0660 0,0720 0,0776 0,0828 0,0877 0,0923 0,0967 0,1010 0,1050 0,1089 0,1127 0,1163 0,1198 0,1233 0,1266 0,1298 0,1330 0,1361 0,1391 0,1421 0,1450. 0,08377 0,08283 0,08201 0,08130 0,08068 0,08014 0,07967 0,07925 0,07889 0,07857 0,07829 0,07805 0,07785 0,07768 0,07754 0,07346 0,06829 0,06231 0,05328 0,03202. 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 43,51 40,17 37,50 35,28 33,40 31,76 30,33 29,04 27,90 26,86 25,91 25,05 24,25 23,52 22,84 22,22 21,59 20,99 20,14 20,02. 8,67 10,42 11,58 12,36 12,87 13,18 13,35 13,41 13,35 13,23 13,05 12,82 12,54 12,23 11,89 12,90 13,67 14,65 14,08 13,49. 16,644 17,766 18,826 19,841 20,821 21,769 22,696 23,612 24,490 25,366 26,225 27,069 27,899 28,715 29,525 30,301 31,141 32,000 33,283 33,473. Cl. Cd. dl. 1,088 1,086 1,085 1,084 1,083 1,082 1,082 1,082 1,082 1,082 1,083 1,083 1,084 1,084 1,085 1,083 1,081 1,078 1,080 1,082. 0,035 0,060 0,083 0,100 0,113 0,121 0,125 0,127 0,125 0,122 0,117 0,111 0,104 0,097 0,089 0,113 0,134 0,164 0,146 0,129. 0,067 0,070 0,072 0,075 0,077 0,080 0,083 0,085 0,088 0,091 0,093 0,096 0,099 0,102 0,105 0,102 0,098 0,092 0,083 0,099. ∆P (mm H2 O) 3,962 9,190 4,336 9,879 4,711 10,501 5,077 11,099 5,426 11,693 5,759 12,301 6,068 12,930 6,342 13,536 6,618 14,203 6,856 14,837 7,072 15,505 7,270 16,172 7,448 16,845 7,612 17,527 7,747 18,180 7,906 17,597 7,907 16,829 7,834 15,671 6,878 14,486 8,051 17,347 Prom. 14,32. Ut (m/s) ω dT (W) 4,518 4,529 4,568 4,613 4,654 4,690 4,721 4,729 4,742 4,734 4,724 4,704 4,678 4,648 4,605 4,582 4,470 4,328 3,718 4,263. 3. Con ω=3500 RPM, Q=0 m /s r (m). c (m). β (°). Φ Ο (°). 0,0660 0,0720 0,0776 0,0828 0,0877 0,0923 0,0967 0,1010 0,1050 0,1089 0,1127 0,1163 0,1198 0,1233 0,1266 0,1298 0,1330 0,1361 0,1391 0,1421 0,1450. 0,08377 0,08283 0,08201 0,08130 0,08068 0,08014 0,07967 0,07925 0,07889 0,07857 0,07829 0,07805 0,07785 0,07768 0,07754 0,07346 0,06829 0,06231 0,05328 0,03202. 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00. α (°) Veff (m/s) 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 23,983 26,177 28,201 30,089 31,865 33,547 35,150 36,683 38,151 39,568 40,934 42,257 43,540 44,786 46,000 47,181 48,333 49,459 50,557 51,636. Cl. Cd. dl. 0,714 0,736 0,755 0,774 0,792 0,809 0,825 0,840 0,855 0,869 0,882 0,895 0,907 0,919 0,930 0,926 0,925 0,920 0,936 0,943. 0,809 0,780 0,754 0,730 0,708 0,688 0,670 0,652 0,635 0,619 0,603 0,588 0,572 0,556 0,540 0,546 0,548 0,554 0,532 0,520. 0,092 0,102 0,113 0,123 0,132 0,142 0,151 0,159 0,169 0,177 0,186 0,194 0,202 0,211 0,219 0,211 0,201 0,187 0,167 0,206. Ut (m/s) ∆P (Pa) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00. 174,81 195,54 215,31 234,31 252,59 270,52 288,18 304,48 321,98 338,02 354,38 370,42 386,34 402,30 417,23 403,79 384,56 356,39 318,34 392,91 Prom.. ∆P (mm H2 O) 17,838 19,953 21,971 23,909 25,774 27,604 29,406 31,070 32,856 34,492 36,161 37,798 39,422 41,051 42,574 41,203 39,240 36,367 32,484 40,093 32,56.

(53) IM-2007-I-07. Con ω=3500 RPM, Q=0,65 m 3/s r (m). c (m). β (°). ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s). 0,0660 0,0720 0,0776 0,0828 0,0877 0,0923 0,0967 0,1010 0,1050 0,1089 0,1127 0,1163 0,1198 0,1233 0,1266 0,1298 0,1330 0,1361 0,1391 0,1421 0,1450. 0,08377 0,08283 0,08201 0,08130 0,08068 0,08014 0,07967 0,07925 0,07889 0,07857 0,07829 0,07805 0,07785 0,07768 0,07754 0,07346 0,06829 0,06231 0,05328 0,03202. 52,19 50,59 49,08 47,64 46,27 44,95 43,68 42,44 41,25 40,09 38,97 37,87 36,80 35,75 34,73 35,12 35,27 35,63 34,22 33,52. 35,55 32,60 30,25 28,32 26,69 25,29 24,07 22,99 22,03 21,17 20,39 19,68 19,03 18,44 17,89 17,34 16,79 16,25 15,55 15,51. 16,64 17,99 18,82 19,32 19,58 19,65 19,60 19,46 19,22 18,93 18,58 18,19 17,77 17,31 16,84 17,78 18,47 19,38 18,67 18,00. 21,361 23,055 24,652 26,178 27,649 29,069 30,446 31,806 33,105 34,397 35,651 36,883 38,087 39,257 40,420 41,662 42,993 44,384 46,332 46,444. ∆P (mm H2 O) 9,443 15,203 10,561 16,634 11,654 17,987 12,704 19,317 13,701 20,640 14,650 21,975 15,554 23,324 16,368 24,623 17,188 26,011 17,918 27,336 18,623 28,692 19,279 30,044 19,910 31,390 20,536 32,729 21,092 34,013 21,331 33,281 21,207 32,161 20,800 30,326 18,579 28,174 21,877 33,456 Prom. 26,37. Ut (m/s) ω dT (W). Cl. Cd. dl. 1,071 1,065 1,061 1,059 1,057 1,057 1,057 1,058 1,059 1,061 1,063 1,065 1,067 1,069 1,071 1,066 1,063 1,058 1,062 1,065. 0,178 0,198 0,212 0,222 0,227 0,228 0,227 0,225 0,220 0,214 0,208 0,201 0,194 0,187 0,181 0,194 0,206 0,223 0,210 0,198. 0,109 0,115 0,121 0,127 0,133 0,139 0,145 0,151 0,157 0,163 0,170 0,176 0,182 0,188 0,194 0,190 0,183 0,173 0,159 0,188. 6,812 6,980 7,149 7,303 7,436 7,552 7,652 7,716 7,791 7,831 7,867 7,893 7,911 7,925 7,927 7,822 7,587 7,271 6,354 7,327. ANEXO C RESULTADOS PRUEBAS VENTILADOR SIEMENS Para ω=1800 RPM Q (m/s) 0,70 0,64 0,62 0,61 0,59 0,58 0,56 0,56 0,55 0,16. P t (mm Ps (mm H2O) H2O) 6,02 7,21 7,66 8,21 8,93 9,41 10,36 11,22 11,73 9,93. 2,68 4,41 5,01 5,66 6,53 7,11 8,18 9,09 9,65 9,76. Para ω=3500 RPM. Para ω=2400 RPM η. Q (m/s). 4,04% 4,45% 4,62% 4,88% 5,16% 5,34% 5,72% 6,14% 6,35% 1,55%. 0,78 0,76 0,75 0,73 0,71 0,69 0,61 0,55 0,54 0,19. P t (mm Ps (mm H2O) H2O) 7,19 7,80 8,48 9,45 10,74 12,13 12,17 14,20 16,72 15,29. 2,96 3,80 4,57 5,84 7,30 8,86 9,62 12,15 14,74 15,05. η. Q (m/s). 4,92% 5,22% 5,62% 6,04% 6,72% 7,42% 6,58% 6,91% 7,99% 2,60%. 0,99 0,93 0,86 0,83 0,81 0,73 0,67 0,61 0,55 0,19. P t (mm P s (mm H2 O) H2O) 10,07 12,67 14,89 17,39 19,22 21,03 22,68 26,80 28,37 30,93. 3,20 6,65 9,81 12,62 14,67 17,32 19,54 24,23 26,26 30,67. η 7,98% 9,46% 10,24% 11,65% 12,63% 12,51% 12,45% 13,36% 12,78% 4,94%.

(54) IM-2007-I-07. ANEXO D CÁLCULOS DE DISEÑO VENTILADOR TÚNEL TVIM-55-60-1X1 r (m) 0,400000 0,414730 0,428950 0,442720 0,456070 0,469040 0,481660 0,493960 0,505960 0,517690 0,529150 0,540370 0,551360 0,562140 0,572710 0,583100 0,593300 0,603320 0,613190 0,622900 0,632460 0,641870 0,651150 0,660300 0,669330 0,678230 0,687020 0,695700 0,704270 0,712740 0,721110 0,729380 0,737560 0,745650 0,753660 0,761580 0,769420 0,777170 0,784860 0,792460 0,800000. Cuerda (m) 0,132920 0,126480 0,121040 0,116360 0,112250 0,108600 0,105320 0,102350 0,099642 0,097156 0,094861 0,092733 0,090752 0,088900 0,087163 0,085529 0,083989 0,082533 0,081153 0,079842 0,078596 0,077409 0,076275 0,075191 0,074154 0,073160 0,072205 0,071289 0,070406 0,069557 0,068739 0,067949 0,067186 0,066449 0,065736 0,065046 0,064378 0,063730 0,063102 0,062492 0,061900. β (°) 51,739 50,104 48,653 47,351 46,170 45,093 44,103 43,189 42,340 41,550 40,811 40,118 39,465 38,851 38,269 37,719 37,196 36,699 36,225 35,773 35,341 34,928 34,532 34,152 33,787 33,436 33,098 32,773 32,459 32,156 31,863 31,581 31,307 31,042 30,785 30,536 30,295 30,060 29,833 29,611 29,396. γ (°) 65,072 66,299 67,351 68,267 69,076 69,798 70,448 71,037 71,575 72,069 72,524 72,945 73,338 73,704 74,046 74,368 74,670 74,956 75,226 75,482 75,725 75,956 76,176 76,386 76,587 76,779 76,963 77,139 77,309 77,472 77,628 77,779 77,925 78,065 78,201 78,332 78,459 78,582 78,701 78,816 78,928.

(55) IM-2007-I-07. ANEXO E CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR TÚNEL TVIM-55-60-1X1 Caudal Presión Potencia Eficiencia 3 (Pa) (kW) (%) (m /s) 25,50 538,00 29,20 47,0% 30,00 586,00 31,19 56,3% 37,50 641,00 35,00 68,7% 45,24 665,00 39,37 76,4% 52,80 691,00 41,70 87,5% 60,00 625,00 41,67 90,0% 66,00 531,00 38,77 90,9% 75,00 369,00 30,09 92,5% 82,50 231,00 20,33 93,6% 90,48 66,00 7,40 81,1%. ANEXO F RESULTADOS PRUEBAS VENTILADOR ESCALA 1:5,33 Con ω=2400 RPM P t (mm 3 Q (m /s) H2 O) 0,183 3,854 0,478 2,360 0,479 2,543 0,456 1,921 0,427 1,865 0,393 2,085 0,322 2,928 0,232 3,520 0,120 4,821 0,000 6,550 0,349 2,771 0,293 2,570 0,475 2,338 0,494 2,733 0,460 2,547 0,393 2,185 0,316 2,944 0,274 2,669 0,220 3,501 0,000 6,175. P s (mm H2 O) 3,621 0,769 0,945 0,472 0,594 1,013 2,206 3,146 4,721 6,550 1,926 1,972 0,766 1,036 1,076 1,113 2,251 2,147 3,165 6,175. Con ω=3000 RPM 3. Q (m /s) 0,000 0,602 0,464 0,388 0,326 0,224 0,189 0,030 0,599 0,132 0,628 0,599 0,574 0,555 0,494 0,449 0,397 0,333 0,189 0,000. Pt (mm H2 O) 10,525 3,128 3,352 4,056 4,722 5,740 6,572 9,583 2,895 8,397 3,461 3,303 3,269 3,522 3,230 3,688 4,385 4,810 6,472 10,400. Ps (mm H2 O) 10,525 0,610 1,855 3,009 3,983 5,392 6,324 9,577 0,400 8,276 0,718 0,806 0,976 1,379 1,535 2,289 3,291 4,039 6,224 10,400. Con ω=3500 RPM 3. Q (m /s) 0,368 0,253 0,751 0,724 0,688 0,619 0,523 0,436 0,206 0,000 0,387 0,748 0,651 0,546 0,483 0,414 0,311 0,230 0,145 0,000. Pt (mm H2 O) 6,810 8,655 5,107 4,915 4,867 4,868 5,339 6,097 9,278 14,775 6,775 5,230 5,291 5,614 6,073 6,996 7,217 9,363 10,401 15,600. Ps (mm H2 O) 5,867 8,209 1,189 1,274 1,574 2,206 3,441 4,777 8,983 14,775 5,733 1,336 2,348 3,543 4,449 5,806 6,547 8,995 10,255 15,600.

(56) IM-2007-I-07. ANEXO G CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR ESCALA 1:5,33 2400 RPM 3. 3000 RPM. 3500 RPM. Caudal (m /s) 0,000 0,225. 0,400 0,000 0,300. 0,500 0,000 0,350 0,550. ∆P (mm H2 O). 1,92. 3,32. 6,17. 3,07. 10,16. 5,02. 15,56. 7,77. 6,03. Eficiencia (%) 0,0% 23,4% 31,6% 0,0% 24,0% 31,5% 0,0% 22,9% 30,6%.

(57)