Calculo bombeo
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ELEMENTO DE MAQUINA TRABAJO PRACTICO FINAL RODRIGO GOJAN Página 1 Cálculo de Elementos de Máquina de un Aparato Individual de Bombeo Se trata de un mecanismo desarrollado para transmitir el movimiento a la bomba y para ello, convierte el movimiento continuo circular de un motor impulsor en un movimiento alternativo opuesto mediante un sistema de biela y balancín. Existen diferentes tipos, que depende de la palanca con la que se diseño el sistema. Existen muchos tipos de unidades, los más usuales son: Unidades Convencionales Las unidades convencionales basan su geometría en un sistema de palanca CLASE I, es decir con un punto de apoyo en el medio de la viga balancín y emplea manivelas como muestra la siguiente figura. Unidades Mark II Las unidades Mark II basan su geometría en tres características, las cuales reducen el torque y la carga con respecto a una unidad Convencional. Estas son: La ubicación de la caja reductora. La misma está ubicada de tal manera que con un giro determinado de las manivelas crea una carrera ascendente de 195º de la rotación de la manivela y una carrera descendente de aproximadamente de 165º de la rotación de la manivela, Un punto de apoyo en el extremo de la unidad, colocando en ese lugar el cojinete ecualizador ( llamado cojinete de cola), creando un sistema CLASE III, y Una manivela desfasada, la cual produce un contrabalanceo más efectivo el cual, al comienzo de la carrera ascendente, “arrastra” la carga del pozo en aproximadamente 7 1/2º. Igualmente en la carrera descendente, esta misma condición produce esta acción, también “llevando” el contrapesado aproximadamente 71/2º Independientemente de estos factores, las unidades Mark II producirán un torque uniforme trabajando en forma conjunta, reduciendo un 35% del torque en la caja reductora. Adicionalmente los costos de electricidad y del tamaño del motor pueden ser reducidos. Unidades Balanceadas a Aire La utilización de aire comprimido en vez de pesadas manivelas y contrapesos permite un control del contrabalanceo en forma manual. Como resultado, el tamaño de la unidad es considerablemente más pequeño, minimizando los costos de traslado y de montaje. Las unidades balanceadas a aire tienen la ventaja de tener tamaños más grandes con largas carreras, donde con un sistema convencional o MARK II son prácticamente imposibles. Las unidades de bombeo pueden ser clasificadas en función del torque máximo, la carga estructural y la carrera máxima. Torque Máximo: El torque es el producto de la fuerza por un brazo de palanca. La fuerza proviene de la variación de las cargas que transmite la unidad y el efecto de contrabalanceo. El brazo de palanca es la distancia del centro de eje de salida de la caja reductora al centro del perno de biela. Carga estructural: Es la carga máxima que puede soportar la unidad en la cabeza de mula, pudiendo soportarla normalmente toda la estructura del equipo, como así también cojinetes y accesorios. Carrera máxima, es la máxima carrera a obtener en el vástago pulido, La designación sugerida por API es: M - 228D-173-74” Donde: M es el tipo de unidad de bombeo mecánico Tipos de Unidades de Bombeo: M Mark II Unitorque C Convencional A Air Balanced B Beam Balanced LP Low Profile RM Reverse Mark CM Convencional 228 Torque máximo de la caja reductora (en miles de libras x pulgada) D Tipo de reducción de la caja (simple, doble o triple) 173 Carga estructural máxima (en cientos de libras) 74” Valor máximo de la carrera (en pulgadas)
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Cálculo de Elementos de Máquina de un Aparato Individual de Bombeo Se trata de un mecanismo desarrollado para transmitir el movimiento a la bomba y para ello, convierte el movimiento continuo circular de un motor impulsor en un movimiento alternativo opuesto mediante un sistema de biela y balancín. Existen diferentes tipos, que depende de la palanca con la que se diseño el sistema. Existen muchos tipos de unidades, los más usuales son:
� Unidades Convencionales Las unidades convencionales basan su geometría en un sistema de palanca CLASE I, es decir con un punto de apoyo en el medio de la viga balancín y emplea manivelas como muestra la siguiente figura.
� Unidades Mark II Las unidades Mark II basan su geometría en tres características, las cuales reducen el torque y la carga con respecto a una unidad Convencional. Estas son:
� La ubicación de la caja reductora. La misma está ubicada de tal manera que con un giro determinado de las manivelas crea una carrera ascendente de 195º de la rotación de la manivela y una carrera descendente de aproximadamente de 165º de la rotación de la manivela,
� Un punto de apoyo en el extremo de la unidad, colocando en ese lugar el cojinete ecualizador ( llamado cojinete de cola), creando un sistema CLASE III, y
� Una manivela desfasada, la cual produce un contrabalanceo más efectivo el cual, al comienzo de la carrera ascendente, “arrastra” la carga del pozo en aproximadamente 7 1/2º. Igualmente en la carrera descendente, esta misma condición produce esta acción, también “llevando” el contrapesado aproximadamente 71/2º
Independientemente de estos factores, las unidades Mark II producirán un torque uniforme trabajando en forma conjunta, reduciendo un 35% del torque en la caja reductora. Adicionalmente los costos de electricidad y del tamaño del motor pueden ser reducidos.
� Unidades Balanceadas a Aire La utilización de aire comprimido en vez de pesadas manivelas y contrapesos permite un control del contrabalanceo en forma manual. Como resultado, el tamaño de la unidad es considerablemente más pequeño, minimizando los costos de traslado y de montaje. Las unidades balanceadas a aire tienen la ventaja de tener tamaños más grandes con largas carreras, donde con un sistema convencional o MARK II son prácticamente imposibles. Las unidades de bombeo pueden ser clasificadas en función del torque máximo, la carga estructural y la carrera máxima. Torque Máximo: El torque es el producto de la fuerza por un brazo de palanca. La fuerza proviene de la variación de las cargas que transmite la unidad y el efecto de contrabalanceo. El brazo de palanca es la distancia del centro de eje de salida de la caja reductora al centro del perno de biela. Carga estructural: Es la carga máxima que puede soportar la unidad en la cabeza de mula, pudiendo soportarla normalmente toda la estructura del equipo, como así también cojinetes y accesorios. Carrera máxima, es la máxima carrera a obtener en el vástago pulido,
La designación sugerida por API es:
M - 228D-173-74”
Donde:
M es el tipo de unidad de bombeo mecánico
Tipos de Unidades de Bombeo:
M Mark II Unitorque C Convencional A Air Balanced B Beam Balanced LP Low Profile RM Reverse Mark CM Convencional 228 Torque máximo de la caja reductora
(en miles de libras x pulgada) D Tipo de reducción de la caja (simple, doble o triple) 173 Carga estructural máxima (en cientos de libras) 74” Valor máximo de la carrera (en pulgadas)
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Para el siguiente diseño se calculara
� Correa de transmisión
� El cojinete central
� Unión de cabeza de mula
El equipo se necesitara para extraer petróleo a una profundidad de 1700 m. La impulsión de los equipos pueden ser motores de combustión interna o eléctrica. Los primeros deben tener un excelente mantenimiento y planes de prevención de fallas, son usados cuando no existen redes eléctricas.
En general están equipados con motores eléctricos y se diseñan para el uso en el campo petrolero, es decir a la intemperie y de construcción para la corriente trifásica, asincrónicos y con rotor de cortocircuito. Los motores aplicables a la industria petrolera responden a la clasificación NEMA (National Electrical Manufacturers Association) en sus alternativas A, C, o D. Los de alto deslizamiento son clasificados por NEMA como equipos para propósitos especiales. El Nema D es el de mayor uso por su adaptación a las exigencias de los aparatos de bombeo en sus dos versiones que son: Alto deslizamiento entre 5 % y 8 % y especiales con valores entre el 8 % y 13 %.
El resbalamiento es la diferencia entre la velocidad sincrónica del motor y l, mantiene a velocidad que desarrolla a plena carga. A mayor resbalamiento (o deslizamiento) menor diferencia, consecuentemente meno consumo y lo que es más importante, mantiene constante el movimiento imprimido al vástago de bombeo frente a cargas diferentes con lo que favorece en gran medida la uniformidad en la distribución de los esfuerzos.
El equipo se accionara con un motor eléctrico donde determinaremos su potencia. Se utilizara el catalogo de LUFKIN en la sección de ARTIFICIAL LIFT NOMENCLATURE AND APPLICATION FORMULAS (ANEXO II).
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Determinación de la potencia de bombeo
La potencia mecánica necesaria
Formula A (Para motores eléctricos NEMA D)
(Feet)
Con una profundidad de 1700 m equivalente a 5600 pies y se propone unos 217 barriles por día
Con un rendimiento mecánico de por catalogo (ANEXO III).
Determinación de la correa
La experiencia de miles horas de uso ha demostrado que las correas de banda, bien utilizadas dan un excelente rendimiento operativo y económico, se debe tener una utilización y control, no solo por la prolongación de la vida útil sino para evitar paradas innecesarias y las consecuente perdidas de producción
Para determinar la correa de transmisión será necesario los pasos siguientes lo guiarán en la selección de una transmisión utilizando correas de sección trapecial y poleas acanaladas para conectar dos ejes. Al comienzo se requieren los siguientes datos:
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Potencia requerida en la máquina conducida [HP] Tipo de máquina motora y máquina conducida Velocidad de la máquina motora [rpm] Velocidad de la máquina conducida [rpm] Distancia tentativa entre ejes
Debido a que las máquinas conducidas tienen formas particulares de funcionamiento, se deben prevenir fallas debidas a los golpes, vibraciones o tirones. De forma similar, las máquinas motoras tienen formas particulares de funcionamiento, algunas son más suaves que otras, o tienen un impulso inicial o un giro a tirones. Estas situaciones se consideran a través de un factor de servicio (C1) que aumenta la potencia a transmitir para obtener la potencia de diseño que considera las características de la máquina y el motor utilizado. En la tabla siguiente, escoja el motor utilizado y la máquina que más se asemeja a su diseño. Se obtiene así el factor C1, el cual se multiplica por la potencia a transmitir, para obtener la potencia de diseño. Para nuestro caso se debe sumar 0,2 por ser un servicio continuo (más de 16 horas por día). Para nuestro caso el coeficiente C1 es 1,6. Entonces la potencia de diseño es igual a la potencia a transmitir por el factor C1.
Potencia de diseño = C1 x Potencia a transmitir = 1,6 x 21 kW = 33 kW Las velocidades sincrónicas de los motores son de 600, 720, 900, 1200, 1800 y 3200 rpm, lo que es conveniente y se va a utilizar es 1200 rpm. Con la potencia de diseño y la velocidad del eje más rápido se consulta el siguiente gráfico en el cual se aprecia las 5 secciones más típicas de las correas. Cada sección aparece como una zona de un color particular. Con los datos ya indicados se observa en que zona se encuentra. Esto determina la sección de correa que se recomienda usar. En este caso: Para un eje rápido girando a 1200 rpm y una potencia de diseño de 33 kW, se recomienda usar correas de sección C.
Fuente: Catálogo Roflex de correas trapezoidales.
Factor de servicio
Motores eléctricos:
• De corriente alterna monofásicos
• Asincrónicas
• Jaula de ardilla de par normal
• De corriente contínua bobinaje shunt
Motores eléctricos:
• De corriente alterna con par de gran potencia
• De rotor bobinado y anillos rozantes
• De corriente contínua bobinaje compound
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Motores a gas
Motores de combustión interna policilíndricas
Ejes de transmisión
Tomas de fuerza con embrague
Agitadores de líquidos
Ventiladores pequeños y medianos
Bombas centrífugas.
1,1 1,2
Punzonadoras
Generadores
Compresores de tornillo
Cizallas
Prensas
1,2 1,4
Elevadores
Compresores de pistones
Bombas de pistones
Ventiladores grandes
Maquinaria textil
Máquinas herramientas
1,4 1,6
Malacates y huinches
Molinos
Chancadoras de mandíbulas
Transportadora de correa sinfín
1,6 1,8
Para determinar la máxima revolución por minuto de aparato de bombeo (SPM) se utilizara el catalogo de LUFKIN en la sección de ARTIFICIAL LIFT NOMENCLATURE AND APPLICATION FORMULAS (ANEXO II).
Para unidad convencional
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Donde
Para una unidad convencional la longitud de carrera es de L= 144 “
Una vez determinado el valor máximo de revoluciones en el aparato de bombeo se debe determinar el diámetro de la polea en el motor (Primer Mover Sheave Diameter)
Donde
Para determinar la distancia de los centro de las poleas (Center Distance)
Donde los valores son de dimensiones de una maquina tipo, para este caso se utilizara el modelo C-320D-256-100
Para determinar la longitud de las correas (Belt length)
Donde los valores son de dimensiones de una maquina tipo, para este caso se utilizara el modelo C-320D-256-100
Conociendo este valor y la sección utilizada, se consulta la tabla siguiente, que entrega la identificación de la correa adecuada.
Esta identificación es una letra y un número, la letra indica el tamaño de la sección transversal de la correa (A, B, C, D, E) y el número representa el largo de la correa cuyo largo se aproxima lo más posible al largo L calculado. Como es muy probable que la correa seleccionada tenga un largo diferente de L se debe ajustar la distancia entre centros C acercado o alejando los ejes.
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LONGITUDES PRIMITIVAS DE LAS CORREAS
Nº Perfil A ( 13 x 8 )
Perfil B ( 17 x 10,5 )
Perfil C ( 22 x 13.5 )
Perfil D ( 32 x 19 )
Perfil E ( 40 x 25 )
26 690
28 741
31 817
35 919 932
38 995 1008
42 1097 1110
46 1198 1211
51 1325 1338 1347
55 1427 1440
60 1554 1567 1576
64 1656 1669
68 1757 1770 1779
71 1833 1846
75 1935 1948 1957
80 2062 2079 2084
81 2100 2109
85 2189 2202 2211
90 2316 2329 2338
96 2468 2490
97 2494 2507 2516
105 2697 2710 2719
112 2875 2888 2897
120 3078 3091 3100 3117
128 3281 3294 3303 3320
136 3497 3506
144 3701 3710 3727
158 4055 4065 4082
162 4158 4167 4184
173 4437 4446 4463
180 4615 4624 4641 4656
195 4996 5005 5022 5037
210 5377 5386 5403 5418
240 6106 6105 6102 6109
270 6868 6867 6864 6871
300 7630 7629 7626 7633
330 8391 8388 8395
360 9153 9150 9157
390 9915 9912 9919
420 10677 10674 10681
480 12198 12205
540 13722 13729
600 15246 15253
Fuente: Catálogo Roflex de correas trapezoidales.
La correa a utilizar va a ser de una sección de perfil C (22 x 13,5) y el número es Nº 240.
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Debemos calcular la potencia nominal
Donde
Para nuestro caso una sección de perfil C los valores son a = 8,792 c = 38,819 e = 0,0416
El diámetro calculado es de 360 mm =36 cm
Por tabla 17.4 del libro “Diseño de elementos de maquinas”- FAIRES obtiene K d= 1,14
La velocidad de la correa es igual a v m = π D1 n =π x 0.36 m x 1200 rpm= 1356 mpm donde n es la velocidad de giro del motor
Debemos calcular ahora la potencia nominal ajustada
Donde
Por tabla 17.6 del libro “Diseño de elementos de maquinas”- FAIRES obtiene K L= 1,11
Por tabla 17.5 del libro “Diseño de elementos de maquinas”- FAIRES obtiene que
Entonces el numero de correa esta dado por
Donde se aproxima al número entero más próximo.
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Determinación del Cojinete Central
El cojinete será completo al que le corresponde la carga total que debe soportar. Esta se compone de la viga balancín, la cabeza de mula y la carga sobre el colgador del vástago. El mismo funcionara en un régimen a temperatura media igual 40 ºC, aproximadamente 14 ºC mayor que la temperatura ambiente.
Los valores de la carga se detallan el manual del equipo de bombeo individual de SIAM que está en el incluido en el anexo.
La carga es
La carga total es
El diámetro del muñón es de D = 30 cm y una longitud L = 90 cm, L/D=3
Consideremos un ajuste de rotación media RC 5 usamos la tabla 3.1 del libro “Diseño de elementos de maquinas”- FAIRES para un cojinete de 30 cm deducimos que:
Estos dan un huelgo medio ;
El valor del mínimo espesor de la película lubricante, Fuller propone, para cojinetes de metal antifricción y aceite alimentado a
presión, , para este caso .
Para determinar el número de Sommerfeld; o el número característico del cojinete, se utiliza la tabla AT 20 del libro DISEÑO DE ELEMENTO DE MAQUINA-FAIRES, y se entra con
Con este valor . Utilizando este valor, debemos determinar la viscosidad , sabiendo que el
además , y por ultimo
Y determinamos la viscosidad absoluta , que es el valor medio deseado de la viscosidad del aceite a la temperatura de régimen normal de 25 ºC.
El coeficiente de rozamiento variable correspondiente a , deducido de la tabla AT 20 es , por consiguiente
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La perdida de energía por rozamiento es
Esta energía debe disiparse por radiación y por convención desde el cojinete o bien el flujo de aceite circundante debe transportarla y disiparla al ambiente circundante.
Para seleccionar el aceite usaremos la curva de viscosidad típicas del aceite donde será la intersección de la línea t = 25 ºC y de
la línea de .
Observamos que está próximo a la curva SAE 80W90 y que las especificaciones están en el Anexo II.
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Cálculo del Estrobo
Se debe calcular el diámetro de la sección circular de un perno que va a soportar la carga del vástago. Tendrá una longitud igual 20 cm. Usaremos un coeficiente de seguridad N = 2.
Esta carga se determina a través de un diagrama dinamométrico
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El perno estará sometido a una carga cortante y una flexión que producirá una tracción y compresión. Estas cargas serán variables.
Para el seleccionar el material usaremos la tabla AT 7 del libro DISEÑO DE ELEMENTO DE MAQUINA-FAIRES donde utilizara un Acero 3150 OQT 1000 (templado y revenido en aceite a 538 ºC) que está compuesta de 1,25 % Ni, 0,8 % Cr, y sirven para realizar engranaje, pernos ejes, etc.
Las propiedades mecánicas son las siguientes:
Aplicaremos la ecuación de esfuerzos normal y cortante variables sobre un plano en un punto.
El esfuerzo de flexión cambiara en función de la carga máxima y mínima en el vástago .La carga realiza sobre el perno un momento flector igual a
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Vemos que el esfuerzo en el punto considerado varia de
Donde
El esfuerzo medio y variable es respectivamente
Utilizaremos la teoría de esfuerzo cortante máximo
El esfuerzo cortante cambiara también en función de la carga máxima y mínima en el vástago .La carga realiza sobre el perno es igual a
Donde
El esfuerzo medio y variable es respectivamente
Antes de utilizar la ecuación determinaremos el coeficiente de concentrador de esfuerzos y usaremos para la misma, rosca
mecanizada (UNC), y será según tabla AT 12 del mismo libro.
Remplazo los valores en la ecuación y despejamos D.
Y nos da una valor aproximado de
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