DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN VENTILADOR AXIAL PARA UN …
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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
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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
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.
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CONTENIDO Pág.
INTRODUCCIÓN 1
1. OBJETIVOS 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 18
3.1. CARACTERÍSTICAS Y GEOMETRÍA 18
3.1.1. Selección del perfil aerodinámico 19
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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 23
3.2.1. Simulación de esfuerzos en las aspas 23
3.3. CURVAS TEÓRICAS DE RENDIMIENTO A 1150 RPM 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 27
4.1. FABRICACIÓN DE LAS ASPAS 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 36 6. CONCLUSIONES 38
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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
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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
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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
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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
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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
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1
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.
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2
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-55-60-
1X1 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.
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3
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
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4
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:
Posición radial (m) Cuerda (m) Ángulo de
calaje (°)0,0660 0,0838 52,190,0720 0,0828 50,590,0776 0,0820 49,080,0828 0,0813 47,640,0877 0,0807 46,270,0923 0,0801 44,950,0967 0,0797 43,680,1010 0,0793 42,440,1050 0,0789 41,250,1089 0,0786 40,090,1127 0,0783 38,970,1163 0,0781 37,870,1198 0,0778 36,800,1233 0,0777 35,750,1266 0,0775 34,730,1298 0,0735 35,120,1330 0,0683 35,270,1361 0,0623 35,630,1391 0,0533 34,220,1421 0,0320 33,520,1450 0,0000 0,00
Tabla 1. Geometría de las aspas del ventilador Siemens
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5
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.
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
-5 0 5 10 15 20 25
Ángulo de ataque (°)
CL
, CD
CL Relación de Aspecto 5CL Relación de Aspecto InfinitaCD Relación de Aspecto 5CD Relación de Aspecto Infinita
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
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6
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 (m2/s)
Presiónatm
(Pa)Temperatura
(ºC)Densidad
(kg/m3)
0,000014 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
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7
obtenidos para el aumento en la presión estática a través del rotor se muestran
en la tabla 3.
Velocidad (rpm)
Caudal (m3/s) 0,15 0,65 0,15 0,6 0,15 0,65
∆Presión (mm H2O) 8,75 7,93 15,56 14,31 32,54 26,36
1800 2400 3500
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/AMCA (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
PL.2PL.1
PITOT
PL.3
3.2 m
2.7 m
1.6 m
Figura 3. Montaje experimental
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8
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
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9
que apunta en la dirección del flujo, y en cuyo extremo 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:
tS PVP =+ 2
21 ρ
Así, es posible determinar la velocidad del fluido utilizando:
( )ρ
St PPV −= 2
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.
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10
V = 0,01P + 1,1215
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 100 200Presión (mm H2O)
Res
pues
ta (V
)
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:
3IVP Lmotor =
Donde I representa la corriente medida y LV el voltaje entre líneas.
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11
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:
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12
2
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∑=
nP
P vrv
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:
ρvPV 2
= AVQ =
La presión estática se calculó por medio de:
nPP sr
s∑=
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 xn
x
2
1Intensidad deTurbulencia
El valor obtenido se expresa como un porcentaje.
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13
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:
8,8
99,2
9,4
9,6
9,8
1010,2
10,4
0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (s)
Velo
cida
d (m
/s)
Figura 6. Medición de velocidad antes de los correctores
7,8
8
8,28,4
8,6
8,89
9,2
9,4
0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (s)
Velo
cida
d (m
/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.
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14
2.3.4.2. Curvas de presión contra caudal
Operando el ventilador Siemens a 1800, 2400 y 3500 RPM, se obtuvieron los
siguientes resultados:
Para ω=1800 RPM:
0
2
4
6
8
10
12
14
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Caudal (m3/s)
Pre
sion
(mm
H2O
)
Ps Pt Teórico
Figura 8. Curva de presión contra caudal para ventilador Siemens a 1800 RPM
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15
Para ω=2400 RPM:
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Caudal (m3/s)
Pres
ion
(mm
H2O
)
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.
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16
Para ω=3500 RPM:
0
5
10
15
20
25
30
35
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1
Caudal (m3/s)
Pres
ion
(mm
H2O
)
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.
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17
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
16%
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
Caudal (m3/s)
Efic
ienc
ia
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.
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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: 60 m3/s
Densidad del aire: 0,88 g/cm3
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
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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.
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A continuación se muestra la geometría del perfil E387:
Figura 12. Geometría del perfi l 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
una velocidad angular de 1150 RPM y bombeando un caudal de 60 m3/s.
1 Tomada de [6]
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21
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
IM-2007-I-07
22
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:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
2csc θ
ar
Para un valor de a de 0,2 m, se obtuvo la siguiente geometría:
-0,5
-0,3
0,0
0,3
0,5
-0,3 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2
Eje x (m)
Eje
y (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.
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23
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 cuyos 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
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24
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
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25
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. Curvas de presión y potencia contra caudal
0
100
200
300
400
500
600
700
800
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Caudal (m3/s)
Pres
ión
(Pa)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Pot
enci
a (k
W)
PresiónPotencia
Figura 17. Curvas teóricas de presión y potencia contra caudal a 1150 RPM
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26
3.3.2. Curva de eficiencia contra caudal
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Caudal (m3/s)
Efic
ienc
ia (%
)
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].
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27
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
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28
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
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29
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
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30
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
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31
4.2.3. Piezas finales
Imagen 8. Disco terminado
4.3. ENSAMBLE DEL CONJUNTO
Imagen 9. Ensamble del prototipo
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32
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:
0
1
2
3
4
5
6
7
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Caudal (m3/s)
Pres
ión
(mm
H2O
)
P t Ps Teórico
Figura 19. Curva de presión contra caudal para el prototipo a 2400 RPM
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33
Para ω=3000 RPM:
0
2
4
6
8
10
12
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Caudal (m3/s)
Pre
sión
(mm
H2O
)
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.
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34
Para ω=3500 RPM:
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Caudal (m3/s)
Pre
sión
(mm
H2O
)
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].
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35
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
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Caudal (m3/s)
Pre
sion
(mm
H2O
)
3500 rpm 3000 rpm 2400 rpm
Figura 22. Curvas de presión estática contra caudal con entrada en un ducto
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36
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.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8Caudal (m3/s)
Pres
ion
(mm
H2 O
)
3500 rpm con ducto 3000 rpm con ducto2400 rpm con ducto 3500 rpm libre3000 rpm libre 2400 rpm libre
Figura 23. Curvas de presión contra caudal para los dos montajes
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37
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.
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38
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-55-
60-1X1 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 verificada
satisfactoriamente mediante una simulación por elementos finitos.
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39
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.
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40
7. BIBLIOGRAFÍA
[1] ANDERSON, John D., Jr.: Fundamentals of Aerodynamics, Third Edition, McGraw Hill, 2001. [2] PINILLA, 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 the Reynolds numbers 104-106, 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., MCGRANAHAN, 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, Roy 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
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ANEXO A INFORMACIÓN AERODINÁMICA PLACA CURVADA
α (°) CL CD-4,9 -0,1730 0,0600-0,1 0,3020 0,02484,8 0,6600 0,03709,6 0,9840 0,1100
12,1 1,0830 0,175014,6 1,0700 0,238022,1 1,0500 0,355029,6 0,9860 0,513039,7 0,8670 0,6650
Relación de Aspecto 5
α (°) CL CD-4,9 -0,1873 0,0580-0,1 0,3575 0,01874,8 0,9135 0,00799,6 1,0900 0,1615
12,1 1,0840 0,281314,6 1,0720 0,448018 1,0640 0,614825 1,0300 0,766430 0,9900 0,9388
Relación de Aspecto Infinita
ANEXO B CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR SIEMENS
0,0660 0,08377 52,19 0,00 52,19 12,441 0,714 0,809 0,025 0,00 47,04 4,7970,0720 0,08283 50,59 0,00 50,59 13,579 0,736 0,780 0,028 0,00 52,62 5,3650,0776 0,08201 49,08 0,00 49,08 14,629 0,755 0,754 0,030 0,00 57,94 5,9080,0828 0,08130 47,64 0,00 47,64 15,608 0,774 0,730 0,033 0,00 63,05 6,4290,0877 0,08068 46,27 0,00 46,27 16,530 0,792 0,708 0,036 0,00 67,97 6,9310,0923 0,08014 44,95 0,00 44,95 17,402 0,809 0,688 0,038 0,00 72,79 7,4230,0967 0,07967 43,68 0,00 43,68 18,233 0,825 0,670 0,041 0,00 77,54 7,9070,1010 0,07925 42,44 0,00 42,44 19,029 0,840 0,652 0,043 0,00 81,93 8,3550,1050 0,07889 41,25 0,00 41,25 19,790 0,855 0,635 0,045 0,00 86,64 8,8350,1089 0,07857 40,09 0,00 40,09 20,525 0,869 0,619 0,048 0,00 90,96 9,2750,1127 0,07829 38,97 0,00 38,97 21,234 0,882 0,603 0,050 0,00 95,36 9,7240,1163 0,07805 37,87 0,00 37,87 21,920 0,895 0,588 0,052 0,00 99,67 10,1640,1198 0,07785 36,80 0,00 36,80 22,586 0,907 0,572 0,054 0,00 103,96 10,6010,1233 0,07768 35,75 0,00 35,75 23,232 0,919 0,556 0,057 0,00 108,25 11,0390,1266 0,07754 34,73 0,00 34,73 23,862 0,930 0,540 0,059 0,00 112,27 11,4480,1298 0,07346 35,12 0,00 35,12 24,474 0,926 0,546 0,057 0,00 108,65 11,0800,1330 0,06829 35,27 0,00 35,27 25,072 0,925 0,548 0,054 0,00 103,48 10,5520,1361 0,06231 35,63 0,00 35,63 25,656 0,920 0,554 0,050 0,00 95,90 9,7790,1391 0,05328 34,22 0,00 34,22 26,225 0,936 0,532 0,045 0,00 85,66 8,7350,1421 0,03202 33,52 0,00 33,52 26,785 0,943 0,520 0,055 0,00 105,73 10,7810,1450 Prom. 8,76
Ut (m/s) ∆P (Pa)∆P (mm
H2O)
Con ω=1800 RPM, Q=0 m3/sr (m) c (m) β (°) ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s) Cl Cd dl
IM-2007-I-07
0,0660 0,08377 52,19 50,84 1,35 16,018 0,538 0,011 0,031 2,118 1,485 3,6890,0720 0,08283 50,59 48,45 2,14 16,596 0,634 0,009 0,035 2,345 1,795 4,5150,0776 0,08201 49,08 46,29 2,79 17,183 0,711 0,007 0,039 2,510 2,069 5,2490,0828 0,08130 47,64 44,31 3,33 17,780 0,771 0,007 0,043 2,624 2,309 5,8970,0877 0,08068 46,27 42,50 3,77 18,383 0,817 0,006 0,045 2,700 2,516 6,4730,0923 0,08014 44,95 40,85 4,10 18,989 0,850 0,007 0,048 2,747 2,694 6,9800,0967 0,07967 43,68 39,33 4,34 19,596 0,873 0,007 0,050 2,772 2,849 7,4290,1010 0,07925 42,44 37,93 4,52 20,206 0,889 0,007 0,051 2,773 2,974 7,8100,1050 0,07889 41,25 36,65 4,60 20,805 0,896 0,007 0,053 2,769 3,088 8,1620,1089 0,07857 40,09 35,46 4,63 21,408 0,899 0,007 0,054 2,746 3,176 8,4540,1127 0,07829 38,97 34,36 4,60 22,004 0,897 0,007 0,054 2,716 3,250 8,7090,1163 0,07805 37,87 33,34 4,53 22,597 0,890 0,007 0,055 2,677 3,307 8,9210,1198 0,07785 36,80 32,39 4,41 23,186 0,879 0,007 0,056 2,630 3,348 9,0910,1233 0,07768 35,75 31,50 4,25 23,770 0,865 0,007 0,056 2,578 3,375 9,2220,1266 0,07754 34,73 30,66 4,07 24,354 0,847 0,007 0,056 2,514 3,381 9,2970,1298 0,07346 35,12 30,07 5,05 24,788 0,934 0,008 0,059 2,614 3,605 9,8690,1330 0,06829 35,27 29,38 5,88 25,315 0,993 0,012 0,059 2,595 3,667 10,0060,1361 0,06231 35,63 28,67 6,96 25,886 1,048 0,018 0,058 2,516 3,638 9,8550,1391 0,05328 34,22 27,70 6,52 26,716 1,029 0,015 0,051 2,135 3,155 8,7550,1421 0,03202 33,52 27,47 6,04 26,923 1,003 0,012 0,059 2,452 3,702 10,2100,1450 Prom. 7,93
ωdT (W)∆P (mm
H2O)Cl Cd dl Ut (m/s)ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s)
Con ω=1800 RPM, Q=0,65 m3/sr (m) c (m) β (°)
0,0660 0,08377 52,19 0,00 52,19 16,588 0,714 0,809 0,044 0,00 83,63 8,5270,0720 0,08283 50,59 0,00 50,59 18,105 0,736 0,780 0,049 0,00 93,54 9,5380,0776 0,08201 49,08 0,00 49,08 19,505 0,755 0,754 0,054 0,00 103,00 10,5030,0828 0,08130 47,64 0,00 47,64 20,811 0,774 0,730 0,059 0,00 112,08 11,4300,0877 0,08068 46,27 0,00 46,27 22,039 0,792 0,708 0,063 0,00 120,83 12,3210,0923 0,08014 44,95 0,00 44,95 23,203 0,809 0,688 0,068 0,00 129,41 13,1960,0967 0,07967 43,68 0,00 43,68 24,311 0,825 0,670 0,072 0,00 137,86 14,0580,1010 0,07925 42,44 0,00 42,44 25,372 0,840 0,652 0,076 0,00 145,65 14,8530,1050 0,07889 41,25 0,00 41,25 26,387 0,855 0,635 0,081 0,00 154,03 15,7060,1089 0,07857 40,09 0,00 40,09 27,367 0,869 0,619 0,085 0,00 161,70 16,4890,1127 0,07829 38,97 0,00 38,97 28,312 0,882 0,603 0,089 0,00 169,52 17,2870,1163 0,07805 37,87 0,00 37,87 29,227 0,895 0,588 0,093 0,00 177,20 18,0690,1198 0,07785 36,80 0,00 36,80 30,114 0,907 0,572 0,097 0,00 184,81 18,8460,1233 0,07768 35,75 0,00 35,75 30,976 0,919 0,556 0,101 0,00 192,45 19,6240,1266 0,07754 34,73 0,00 34,73 31,816 0,930 0,540 0,105 0,00 199,59 20,3530,1298 0,07346 35,12 0,00 35,12 32,632 0,926 0,546 0,101 0,00 193,16 19,6970,1330 0,06829 35,27 0,00 35,27 33,429 0,925 0,548 0,096 0,00 183,96 18,7590,1361 0,06231 35,63 0,00 35,63 34,208 0,920 0,554 0,089 0,00 170,49 17,3850,1391 0,05328 34,22 0,00 34,22 34,967 0,936 0,532 0,080 0,00 152,28 15,5290,1421 0,03202 33,52 0,00 33,52 35,714 0,943 0,520 0,098 0,00 187,96 19,1660,1450 Prom. 15,57
Ut (m/s) ∆P (Pa)∆P (mm
H2O)
Con ω=2400 RPM, Q=0 m3/sr (m) c (m) β (°) ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s) Cl Cd dl
IM-2007-I-07
0,0660 0,08377 52,19 43,51 8,67 16,644 1,088 0,035 0,067 4,518 3,962 9,1900,0720 0,08283 50,59 40,17 10,42 17,766 1,086 0,060 0,070 4,529 4,336 9,8790,0776 0,08201 49,08 37,50 11,58 18,826 1,085 0,083 0,072 4,568 4,711 10,5010,0828 0,08130 47,64 35,28 12,36 19,841 1,084 0,100 0,075 4,613 5,077 11,0990,0877 0,08068 46,27 33,40 12,87 20,821 1,083 0,113 0,077 4,654 5,426 11,6930,0923 0,08014 44,95 31,76 13,18 21,769 1,082 0,121 0,080 4,690 5,759 12,3010,0967 0,07967 43,68 30,33 13,35 22,696 1,082 0,125 0,083 4,721 6,068 12,9300,1010 0,07925 42,44 29,04 13,41 23,612 1,082 0,127 0,085 4,729 6,342 13,5360,1050 0,07889 41,25 27,90 13,35 24,490 1,082 0,125 0,088 4,742 6,618 14,2030,1089 0,07857 40,09 26,86 13,23 25,366 1,082 0,122 0,091 4,734 6,856 14,8370,1127 0,07829 38,97 25,91 13,05 26,225 1,083 0,117 0,093 4,724 7,072 15,5050,1163 0,07805 37,87 25,05 12,82 27,069 1,083 0,111 0,096 4,704 7,270 16,1720,1198 0,07785 36,80 24,25 12,54 27,899 1,084 0,104 0,099 4,678 7,448 16,8450,1233 0,07768 35,75 23,52 12,23 28,715 1,084 0,097 0,102 4,648 7,612 17,5270,1266 0,07754 34,73 22,84 11,89 29,525 1,085 0,089 0,105 4,605 7,747 18,1800,1298 0,07346 35,12 22,22 12,90 30,301 1,083 0,113 0,102 4,582 7,906 17,5970,1330 0,06829 35,27 21,59 13,67 31,141 1,081 0,134 0,098 4,470 7,907 16,8290,1361 0,06231 35,63 20,99 14,65 32,000 1,078 0,164 0,092 4,328 7,834 15,6710,1391 0,05328 34,22 20,14 14,08 33,283 1,080 0,146 0,083 3,718 6,878 14,4860,1421 0,03202 33,52 20,02 13,49 33,473 1,082 0,129 0,099 4,263 8,051 17,3470,1450 Prom. 14,32
ωdT (W)∆P (mm
H2O)Cl Cd dl Ut (m/s)ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s)
Con ω=2400 RPM, Q=0,6 m3/sr (m) c (m) β (°)
0,0660 0,08377 52,19 0,00 52,19 23,983 0,714 0,809 0,092 0,00 174,81 17,8380,0720 0,08283 50,59 0,00 50,59 26,177 0,736 0,780 0,102 0,00 195,54 19,9530,0776 0,08201 49,08 0,00 49,08 28,201 0,755 0,754 0,113 0,00 215,31 21,9710,0828 0,08130 47,64 0,00 47,64 30,089 0,774 0,730 0,123 0,00 234,31 23,9090,0877 0,08068 46,27 0,00 46,27 31,865 0,792 0,708 0,132 0,00 252,59 25,7740,0923 0,08014 44,95 0,00 44,95 33,547 0,809 0,688 0,142 0,00 270,52 27,6040,0967 0,07967 43,68 0,00 43,68 35,150 0,825 0,670 0,151 0,00 288,18 29,4060,1010 0,07925 42,44 0,00 42,44 36,683 0,840 0,652 0,159 0,00 304,48 31,0700,1050 0,07889 41,25 0,00 41,25 38,151 0,855 0,635 0,169 0,00 321,98 32,8560,1089 0,07857 40,09 0,00 40,09 39,568 0,869 0,619 0,177 0,00 338,02 34,4920,1127 0,07829 38,97 0,00 38,97 40,934 0,882 0,603 0,186 0,00 354,38 36,1610,1163 0,07805 37,87 0,00 37,87 42,257 0,895 0,588 0,194 0,00 370,42 37,7980,1198 0,07785 36,80 0,00 36,80 43,540 0,907 0,572 0,202 0,00 386,34 39,4220,1233 0,07768 35,75 0,00 35,75 44,786 0,919 0,556 0,211 0,00 402,30 41,0510,1266 0,07754 34,73 0,00 34,73 46,000 0,930 0,540 0,219 0,00 417,23 42,5740,1298 0,07346 35,12 0,00 35,12 47,181 0,926 0,546 0,211 0,00 403,79 41,2030,1330 0,06829 35,27 0,00 35,27 48,333 0,925 0,548 0,201 0,00 384,56 39,2400,1361 0,06231 35,63 0,00 35,63 49,459 0,920 0,554 0,187 0,00 356,39 36,3670,1391 0,05328 34,22 0,00 34,22 50,557 0,936 0,532 0,167 0,00 318,34 32,4840,1421 0,03202 33,52 0,00 33,52 51,636 0,943 0,520 0,206 0,00 392,91 40,0930,1450 Prom. 32,56
Ut (m/s) ∆P (Pa)∆P (mm
H2O)
Con ω=3500 RPM, Q=0 m3/sr (m) c (m) β (°) ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s) Cl Cd dl
IM-2007-I-07
0,0660 0,08377 52,19 35,55 16,64 21,361 1,071 0,178 0,109 6,812 9,443 15,2030,0720 0,08283 50,59 32,60 17,99 23,055 1,065 0,198 0,115 6,980 10,561 16,6340,0776 0,08201 49,08 30,25 18,82 24,652 1,061 0,212 0,121 7,149 11,654 17,9870,0828 0,08130 47,64 28,32 19,32 26,178 1,059 0,222 0,127 7,303 12,704 19,3170,0877 0,08068 46,27 26,69 19,58 27,649 1,057 0,227 0,133 7,436 13,701 20,6400,0923 0,08014 44,95 25,29 19,65 29,069 1,057 0,228 0,139 7,552 14,650 21,9750,0967 0,07967 43,68 24,07 19,60 30,446 1,057 0,227 0,145 7,652 15,554 23,3240,1010 0,07925 42,44 22,99 19,46 31,806 1,058 0,225 0,151 7,716 16,368 24,6230,1050 0,07889 41,25 22,03 19,22 33,105 1,059 0,220 0,157 7,791 17,188 26,0110,1089 0,07857 40,09 21,17 18,93 34,397 1,061 0,214 0,163 7,831 17,918 27,3360,1127 0,07829 38,97 20,39 18,58 35,651 1,063 0,208 0,170 7,867 18,623 28,6920,1163 0,07805 37,87 19,68 18,19 36,883 1,065 0,201 0,176 7,893 19,279 30,0440,1198 0,07785 36,80 19,03 17,77 38,087 1,067 0,194 0,182 7,911 19,910 31,3900,1233 0,07768 35,75 18,44 17,31 39,257 1,069 0,187 0,188 7,925 20,536 32,7290,1266 0,07754 34,73 17,89 16,84 40,420 1,071 0,181 0,194 7,927 21,092 34,0130,1298 0,07346 35,12 17,34 17,78 41,662 1,066 0,194 0,190 7,822 21,331 33,2810,1330 0,06829 35,27 16,79 18,47 42,993 1,063 0,206 0,183 7,587 21,207 32,1610,1361 0,06231 35,63 16,25 19,38 44,384 1,058 0,223 0,173 7,271 20,800 30,3260,1391 0,05328 34,22 15,55 18,67 46,332 1,062 0,210 0,159 6,354 18,579 28,1740,1421 0,03202 33,52 15,51 18,00 46,444 1,065 0,198 0,188 7,327 21,877 33,4560,1450 Prom. 26,37
ωdT (W)∆P (mm
H2O)Cl Cd dl Ut (m/s)ΦΟ (°) α (°) Veff (m/s)
Con ω=3500 RPM, Q=0,65 m3/sr (m) c (m) β (°)
ANEXO C RESULTADOS PRUEBAS VENTILADOR SIEMENS
Q (m/s)Pt (mm H2O)
Ps (mm H2O) η
0,70 6,02 2,68 4,04%0,64 7,21 4,41 4,45%0,62 7,66 5,01 4,62%0,61 8,21 5,66 4,88%0,59 8,93 6,53 5,16%0,58 9,41 7,11 5,34%0,56 10,36 8,18 5,72%0,56 11,22 9,09 6,14%0,55 11,73 9,65 6,35%0,16 9,93 9,76 1,55%
Para ω=1800 RPM
Q (m/s)Pt (mm H2O)
Ps (mm H2O) η
0,78 7,19 2,96 4,92%0,76 7,80 3,80 5,22%0,75 8,48 4,57 5,62%0,73 9,45 5,84 6,04%0,71 10,74 7,30 6,72%0,69 12,13 8,86 7,42%0,61 12,17 9,62 6,58%0,55 14,20 12,15 6,91%0,54 16,72 14,74 7,99%0,19 15,29 15,05 2,60%
Para ω=2400 RPM
Q (m/s)Pt (mm H2O)
Ps (mm H2O) η
0,99 10,07 3,20 7,98%0,93 12,67 6,65 9,46%0,86 14,89 9,81 10,24%0,83 17,39 12,62 11,65%0,81 19,22 14,67 12,63%0,73 21,03 17,32 12,51%0,67 22,68 19,54 12,45%0,61 26,80 24,23 13,36%0,55 28,37 26,26 12,78%0,19 30,93 30,67 4,94%
Para ω=3500 RPM
IM-2007-I-07
ANEXO D CÁLCULOS DE DISEÑO VENTILADOR TÚNEL TVIM-55-60-1X1
r (m) Cuerda (m) β (°) γ (°)0,400000 0,132920 51,739 65,0720,414730 0,126480 50,104 66,2990,428950 0,121040 48,653 67,3510,442720 0,116360 47,351 68,2670,456070 0,112250 46,170 69,0760,469040 0,108600 45,093 69,7980,481660 0,105320 44,103 70,4480,493960 0,102350 43,189 71,0370,505960 0,099642 42,340 71,5750,517690 0,097156 41,550 72,0690,529150 0,094861 40,811 72,5240,540370 0,092733 40,118 72,9450,551360 0,090752 39,465 73,3380,562140 0,088900 38,851 73,7040,572710 0,087163 38,269 74,0460,583100 0,085529 37,719 74,3680,593300 0,083989 37,196 74,6700,603320 0,082533 36,699 74,9560,613190 0,081153 36,225 75,2260,622900 0,079842 35,773 75,4820,632460 0,078596 35,341 75,7250,641870 0,077409 34,928 75,9560,651150 0,076275 34,532 76,1760,660300 0,075191 34,152 76,3860,669330 0,074154 33,787 76,5870,678230 0,073160 33,436 76,7790,687020 0,072205 33,098 76,9630,695700 0,071289 32,773 77,1390,704270 0,070406 32,459 77,3090,712740 0,069557 32,156 77,4720,721110 0,068739 31,863 77,6280,729380 0,067949 31,581 77,7790,737560 0,067186 31,307 77,9250,745650 0,066449 31,042 78,0650,753660 0,065736 30,785 78,2010,761580 0,065046 30,536 78,3320,769420 0,064378 30,295 78,4590,777170 0,063730 30,060 78,5820,784860 0,063102 29,833 78,7010,792460 0,062492 29,611 78,8160,800000 0,061900 29,396 78,928
IM-2007-I-07
ANEXO E CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR TÚNEL TVIM-55-60-1X1
Caudal (m3/s)
Presión (Pa)
Potencia (kW)
Eficiencia (%)
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
Q (m3/s)Pt (mm H2O)
Ps (mm H2O) Q (m3/s)
Pt (mm H2O)
Ps (mm H2O) Q (m3/s)
Pt (mm H2O)
Ps (mm H2O)
0,183 3,854 3,621 0,000 10,525 10,525 0,368 6,810 5,8670,478 2,360 0,769 0,602 3,128 0,610 0,253 8,655 8,2090,479 2,543 0,945 0,464 3,352 1,855 0,751 5,107 1,1890,456 1,921 0,472 0,388 4,056 3,009 0,724 4,915 1,2740,427 1,865 0,594 0,326 4,722 3,983 0,688 4,867 1,5740,393 2,085 1,013 0,224 5,740 5,392 0,619 4,868 2,2060,322 2,928 2,206 0,189 6,572 6,324 0,523 5,339 3,4410,232 3,520 3,146 0,030 9,583 9,577 0,436 6,097 4,7770,120 4,821 4,721 0,599 2,895 0,400 0,206 9,278 8,9830,000 6,550 6,550 0,132 8,397 8,276 0,000 14,775 14,7750,349 2,771 1,926 0,628 3,461 0,718 0,387 6,775 5,7330,293 2,570 1,972 0,599 3,303 0,806 0,748 5,230 1,3360,475 2,338 0,766 0,574 3,269 0,976 0,651 5,291 2,3480,494 2,733 1,036 0,555 3,522 1,379 0,546 5,614 3,5430,460 2,547 1,076 0,494 3,230 1,535 0,483 6,073 4,4490,393 2,185 1,113 0,449 3,688 2,289 0,414 6,996 5,8060,316 2,944 2,251 0,397 4,385 3,291 0,311 7,217 6,5470,274 2,669 2,147 0,333 4,810 4,039 0,230 9,363 8,9950,220 3,501 3,165 0,189 6,472 6,224 0,145 10,401 10,2550,000 6,175 6,175 0,000 10,400 10,400 0,000 15,600 15,600
Con ω=2400 RPM Con ω=3000 RPM Con ω=3500 RPM
IM-2007-I-07
ANEXO G CÁLCULOS TEÓRICOS VENTILADOR ESCALA 1:5,33
Caudal (m3/s) 0,000 0,225 0,400 0,000 0,300 0,500 0,000 0,350 0,550
∆P (mm H2O) 6,17 3,07 1,92 10,16 5,02 3,32 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%
3000 RPM2400 RPM 3500 RPM
