Análisis hidrodinámico del impulsor de una bomba axial para el

Análisis hidrodinámico del impulsor de una bomba
axial para el cultivo de camarón
Ing. Pablo Alberto Limon Leyva
Resumen
La siguiente tesis representa el análisis de esfuerzo-deformación de los álabes
del impulsor de una bomba de 36" de diámetro. Esto se hizo con la finalidad de
determinar las zonas críticas de trabajo de los álabes por consecuencia del
impulsor. Se rediseñó usando las leyes Newtonianas de la Mecánica, el
impulsor de la bomba, se seleccionó la concentración de
los esfuerzos
máximos de la sección transversal de las flechas y el material de las mismas
basados en la aplicación del método del elemento finito
y también se
determinó la eficiencia a diferentes condiciones de carga-gasto en un modelo.
Para determinar lo antes mencionado, se utilizaron diferentes software de
diseño: NX6 y Auto CAD para dibujo, SOLID WORKS para análisis de
elemento finito. Esto se hizo con el objetivo de llegar a probar virtualmente las
modificaciones en los álabes del impulsor
propuestas. Dichos análisis se
llevaron a cabo haciendo una simulación de cargas en los álabes del impulsor
de la bomba Marca Agua Blanca, Modelo PA05752203, y de la flecha de acero
inoxidable A304 de la misma. Se utilizó el software SolidWorks y con el
programa del método del elemento finito que forma parte del software se
obtienen los esfuerzos y deformaciones que sufren la flecha y el impulsor al ir
variando el ángulo de ataque de los álabes con un resultado de una fuerza
constante de 30,888.9 Newton.
Finalmente con los resultados obtenidos, se permite ver los esfuerzos
generados en la flecha e impulsor del modelo y la diferencia de eficiencias al
momento de cambiar el ángulo del impulsor. Los resultados obtenidos permiten
mostrar las aplicaciones de los conocimientos en ingeniería, enfocados a
resolver problemas reales.
Introducción
Sonora es el estado de la república mexicana con el mayor crecimiento en
producción camaronícolas, hasta antes de que el cultivo de camarón estuviera
establecido, se contaba con plantas de almacenamiento y bodegas para
almacenar camarón capturado por medio de la pesca ribereña y alta mar, este
tipo de captura se incrementó y la producción de camarón al exceder la
capacidad de almacenamiento que se tenía, se adaptaron en forma
improvisada, no planeada, instalaciones que en su mayoría no cumplen con las
condiciones establecidas por las normas mexicana, en consecuencia tampoco
cumplen con las establecidas por la administración de drogas y alimentos de
los Estados Unidos (FDA por sus siglas en ingles).
La producción anual en Sonora en el 2006 fue de 45,000 toneladas de camarón
en una superficie de siembra de 15,000 hectáreas. Y para el 2007 se esperaba
un aumento en la producción del 20%, claro está que esto depende en gran
parte de las condiciones climatológicas y desarrollo de enfermedades que en
años anteriores han impactado en forma significativa la producción, tales como:
el virus de la mancha blanca, NHP (Hepantopancreatitis Necrotizante), entre
otros.
Dentro de la actividad denominada cultivo de camarón y pez tilapia, destaca la
importancia de los sistemas de bombeo, ya que estos se encargan de proveer
agua a los estanques en donde están contenidas las especies marinas antes
descritas.
Actualmente existen equipos de bombeo con características adecuadas para el
manejo del camarón, estas son las bombas axiales de impulsores abiertos. En
investigación hecha en relación al diseño de las bombas que están utilizando
en la región, se encontró que éstas son bombas fabricadas por empresas
locales, y por consecuencia no cuentan con suficiente información técnica
porque no tiene un departamento de Ingeniería que justifique esos diseños.
Los problemas que se están presentando en esos equipos de bombeo es que
al modificar la inclinación de los alabes del impulsor las flechas se fracturan o
no se logran los gastos necesarios. Esto es, se trabaja a prueba y error con
consecuencias desastrosas para los productores debido a que tienen que
detener el bombeo para hacer las reparaciones necesarias.
Actualmente existen varios equipos de bombeo, de flujo axial, que cuentan con
las siguientes características, 36 pulgadas de diámetro, gasto o caudal de 1
m3/seg, carga dinámica total HT = 7 m, impulsor de 3 alabes, que se fabrica de
manera artesanal tomando como referencia un modelo de impulsor de bomba
marca True Flow, de las primeras que se instalaron en la región cuando inició
el proceso de producción por medio de granjas acuícolas.
Como se menciona en el antecedente, la mayoría de las bombas instaladas en
las granjas camaronícolas, son fabricadas por empresas locales que no tienen
un departamento de Ingeniería que justifique los diseños de las bombas, y
como resultado no se tiene información técnica confiable de los modelos que
se están utilizando en el cultivo de camarón. Un problema serio que se está
presentando es que al modificar las condiciones de operación, básicamente al
aumentar el gasto se están presentando problemas de fractura en las flechas,
en los cojinetes y deformaciones permanentes en los alabes del impulsor, en
las zonas cercanas al centro del impulsor.
Para resolver los problemas planteados se propone hacer un análisis de las
cargas que actúan en los alabes del impulsor y de las deformaciones que son
producidas por estas cargas así como determinar los esfuerzos que están
produciendo la fractura en los materiales en la fecha. Con el resultado del
análisis definir si los espesores del material usado para fabricar los alabes son
los adecuados. Además con las cargas determinadas calcular los esfuerzos
máximos a que son sometidos los materiales de las flechas o ejes, con la
finalidad de hacer un rediseño de estos para que no exista fractura.
1.2 Definición del problema
Como se menciono anteriormente, la mayoría de las bombas instaladas en las
granjas camaronícolas, son fabricadas por empresas locales que no tienen un
departamento de Ingeniería que justifique los diseños de las bombas, y como
resultado no se tiene información técnica confiable de los modelos que se
están utilizando en el cultivo de camarón. Un problema que se presenta es que
al modificar las condiciones de operación, básicamente al aumentar el gasto se
aumenta la probabilidad de sufrir fractura en las flechas, en los cojinetes y
deformaciones permanentes en los alabes del impulsor, en las zonas cercanas
al centro del impulsor.
1.3 Justificación
Para resolver los problemas planteados se propone realizar un análisis de las
cargas que actúan en los alabes del impulsor y de las deformaciones que son
producidas por estas así como determinar los esfuerzos que están produciendo
la fractura en los materiales. Con el resultado del análisis definir si los
espesores del material usado para fabricar los alabes son los adecuados.
Además con las cargas determinadas calcular los esfuerzos máximos a que
son sometidos los materiales de las flechas o ejes, con la finalidad de hacer un
rediseño de estos para que no exista fractura.
1.4 Objetivos
General
Hacer un análisis de esfuerzo-deformación de los alabes del impulsor de la
bomba de 36" de diámetro, marca Agua Blanca Modelo PA05752203 para
determinar las zonas criticas de trabajo de los alabes y por consecuencia del
impulsor.
Específicos.
Rediseñar usando las leyes de la mecánica Newtoniana el impulsor de la
bomba.
Determinar la eficiencia a diferentes condiciones de carga-gasto
Seleccionar en base a los esfuerzos máximos la sección transversal de las
flechas y el material de las mismas basados en la Ley de Hooke.
1.5 Alcances y Límites
Se hará un análisis
solo en una bomba Marca Agua Blanca, Modelo
PA05752203.
Se determinará la sección crítica para la flecha de operación con el fin de
seleccionar la sección adecuada y eficiente.
Se utilizaran dos software de diseño el solidworks, para dibujo, y el COMSOL
para análisis de elemento finito, para probar virtualmente las modificaciones a
los alabes del impulsor propuestas.
Metodología para el diseño de la bomba:
Para el diseño de la bomba se utilizará el diseño proyectual, el cual consta de
los pasos que se describen a continuación.
1) El primer paso para un diseño es detectar una necesidad, la cual
posteriormente es transmitida al diseñador para que el establezca la
solución más adecuada, estableciendo lo que se diseñará.
En las granjas camaronícolas y de pez tilapia, se encontró que las bombas que
se utilizan, para el suministro de agua, que son fabricadas por empresas
locales, no cuentan con la información técnica necesaria que justifique sus
diseños.
2) Ya detectada la necesidad, se plantea ante el diseñador para proceder a
darle una solución.
Para resolver el problema, se realizará un análisis de los esfuerzos y
deformaciones que se presentan en los alabes del impulsor bajo condiciones
de operación de una de éstas bombas, así como también en la región de la
flecha de transmisión de la potencia donde ocurre la fractura.
Con el resultado de estos análisis se definirá si el espesor del material que se
utiliza para fabricar los alabes son los adecuados, asimismo se rediseñara la
sección circular de la flecha para las condiciones de ángulo de inclinación que
está generando la fractura.
Materiales:
•
Una computadora con 4GB de memoria o más
•
Un software de dibujo en este caso el autocad y solid Works
•
Un software del Método del Elemento Finito (COMSOL)
•
Bibliografía de mecánica de fluidos
•
Vernier digital
•
Flexómetro
•
Herramientas varias
El impulsor está diseñado para que la bomba tenga un gasto de 1.5 m3, el cual
contará con cuatro alabes, su diámetro es de 30 in y tiene un ángulo de ataque
de 18°.
Resultados:
En esta sección se muestran los resultados de los análisis realizados en el
impulsor y en la flecha de de la bomba, dichos análisis se llevaron a cabo
haciendo una simulación de cargas en los álabes del impulsor de la bomba
Marca Agua Blanca, Modelo PA05752203, y de la flecha de acero inoxidable
A304 de la misma, utilizando el software SolidWorks y con el programa del
método del elemento finito que forma parte del software, se obtienen los
esfuerzos y deformaciones que sufren la flecha y el impulsor al ir variando el
ángulo de ataque de los álabes, manteniendo una fuerza constante de 30,888.9
Newton.
Las pruebas para obtener el gasto y los tiempos de llenado de volumen de
prueba (20 litros), se realizaron en un modelo del diseño de la bomba
(PA05752203); estas se realizaron experimentalmente.
Haciendo un análisis de los esfuerzos y las deformaciones producidas por las
cargas en los álabes del impulsor y la flecha que transmite el giro hacia el
impulsor en las diferentes configuraciones relacionadas con los ángulos
mostradas en las figuras anteriores se observa que en todos los casos la
concentración de esfuerzos es mayor en la base de los alabes del impulsor, las
deformaciones son máximas en los extremos de los alabes y la concentración
de esfuerzos de tensión también se presenta en la base de los álabes, pero el
ángulo que produce menor esfuerzo en las base de los alabes fue el de 24°.
Las deformaciones en todos los casos fueron máximas en el extremo, pero el
mejor comportamiento se logra con el ángulo de 24°. Respecto a la flecha de
transmisión de giro a la bomba se observo que para el ángulo de 28° la flecha
presenta mayor magnitud de esfuerzos de tensión.
Con el fin de tener una visión más amplia respecto al comportamiento de la
bomba analizada en esta tesis, se fabricó un modelo con relación de 9:1 a base
de acrílico para la carcaza y el tubo, plástico PVC para fabricar los impulsores,
y flecha de acero cold roll. Las pruebas que se hicieron fue de velocidad
circular en RPM contra gasto aportado por la bomba, como motor impulsor, se
utilizó un taladro rotomartillo de velocidad variable de 0 a 3000 RPM de ¼ de
hp. A continuación se tienen los resultados en las tablas y gráficas siguientes.
Tabla 4. 1 Relaciones del gasto y tiempo de llenado con variaciones de ángulo
Impulsor Grados
1
16
2
20
3
24
4
28
Tiempo
(seg)
RPM
volumen de prueba
(lts)
Gasto
(lts/seg)
22
12
9
15
6
4
9
5
3.5
6
4
3
1800
2300
2900
1800
2300
2900
1800
2300
2900
1800
2300
2900
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
.90
1.66
2.22
1.33
3.33
5
2.22
4
5.71
3.33
5
6.66
En la tabla 4.1 se observa que el menor tiempo, para sacar 20 litros, fue de tres
segundos, el cual se logró con el ángulo de 28°, con una velocidad de 2900
revoluciones por minuto con un gasto de 6.66 litros por segundo.
El segundo menor tiempo fue de 3.5 segundos, con un ángulo de 24° a 2900
revoluciones por minuto con un gasto de 5.71 litros por segundo.
En tercer lugar fue de cuatro segundos, este tiempo se logro con el impulsor de
20° a 2900 revoluciones por minuto con un gasto de 5 litros por segundo;
también se logro con el ángulo de 28° a 2300 revoluciones por minuto con un
gasto de 5 litros por segundo.
El mayor tiempo de llenado fue de 22 segundos a 1800 revoluciones por minuto
con un ángulo de 16° y un gasto de 0.90 litros por segundo.
Conclusiones:
En base al análisis y a las conclusiones anteriores las recomendaciones son
las siguientes:
1. Se recomienda modificar en el proceso de fabricación el ángulo de
inclinación de los álabes del impulsor de 20º a 24º.
2. Aumentar el espesor de los álabes del impulsor en las zonas alejadas
para evitar las deformaciones.
3. Hacer un análisis en base al tipo de material del impulsor, para definir el
espesor adecuado para los álabes del impulsor.
4. Hacer un análisis con cargas dinámicas de la bomba sometiéndola a
diferentes tipos de gastos.
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