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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, INGENIERÍA ELECTRÓNICA, INGENIERÍA MECÁNICA E INGENIERÍA MINAS CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO:
CIMENTACION DE MAQUINAS MC216AMC DOCENTE: DOCENTE: ING. OLIVER OLIVER MICH MICHAEL AEL PILA PILARES RES SAJI SAJI SEMESTRE 2012-I
Desarrollo de la cimentación c imentación de un Aerogenerador
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������������ Se denomina na cimentaci cimentación ón al conjunto de elementos elementos estructurales estructurales cuya cuya misión misión es transmitir las las cargas de la edificación edificación al suelo distribuyéndolas distribuyéndolas de forma que no superen su presión admisible admisible ni produzcan cargas zonales. A diferencia diferencia de las cimentaciones cimentaciones de edific ed ificación, ación, que generalmente están sometidas a cargas estáticas o cuasiestáticas, las cimentaciones de maquinaria están sometidas frecuentemente a cargas cíclicas. La existencia de cargas cíclicas cíclicas obligan a considerar el estado límite de servicio de vibraciones y el estado límite último de f atiga. Clasificaci Clasificación ón de las maquinas según r égimen de trabajo: 1.Según las fuerzas dinámicas o impulsos impulsos que qu e originan: •Cargas periódicas •Cargas aperiódicas
•Las cargas armónicas pueden estar originadas por movimientos de vaivén o por fuerzas centrifugas. •Las fuerzas aperiódicas son las producidas en las maquinas por choque o percusiones debidas a movimientos pulsatorios aislados.
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2. Clasificación Clasificación según la la frecuencia de excitación: excitación: •Baja frecuencia 0
En la figura a) se ve un cimiento maziso de una sola masa, mientras que la figura b) corresponde a un cimiento maziso de doble masa, con la parte superior de concreto armado y la inferior de concreto ciclopéo, con lo cual se reduce sensiblemente sensiblemente el costo de la obra.
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Estos cimientos resultan especialmente adecuados para fundar maquinas de baja frecuencia de exitacion, de modo que la frecuencia natural del cimiento sea mucho menor que la de la maquina.
Los cimientos aporticados permiten en general una mejor ubicación en planta de la máquina y sus accesorios. Ademas resultan mas económicos que los cimientos macizos. Se usan preferentemente para fundar maquinas de frecuencia de excitación alta, como turbogeneradores o diversos tipos de maquinas eléctricas con w >=3000 rpm.
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Cuando el suelo de fundación sobre el que apoya el cimiento de una maquina no es lo suficientemente resistente ni homogéneo, o esta suelto y débil. Una soluciones es apoyar en estratos profundos con mayor capacidad portante mediante el empleo de pilotes. Usualmente se utilizan pilotes macizos prefabricados de concreto.
El presente trabajo ilustra el cálculo geotécnico de una cimentación poco profunda para una turbina de energía eólica con una potencia de 2.1 MW y altura de rotor de 72m, cimentada sobre terreno firme (Onshore). Usualmente pueden utilizarse cimentaciones circulares poco profundas en lugares con suficiente capacidad portante del suelo. De otra manera, cuando se cuenta con suelos de escasa capacidad portante (por ejemplo suelos arcillosos), las cimentaciones poco profundas en combinación con pilotes se constituyen en una alternativa.
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Tipo de trabajos que realiza la máquina El aerogenerador es una máquina que genera electricidad usando como combustible la energía del viento. Para obtener esta electricidad, el movimiento de las aspas o paletas acciona un generador eléctrico (un alternador o un dinamo) que convierte la energía mecánica de la rotación en energía eléctrica. La electricidad puede almacenarse en baterías o ser vertida directamente a la red. El fu ncionamiento es bastante simple, y lo que se va complejizando es la construcción de aerogeneradores que sean cada vez más eficientes. Lugar de instalación de la máquina El análisis de la cimentación es llevado a cabo sobre un suelo homogéneo, de arena semidensa. El nivel freático se encuentra a 0.5 m por debajo del nivel del terreno.
Características del terreno Se realizaron sondeos del terreno para la obtención del perfil y las características del suelo. En la siguiente tabla se pueden apreciar los parámetros de suelo obtenidos de los ensayos de laboratorio.
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Capacidad permisible de carga del terreno La capacidad permisible de carga del terreno se entiende como el estado tensional limite que soporta, más allá del cual se produce la falla por corte del mismo. Utilizaremos la siguiente ecuación para el cálculo de la tensión máxima que soporta el suelo:
Donde: c = cohesión del suelo γ = peso específico R= radio del cimiento h =profundidad Nc, Nq y N g = coeficientes empíricos de soporte obtenidos de Terzaghi (tabla 5.13) σ max=
((1,2x0x35) + (1530x4x33) + (0,6x1530x6,7x40) ) x10-4 =44,8 Kg/cm2
Luego la tensión admisible será:
Donde: FS= factor de seguridad, este varía de 2,5 para suelos granulares a 3 para suelos cohesivos y cuando las condiciones locales son dudosas se tomará 4. σ adm= 44,8/2,5 = 17,91Kg/cm2
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Dimensiones de la máquina. Las dimensiones del aerogenerador se muestran en el siguiente tabla .
En estas imágenes podemos observar el tamaño de las palas de los aerogeneradores y darnos una idea del tamaño del tipo de aerogenerador que estamos analizando.
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En el siguiente grafico podemos ver la labor del personal de mantenimiento.
En el siguiente grafico podemos observar las dimensiones del aerogenerador. plano aerogenrador.pdf
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Condiciones de trabajo de la máquina. Para describir las condiciones de trabajo del aer ogenerador primero mencionaremos el lugar de trabajo de los aerogeneradores. El lugar de trabajo de los aerogeneradores debe ser un lugar donde existan corrientes de aireo vientos moderados pero regulares a estos lugares se le suele llamar parques eólicos. Los vientos que son necesario para el movimiento de las palas para el aerogenerador traen consigo causas perjudiciales para el aerogenerador en su conjunto entre ellos tenemos el mismo aire causa er osión y la oxidación de los elementos metálicos, los vientos también traen consigo agua que causa la corrección de los elementos de esta máquina y por ultimo arena que q ue actúa como abrasivo en las palas. La composición del viento varía de acuerdo a la ubicación del parque eólico mostrado en las siguientes imágenes
La siguiente imagen presenta un parque eólico en una pradera donde existen lluvias permanentes.
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La segunda foto muestra un parq ue eólico en las costas donde existe mucha humedad .
La tercera foto muestra un parque eólico en las montañas de una cordillera donde las temperaturas son muy bajas.
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La cuarta foto da una vista de aerogeneradores en el desierto donde la cantidad de arena en el aire es más importante
Por último una condición crítica donde los parques eólicos son marinos donde no cabe duda que la humedad juega un papel importante
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En todos los casos se busca lugares donde los vientos sean permanentes por lo que en las condiciones normales de trabajo existe una fuerza producida por los vientos sobre las palas que causan un momento flector en dirección de los vientos y otro alrededor del eje de las palas .
Determinación aproximada de cimiento (área del cimiento). Existen dos tipos de formas del cimiento para aer ogeneradores una de forma rectangular y otra de forman circular. Las dimensiones de la forma rectangular. El diseño de la cimentación de u n aerogenerador es principalmente función de sus dimensiones y de las características geotécnicas del terreno. El concepto de cimentación que más se utiliza es una zapata aislada de unos 15-20m de lado y 1-2m de canto.
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La cimentación se hace con hormigón, en primer lugar se debe hacer un agujero en el suelo de aproximadamente 20x20x2 metros. En primer lugar se echa una capa como de 10cm de espesor de hormigón h200, denominado “hormigón de limpieza”. Es “hormigón de limpieza” sirve para no machar el enrejado y para tener una nivelación del terreno perfecta. Después se dispone de la parrilla inferior, y se colocan una serie de placas de mármol para que el enrejado apoye perfectamente y este un poco levantado. Se introduce el enrejado de hierro y se vierte el hormigón h300 o superior. El próximo paso es la colocación de la virola, para nivelar apoyamos en tres patas en la plataforma inferior y otros tres puntos de apoyo para la correcta nivelación. Las dimensiones de la forma circular. La cimentación de concreto masivo reforzado tiene forma de anillo circular con un diámetro exterior de 16.40 metros. La base de la cimentación se encuentra a una profundidad de 3.20 m. En la siguiente figura se muestran las dimensiones de la cimentación tipo anillo para la tur bina de energía eólica en consideración.
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Cargas estáticas de la Máquina. A continuación realizaremos un esquema donde se m uestra las fuerzas y momentos estáticos,pero primero mostraremos un dibujo de l as partes de un aerogenerador. ������� �� ��� ������� ������� 1. ����� 2. �������� � �� ��� ��������� 3. ����� �� ���������� �. �������� �� ������ �. ������� �� ����������� �. ������� �. ��������� �. ���������� �. ����� 10. ����������� 11. ����� 12. ����������� �� �� ���� ����� �� ������� 13. ����
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Cargas estáticas de la Máquina. A continuación realizaremos un esquema donde se m uestra las fuerzas y momentos estáticos,pero primero mostraremos un dibujo de l as partes de un aerogenerador. ������� �� ��� ������� ������� 1. ����� 2. �������� � �� ��� ��������� 3. ����� �� ���������� �. �������� �� ������ �. ������� �� ����������� �. ������� �. ��������� �. ���������� �. ����� 10. ����������� 11. ����� 12. ����������� �� �� ���� ����� �� ������� 13. ����
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Estos pesos generan momentos flectores sobre las bases que se muestran en siguiente tabla. Con lo antes mencionado podemos presentar el siguiente esquema de car ga y momento flector sobre el cimiento debido a las cargas estáticas
Cargas dinámicas de la Máquina. Las cargas dinámicas son debidas al flujo de aire que pasa sobre el área de barrido de las hélices mostradas esquemáticamente en el siguiente gráfico.
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Calculando el área .
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Determinación de la línea centroidal de la máquina A continuación se muestran las propiedades físicas de la máquina: (calculado con el programa solidworks) Masa = 340000000 gramos Volumen = 339178186357.39 milímetros cúbicos Área de superficie = 2599297726.47 milímetros c uadrados Centro de masa: ( milímetros ) X = -98.25 Y = 70910.02 Z = 0.74 Ejes principales de inercia y momentos principales de inercia: ( gramos * milímetros cuadrados ) Medido desde el centro de masa. Ix = ( 0.05, 1.00, 0.00) Px = 71440917028296736.00 Iy = ( 0.00, -0.00, 1.00) Py = 215332204606745380.00 Iz = (1.00, -0.05, -0.00) Pz = 266978988111176320.00 Momentos de inercia: ( gramos * milímetros cuadrados ) Obtenidos en el centro de masa y alineados con el sistema de coordenadas de resultados. Lxx = 266527910797601220.00 Lxy = 9380794021609402.00 Lxz = 2497789112194.18 Lyx = 9380794021609402.00 Lyy = 71891994321668744.00 Lyz = 3383807201335.62 Lzx = 2497789112194.18 Lzy = 3383807201335.62 Lzz = 215332204626949250.00
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Con el conocimiento del centro de masa de la máquina, sabemos que el eje centroidal debe pasar por este, con lo cual este se halla en (-98,25 ; y ; 0,74)mm de la figura.
Calculo de la fundación tomando en cuenta los datos estimados A continuación se muestran las propiedades físicas del cimiento: (calculado con el programa solidworks) Densidad = 0.0024 gramos por milímetro c úbico Masa = 1181975352.73 gramos Volumen = 492489730304.78 milímetros cúbicos Área de superficie = 548500259.00 milímetros cuadrados Centro de masa: (milímetros ) X = 0.00 Y = 1420.86 Z = 0.00 Ejes principales de inercia y momentos principales de inercia: ( gramos * milímetros cuadrados ) Medido desde el centro de masa. Ix = ( 0.00, 0.00, 1.00) Px = 22575791666929892.00 Iy = ( 1.00, 0.00, 0.00) Py = 22575791666929892.00 Iz = (0.00, 1.00, 0.00) Pz = 43478132249273360.00 Momentos de inercia: ( gramos * milímetros cuadrados ) Obtenidos en el centro de masa y alineados con el sistema de coordenadas de resultados. Lxx = 22575791666929892.00 Lxy = 0.00 Lxz = 0.00 Lyx = 0.00 Lyy = 43478132249273352.00 Lyz = -0.55 Lzx = 0.00 Lzy = -0.55 Lzz = 22575791666929904.00
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Con el conocimiento del centro de masa del cimiento, sabemos que el eje centroidal debe pasar por este, con lo cual este se halla en (0,y,0)mm de la figura. plano cimiento.pdf
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Diseño de la fundación de sección cuadrada. Es necesario hacer notar que en el diseño del cimiento no está considerado una columna de concreto reforzado sino en cambio será considerado la columna del aerogenerador. Para continuar con el este desarrollo hay que considerar que la distribución de esfuerzos de compresión sobre el cimiento es como se muestra en la siguiente figura hecha en el programa de simulación de red de elementos finitos cimientos GGU-SLAB.
De lo anterior podemos inferir que esta cimentación es parecida al caso b que nos proporciono el profesor en la clase de teoría mostrada en la siguiente figura.
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Protocolo de instalación de la Maquina. De acuerdo a los datos del cimiento se hacen las excavaciones
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En el siguiente grafico se ve una excavación ya hecha .
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Se empieza con la colocación de los fierro del cimiento
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Luego se coloca el drenaje de cables del aerogenerador que es una estructu ra cilíndrica de metal
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Se hace el rellenado del cimiento como se muestra en la siguiente imagen.
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Se colocan las mangueras que serán ductos por el cual pasaran los cables de potencia
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La función del drenaje de cables es llevar a a los cables al subsuelo que está debajo del cimiento como muestra el ducto rojo de la figura siguiente.
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Los cables van a una central transformadora de alta tensión.
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En la figura se puede observar las zanjas que van a la central transformadora.
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Para el montaje del aerogenerador se colocan cerca del lugar trabajo todos los elementos menos las hélices del aerogenerador por ser más delicadas.
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En la figura vemos el transporte de la columna del aerogenerador.
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En la figura vemos que se finalizo el montaje del generador síncrono .
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