Ventilador Axial

Universidad Nacional de San Agustín Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica

Diseño y calculo de un ventilador axial para un simulador de paracaidismo INDICE CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCION INTRODUCCION 1.2 SIMULADOR DE PARACAIDISMO 1.3 TUNEL DE VIENTO CAPÍTULO 2 DISEÑO DE FORMA 2.1 DESCRIPCION Y REQUERIMIENTOS 2.2 MODELO SELECCIONADO 2.3 DIAGRAMA DEL MODELO CAPÍTULO 3 CÁLCULO Y DISEÑO 3.1. CÁLCULO DE LOS PARAMETROS REQUERIDOS 3.2. CÁLCULO DEL VENTILADOR AXIAL 3.3. SELECCIÓN DEL MOTOR 3.4 PLANOS DEL DISEÑO CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES 4.1 CONCLUSIONES 4.2 RECOMENDACIONES

CAPITULO Página 1


GENERALIDADES 1.1

Introducción

La caída libre comenzó siendo una práctica de carácter militar y luego se convirtió en un deporte aéreo. Esta práctica deportiva genera el máximo vértigo y adrenalina que una persona puede experimentar en vida. Se consolido como un deporte hace tan solo unas décadas y ahora con la gran aparición de los grandes simuladores de paracaidismo es que el deporte está adquiriendo un profesionalismo mayor. Los simuladores de paracaidismo fueron diseñados originalmente para crear un área de práctica para los aficionados en este deporte, capturando la verdadera sensación de caída libre. Es un túnel de viento vertical que le permite experimentar la libertad de vuelo. Muchos movimientos tienen lugar en el seno de medios fluidos. Vivimos sumergidos en un mar de aire (la atmósfera terrestre), por lo que son abundantes los ejemplos de movimientos de objetos que ocurren en el interior de este medio. La influencia del medio en estos movimientos es considerable. Las fuerzas de rozamiento entorpecen y modifican sensiblemente el movimiento y a menudo conviene intervenir para minimizar en lo posible estas influencias. Los estudios de aerodinámica, por ejemplo, diseñan perfiles afilados en vehículos, con objeto de facilitar su penetración en el aire. Otras veces, la influencia del medio se puede aprovechar positivamente, logrando algunas aplicaciones notables. Por ejemplo, el empuje puede ser aprovechado para hacer volar globos aerostáticos, la ingeniería aeronáutica aprovecha corrientes de aire generadas por helicópteros y por aviones para mantenerlos en vuelo. La nueva gama de simuladores de paracaidismo lo permiten. Este tipo de túneles de viento te permitirán experimentar la sensación de una caída libre a 250 Km. /h. Cada simulacro que se encuentra instalado en los diferentes centros de paracaidismo del mundo cuenta con un instructor que te enseñará cómo mantener el equilibrio, girar, subir y bajar, mientras planeas en el viento con un traje y unas gafas especiales. Los márgenes de seguridad implantados por los simuladores de paracaidismo son lo suficientemente amplios para que puedan ser usufructuados por niños de 5 años hasta adultos que no excedan los 110 Kg. de peso.

1.2

Simulador de paracaidismo

Es un sistema compuesto por una cabina que reproduce con toda fidelidad la de un avión y por una serie de dispositivos que permiten reproducir y crear las condiciones a las que se ve sometido el piloto durante el vuelo (incluso con la proyección de imágenes sintetizadas sobre la superficie interior de la cúpula de la cabina). Todo el sistema,

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gobernado mediante un ordenador, permite entrenar a los pilotos tanto en misiones de vuelo rutinario como en acciones concretas (aterrizaje en portaaeronaves, etc.).En el que se basa en el control de la caída en el seno de la atmósfera, pero sin aprovechar las turbulencias de ésta. Conocer los secretos de la caída libre y el paracaidismo ahora se puede sin subirse a un avión. La nueva gama de simuladores de paracaidismo lo permiten. Este tipo de túneles de viento te permitirán experimentar la sensación de una caída libre de 180 a 250 Km. /h. Los márgenes de seguridad implantados por los simuladores de paracaidismo son lo suficientemente amplios para que puedan ser usufructuados por niños de 5 años hasta adultos que no excedan los 110 Kg. de peso, un peso adecuado sería 90 kg.

Simulador para prácticas militares

1.3

Túnel de viento

El Túnel de Viento consiste en una infraestructura que permite, mediante un flujo de aire, simular la caída libre del saltador, de forma que puede ejecutar las maniobras objeto de aprendizaje y experimentar sensaciones similares a las de un lanzamiento real, pero en un entorno controlado. Con 4,26 metros de diámetro y 2,80 metros de altura, la cámara de vuelo del túnel de viento de la Base Aérea de Alcantarilla es una de los más grandes del mundo. Las dimensiones de su planta circular permiten el vuelo en su interior de hasta cuatro personas con equipo de combate y cuenta con la ventaja añadida de que sus paredes, además de ser resistentes a golpes y posibles impactos de objetos, son transparentes, de

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modo que es posible ver el interior de la cámara tanto desde la zona de espera como desde la zona de observación.

Por otro lado y en un espacio independiente e insonorizado, se ubica la Sala de Control del túnel, desde la cual se controla el sistema de apertura y cierre del acceso a la zona de espera y la cámara de vuelo, el arranque, la parada y el estado de sus cuatro ventiladores axiales, la velocidad del aire en circulación -que puede llegar a los 250 kilómetros por hora- y el sistema de vídeo. Este último componente resulta fundamental a la hora de realizar grabaciones y tomar fotografías para su posterior visionado en el aula de formación de cara a corregir errores.

Túnel de viento de la Base Aérea de Alcantarilla Cada año alrededor de 6.000 militares realizan sus cursos de formación en el túnel, del que también se benefician los instructores, que no se ven sujetos a restricciones de

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disponibilidad de aviones o factores climatológicos, así como la Patrulla Acrobática de Paracaidismo del Ejército del Aire (PAPEA). No en vano y como indica Bla nco, “pasar de disponer de entre 50-55 segundos en el lanzamiento desde el avión a contar con minutos en el aire, resulta clave para el entrenamiento de los acróbatas de la PAPEA”. Y es que se

estima que, en una sesión de 15 minutos en el navegador se obtiene un rendimiento similar al de 25 lanzamientos en real.

Practica de militares en la Base Aérea de Alcantarilla

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CAPITULO 2 DISEÑO DE LA FORMA 2.1 DESCRIPCION Y REQUERIMIENTO Los ventiladores axiales son aptos para mover grandes caudales de aire con bajas presiones. Son de bajo rendimiento pero con buenas aplicaciones en la industria. La transferencia de energía se produce mayoritariamente en forma de presión dinámica. Se aplica en circulación y extracción de aire en naves industriales. Se instalan en pared sin ningún conducto. Utilizados con objetivo de renovación de aire. En nuestro diseño simularemos la caída en un paracaídas real y tomaremos las siguientes consideraciones. a) Velocidad aparente La velocidad límite de caída de una persona en el aire es bastante elevada (del orden de 60m/s), desde luego excesiva para que llegue al suelo un ser humano con esa velocidad. Por eso son imprescindibles los paracaídas y, por nuestra parte, hemos incorporado uno en la animación anterior. Planteamos que en el momento de su apertura disminuya bruscamente la velocidad, lo que es equivalente a incorporar en el modelo físico-matemático una modificación repentina de la velocidad límite. Así, la simulación responde satisfactoriamente a todas las predicciones.

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b) Medidas de seguridad del simulador de paracaidismo: • Para que el practicante no choque con el suelo fue implantado un sistema de

redes elásticas y metálicas en la parte inferior.

• Para que el practicante no choque con el techo se implementó un detector de

presencia. • En caso de que el suministro de energía se corte se le incorporó un sistema de

alimentación propio.

2.2

Modelo seleccionado

Nuestro modelo tiene muchos parámetros variables tales como: La velocidad del aire, el número de personas en el simulador, el tipo de indumentaria, entre otras. Si consideramos que área superficial de contacto con el aire de una persona adulta de talla y peso promedio es 1m 2, las velocidades posibles de 90, 180 y 250 km / h (velocidad máxima), el caudal será Área superficial (m2) 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1

Velocidad (km/h) 250 250 250 250 180 180 180 180 90 90 90 90

Caudal en la cámara (x103 m3/h) 1000 750 500 250 720 540 360 180 360 270 180 90

Caudal por ventilador (m3/h) 250 000 187 500 125 000 62 500 180 000 135 000 90 000 45 000 90 000 67 500 45 000 22 500

Estos con los posibles parámetros de diseño. En nuestro verdadero análisis tomaremos los siguientes valores 

Velocidad a la que se mueve el flujo es aire en la entrada    



La velocidad  disminuye ya que el área aumenta al llegar el flujo de aire al nivel superior

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 

 





 

 

  

 

  

Consideramos el cuerpo de una persona como un cilindro de las siguientes medidas:        



Densidad del aire    

2.3 DIAGRAMA DEL MODELO La idea del siguiente trabajo es poder mantener a una persona sustentada en el aire usando solamente la fuerza ejercida por el aire que sale del ventilador a una alta velocidad como se ve en la figura.

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Esquema general del simulador

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CAPITULO 3 CALCULO Y DISEÑO 3.1. CÁLCULO DE LOS PARAMETROS REQUERIDOS Calculo de la fuerza de arrastre La fuerza de arrastre en un cilindro generado por la gran velocidad a la que se mueve el flujo es aire de 60 m/s, es determinada con la siguiente expresión:  

 

   

Donde:  : Fuerza de arrastre  : Coeficiente de arrastre  : Densidad del fluido, aire  : Velocidad del aire  : Área transversal Calculamos el coeficiente de arrastre en función del Número de Reynolds:  

 

De acuerdo con nuestra selección:             

 

 

 

Página 10


De acuerdo con la siguiente grafica:

Coeficiente de arrastre en cilindros y esferas en función del Número de Reynolds

Entonces     

 

   

Consideramos el cuerpo de una persona como un cilindro de las siguientes medidas:        

El área del cilindro será:         la densidad del aire es     ; por lo que:  

 

 

   

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Calculo de la presión necesaria Encontraremos la fuerza gravitacional ejercida por la masa del cuerpo. Si la masa promedio será de 80 kg, la fuerza será:         

La fuerza total ejercida en la persona será de:             

El área superficial que estará en contacto con el flujo de aire será:  

 







  

La presión necesaria para vencer la fuerza total es:             

La presión por velocidad se calcula con: 



  

   

Con lo que conseguimos una presión de     La presion por altura a una altura de sustentación de aproximadamente 3 m del ventilador tenemos que es    

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Ahora las perdidas por fricción en el túnel que son mínimas en un ducto de 3 metros de alto, que será a la altura que se encuentre el cuerpo sustentado, se tendrá una pérdida de presión ya sean por fricción, por entrada al ducto entre otras serán de    . Por la ecuación de Bernoulli tenemos:    

 

      

             

Asumiendo que existirán algunas perdidas elevaremos la presión a   Calculo del caudal                   

3.2 CALCULO DEL VENTILADOR AXIAL FÓRMULAS UTILIZADAS EN EL CÁLCULO DEL VENTILADOR Coeficiente de rapidez del Ventilador n y 

53Q1/ 2

p 3 / 4

Diámetro del rodete D 

0,32(0,545 ny  4b). p n

Diámetro del rodete utilizando la ecuación de continuidad D  2,9.3

1 2

3

Q

 (1  ) K  .n

Velocidad tangencial en el diámetro exterior del rodete

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u

 . D.n 60

Área de circunferencia F 

 . D 2 4

Coeficiente de caudal  '  Q 

Q Fu



cu u

Coeficiente de presión ψ 

2. p

 .u 2

Coeficiente teórico de presión T  k .

Longitud de la paleta l 

( D  DBT ) 2

Las paletas cilíndricas de sección constante se utilizan sólo para ν ≥0,7 es decir para las

paletas cortas. En este caso es admisible calcular los parámetros de las paletas según el diámetro medio: Dcp 

D 2  D BT 2 2

Relación de áreas de secciones del casquillo y del rodete F BT F



4 DBT 2 4 D

2

 

2

Área de la sección anular F 1  F  F BT  F (1 

F BT )  F (1  2 ) F

Coeficiente de caudal

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 

Q F (1  2 )u



 ' 1  2

Componente axial ca   .u

Velocidad absoluta que entra axialmente r i 

DBT l (2i  1)  2 2n

Ángulo medio de entrada de la paleta en la sección i  mi  arctg (

ca ) ui  cua / 2

Ángulo de salida del flujo de la cascada  2  arctg ( cua 

ca ) ui  cua

p  .ui. H

Relación cuerda paso para el radio medio  cp 

(C y )cp C y

Radio promedio relativo de la cascada r cp 

r cp R



1   2 2

Número de paletas z 

 . cp. D.r cp b

Relación cuerda-paso de la sección media  i 

z .b  . D.r i

Eficiencia de la cascada  H 

1   .tg  m 1   .ctg  m

Potencia en el árbol del V.A.

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N 

p.Q 

RESUMEN DE PARAMETROS Coeficiente de rapidez del Ventilador

348.2513899

n y=

Axi al con álabes torci dos plan os [200-400]

Diámetro del rodete Diámetro del rodete utlizando la ecuación de continuidad Diámetro relativo del casquillo ν (0,4 -0,8)=

0.6

Relación entre velocidad axial y tangencial en el diámetro exterior del casquillo Kφ=c a /ubt (0,6-1,0) =

0.9

D=

1.45

D2 =

1.56

ASUMIENDO EL DIÁMETRO DEL RODETE = Velocidad tangencial en el diámetro exterior del rodete Área de circunferencia Coeficiente de caudal

D=

1500

u= F=

94.25

φ'=

0.385

Coeficiente de presión ψ

ψ=

0.154

Coeficiente teórico de presión

ψ T =

0.193

Diámetro del casquillo

D BT =

Longitud de la paleta

l= φ=

1.767

m m

mm m/s m/s m/s

1200

mm

300

mm

Coeficiente de caudal Componente axial

c = a

Efiencia hidraúlica (0,75*0,92)=

ηh =

0.8

Relación cuerda paso para el radio medio

τ cp =

0.25

Número de paletas

z=

0.6 56.55

10

m/s

álabes

Parámetros geométricos de las secciones de las paletas (i=7) NÚMERO DE ZONA

RADIO MEDIO

RADIO RELATIVO

VELOCIDAD TANGENCIAL

COMPONENTE TANGENCIAL

ÁNGULO DE ENTRADA

ÁNGULO PROMEDIO

ÁNGULO DE SALIDA

CARGA AERODINÁMICA

RELACIÓN CUERDA PASO

COEFICIENTE DE SUSTENTACIÓN

1

471.429

0.629

59.241

14.418

43.670

47.383

51.599

0.377

0.328

1.148

2

514.286

0.686

64.627

13.217

41.190

44.266

47.726

0.328

0.301

1.089

3

557.143

0.743

70.013

12.200

38.930

41.502

44.368

0.287

0.278

1.034

4

600.000

0.800

75.398

11.329

36.870

39.040

41.433

0.253

0.258

0.983

5

642.857

0.857

80.784

10.573

34.990

36.835

38.849

0.225

0.241

0.935

6

685.714

0.914

86.169

9.913

33.280

34.850

36.560

0.201

0.226

0.891

7

728.571

0.971

91.555

9.330

31.700

33.057

34.518

0.181

0.212

0.851

PROM

600.000

0.800

75.398

11.569

37.233

39.562

42.150

0.264

0.263

0.990

Página 16


Eficiencia de la cascada

 H 

 m 1   .tg

μ =

 m 1   .ctg ηH=

0.94

Eficiencia total del ventilador

Rendimiento mecánico: 0.96 Rendimiento de transmisión fajas : 0.95 Eficiencia hidráulica asumida : 0.8 Eficiencia total η = 0.7296 Potencia en el árbol del V.A.

N 

p.Q 

N = 72154.61 N = 96.72

Watts Hp

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0.03


CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1 CONCLUSIONES 1. El ventilador calculado tendrá una capacidad de carga de 80kg. 2. El ventilador calculado se desprecia la fuerza de sustentación. 3. Se utilizará un ventilador de diez álabes, y se seleccionó un perfil NACA 4412, por ser de uso muy común en este tipo de aplicaciones. 4. El motor seleccionado será un motor HONDA mono-cilíndrico de 13 hp. 4.2 RECOMENDACIONES 1. El ventilador no puede superar la carga máxima, esta está limitada. 2. Este modelo puede llevar un regulador de velocidad el cual proporcionaría diferentes caudales para cargas menores. 3. La conclusión de este diseño simula una caída real de un paracaidista sin mayores complicaciones.

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Ventilador Axial

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