Ingeniería Mecánica · 2025
Diseño y construcción de un prototipo de hidro ala basculante para el aprovechamiento de la energía hidráulica fluvial
La generación de energía es uno de los principales temas a abordar cuando se piensa en el desarrollo de actividades y procesos para abaratar costos tanto en empresas, industrias, microempresas y propiedades privadas. Para esto se suelen utilizar recursos que son de fácil acceso y en lo posible puedan reutilizarse para alcanzar a aprovechar la totalidad de este; uno de estos recursos es el agua, que representa una cantidad finita pero abismal que se establece como uno de los sustentos para la vida en el planeta y el combustible para muchos procesos que se llevan a cabo. Debido a la importancia del agua en el desarrollo de la vida en general alrededor del planeta, se planteó una alternativa que respete y no contamine este recurso y que también invada lo menos posible al ecosistema y comunidades que conviven en este medio. Por lo que se estableció el diseño un sistema de generación de energía hidráulica fluvial, por medio de una hidroala que realiza un movimiento basculante gracias a la corriente del río donde se implemente esta alternativa, basándose en la finalidad de las boyas de mar alimentadas gracias a la energía mareomotriz. En aras de evaluar su viabilidad energética se realizó la construcción de un prototipo a Escala 1:5, para su simulación en el banco de canales abiertos.
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Contenido
- Introducciónp. 24
- Planteamiento del Problemap. 25
- Objetivosp. 27
- 2.1. Objetivo Generalp. 27
- Objetivos Específicosp. 27
- Marco Teóricop. 27
- 3.1. Antecedentesp. 27
- 3.1.1. Antecedentes a Nivel Internacionalp. 27
- 2005)p. 27
- en el canal de riego occidental de la laguna de San Marcos (Valladares, Villacrés, 2019)p. 28
- de consumo de energía eléctrica en la empresa Hortifrut-tal S.A. (Crespin, 2019)p. 29
- 3.1.2. Antecedentes a Nivel Nacionalp. 29
- (Moyano, Pinzón, 2018)p. 29
- departamento del Meta (Cucaita, Palomino, 2021)p. 30
- 3.1.3. Antecedentes a Nivel Regionalp. 31
- a zonas no interconectadas (Paz, 2021)p. 31
- Pomba, zona rural de Fusagasugá (Chica, 2017)p. 32
- 3.2. Referentes Históricosp. 33
- 3.2.1. Energía Hidráulicap. 33
- 3.2.1.1. Energía undimotrizp. 33
- 3.2.1.2. Energía mareomotrizp. 34
- 3.2.1.3. Energía maremotérmica (OTEC)p. 34
- 3.2.1.4. Energía de las corrientes marinas/fluvialesp. 35
- 3.2.2. Caudalp. 36
- 3.2.2.1. Fluvialp. 36
- 3.2.3. Fuerzas Hidrodinámicasp. 37
- 3.2.3.1. Viscosidadp. 37
- 3.2.3.2. Número de Reynoldsp. 37
- 3.2.3.3. Flujo laminarp. 38
- 3.2.2.4. Flujo turbulentop. 38
- 3.2.3.5. Fuerzas de arrastrep. 39
- 3.2.3.6. Fuerzas de sustentaciónp. 40
- 3.2.4. Sistema Oscilatoriop. 41
- 3.2.4.1. Brazo basculantep. 106
- 3.2.4.2. Aletap. 41
- 3.2.4.3. Pivotep. 41
- 3.2.5. Mecanismo de Barrasp. 41
- 3.2.5.1. Grados de libertadp. 42
- 3.2.5.2. Mecanismo planop. 42
- 3.2.5.3. Eslabónp. 42
- 3.2.5.4. Manivelap. 43
- 3.2.5.5. Balancínp. 43
- 3.2.5.6. Bielap. 43
- 3.2.5.7. Bastidorp. 43
- 3.2.5.8. Juntasp. 43
- 3.2.5.9. Semijuntasp. 44
- 3.2.5.10. Ley de Grashofp. 44
- 3.2.5.11. Mecanismo de clase Ip. 44
- 3.2.5.11.1. Mecanismo manivela balancínp. 45
- 3.2.5.11.2. Mecanismo doble manivelap. 46
- 3.2.5.12. Mecanismo de clase IIp. 46
- 3.2.5.12.1. Mecanismo doble balancínp. 46
- 3.2.5.13. Mecanismo manivela deslizadorp. 47
- 3.2.6. Fuerzas Aplicadasp. 48
- 3.2.6.1. Fuerzas internasp. 48
- 3.2.6.1.1. Fuerza normal (N)p. 48
- 3.2.6.1.2. Fuerza cortante (V)p. 48
- 3.2.6.1.3. Momento de torsión (T)p. 49
- 3.2.6.1.4. Momento flector (M)p. 49
- 3.2.6.2. Esfuerzo normal axialp. 49
- 3.2.6.3. Esfuerzo cortantep. 50
- 3.2.6.4. Esfuerzo torsorp. 50
- 3.2.6.5. Esfuerzo flexorp. 51
- 3.2.6.6. Factor de seguridadp. 51
- 3.2.6.7. Carga combinadap. 52
- 3.2.7. Fatigap. 52
- 3.2.7.1 Factores de Marinp. 53
- 3.2.7.1.1. Factor de superficie kap. 54
- 3.2.7.1.2. Factor de tamaño kbp. 54
- 3.2.7.1.3. Factor de carga kcp. 55
- 3.2.7.1.4. Factor de temperatura kdp. 56
- 3.2.7.1.5. Factor de confiabilidad 𝒌𝒆p. 56
- 3.2.7.2. Factor de concentración de esfuerzop. 56
- 3.2.7.3. Combinaciones de modos de cargap. 59
- 3.2.7.4. Criterios de fallap. 60
- 3.2.7.5. Cojinetesp. 61
- 3.2.8. Cinemática plana de un cuerpo rígidop. 63
- 3.2.8.1. Traslaciónp. 63
- 3.2.8.2. Rotación alrededor de un eje fijop. 63
- 3.2.8.3. Movimiento relativo por medio de ejes rotatoriosp. 64
- 3.2.9. Cinética plana de un cuerpo rígidop. 65
- 3.2.9.1. Momento de inerciap. 65
- 3.2.9.2. Ecuaciones de movimiento planop. 66
- 3.2.9.2.1. Traslación rectilíneap. 66
- 3.2.9.2.1. Rotación alrededor de un eje fijop. 66
- Análisis y Selección de Alternativasp. 67
- 4.1. Alternativas Contempladasp. 67
- 4.1. Alternativa de Transmisión de Sistema de Engranajesp. 68
- 4.1.2. Alternativa de Transmisión Hidráulicap. 68
- 4.1.3. Alternativa de Transmisión por Mecanismo de Barrasp. 69
- 4.2. Función de Calidad de las Alternativas Para el Sistema Basculantep. 70
- 4.2.1. Requerimientos del Cliente Para el Sistema Basculantep. 70
- 4.2.1.1. Económicosp. 70
- 4.2.1.2. Instalación y mantenibilidadp. 70
- 4.2.1.3. Influencia localp. 70
- 4.2.2. Requerimientos de Diseño Para el Sistema Basculantep. 71
- 4.2.3. Matriz de Calidad Para el Sistema Basculantep. 71
- 4.2.4. Alternativa Seleccionada Para el Sistema Basculantep. 72
- Diseño en Detalle del Subsistema de Generaciónp. 72
- 5.1. Selección de la Aleta de Acuerdo con el Estándar NACAp. 72
- 5.2. Análisis del Comportamiento Hidrodinámico de la Aletap. 73
- 5.2.1. Geometría del Dominiop. 73
- 5.2.2. Malladop. 74
- 5.2.3. Modelo y Validaciónp. 75
- 5.2.5. Variación angular y fuerzas resultantes de la aleta a escala realp. 77
- 5.3. Diseño del Mecanismo de Barrasp. 77
- 5.3.1. Resultados del Diseño de Mecanismo de Barrasp. 79
- 5.4. Análisis Estructural Estáticop. 80
- 5.4.1. Análisis Estructural de la Hidroalap. 81
- 5.4.2. Resultados Análisis Estructural de la Hidroalap. 86
- 5.4.3. Análisis Estructural del Brazo Basculantep. 88
- 5.4.4. Resultados Análisis Estructural del Brazo Basculantep. 91
- 5.4.5. Análisis Estructural del Eslabón R3p. 93
- 5.4.6. Resultados Análisis Estructural del Eslabón R3p. 96
- 5.4.7. Análisis Estructural del Eslabón R2p. 98
- 5.4.8. Resultados Análisis Estructural del Eslabón R2p. 101
- 5.5. Análisis Dinámicop. 103
- Diseño en Detalle del Subsistema de Topesp. 107
- 6.1. Diseño de los Topes que Restringen el Ángulo de Ataque de la Aletap. 107
- 6.2. Diseño de los Topes que Cambian la Dirección del Movimiento de la Aletap. 108
- Diseño en Detalle del Subsistema de Soportep. 110
- Construcción del Prototipo a Escala 1:5 del Sistemap. 112
- 8.1. Elaboración y Ensamblado de las Piezas del Sistemap. 112
- 8.2. Validación del Funcionamiento del Sistema Basculantep. 114
- Análisis de Costos Para el Desarrollo y Simulación del Proyectop. 117
- Análisis de la Eficiencia Energética del Sistemap. 119
- 10.1. Procesamiento de Datosp. 119
- 10.2. Evaluación de la Eficiencia Energética del Sistema a Escala Realp. 121
- 11. Conclusionesp. 122
- Referenciasp. 124
- Apéndicesp. 128
- Figura 1. Convertidor de energía de olas Pelamis en funcionamiento. Fuente: EMEC (s.f.)p. 34
- Figura 2. Laguna de marea de la bahía de Swansea. Fuente: Tethys (2020)p. 34
- Lmt. (2005)p. 35
- Figura 4. Ecuación de caudalp. 36
- Figura 5. Corriente fluvial. Fuente: Valdivieso, A. (2020)p. 37
- Figura 6. Ecuación del número de Reynoldsp. 38
- Figura 7. Flujo laminar. Fuente: Ramos, L. (2023)p. 38
- Figura 8. Flujo turbulento. Fuente: Ramos, L. (2023)p. 39
- Figura 9. Ecuación de la fuerza de arrastrep. 39
- Figura 10. Ecuación de la fuerza de sustentaciónp. 40
- Figura 12. Ecuación de grados de libertad para un mecanismo de barrasp. 42
- Figura 13. Tipos de eslabones. Fuente: Elementos de máquinas (s.f.)p. 43
- Figura 14. Representación esquemática de junta. Fuente: Elementos de máquinas (s.f.)p. 44
- Figura 15. Ecuación de la Ley de Grashofp. 44
- Figura 16. Mecanismo de clase I. Fuente: Elementos de máquinas (s.f.)p. 45
- Figura 17. Mecanismo manivela balancín. Fuente: Elementos de máquinas (s.f.)p. 45
- Figura 18. Mecanismo doble manivela. Fuente: Elementos de máquinas (s.f.)p. 46
- Figura 19. Mecanismo doble balancín. Fuente: Elementos de máquinas (s.f.)p. 47
- Figura 20. Mecanismo manivela deslizador. Fuente: Elementos de máquinas (s.f.)p. 48
- Figura 21. Cargas que actúan sobre un cuerpo. Fuente: Mecánica de Materiales (2017)p. 49
- Figura 22. Ecuación esfuerzo axialp. 49
- Figura 23. Esfuerzo axial. Fuente: Mecánica de Materiales (2017)p. 50
- Figura 24. Ecuación esfuerzo cortantep. 50
- Figura 25. Ecuación esfuerzo torsorp. 50
- Figura 26. Ecuación esfuerzo flectorp. 51
- Figura 27. Ecuación factor de seguridadp. 51
- Figura 28. Ecuación para carga combinadap. 52
- Figura 29. Ecuación para el esfuerzo ideal por fatigap. 53
- Figura 30. Ecuación para el esfuerzo a la fatiga realp. 53
- Figura 31. Ecuación para el factor de superficie de Marinp. 54
- Figura 32. Ecuación para el factor de tamaño de Marinp. 55
- Ilustración 33. Ecuación para el diámetro equivalentep. 55