u807206

Vista previa del material en texto

i 
 
 
 
 
 
PROYECTO DE GRADO 
 
OPTIMIZACION DE UNA BOMBA OPERANDO COMO 
TURBINA 
 
 
Autor: 
David Muñoz Muñoz 
 
 
Asesor: 
Álvaro Enrique Pinilla 
 
 
 
 
 
 
Facultad de ingeniería 
Departamento de ingeniería mecánica 
Bogotá D.C. 
Diciembre del 2017 
i 
 
Agradecimientos: 
Gracias de corazón a mi padre por haberme apoyado y a mi madre por cuidar de mi cuando más lo 
necesitaba. 
A los técnicos por haberme brindado su apoyo, conocimiento y experiencia, en especial a Luis Carlos. 
Al profesor Álvaro Pinilla quien me brindó su guía en este proyecto, su confianza y sus enseñanzas que 
me ayudaron a fijar mi rumbo profesional. 
Por último, gracias a María Auxiliadora por llenar cada día de amor y esperanza. 
 
ii 
 
Tabla de contenido 
1. Introducción .................................................................................................................................... 1 
2. Objetivos ........................................................................................................................................ 1 
3. Nomenclatura ................................................................................................................................. 2 
4. Equipos .......................................................................................................................................... 3 
5. Marco Teórico ................................................................................................................................. 4 
6. Antecedentes .................................................................................................................................. 7 
7. Modificación del eje ........................................................................................................................ 8 
7.1. Diseño del eje ............................................................................................................................. 9 
7.1.1. Análisis de esfuerzos ............................................................................................................... 9 
7.1.2. Velocidad critica .................................................................................................................... 10 
8. Modificación de la estructura ........................................................................................................ 10 
8.1. Diseño de la estructura ............................................................................................................. 11 
8.2. Diseño de la superficie .............................................................................................................. 13 
9. Montaje con las modificaciones .................................................................................................... 13 
10. Caracterización de la bomba-turbina ......................................................................................... 16 
10.1. Diseño del experimento ......................................................................................................... 16 
10.2. Implementación del torquímetro............................................................................................. 18 
10.3. Resultados ............................................................................................................................ 18 
11. Análisis financiero ..................................................................................................................... 28 
12. Conclusiones ............................................................................................................................ 29 
13. Recomendaciones .................................................................................................................... 29 
14. Referencias ............................................................................................................................... 29 
15. Anexo 1 ..................................................................................................................................... 31 
16. Anexo.2 ..................................................................................................................................... 32 
17. Anexo 3 ..................................................................................................................................... 33 
 
 
 
iii 
 
Índice de Tablas 
Tabla 1 Rotores que fueron caracterizados (Imágenes tomadas de Andrea Rodríguez, 2017) .............. 7 
Tabla 2 Valores medidos para condiciones de máxima eficiencia en condiciones de operación a 26Ω . 8 
Tabla 3 Parámetros hidráulicos, mecánicos y eléctricos en el PMO (resultados de Andrea Mier) .......... 8 
Tabla 4 Criterios de diseño del eje. ........................................................................................................ 9 
Tabla 5 Variación entre los dos diseños propuestos. ........................................................................... 12 
Tabla 6 Datos generales de la placa .................................................................................................... 13 
Tabla 7 Magnitudes que se van a medir con su respectivo equipo y su precisión ................................ 16 
Tabla 8 Resistencias evaluadas en los experimentos. ......................................................................... 17 
Tabla 9 Comparación de las condiciones de mejor operación para el rotor original (Rotor 1) .............. 21 
Tabla 10 Características del punto de mejor operación para el rotor 2 ................................................ 24 
Tabla 11 Comparación del punto de mejor operación para el rotor 3 ................................................... 27 
Tabla 12 Costos que implica el proyecto.............................................................................................. 28 
 
 
iv 
 
Índice de ilustraciones 
Ilustración 1. Principio de operación y elementos básicos de una bomba centrifuga (Tomado de 
Introducción a la Mecánica de fluidos, Bruce Munson, 1999)................................................................. 5 
Ilustración 2 Triangulo de velocidades a la entrada y salida del impulsor de una bomba centrifuga 
(Tomado de Introducción a la Mecánica de fluidos, Bruce Munson, 1999). ............................................ 6 
Ilustración 3 Reformas realizadas a los rotores (Tomado de Andrea Rodríguez, 2017) ......................... 7 
Ilustración 4 Estado inicial del eje .......................................................................................................... 8 
Ilustración 5 Simulación dinámica del eje............................................................................................... 9 
Ilustración 6 Estructura del montaje inicial ........................................................................................... 10 
Ilustración 7 Boceto de la estructura con refuerzos angulares ............................................................. 11 
Ilustración 8 Simulación de la estructura sin refuerzos angulares ........................................................ 12 
Ilustración 9 Simulación de esfuerzos de la estructura una vez integrados los refuerzos angulares .... 12 
Ilustración 10 Tipos de desalineación (Imagen tomada de An Engineer's Guide to shaft alignment, 
vibration analysis, Dynamic Balancing & Wear Debris Analysis, 2012) [7]. .......................................... 14 
Ilustración 11 Aislamiento de la estructura para minimizar las vibraciones. ......................................... 14 
Ilustración 12 Balanceo de la superficie en los dos ejes utilizando un nivel de precisión. .................... 15 
Ilustración 13 Implementación del comparador de caratula. ................................................................ 15 
Ilustración 14 Implementación del láser autonivelante para verificar la alineación del sistema ............ 16 
Ilustración 15Montaje experimental final ............................................................................................. 17 
Ilustración 16 Caracterización del torquímetro (Imagen tomada de Andrea Rodríguez, 2017) ............. 18 
Ilustración 17 Velocidad Angular en función del caudal (Rotor 1). ....................................................... 19 
Ilustración 18 Torque a diferentes caudales (Rotor 1) .......................................................................... 19 
Ilustración 19 Torque a diferentes velocidades angulares (Rotor 1) ..................................................... 19 
Ilustración 20 Eficiencia del generador a diferentes caudales (Rotor 1) ............................................... 20 
Ilustración 21 Cabeza en función del caudal (Rotor 1) ......................................................................... 20 
Ilustración 22 Eficiencia de la turbina en función del caudal (Rotor 1) .................................................. 20 
Ilustración 23 Eficiencia de la turbina y cabeza de presión en función del caudal (Rotor 1) ................. 21 
Ilustración 24 Velocidad angular del rotor original en función del caudal (Rotor 2) ............................... 22 
Ilustración 25 Torque en función del caudal (Rotor 2) .......................................................................... 22 
Ilustración 26 Torque en función de la velocidad del sistema (Rotor 2) ................................................ 22 
Ilustración 27 Comportamiento del generador y su eficiencia a diferentes caudales (Rotor 2) ............. 23 
Ilustración 28 Cabeza de presión en función del caudal (Rotor 2) ....................................................... 23 
Ilustración 29 Eficiencia de la turbina en función del caudal (Rotor 2) .................................................. 23 
Ilustración 30 Eficiencia del sistema a diferentes caudales .................................................................. 24 
Ilustración 31 Velocidad en función del caudal .................................................................................... 25 
Ilustración 32 Comportamiento del torque a diferentes caudales (Rotor 3) .......................................... 25 
Ilustración 33 Comportamiento del torque en función de la velocidad angular ..................................... 25 
Ilustración 34 Eficiencia del generador en función del caudal (Rotor 3) ............................................... 26 
Ilustración 35 comportamiento de la cabeza de presión a diferentes caudales .................................... 26 
Ilustración 36 Eficiencia de la turbina evaluada a diferentes caudales ................................................. 26 
Ilustración 37 Eficiencia del sistema evaluada a diferentes caudales (Rotor 3) .................................... 27 
1 
 
1. Introducción 
Los sistemas de conversión de energía son esenciales para nuestra vida cotidiana, ya que a diario 
utilizamos equipos que consumen energía eléctrica para funcionar. Teniendo en cuenta lo anterior y 
posicionándonos en un país como Colombia, donde el suministro eléctrico en las zonas aisladas y de 
difícil acceso no es entregada por medio de la red, se buscan alternativas para suplir esta necesidad por 
lo que las energías renovables y no tradicionales han tomado gran fuerza económica y política. 
El recurso hídrico abunda en Colombia, ya que para una superficie terrestre de 1.141.748 Km2 y según 
el Estudio Nacional de Agua la oferta hídrica es 2.300 km3/año [1]. Adicionalmente tenemos una 
geografía favorable para la generación energética debido a la montañosa topografía que le inyecta 
energía potencial a los ríos que se encuentran en este territorio, al punto que este recurso representa 
un 81% (10,8 GW) de la capacidad instalada total (13,4 GW) en Colombia [2]. 
Las bombas son un componente vital para el funcionamiento de la sociedad ya que son las responsables 
de hacer circular el agua hasta nuestros hogares, bombear el petróleo o crudo desde el punto de 
explotación hasta el punto de refinamiento y muchas otras aplicaciones, debido a esto la oferta y 
variedad de ellas es bastante amplia y es sencillo adquirir una en el mercado local. Por otro lado, las 
turbinas convierten la energía del agua a energía eléctrica, a diferencia de las bombas las turbinas no 
son tan comunes en el mercado local además de tener un precio más elevado. 
Teniendo en cuenta los anteriores tres aspectos sobre nuestro panorama, vale la pena evaluar si una 
bomba podría suplir la necesidad de una turbina pequeña para realizar un sistema energético autónomo 
(Que no se encuentra conectado a la red). Por lo tanto, este proyecto tiene como objetivo optimizar el 
funcionamiento de una bomba operando como turbina utilizando el Banco de Pruebas del departamento 
de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. 
2. Objetivos 
General 
- Optimizar la operación de la bomba centrifuga Pedrollo HF5Bm funcionando como turbina en el 
Banco de pruebas del Laboratorio de Mecánica de Fluidos en la universidad de los Andes 
Especifico 
- Caracterizar el Banco de pruebas en su estado actual. 
- Diseñar una estructura más robusta e implementarla en el Banco de Pruebas. 
- Caracterizar el Banco de pruebas después de implementar las mejoras propuestas. 
 
2 
 
3. Nomenclatura 
A Área [m2] 
T Torque [Nm] 
g Aceleración gravitacional [m/s2] 
H Cabeza [m] 
I Corriente [A] 
P Potencia [W] 
p Presión [Pa, psi] 
Q Caudal [m3/s, L/s] 
R Resistencia [Ω] 
u Velocidad del álabe [m/s] 
V Velocidad del fluido [m/s] 
V Voltaje [V] 
w Velocidad relativa del fluido [m/s] 
β Ángulo tangente de entrada y salida [° o rad] 
η Eficiencia 
μ Viscosidad dinámica [Ns/m2] 
ν Viscosidad cinemática [m2/s] 
ρ Densidad [kg/m3] 
ω Velocidad angular [rpm] 
�̇� Flujo de trabajo [W] 
h Horas 
FP Factor de Planta 
 
3 
 
4. Equipos 
Los equipos utilizados se dividen en dos, instrumentos de medición y maquinas. 
Maquinas 
Fuente de voltaje DC PROTEK PL-3003T 
Bomba centrífuga - alimentación 
SIHI 40200 - Ref. AB BJ3 OB E 
Generador DC de imanes permanentes – 
WindstreamPower 7.5A cont. 15A max. 
Bomba centrífuga - turbina 
Pedrollo HF5Bm 60 Hz 
Instrumento Resolución 
Torquímetro Omega 
TQ501-100 
± 0.18% 
Multímetro FLUKE 115 
± 0.001 V 
± 0.001 A 
Multímetro FLUKE 87 ± 0.1 mV 
Pinza amperimétrica ± 0.001 A 
Analizador de potencia 
FLUKE 435 
± 0.01 V 
± 0.01 A 
± 0.1 W 
± 0.001 PF 
Tacómetro 
EXTECH RPM10 
0.1 rpm (ω<1000rpm) 
1 rpm (ω>1000rpm) 
Caudalímetro 
KATRONIC KATflow 200 
0.25 mm/s 
Manómetro 
WIKA 
0.5 psi 
1 in.Hg 
Manómetro 
WIKA 
0.1 bar 
1 psi 
Manómetro 
WIKA 316 SS 
0.05 bar 
1 psi 
Comparador de carátula 
MITUTOYO No. 2046S 
0.01 mm 
Nivel de precisión 0.01 mm/m 
Self-Leveling Cross-Line 
Laser GLL2 BOSCH 
±3/16-in (longitud<30-in) 
 
 
4 
 
5. Marco Teórico 
La conversión de energía es una de las ramas de la ingeniería mecánica donde se integran los principios 
físicos de la termodinámica y la mecánica de fluidos. Por un lado, la termodinámica se puede definir 
como la ciencia de la energía, entendiendo energía como la capacidad para causar cambios [3]. Por otro 
lado, la mecánica de fluidos estudia los fluidos en movimiento (Dinámica de fluidos) y en reposo (Estática 
de fluidos), partiendo que un fluido es cualquier materia en estado liquida o gaseosa [4]. 
Las propiedades de un fluido como la densidad, presión, temperatura y la viscosidad son fundamentales 
para evaluar el comportamiento de este y su interacción con el medio. La ecuación de Bernoulli es uno 
de los modelos matemáticos que nos ayudará en el desarrollo de nuestro proyecto, esta nos permitirá 
relacionar la variación de la presión y la energía tanto cinética como potencial del fluido utilizando 
dimensiones de longitud. Por lo tanto, la energía no presentaría variaciones entre un punto y otro ya que 
se ignoran los efectos de viscosidad [4]: 
𝑝1
𝜌𝑔
+
𝑣1
2
2𝑔
+ 𝑧1 =𝑝2
𝜌𝑔
+
𝑣2
2
2𝑔
+ 𝑧2 
El primer término es conocido como la cabeza de presión (P/𝜌g), el segundo es la cabeza de velocidad 
(𝑣2/2g) y por último la cabeza de altura (z). Para motivos de este proyecto la principal cabeza que influye 
en la entrega de energía es la presión, ya que no hay un cambio considerable de altura y la velocidad 
es constante debido a que el flujo masa se conserva y se mantiene un mismo diámetro antes y después 
de nuestro sistema por lo que no debe variar el caudal [4]. 
𝐻 =
∆𝑝
𝜌𝑔
 
La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, 
química y nuclear. No se incluye la energía hidráulica ya que esta se deriva de la energía cinética y 
potencial que esta posee. Al igual que el calor, el trabajo es una interacción de energía que ocurre entre 
un sistema y sus alrededores. Es decir, el trabajo es la transferencia de energía relacionada con una 
fuerza que actúa a lo largo de una distancia. En este proyecto el trabajo es el principal mecanismo de 
transferencia de energía, adicionalmente sabemos que el flujo de este trabajo es conocido como 
potencia (�̇�=P). Dado lo anterior es vital conocer el modelo matemático de la potencia para los 
diferentes estados [3]: 
𝑃ℎ𝑖𝑑 = 𝜌𝑔𝑄𝐻 
𝑃𝑚𝑒𝑐 = 𝑇𝜔 
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑽𝐼 
Gracias a las leyes de la termodinámica conocemos que: 
- Principio de conservación establece que la energía no se puede crear ni destruir durante un 
proceso; solo se puede transformar. 
- El segundo principio plantea que, si bien todo el trabajo mecánico puede transformarse en calor, 
no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico. 
De las cuales podemos concluir que toda máquina va a tener eficiencias menores al 100% y este servirá 
como un parámetro para saber si los resultados son correctos. En nuestro sistema tenemos dos 
estaciones, la primera es la conversión de energía hidráulica a energía mecánica por medio de la turbina 
5 
 
y la segunda estación es la conversión de energía mecánica a energía eléctrica por medio de un 
generador. Por lo tanto, estas ecuaciones modelaran las eficiencias del sistema [3]: 
𝜂𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 =
𝑃𝑚𝑒𝑐
𝑃ℎ𝑖𝑑
 
𝜂𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 =
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐
𝑃𝑚𝑒𝑐
 
𝜂𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝜂𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝜂𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 
 
El generador que se utilizara es un generador de imanes permanentes, proporcionado por WindStream, 
el cual tiene una eficiencia máxima de catálogo de 98%. Por otro lado, la turbina es una bomba 
centrifuga, la cual opera como se puede observar en la siguiente ilustración donde las líneas indican el 
flujo del agua [4]: 
 
Ilustración 1. Principio de operación y elementos básicos de una bomba centrifuga (Tomado de Introducción a la Mecánica de 
fluidos, Bruce Munson, 1999). 
Para operar la bomba como turbina esta debe girar en el sentido inverso, de tal manera que la entrada 
de agua es de forma radial, es decir al revés de su operación de diseño. La geometría del impulsor de 
una bomba es el fundamento de su operación como turbina, al tratarse ambas de máquinas roto-
dinámicas. Debido a que el sentido de flujo es opuesto es necesario considerar que la curvatura de los 
alabes se encuentra en el sentido contrario al que estaría para una turbina de tipo Francis. Finalmente 
se debe tener en cuenta que no solo se presentan las ventajas planteadas en la introducción de este 
documento, sino que adicionalmente presenta menores eficiencias de conversión de energía respecto a 
una turbina convencional y además opera en un rango menor de caudales al de una turbina 
convencional, por lo que a pequeñas variaciones de caudal se experimentan diferencias grandes de 
generación eléctrica [4]. 
Si bien el flujo a través de la bomba es bastante complejo (Tridimensional e inestable), se puede elaborar 
la teoría básica de operación considerando un flujo unidimensional del fluido a medida que pasa entre 
las secciones de entrada y salida del impulsor cuando gira el aspa [5]. 
6 
 
 
Ilustración 2 Triangulo de velocidades a la entrada y salida del impulsor de una bomba centrifuga (Tomado de Introducción a 
la Mecánica de fluidos, Bruce Munson, 1999). 
Donde en la imagen anterior, para un trayecto normal de un aspa, la velocidad absoluta (V1) del fluido 
que entra en el trayecto es el vector de la suma de la velocidad del aspa (U1), que gira en una trayectoria 
circular con la velocidad angular, y la velocidad relativa (W1), dentro del trayecto del aspa de modo que 
V1=W1+U1. De la misma manera se tiene a la salida que V2=W2+U2. Por otro lado, podemos a partir del 
principio de conservación de masa y la ecuación de momento calcular el torque necesario para mover 
un eje [5]. 
𝑇𝑒𝑗𝑒 = 𝜌𝑄(𝑟2𝑉𝑡2 − 𝑟1𝑉𝑡1) 
Para un eje en rotación podemos conocer la potencia transferida como 
𝑃𝑚𝑒𝑐 = 𝜔𝑇 = 𝜌𝑄(𝑢2𝑉𝜃2 − 𝑢1𝑉𝜃1) 
Por otro lado, se puede relacionar matemáticamente las velocidades y las características geométricas 
para calcular la cabeza ideal 
𝐻𝑖 =
1
𝑔
(𝑢2𝑉𝑡2 − 𝑢1𝑉𝑡1) =
𝑢2
2
𝑔
−
𝑢2𝑐𝑜𝑡𝛽2
2𝜋𝑟2𝑏2𝑔
𝑄 
Para bombas reales el ángulo del aspa 𝛽2 varia de 15° a 35°, con un intervalo normal de 20°<𝛽2<25°, y 
con 15°<𝛽1<50° 
Los coeficientes adimensionales son ampliamente utilizados para reunir la información de manera 
concisa y además realizar comparaciones entre máquinas geométricamente similares [5]. 
Coeficiente de capacidad: 𝐶𝑄 =
𝑄
𝑛𝐷3 
Coeficiente de cabeza: 𝐶𝐻 =
𝑔𝐻
𝑛2𝐷2 
Coeficiente de potencia: 𝐶𝑃 =
𝑃𝑚𝑒𝑐
𝜌𝑛3𝐷5 
Velocidad específica: 𝑁𝑠 =
(
𝑄
𝜔𝐷3)
1/2
(
𝑔𝐻
𝜔2𝐷2)
3/4
 
=
𝜔𝑄1/2
(𝑔𝐻)3/4 
7 
 
Por lo tanto, la eficiencia puede expresarse en términos de los coeficientes como 𝜂 =
𝐶𝐻𝐶𝑄
𝐶𝑃
. 
Esta teoría que modela el comportamiento de las turbomáquinas se puede aplicar para las turbinas 
revirtiendo el flujo y modificando las direcciones de las velocidades en los modelos. 
6. Antecedentes 
Este proyecto pertenece a una serie de trabajos realizados en la universidad donde el antecedente más 
reciente es el trabajo realizado por la estudiante Andrea Rodríguez en su proyecto de grado donde logra 
aumentar la eficiencia de esta, alrededor de un 3% modificando pequeños factores geométricos de los 
alabes tal como se muestra en la siguiente imagen [6]. En dicho trabajo se llegó hasta el punto de probar 
3 rotores diferentes para la turbina, dichos rotores se ilustran a continuación: 
 
Ilustración 3 Reformas realizadas a los rotores (Tomado de Andrea Rodríguez, 2017) 
1 
(Original) 
2 
(Modificación 1) 
3 
(Modificación 2) 
 
Tabla 1 Rotores que fueron caracterizados (Imágenes tomadas de Andrea Rodríguez, 2017) 
Los resultados obtenidos para los 3 rotores se presentan sus eficiencias de sistema y sus respectivas 
estadísticas en la tabla 1,2 y en la ilustración 2 se puede observar cómo es la geometría de cada uno 
8 
 
de los rotores de prueba. Por otro lado, al caracterizar el sistema completo el trabajo anteriormente 
citado reporta los siguientes resultados para el punto de mejor operación en la tabla 3. 
 Rotor 1 Rotor 2 Rotor 3 
Promedio (%) 50,56 54,19 50,77 
Máximo (%) 51,19 55,01 52,08 
Desviación estándar 0,60 0,71 2,21 
Coeficiente de variación 1,19% 1,32% 4,36% 
Tabla 2 Valores medidos para condiciones de máxima eficiencia en condiciones de operación a 26Ω 
Parámetros Valor 
Cabeza Hidráulica 10.6 m 
Caudal 6.8 L/s 
Velocidad Angular 2488 rpm 
Momento Par 2.13 Nm 
Carga Resistiva 26.2 Ω 
Potencia Hidráulica 702.6 W 
Potencia Mecánica 555.2 W 
Potencia Eléctrica 386.5 W 
Eficiencia Turbina 79% 
Eficiencia 
Generador 
69.6% 
Eficiencia Global 55 % 
Tabla 3 Parámetros hidráulicos, mecánicos y eléctricos en el PMO (resultados de Andrea Mier) 
7. Modificación del eje 
La primera modificación a llevar a cabo es el reemplazo del eje actual, ya que el que se encontraba 
inicialmente tenía un rodamiento que se considera innecesario además queel montaje de este se 
encontraba poco robusto y estaba generando una fricción considerable que podría afectar el 
comportamiento de nuestro sistema, el rodamiento del cual se refiere anteriormente se puede observar 
en la ilustración 3. 
 
Ilustración 4 Estado inicial del eje 
 
9 
 
7.1. Diseño del eje 
Para el diseño del eje se seleccionó una longitud un poco más corta del eje inicial, se consideraron las 
peores condiciones de operación para llevar a cabo los cálculos, las cuales son las condiciones de mayor 
velocidad angular y de mayor torque consultadas por medio de unas pruebas preliminares, donde se 
obtuvieron los resultados mostrados en la siguiente tabla. 
Variable Valor Unidad 
Vel. Angular 2800 rpm 
Torque 2,35 Nm 
Tabla 4 Criterios de diseño del eje. 
Para diseñar el eje nos encontramos bastante limitados debido a que la bomba presenta unas 
restricciones geométricas en los primeros 10 centímetros del eje. Por otro lado, al final del eje tenemos 
un acople que nos limita también la sección final. Dado lo anterior el diseño del eje tendrá dos pilares de 
análisis, el primero de ellos son los esfuerzos presentes en el eje y el segundo es la velocidad critica 
intrínseca del eje bajo ciertas condiciones. Los planos del diseño se encuentra en el anexo 1. 
7.1.1. Análisis de esfuerzos 
Dado lo anterior el objetivo de este diseño es elegir el material y considerar el menor diámetro exterior 
comercial entre el rodamiento y el acople. Para esto calculamos los esfuerzos en condiciones dinámicas 
presentes mediante el software de Autodesk Inventor. 
 
Ilustración 5 Simulación dinámica del eje 
En la anterior ilustración se puede observar que el mayor esfuerzo que siente es de 0,138 [MPa], por lo 
que cualquier acero inoxidable cumple con los requerimientos mecánicos. Por otro lado, se encuentra 
que el acero inoxidable 410 es el más comercial y además de eso el más económico, por lo que este 
material fue el seleccionado. 
10 
 
7.1.2. Velocidad critica 
La velocidad critica es otro parámetro que se debe tener en cuenta ya que si en el rango de velocidades 
que se quiere llevar a operar coincide con la velocidad critica el eje puede entrar en resonancia 
generando vibraciones que acortan la vida útil del equipo y reducen el desempeño del montaje 
disminuyendo su eficiencia. Debido a que el eje no tiene ninguna carga axial, la deflexión presente en el 
eje es causada únicamente por el peso del mismo eje, para el cálculo de las diferentes deflexiones se 
utilizó la herramienta computacional de MDSolids. 
Adicionalmente se implementa el método Dunkerley para subestimar la velocidad critica ya que se 
espera que el valor de esta sea alto, por lo que se implementa la ecuación presentada a continuación y 
obtenemos que la velocidad critica es 17259 rpm, la cual se encuentra muy por encima de las 
velocidades de operación esperadas. 
𝜔𝑐𝑟 = √
𝑔 ∑ 𝜔𝑖𝑦𝑖
∑ 𝜔𝑖𝑦𝑖
2 
8. Modificación de la estructura 
La estructura inicial con la que se contaba se puede apreciar en la siguiente imagen, la sección que 
soporta al generador es considerada critica ya que no se encuentra sujetada al piso, generando una 
gran cantidad de vibraciones que pueden disminuir su eficiencia de conversión de energía. 
 
Ilustración 6 Estructura del montaje inicial 
Después de una labor investigativa se descubrió que el montaje inicial no incluía el torquímetro, razón 
por la cual se improvisó con el montaje con una estructura de madera sujetada con una prensa a cada 
extremo. 
 
11 
 
8.1. Diseño de la estructura 
En el momento de diseñar la estructura se tuvieron en cuenta las siguientes limitaciones y objetivos: 
- Bajo costo de producción 
- Minimizar las vibraciones 
Se decidió realizar un diseño modular donde se pudiese mover positiva o negativamente en el sentido 
del eje los equipos e instrumentos, así como la estructura en general con el objetivo de que futuros 
proyectos puedan aprovechar estas características. El material seleccionado fue el acero estructural 
debido a que presenta las siguientes ventajas: 
• Alta resistencia a tensión y compresión 
• Bajo costo y facilidad de fabricación 
Este material cuenta con un esfuerzo de fluencia de 205 [Mpa], se selecciona un perfil cuyo espesor es 
3/16” (4,8 mm), fabricado de acero 1020 HR. Otro criterio de diseño que se tuvo fue el de realizar 
pequeñas modificaciones de bajo costo que influenciaran positivamente en la robustez del sistema, para 
tal fin se decide evaluar la opción de colocar ángulos que reforzaran el sistema tal como se ilustra en la 
siguiente imagen. 
 
Ilustración 7 Boceto de la estructura con refuerzos angulares 
Primero se realizó una simulación de la estructura sin refuerzos y se observó que la zona de mayores 
esfuerzos era en las esquinas superiores, la cual comparada con la simulación con los soportes 
angulares se reducen un 2,3% mientras que las deformaciones presentes, las cuales son las principales 
contribuyentes a la generación de vibraciones, disminuyen un 30%. A continuación, se presentan las 
dos simulaciones estáticas. 
12 
 
 
Ilustración 8 Simulación de la estructura sin refuerzos angulares 
 
Ilustración 9 Simulación de esfuerzos de la estructura una vez integrados los refuerzos angulares 
Una vez analizadas las dos estructuras se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla 5, y teniendo 
en cuenta que el costo aumentaba menos de un 5% se decidió realizar la estructura empleando refuerzos 
angulares. Los planos de fabricación se pueden apreciar en el anexo 2. 
Variable Sin refuerzos Con refuerzos Unidades 
Esfuerzo Von Mises 13,49 13,18 Mpa 
Factor de seguridad 15 15 - 
Deformación Max. 0,31 0,23 mm 
Tabla 5 Variación entre los dos diseños propuestos. 
13 
 
8.2. Diseño de la superficie 
Para el diseño de la superficie se tuvo en cuenta los siguientes parámetros: 
- Facilite el montaje de diferentes rotores 
- Modularidad para futuros proyectos 
- Costos bajos 
- Durabilidad 
- Facilidad para balancear la superficie 
Teniendo en cuenta la facilidad de desmontar y volver a montar se decidieron hacer ranuras de tal 
manera que el torquímetro y el generador se pudieran mover la dirección del eje logrando mantener 
estos dos alineados a la hora de modificar el montaje. 
Por otro lado, se seleccionó el acero 1020 enrolado en caliente por su fácil acceso en el mercado, al 
mismo tiempo su manufactura es muy sencilla y tiene su vida útil es bastante extensa. 
Con el objetivo de sujetar la superficie a la estructura y de poder balancear esta superficie correctamente 
se decidió realizar un agujero en los extremos más cortos, para los lados más extensos se decidió 
ampliar a dos agujeros debido a si longitud. Se selecciono un espesor de media pulgada ya que se 
encuentra disponible en el mercado local, adicionalmente al realizar el análisis de esfuerzo se observa 
que el máximo esfuerzo que siente con el peso de los equipos e instrumentos, es alrededor de 2 [MPa] 
y su deformación máxima es de 0,003[mm]. Los planos de dicha superficie se pueden apreciar en el 
anexo 3. 
Material Acero 1020 HT 
Densidad 7,15 [g/cm3] 
Masa 26 [kg] 
Área superficial 629645 [mm2] 
Dimensiones 40[cm]X80[cm] 
Espesor ½ [inch] 
Tabla 6 Datos generales de la placa 
9. Montaje con las modificaciones 
En esta sección se pretende describir los momentos más relevantes en el proceso de implementar las 
modificaciones planteadas anteriormente. La importancia de este proceso radica en evitar el 
desalineamiento del sistema; los principales tipos de desalineaciones que se pretenden evitar son la 
angularidad y el desfase en el eje vertical y horizontal [7]. 
14 
 
 
Ilustración 10 Tipos de desalineación (Imagen tomada de An Engineer's Guide to shaft alignment, vibration analysis, Dynamic 
Balancing & Wear Debris Analysis, 2012) [7]. 
Donde la desalineación por desfase sucede cuando los ejes de rotación están separados una distanciaen cualquiera de los planos asociados a su movimiento, mientras la desalineación por angularidad ocurre 
cuando los centros de rotación de los ejes presentan un ángulo de rotación entre sí respecto a un punto 
específico a lo largo de cualquiera de ellos. 
Una vez manufacturadas las piezas anteriormente diseñadas el primer paso es sujetar la superficie a la 
estructura, aquí se decide colocar un elastómero tal como se muestra en la siguiente imagen ya que 
este brinda unas propiedades mecánicas que sirven como un control pasivo de vibraciones donde este 
opera como un elemento disipador de energía y a la vez incorpora una rigidez aceptable ya que la 
deformación que experimenta es casi que mínima una vez se le aplica la carga con los tornillos. 
 
Ilustración 11 Aislamiento de la estructura para minimizar las vibraciones. 
Una vez la estructura es colocada sobre los pernos y sujetada al suelo se inicia a apretar los seis tornillos 
de tal manera que se logre un balance sobre los dos ejes horizontales. Para esto primero se utiliza un 
nivel de precisión como el que se muestra en la siguiente imagen. 
15 
 
 
Ilustración 12 Balanceo de la superficie en los dos ejes utilizando un nivel de precisión. 
Una vez realizado el montaje se nivela el eje vertical de tal manera que los centros de cada uno de los 
ejes se encuentren a la misma altura, esto se logra por medio de soportes que a su vez sirve como 
aisladores de las vibraciones. Para finalizar el montaje se realiza una medición sobre el eje con un 
comparador de caratula de tal manera que se observa que al eje dar una vuelta completa el equipo 
reporta un máximo de 0,02 milímetros, lo cual se considera en un rango excelente para las velocidades 
de operación que se pretenden en el experimento. 
 
Ilustración 13 Implementación del comparador de caratula. 
Adicionalmente se verifico la alineación del sistema con el láser autonivelante Gll2, donde se verifico 
que el láser coincidiera con los pernos centrales de los equipos, así como con el centro de los dos ejes 
tal como se muestra en la siguiente imagen. 
16 
 
 
Ilustración 14 Implementación del láser autonivelante para verificar la alineación del sistema 
10. Caracterización de la bomba-turbina 
Para realizar dicha caracterización primero se diseña un experimento donde se define que variables se 
van a medir y como. 
10.1. Diseño del experimento 
Una vez realizado el montaje de las modificaciones se procede a realizar el montaje experimental donde 
se pretende evaluar las diferentes variables de la turbina y del generador para caracterizar la bomba 
operando como turbina. Para esto se utilizan los equipos descritos a continuación y se realiza el siguiente 
arreglo donde se identifican los diferentes equipos que se utilizan. 
Magnitud Equipo de medida Precisión 
Voltaje [V] Multímetro FLUKE 0.5%+2 
Corriente [Ω] Pinza amperimétrica 1%+3 
Velocidad [RPM] 
Tacómetro EXTECH 
RPM10 
0.05%+1 
Torque [Nm] 
Torquímetro Omega 
TQ501-100 
0.01% 
Caudal [L/s] 
Caudalímetro 
KATRONIC 
KATFLOW 200 
1% 
Presión [pascal] Manómetro WIKA 5% 
Tabla 7 Magnitudes que se van a medir con su respectivo equipo y su precisión 
17 
 
 
Ilustración 15 Montaje experimental final 
Una vez conectados todos los equipos adecuadamente proseguimos a caracterizar todo el sistema de 
tal manera que se considera un rango corto de cargas resistivas. El rango que se seleccionó alrededor 
de 26,2[Ω], basado en los estudios de Ochoa donde afirma que el generador opera mejor para 
resistencias entre 20[Ω] y 30[Ω] y Andrea Mier donde se afirma que 26.2[Ω] es donde se obtienen 
eficiencias máximas, de tal manera que los limites son aquellas cargas resistivas donde la eficiencia 
disminuye. A partir de las siguientes ecuaciones que me modelan la potencia eléctrica en función del 
voltaje y la resistencia, por otro lado, sabemos que la configuración de las bombillas es en paralelo por 
lo que se utiliza la relación matemática adecuada. 
𝑃 =
𝑉2
𝑅
 𝑅 =
𝑉2
𝑃
 
1
𝑅𝑒𝑞
= ∑
1
𝑅𝑖
𝑛
𝑖=1
 
 
Potencia arreglo 
(W) 
Configuración de bombillas Resistencia asociada (Ω) 
500 
2 de 150 W 
1 de 200 W 
28.8 
550 
2 de 100 W 
1 de 150 W 
1 de 200 W 
26.2 
600 
1 de 100 W 
2 de 150 W 
1 de 200 W 
24 
Tabla 8 Resistencias evaluadas en los experimentos. 
18 
 
10.2. Implementación del torquímetro 
El torquímetro implementado fue el OMEGA TQ501-100, el cual me permite mediciones hasta de 11,2 
[Nm], es decir 100 [lb-in]. El torquímetro fue seleccionado previamente en un proyecto, este se alimenta 
con 12[V] y su salida es una señal eléctrica en milivoltios. 
 
Ilustración 16 Caracterización del torquímetro (Imagen tomada de Andrea Rodríguez, 2017) 
10.3. Resultados 
En esta sección se comparan los 3 rotores antes y después de las modificaciones realizadas en el 
proyecto, se selecciona la resistencia de 28,8Ω, ya que a este nivel se observaron los puntos de mayor 
eficiencia. Para iniciar planteamos la mejora que se presenta con el rotor original. 
 
y = -0,3566x - 1,1574
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-50,00 -40,00 -30,00 -20,00 -10,00 0,00
To
rq
u
e 
(N
m
)
Voltaje (mV)
Ciclo 1
Ciclo 2
Ciclo 3
Ciclo 4
Ciclo 5
Promedio
Lineal (Promedio)
19 
 
 
Ilustración 17 Velocidad Angular en función del caudal (Rotor 1). 
 
Ilustración 18 Torque a diferentes caudales (Rotor 1) 
 
Ilustración 19 Torque a diferentes velocidades angulares (Rotor 1) 
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
V
e
lo
ci
d
ad
 A
n
gu
la
r 
[R
P
M
]
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
To
rq
u
e
 [
N
m
]
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
To
rq
u
e
 [
N
m
]
Velocidad Angular [RPM]
Actual
Inicial
20 
 
 
Ilustración 20 Eficiencia del generador a diferentes caudales (Rotor 1) 
 
Ilustración 21 Cabeza en función del caudal (Rotor 1) 
 
Ilustración 22 Eficiencia de la turbina en función del caudal (Rotor 1) 
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ic
ie
n
ci
a 
G
e
n
e
ra
d
o
r
Caudal [L/s]
Efi. Generador
Actual
Ef. Generador
Inicial
0
2
4
6
8
10
12
14
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
C
ab
e
za
 [
m
]
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ic
ie
n
ci
a 
Tu
rb
in
a
Caudal [L/s]
Ef. Turbina
Actual
Ef. Turbina
Inicial
21 
 
 
Ilustración 23 Eficiencia de la turbina y cabeza de presión en función del caudal (Rotor 1) 
A continuación, se presentan los puntos de mejor operación del rotor original antes y después de las 
modificaciones. 
Parámetros Inicial Final 
Cabeza Hidráulica 12.3 m 12 [m] 
Caudal 7.2 L/s 7.12 [L/s] 
Velocidad Angular 2687 rpm 2755 rpm 
Momento Par 2.26 Nm 2.02 Nm 
Carga Resistiva 28.8 Ω 28.8 Ω 
Potencia Hidráulica 845 W 834,5 W 
Potencia Mecánica 574.6 W 584 W 
Potencia Eléctrica 402 W 455.7 W 
Eficiencia Turbina 68% 70% 
Eficiencia Generador 70% 78% 
Eficiencia Global 48% 54,6% 
Tabla 9 Comparación de las condiciones de mejor operación para el rotor original (Rotor 1) 
A continuación, se muestran los resultados obtenidos al evaluar el segundo rotor, cuya modificación fue 
que los alabes del rotor terminaran iguales. 
 
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ci
ie
n
ci
a 
To
ta
l
Caudal [L/s]
Efi. Total
Inicial
Efi. Total
Actual
22 
 
 
Ilustración 24 Velocidad angular del rotor original en función del caudal (Rotor 2) 
 
Ilustración 25 Torque en función del caudal (Rotor 2) 
 
Ilustración 26 Torque en función de la velocidad del sistema (Rotor 2) 
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
V
e
lo
ci
d
ad
 [
R
P
M
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
To
rq
u
e
 [
N
m
]Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
To
rq
u
e
 [
N
m
]
Velocidad [RPM]
Actual
Inicial
23 
 
 
Ilustración 27 Comportamiento del generador y su eficiencia a diferentes caudales (Rotor 2) 
 
Ilustración 28 Cabeza de presión en función del caudal (Rotor 2) 
 
Ilustración 29 Eficiencia de la turbina en función del caudal (Rotor 2) 
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ic
ie
n
ci
a 
G
e
n
e
ra
d
o
r
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0
2
4
6
8
10
12
14
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
C
ab
e
za
 [
m
]
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ic
ie
n
ci
a 
Tu
rb
in
a
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
24 
 
 
Ilustración 30 Eficiencia del sistema a diferentes caudales (Rotor 2) 
A continuación, se presentan los puntos de mejor operación antes y después de realizar las 
modificaciones 
Parámetros Inicial Final 
Cabeza Hidráulica 10.57 [m] 10,56 [m] 
Caudal 6.82 L/s 6.75 [L/s] 
Velocidad angular 2315 rpm 2341 rpm 
Momento Par 2.3 Nm 2.2 Nm 
Carga Resistiva 28.8 Ω 28.8 Ω 
Potencia Hidráulica 705 W 698 W 
Potencia Mecánica 529 W 544 W 
Potencia Eléctrica 370 W 394 W 
Eficiencia Turbina 75% 78% 
Eficiencia Generador 70% 72.4% 
Eficiencia Global 52.5% 56.4% 
Tabla 10 Características del punto de mejor operación para el rotor 2 
En la siguiente sección se encuentran los resultados obtenidos al evaluar el tercer rotor, el cual se 
caracteriza por tener la mayor área de entrada 
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ic
ie
n
ci
a 
To
ta
l
Caudal [L/s]
Final
Inicial
25 
 
 
Ilustración 31 Velocidad en función del caudal (Rotor 3) 
 
Ilustración 32 Comportamiento del torque a diferentes caudales (Rotor 3) 
 
 
Ilustración 33 Comportamiento del torque en función de la velocidad angular 
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
V
e
lo
ci
d
ad
 [
R
P
M
]
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
To
rq
u
e
 [
N
m
]
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
To
rq
u
e
 [
N
m
]
Velocidad [RPM]
Actual
Inicial
26 
 
 
Ilustración 34 Eficiencia del generador en función del caudal (Rotor 3) 
 
Ilustración 35 comportamiento de la cabeza de presión a diferentes caudales 
 
Ilustración 36 Eficiencia de la turbina evaluada a diferentes caudales 
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ic
ie
n
ci
a 
G
e
n
e
ra
d
o
r
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0
2
4
6
8
10
12
14
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
C
ab
e
za
 [
m
]
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ic
ie
n
ia
 T
u
rb
in
a
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
27 
 
 
 
Ilustración 37 Eficiencia del sistema evaluada a diferentes caudales (Rotor 3) 
A continuación, se presenta el punto de máxima eficiencia del sistema antes de realizar las 
modificaciones y luego de implementarse. 
Parámetros Inicial Final 
Cabeza Hidráulica 12.7 m 12.3 m 
Caudal 7.13 L/s 7.15 L/s 
Velocidad Angular 2733 rpm 2800 rpm 
Momento Par 2.24 Nm] 2.18 Nm 
Carga Resistiva 28.8 Ω 28.8 Ω 
Potencia Hidráulica 885 W 874 W 
Potencia Mecánica 642 W 648 W 
Potencia Eléctrica 448 W 475 W 
Eficiencia Turbina 69% 72% 
Eficiencia Generador 69.8% 72.3% 
Eficiencia Global 48.1% 51.6% 
Tabla 11 Comparación del punto de mejor operación para el rotor 3 
 
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Ef
ic
ie
n
ci
a 
to
ta
l
Caudal [L/s]
Actual
Inicial
28 
 
11. Análisis financiero 
En esta sección se incurre en analizar bajo qué condiciones se recomienda realizar un montaje tan 
meticuloso para un sistema que estuviese generando beneficio a un usuario final. Para esto se evalúa 
la rentabilidad teniendo en cuenta los costos de la estructura, mano de obra y préstamo de los 
instrumentos utilizados. 
Elemento Descripción Proveedor Precio 
Tubería y accesorios PVC alta presión Pavco $ 175.000 
Bomba HFm5B Pedrollo $ 700.000 
Acople D27 SKF $ 25.000 
Generador # 443902 WindStream $ 1.100.000 
Estructura Fijar el sistema HRR $ 500.000 
Instalación Mano de obra 
 
 $ 1.000.000 
Controlador 30a 12v/24v PWM $ 80.000 
5 baterías 40ah-12v PEAK $ 645.000 
Inversor 48 Vcc - 220 Vca 2.5 kW Epever $ 2.500.000 
Costo total $ 6.725.000 
Tabla 12 Costos que implica el proyecto 
Se debe tener en cuenta que este proyecto inicialmente tenia como planteamiento principal que la bomba 
alimentara un banco de baterías para almacenar energía o con fines de iluminación; en caso de que se 
aplique para alimenta un sistema de iluminación el costo total sería de $3.500.000 sin contar el sistema 
de iluminación. 
Para la evaluación financiera se tiene en cuenta que con el rotor original se logró en el punto de mejor 
operación una generación de 454 [W] donde un factor de planta típico para estas pequeñas centrales es 
de 0,6, por lo tanto, la generación anual es: 
𝐸 = 𝑃 ∗ ℎ ∗ 𝐹𝑃 = 454 ∗ (24 ∗ 365) ∗ 0,6 = 2,386 [𝑘𝑊ℎ] 
Por otro lado, según el reporte anual de la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios, el costo 
promedio de la energía entregada a los usuarios que hacen parte de la ZNI es de $937/kWh. Por lo 
tanto, anualmente representa un beneficio de: 
𝐵𝑒𝑛𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 = 2,386 [𝑘𝑊ℎ] ∗ $937/𝑘𝑊ℎ = $2.235.892 
Una vez conocemos el beneficio anual podemos determinar el periodo de retorno para los dos casos tal 
como se presenta a continuación: 
𝑡𝑖𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =
$3.500.000
$2.235.892
= 1 𝑎ñ𝑜 𝑦 7 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 
𝑡𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =
$6.725.000
$2.235.892
= 3 𝑎ñ𝑜𝑠 
En este calculo se omiten los costos de mantenimiento y no se tienen en cuenta los subsidios que aporta 
el gobierno para estos proyectos. 
 
29 
 
12. Conclusiones 
- Se observan mejoras hasta del 9% en la eficiencia del generador y del 2,4% en la eficiencia final. 
- Se observa en la graficas que el comportamiento del torque se disminuye significativamente a 
partir de una velocidad aproximada de 1200 RPM, esto se debe a que en el anterior montaje al 
llegar a estas velocidades se producían vibraciones considerables y por lo tanto la fuerza de 
fricción que oponía el generador era mayor. 
- Las modificaciones permitieron analizar el comportamiento del sistema a caudales más bajos, 
pues se observa que para los 3 rotores la transmisión de potencia inicia alrededor de 3.5 [L/s], 
mientras antes iniciaba alrededor de 4.5 [L/s]. 
- La correcta alineación se refleja en una mejora en la eficiencia de la turbina de alrededor de un 
5%. 
- Al probar todos los rotores se observo una mejora por lo que se considero satisfactorio el 
resultado del proyecto. 
13. Recomendaciones 
Para trabajos futuros se recomienda realizar el cambio del empaque mecánico de la bomba, ya que se 
observa cierto desgaste en este, que puede generar fricciones influyendo en el comportamiento de la 
bomba operando como turbina, otra acción que se debe retomar es realizar un recubrimiento superficial 
para que la vida útil de la superficie se prolongue. 
También se puede considerar concentrar futuros proyectos en la parte estructural del resto del montaje 
ya que se observan algunas desalineaciones, la llave que se encuentra después de la bomba se 
encuentra un poco deteriorada y las vibraciones que se siente allí son considerables. 
Desde el aspecto eléctrico se recomienda la instalación de un arrancador trifásico para iniciar la 
operación de la bomba de alimentación, ya que se observa en el enchufe que debido a la tensión del 
cable este ya ha presentado en algunas ocasiones cortos. 
Teniendo en cuenta la instrumentacióndel torquímetro adicionar un conversor análogo/digital permitiría 
una mayor facilidad a la toma de datos además que serviría como material lúdico para la enseñanza de 
este tipo de instrumentos. 
Finalmente sería interesante que los próximos trabajos consideren caracterizar el montaje con una 
batería con sus respectivas medidas de seguridad. 
14. Referencias 
 
[1] UPME, «UPME,» octubre 2016. [En línea]. Available: 
http://www1.upme.gov.co/PromocionSector/SeccionesInteres/Documents/Boletines/Boletin_Estadis
tico_2012_2016.pdf. [Último acceso: 14 agosto 2017]. 
[2] COLCIENCIAS, IDEAM, IGAC, PUJ y UPME, Atlas Potencial Hidroenergético de Colombia, Bogotá 
D.C., 2015. 
[3] Y. Cengel, Termodinamica, Sexta ed., Mexico: Mc Graw Hill, 2009. 
[4] F. White, Fluid Mechanichs, New York: McGrawHill, 2008. 
30 
 
[5] B. Munson, Introduccion a la mecánica de fluidos, Mexico: Wiley, 1999. 
[6] A. R. Mier, «Mejoramiento de la eficiencia de una bomba operando como turbina,» Departamento de 
Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogota, 2017. 
[7] Prüftechnik, «An engineer's guide to shaft alignment, vibration analysis, dynamic balancing and wear 
debris analysis,» 2002. [En línea]. Available: 
https://www.pruftechnik.com/fileadmin/pt/Downloads/Brochures-
Flyers_SPECIAL/Engineers_Guide_ALI_CM/EngineersGuide2012.pdf. [Último acceso: 1 Mayo 
2017]. 
[8] J. S. Ochoa, «Desarrollo de una bomba centrífuga para la generación de energía eléctrica,» Tesis 
(Maestría en Ingeniería Mecánica). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento 
de Ingeniería Mecánica, Bogotá, 2013. 
 
 
 
 
31 
 
15. Anexo 1 
 
 
 
32 
 
16. Anexo.2 
 
33 
 
17. Anexo 3 
	1. Introducción
	2. Objetivos
	3. Nomenclatura
	4. Equipos
	5. Marco Teórico
	6. Antecedentes
	7. Modificación del eje
	7.1. Diseño del eje
	7.1.1. Análisis de esfuerzos
	7.1.2. Velocidad critica
	8. Modificación de la estructura
	8.1. Diseño de la estructura
	8.2. Diseño de la superficie
	9. Montaje con las modificaciones
	10. Caracterización de la bomba-turbina
	10.1. Diseño del experimento
	10.2. Implementación del torquímetro
	10.3. Resultados
	11. Análisis financiero
	12. Conclusiones
	13. Recomendaciones
	14. Referencias
	15. Anexo 1
	16. Anexo.2
	17. Anexo 3