Aerogenerador Urbano FASE2 (1)

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Universidad Católica de Santa María
Facultad de Ciencias e Ingenierías Físicas y Formales
Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica, Mecánica-Eléctrica y Mecatrónica
 
DISEÑO DE UN AEROGENERADOR DE 20 KW-H/DIA ACOPLADA A UN COMPRESOR DINÁMICO PARA EL USO URBANO EN UN EDIFICIO MULTIFAMILIAR EN AREQUIPA
Proyecto presentado por:
GALLEGOS FIGUEROA RICHARD BENJAMIN.
LEÓN LLANLLAYA RAFAEL ALEJANDRO.
MOLINA FUENTES AXEL ANDRE.
NINAJA SARMIENTO MARCO ANTONIO.
YLLA GARCIA SERGIO ALEXANDER.
Arequipa – Perú
2024
vii
RESUMEN
El trabajo de investigación en el diseño de una turbina eólica acoplada a un compresor dinámico para mejorar la generación de energía eléctrica en Arequipa. Se plantea que, a pesar de la velocidad media del viento en la región, es posible aumentar la velocidad del viento para optimizar la generación de energía. Los objetivos abarcan un estudio exhaustivo de los vientos locales, análisis en software de simulación para determinar puntos críticos, diseño estructural y de caja de velocidades, y simulación del funcionamiento del diseño propuesto. La justificación se apoya en la velocidad promedio anual del viento en Arequipa, que la convierte en un sitio ideal para la generación de energía eólica, destacando el aprovechamiento del recurso eólico disponible, la alta eficiencia de generación, la reducción de dependencia energética y los beneficios medioambientales asociados. Los alcances del proyecto se centran en el diseño detallado utilizando programas de diseño asistido por computadora, excluyendo la implementación física, instalación, operación y mantenimiento del sistema de generación de energía renovable. Se identifican limitaciones, como la imprevisibilidad de los vientos urbanos, aspectos estéticos y costos asociados al diseño. Además, se discuten teorías relevantes para el diseño de las palas del aerogenerador y la teoría de pernos.
Palabras Clave: Cargas Actuantes, Teoría De Betz, Fuerza Cortante, Fuerza De Tracción, Área De Esfuerzo.
ABSTRACT
The research work in the design of a wind turbine coupled to a dynamic compressor to improve the generation of electrical energy in Arequipa. It is proposed that, despite the average wind speed in the region, it is possible to increase wind speed to optimize energy generation. The objectives include an exhaustive study of local winds, analysis in simulation software to determine critical points, structural and gearbox design, and simulation of the operation of the proposed design. The justification is based on the average annual wind speed in Arequipa, which makes it an ideal site for the generation of wind energy, highlighting the use of the available wind resource, the high generation efficiency, the reduction of energy dependence and the benefits associated environmental conditions. The scope of the project focuses on detailed design using computer-aided design programs, excluding the physical implementation, installation, operation and maintenance of the renewable energy generation system. Limitations are identified, such as the unpredictability of urban winds, aesthetic aspects and costs associated with the design. Additionally, theories relevant to the design of wind turbine blades and bolt theory are discussed.
Keywords: Acting Loads, Betz Theory, Shear Force, Traction Force, Stress Area.
ÍNDICE
Pág.
RESUMEN	1
ABSTRACT	2
ÍNDICE	3
ÍNDICE DE FIGURAS	5
ÍNDICE DE TABLAS	7
INTRODUCCIÓN	8
Capítulo 1	MARCO METODOLÓGICO	9
1.1	DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA	9
1.2	OBJETIVOS	10
1.2.1	Objetivo general	10
1.2.2	Objetivos específicos	10
1.3	JUSTIFICACIÓN	10
1.4	ALCANCES	13
1.5	LIMITACIONES	14
Capítulo 2	MARCO TEÓRICO	15
2.1	TEORIA PARA DISEÑO DE LAS PALAS DEL AEROGENERADOR:	15
2.2	TEORIA DE PERNOS:	17
2.2.1	Aplicaciones de los pernos	20
2.2.2	Ventajas y Desventajas de las Uniones Atornilladas	22
2.2.3	Fuerzas cortantes directas en los pernos:	24
2.2.4	Fuerzas de tracción directa:	24
2.2.5	Cargas actuantes para uniones metal – metal	24
2.2.6	Evaluación de las cargas y esfuerzos	25
2.2.7	Torque de ajuste	26
2.3	TEÓRIA DE UNIONES SOLDADAS	26
2.3.1	Tipos de Soldadura	27
2.3.2	Importancia de la Soldadura	28
2.3.3	Posiciones de Soldadura	29
2.3.4	Tipos de Electrodos en Soldadura	30
2.3.5	Importancia de Seleccionar el Tipo Correcto de Electrodo:	32
2.3.6	Características del Electrodo Revestido (SMAW):	32
2.3.7	Esfuerzos permisibles en uniones soldadas	35
2.3.8	Recomendaciones generales	36
2.3.9	Cargas actuantes en cordones de soldadura de filete	37
2.4	TEORÍA DE UNIONES FLEXIBLES	38
2.4.1	SDAAS	38
2.4.2	SADASDDASDA	38
2.4.3	ASDAS	38
2.4.4	SADASD	38
2.4.5	ASDASDAS	38
2.4.6	ASDASD	38
Capítulo 3	INGENIERÍA DEL PROYECTO	39
3.1	PRUEBAS DE SIMULACIÓN EN ANSYS:	39
3.2	DISEÑO DE UNIONES ATORNILLADAS	40
3.2.1	Unión Atornillada De La Turbina Con La Estructura	41
3.2.2	Unión Atornillada De La Base	44
3.3	DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS:	47
3.3.1	Selección de puntos críticos para soldadura:	47
3.3.2	Cálculos de soldadura en la unión central:	51
3.3.3	Cálculos de soldadura en la unión de esquina:	56
3.3.4	Cálculos de soldadura en unión intermedio:	64
3.3.5	Cálculos de soldadura en base:	65
CONCLUSIONES DEL PRIMER AVANCE	66
Respuesta a 1º objetivo una conclusión	66
RECOMENDACIONES DEL PRIMER AVANCE (opcional)	66
Ejem recomendación de montar en edificios mayores a 5 pisos	66
Bibliografía	67
ANEXO 1: TABLAS PARA EL DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS	68
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Velocidad del viento en Arequipa	10
Figura 2: Efecto teórico de Betz	16
Figura 3: Teoría del elemento de pala simplificada	16
Figura 4: Tipos de pernos	17
Figura 5: Tipos de pernos	18
Figura 6: Pernos	19
Figura 7: Tuerca	19
Figura 8: Arandelas	20
Figura 9: Aplicaciones de uniones atornilladas	22
Figura 10: Ejemplificación de proceso de soldadura	27
Figura 11: Máquinas de Soldadura	29
Figura 12: Posiciones de Soldadura	30
Figura 13: Descripción de Electrodo de Soldadura SMAW.	33
Figura 14: Aplicación Soldadura	35
Figura 15: Boceto de la estructura metálica	39
Figura 16: Simulación en ANSYS de la base de guía del aerogenerador	40
Figura 17: Estructura metálica de montaje	41
Figura 18: Montaje estructura compresor	41
Figura 19: Diagrama de fuerzas en la unión de la estructura metálica con el aerogenerador	43
Figura 20: Disposición de los pernos de unión de la estructura metálica con el aerogenerador	43
Figura 21: Diagrama de fuerzas en la estructura metálica	45
Figura 22: Disposición de pernos en las patas de la estructura metálica	45
Figura 23: Estructura metálica de montaje	47
Figura 24: Boceto de soldadura para esquina superior de estructura	48
Figura 25: Boceto de soldadura para unión superior	48
Figura 26: Vista frontal de estructura metálica	49
Figura 27: Boceto de soldadura soportes laterales	49
Figura 28: Vista lateral de estructura metálica	50
Figura 29: Boceto de soldadura soportes laterales	50
Figura 30: Boceto de soldadura soportes de la base	51
Figura 31: Diagrama de fuerzas para soldadura superior	51
Figura 32: Geometría para longitud de soldadura	52
Figura 33: Ubicación de centro de gravedad para primer cálculo de soldadura	52
Figura 34: Representación de fuerzas en los puntos extremos de soldadura	55
Figura 35: Diagrama de fuerzas para soldadura en esquina	56
Figura 36: Ubicación del centro de gravedad para la soldadura	57
Figura 37: Ubicación de distancias de cada punto de análisis	61
Figura 38: Diagrama de fuerzas para soldadura en punto crítico	63
Figura 39: Diagrama de fuerzas para soldadura de laterales críticas	64
Figura 40: Diagrama XDDD	65
Figura 41: Diagrama de fuerzas para soldadura de soporte	65
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1: Intervalos de velocidad del viento por cantidad de días por mes de Arequipa	11
Tabla 2: Velocidad promedio por mes de Arequipa	11
Tabla 3: Coeficientes de factor de superficies	42
Tabla 4: Áreas De Esfuerzos De Roscas Estándar Americano	68
Tabla 5: Áreas De Esfuerzos De Roscas Métricas Preferibles	69
Tabla 6: Especificaciones Métricas Para Pernos Y Tornillos	70
Tabla 7: Esfuerzos permisibles en cordones dePara , hallamos únicamente lo siguiente:
	
	
	
	
	
	
	
	
	Obteniendo:
	
	 
	
Ahora ubicamos el punto más crítico para soldadura, claramente será el punto 3.
Figura 39: Diagrama de fuerzas para soldadura en punto crítico
Fuente: Elaboración propia
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Ahora hallaremos la fuerza resultante:
	
	
	
	
Usamos la ecuación para hallar el espesor de soldadura W:
	
	
	
	
	
	
Convirtiendo a estándar comercial seria:
Cálculos de soldadura en unión intermedio:
Para los cálculos de este tramo de soldadura, primero deberíamos establecer las fuerzas 
Figura 40: Diagrama de fuerzas para soldadura de laterales críticas
Fuente: Elaboración propia
De la primera figura de esta sección de cálculo se identificó 2 fuerzas:
Para la fuerza FL habrá que hacer descomposición de fuerzas, pero sería en 3 dimensiones para hallar la fuerza usando la fuerza distribuida en una esquina superior de la estructura.
Figura 41: Boceto de primer diagrama de fuerzas para soldadura de laterales.
Fuente: Elaboración propia
En la figura 40 estamos hallando la fuerza equivalente que usaremos para el cálculo de soldadura 3.3.4. 
Figura 42: Diagrama de fuerzas para soldadura de laterales.
Fuente: Elaboración propia
Tendremos que descomponer la fuerza en distintos componentes para su análisis.
Obteniendo con eso la fuerza FL descompuesta:	
Aquí la fuerza vertical tiene un corte directo.
Ahora hallaremos el peso más crítico que puede ejercer el operario.
Figura 43: Diagrama de fuerzas para soldadura de laterales críticas
Fuente: Elaboración propia
En la figura anterior asumiremos el peor de los casos cuando las fuerzas actúan directamente en el centro de gravedad y el peso del operario lo asumiremos de una persona de 80lb el cual es una persona con obesidad de grado 3. Tenemos las fuerzas, ahora debemos seleccionar un tipo de soldadura adecuada, la cual facilitará todo.
De la tabla de soldaduras debemos ver que tenemos un modelo de soldadura el cual podemos aplicar, el cual es dos cordones de soldadura paralelos, entonces para ello podemos girar en 10 grados a cada cordón de soldadura para poder aplicar las fórmulas directas.
Figura 44: Boceto de soldadura para soldadura lateral.
Fuente: Elaboración propia
Hacemos los cálculos necesarios para hallar el momento de inercia, el centro de gravedad y módulo de línea, estos los obtenemos de las tablas. El tipo de soldadura tiene forma de L el cual es una forma conocida.
Hallamos la distancia de x:
De las tablas obtenemos las siguiente formula:
Donde
 
 
 
De las tablas obtenemos las siguiente formula:
Donde
 
Tenemos todo lo necesario para realizar los cálculos de las fuerzas, recordemos que estos valores hallados son iguales al cálculo anterior de soldadura para las esquinas, en este caso ahora consideraremos 2 fuerzas, una será de peso del operario y otra 
Ahora hacemos un proceso de abstracción para indicar que genera cada fuerza. Para facilitar los cálculos modificaremos la forma de soldadura.
Las distancias de los centros para los puntos extremos de soldadura son iguales. Entonces fasorial mente todas las distancias C son iguales a:
Debemos de terminar los cortes directos:
Ahora hallaremos las fuerzas de la fuerza descompuesta en x, y, z:
 Bien ya tenemos todas las fuerzas ahora haremos un boceto donde estableceremos las fuerzas que actúan en cada punto extremo de soldadura.
Figura 45: Boceto con fuerzas que generan corte y tracción.
Fuente: Elaboración propia
Figura 46: Boceto final con fuerzas aplicadas.
Fuente: Elaboración propia
Entonces ahora buscaremos el punto más crítico el cual será claramente el punto 3 para soldadura. En este caso lo que haremos será hacer un bosquejo para orientarnos mejor. 
Figura 47: Fuerzas para punto 3 crítico.
Fuente: Elaboración propia
Ahora hallaremos la fuerza resultante:
Usamos la ecuación para hallar el espesor de soldadura W:
Convirtiendo a estándar comercial seria:
Cálculos de soldadura en base:
Esta fuerza en 3 dimensiones podemos hallarla usando los valores descompuestos en el cálculo de la parte intermedia de la estructura metálica, pero añadiremos al eje z el valor medio del peso del operario. Primero veremos el diagrama que debemos obtener para el cálculo de la base.
Figura 48: Diagrama de fuerzas para base del soporte.
Fuente: Elaboración propia
En la siguiente figura observaremos 
Figura 49: Diagrama de fuerzas para soldadura de laterales.
Fuente: Elaboración propia
Tendremos que descomponer la fuerza en distintos componentes para su análisis.
Entonces veremos que la tenemos e peso de un operario que será de 80lb, pero como es peso estará sumándose en el eje Z es decir:
Ahora con esto tendremos la fuerza del soporte necesario para el cálculo de soldadura para loa base del soporte.
Figura 50: Ubicación del centroide para los cálculos de soldadura.
Fuente: Elaboración propia
Simplemente podremos ver que tendremos 3 fuerzas que generarán cortes directo y corte por tracción.
Donde es la fuerza del soporte descompuesta en x.
Ahora hallamos equivalente:
Usamos la ecuación para hallar el espesor de soldadura W, 
Como vemos el tamaño de cordón de soldadura es muy inferior al mínimo recomendado por las tablas, por ello investigando se encontró una formula en el libro de Alva:
En este caso debemos concluir en la selección de %R16 el cual considera un espacio entre cada cordón de 2 a 12 pulgadas.
CONCLUSIONES DEL PRIMER AVANCE
Respuesta a 1º objetivo una conclusión
· La creciente demanda de energía eléctrica, impulsada por su costo más bajo en comparación con otras fuentes de energía, ha llevado a un aumento en el uso de motores eléctricos en lugar de motores de combustión interna (MCI).
· A pesar de que la velocidad promedio del viento en Arequipa es menor debido a su ubicación en la cordillera de los Andes, se plantea que un diseño innovador de turbina eólica podría aumentar la eficiencia de la generación de energía en la región.
· La justificación se basa en la velocidad promedio del viento en Arequipa, que alcanza los 6.60 metros por segundo (m/s), y en los beneficios medioambientales y de reducción de dependencia energética que ofrece la generación de energía eólica.
Bibliografía
Buitin. (2020). Obtenido de https://builtin.com/artificial-intelligence
Calle, V. a. (Octubre de 2017). ELECTRONIC FRONTIER FOUNDATION. Obtenido de https://www.eff.org/pages/face-recognition
Contaval. (Febrero de 2016). CONTAVAL. Obtenido de https://www.contaval.es/que-es-la-vision-artificial-y-para-que-sirve/
Freepik. (2020). Obtenido de https://www.freepik.es/fotos-premium/hombre-oficina-tarjeta-identificacion-escanear-maquina-sistema-control-acceso_9449162.htm
Josh. (Diciembre de 2015). Tecnología, invención, aplicación y más. Obtenido de https://medium.com/technology-invention-and-more/everything-you-need-to-know-about-artificial-neural-networks-57fac18245a1
Pardo, C. J. (Diciembre de 2017). VISION POR COMPUTADOR. Obtenido de https://carlosjuliopardoblog.wordpress.com/2017/12/04/hog-histograma-de-gradientes-orientados/
ANEXO 1: TABLAS PARA EL DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS
Para poder seleccionar el diámetro de los pernos es necesario utilizar tablas que, de acuerdo con el área de esfuerzo calculado de los pernos, nos permita identificar el diámetro y número de hilos de los pernos. 
Tabla 4: Áreas De Esfuerzos De Roscas Estándar Americano
	DIAMETRO NOMINAL Pulg.
	ROSCA GRUESA
	ROSCA FINA
	
	HILOS POR PULG.
	AREA DE ESFUERZO
	HILOS POR PULG.
	AREA DE ESFUERZO
	
	
	Pulg²
	mm²
	
	Pulg²
	mm²
	1/4
	20
	0,0318
	20,53
	28
	0,0364
	23,47
	5/16
	18
	0,0524
	33,83
	24
	0,0581
	37,46
	3/8
	16
	0,0775
	50,00
	24
	0,0878
	56,66
	7/16
	14
	0,1063
	68,59
	20
	0,1187
	76,59
	1/2
	13
	0,1419
	91,55
	20
	0,1600
	103,2
	1/2
	12
	0,1378
	88,88
	 
	 
	 
	9/16
	12
	0,1819117,4
	18
	0,2030
	131,0
	5/8
	11
	0,2260
	145,8
	18
	0,2560
	165,1
	3/4
	10
	0,3345
	215,8
	16
	0,3730
	240,6
	7/8
	9
	0,4617
	297,9
	14
	0,5095
	328,7
	1
	8
	0,6057
	390,8
	12
	0,6630
	427,8
	1 1/8
	7
	0,7633
	492,4
	12
	0,8557
	552,1
	1 1/4
	7
	0,9691
	625,2
	12
	1,0729
	692,2
	1 3/8
	6
	1,1549
	745,1
	12
	1,3147
	848,2
	1 1/2
	6
	1,4053
	906,6
	12
	1,5810
	1020
	1 3/4
	5
	1,8995
	1225
	12
	2,1875
	1411
	2
	4.5
	2,4982
	1612
	12
	2,8917
	1866
	2 1/4
	4.5
	3,2477
	2095
	12
	3,6943
	2383
	2 1/2
	4
	3,9988
	2580
	12
	4,5951
	2965
	2 3/4
	4
	4,9340
	3183
	12
	5,5940
	3609
	3
	4
	5,9674
	3850
	12
	6,6912
	4317
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 25)
Tabla 5: Áreas De Esfuerzos De Roscas Métricas Preferibles
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 26)
Tabla 6: Especificaciones Métricas Para Pernos Y Tornillos
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 36)
Tabla 7: Esfuerzos permisibles en cordones de soldadura de filete referidos a los lados del filete
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 36)
Tabla 8: Requerimientos mínimos del material de aporte según AWS
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 39)
Tabla 9: Tamaño mínimo del cordón de filete
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 39)
Observación: El tamaño del cordón de soldadura de filete no debe exceder del espesor de la plancha más delgada. Se pasa por alto para aquellos casos que por cálculo de esfuerzos se requiera mayor tamaño del cordón.
Tabla 10: Propiedades del cordón de soldadura tratado como línea
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, págs. 40-41)
Tabla 11:ESFUERZOS DE ROTURA DE ALGUNOS MATERIALES USADOS EN FAJAS PLANAS
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 47)
 
Tabla 12:COEFICIENTE DE FRICCION ENTRE FAJA Y POLEA
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 47)
Tabla 13:EFICIENCIA DE LAS JUNTAS PARA FAJAS PLANAS DE CUERO
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 48)
Tabla 14:DESIGNACION Y DIMENSIONES DE FAJAS PLANAS DE CUERO
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 48)
Tabla 15:ANCHOS NORMALIZADOS DE FAJAS PLANAS DE CUERO
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 48)
Tabla 16:FACTORES DE CORRECCION DE LA POTENCIA PARA FAJAS PLANAS DE CUERO
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 49)
Tabla 17:DIÁMETROS MINIMOS DE LAS POLEAS PLANAS USADAS EN TRANSMISIONES POR FAJAS PLANAS
Fuente: Extraído de (Diseño de elementos de máquinas I, pág. 49)
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Universidad Católica de Santa María
 
Facultad de Ciencias e Ingenierías Físicas y Formales
 
Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica, Mecánica
-
Eléctrica y Mecatrónica
 
 
 
DISEÑO DE UN AEROGENERADOR 
DE 
20
 
KW
-
H
/DIA
 
ACOPLADA A UN 
COMPRESOR DINÁMICO PARA EL USO URBANO EN UN EDIFICIO 
MULTIFAMILIAR EN AREQUIPA
 
Proyecto presentado por
:
 
GALLEGOS FIGUEROA RICHARD BENJAMIN.
 
LEÓN LLANLLAYA RAFAEL ALEJANDRO.
 
MOLINA FUENTES AXEL ANDRE.
 
NINAJA SARMIENTO MARCO ANTONIO.
 
YLLA 
GARCIA SERGIO ALEXANDER.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Arequipa 
–
 
Perú
 
202
4
Universidad Católica de Santa María 
Facultad de Ciencias e Ingenierías Físicas y Formales 
Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica, Mecánica-Eléctrica y Mecatrónica 
 
DISEÑO DE UN AEROGENERADOR DE 20 KW-H/DIA ACOPLADA A UN 
COMPRESOR DINÁMICO PARA EL USO URBANO EN UN EDIFICIO 
MULTIFAMILIAR EN AREQUIPA 
Proyecto presentado por: 
GALLEGOS FIGUEROA RICHARD BENJAMIN. 
LEÓN LLANLLAYA RAFAEL ALEJANDRO. 
MOLINA FUENTES AXEL ANDRE. 
NINAJA SARMIENTO MARCO ANTONIO. 
YLLA GARCIA SERGIO ALEXANDER. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Arequipa – Perú 
2024soldadura de filete referidos a los lados del filete	70
Tabla 8: Requerimientos mínimos del material de aporte según AWS	71
Tabla 9: Tamaño mínimo del cordón de filete	71
Tabla 10: Propiedades del cordón de soldadura tratado como línea	72
INTRODUCCIÓN
Las energías limpias ofrecen una alternativa sostenible a los combustibles fósiles, pero muchas personas piensan lo contrario. A pesar de sus beneficios, tienen una barrera debido a que para implementarlos se necesita de una inversión elevada o considerable, por lo que es crucial superar estos pensamientos y avanzar hacia un futuro más sostenible.
	ii
MARCO METODOLÓGICO
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Hoy en día la energía eléctrica cada vez tiene una mayor demanda gracias a que es más barata que otros tipos de energía y podemos verlo reflejado en el cambio de MCI a motores eléctricos aumentando poco a poco la demanda de este tipo de energía.
Existen diferentes fuentes de generación de energía eléctrica, no obstante, en el Perú se utilizan en menor proporción fuentes de energía renovables no convencionales. Es por ello por lo que, para elevar estas cifras y desarrollar la energía eólica en el Perú, se opta por el diseño de un aerogenerador de alta eficiencia de 20 KW-H/día, para el uso urbano en un edificio multifamiliar en Arequipa.
Si bien el uso de paneles fotovoltaicos para la generación de energía eléctrica en zonas urbanas o rurales es algo común, la principal desventaja de estos es que la energía producida es únicamente durante las horas de sol. Para superar esta limitación y asegurar una generación continua de electricidad se propone el diseño de un aerogenerador que pueda operar durante las 24 horas del día.
OBJETIVOS
Objetivo general
Diseño de un aerogenerador de 20 KW-H/día acoplada a un compresor dinámico para el uso urbano en un edificio multifamiliar en Arequipa.
Objetivos específicos
1) Hacer un estudio de vientos para poder diseñar un aerogenerador de alta eficiencia.
2) Diseñar una estructura que pueda soportar la turbina a partir de un análisis previo en ANSYS.
3) Realizar el análisis de soldadura
4) Diseñar una caja de velocidades para aumentar las revoluciones de la turbina.
5) Realizar un análisis de costos de construcción y montaje.
JUSTIFICACIÓN
Tras una recopilación de datos climáticos obtenidos de (Meteoblue, 2024), analizamos la velocidad de viento promedio en la ciudad de Arequipa.
Figura 1: Velocidad del viento en Arequipa
Fuente: https://www.meteoblue.com/es/tiempo/historyclimate/climatemodelled/arequipa_per%C3%BA_3947322
Tabla 1: Intervalos de velocidad del viento por cantidad de días por mes de Arequipa
	Velocidad del viento (km/h)
	Enero
	Febrero
	Marzo
	Abril
	Mayo
	Junio
	Julio
	Agosto
	Setiembre
	Octubre
	Noviembre
	Diciembre
	1-5
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	5-12
	0.2
	0.3
	0.2
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0.2
	12-19
	12.2
	11.7
	10.3
	5.5
	1.6
	0.8
	0.6
	0.7
	0.9
	1.1
	2.4
	6
	19-28
	17.1
	14.6
	18.7
	21.4
	23.2
	18.8
	20.8
	22.9
	23.5
	27.2
	24.7
	22.4
	28-38
	1.5
	1.5
	1.7
	3.1
	6.1
	10
	9.1
	7.4
	5.5
	2.6
	2.8
	2.5
	38-50
	0
	0.1
	0.1
	0
	0.1
	0.5
	0.5
	0
	0
	0
	0
	0.1
Fuente: Elaboración propia a través de recopilación de datos de la Figura 1
Tras un análisis de los datos, obtuvimos las velocidades promedio por mes, con lo cual obtuvimos la velocidad promedio anual, cuyo resultado fue de 23.76 km/h o 6.60 m/s.
Tabla 2: Velocidad promedio por mes de Arequipa
	Mes
	Velocidad del viento en (km/h)
	Velocidad del viento (m/s)
	Enero
	20.71
	5.75
	Febrero
	20.75
	5.76
	Marzo
	21.33
	5.93
	Abril
	23.02
	6.39
	Mayo
	25.02
	6.95
	Junio
	26.87
	7.46
	Julio
	26.46
	7.35
	Agosto
	25.59
	7.11
	Setiembre
	24.92
	6.92
	Octubre
	23.94
	6.65
	Noviembre
	23.67
	6.57
	Diciembre
	22.84
	6.34
	Promedio
	23.76
	6.60
Fuente: Elaboración propia a través de recopilación y análisis de datos de la figura 1
La justificación del proyecto toma en consideración la velocidad promedio anual del viento en Arequipa, la cual se sitúa en 6.60 metros por segundo (m/s). De acuerdo con (EnerLife, 2020), la velocidad del viento mínima para el funcionamiento de un aerogenerador suele ser entre 3-4 m/s, aunque para poder plantear un proyecto eólico la velocidad del viento media anual debe situarse como mínimo en los 5 m/s.
La implementación de aerogeneradores se fundamenta en la abundante disponibilidad de recurso eólico en la ciudad de Arequipa, con una velocidad promedio anual del viento de 6.60 m/s. Esta característica convierte a Arequipa en una ubicación ideal para aprovechar la energía cinética del viento y convertirla en electricidad de manera eficiente y sostenible.
Dada toda esta información, podemos resumir la justificación en los siguientes puntos:
· Aprovechamiento del recurso eólico: La velocidad promedio anual del viento en Arequipa, que alcanza los 6.60 m/s, representa un recurso eólico significativo y constante. Este flujo de viento constante y predecible proporciona una base sólida para la generación de energía mediante aerogeneradores, permitiendo un suministro eléctrico estable y confiable para los edificios multifamiliares y las PYMEs.
· Alta eficiencia de generación: Con velocidades del viento superiores a los 6 m/s, los aerogeneradores pueden operar de manera óptima y generar una cantidad considerable de energía eléctrica. Esta alta velocidad del viento garantiza una producción energética eficiente y constante a lo largo del año, maximizando el rendimiento y la rentabilidad del sistema de generación de energía renovable. 
· Reducción de dependencia energética: Al aprovechar el recurso eólico disponible en Arequipa, se reduce la dependencia de fuentes de energía convencionales y se diversifica la matriz energética de la ciudad. Esto contribuye a mitigar los riesgos asociados con la volatilidad en los precios de los combustibles fósiles y fortalece la autonomía energética de la región.
· Beneficios medioambientales: La generación de energía mediante aerogeneradores contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y al cumplimiento de los compromisos internacionales de Perú en materia de cambio climático. Al utilizar una fuente de energía limpia y renovable, se promueve la protección del medio ambiente y la conservación de los recursos naturales en Arequipa y sus alrededores.
ALCANCES
El alcance del proyecto se limita al diseño detallado del sistema de generación de energía renovable utilizando exclusivamente los programas de diseño asistido por computadora (CAD) Autodesk Inventor, SolidWorks y Ansys. El proyecto no incluye la implementación física, instalación, operación ni mantenimiento del sistema de generación de energía renovable.
Las actividades específicas incluidas en el alcance del proyecto son las siguientes:
· Análisis de elementos: Se recopilarán y analizarán los elementos de máquinas para su selección en el diseño, tales como uniones atornilladas, uniones soldadas, engranajes, ejes o flechas, entre otros según se requiera requerimientos del sistema de generación de energía renovable, incluyendo especificaciones técnicas, dimensiones, capacidades de generación, y otros aspectos relevantes como un análisis de los esfuerzos en el aerogenerador por la fuerza del viento.
· Modelado 3D: Se desarrollarán modelos tridimensionales del sistema de generación de energía renovable (aerogenerador) utilizando Autodesk Inventor, SolidWorks y Ansys.
· Diseño Detallado: Se llevará a cabo el diseño detallado de cada componente del sistema, teniendo en cuenta los esfuerzos de tracción y compresión, los momentos flectores y torsores que estos puedan provocar en los componentes del sistema, también se tendrá en cuenta la fabricación y ensamblaje. Se realizarán simulaciones y análisis de resistencia, tolerancias, y otras características para garantizar la funcionalidad y eficiencia del sistema.
· Generación de Documentación Técnica: Se generará documentación técnica detallada, que incluirá planos de fabricación, listas de materiales y especificaciones técnicas.
LIMITACIONESVientos urbanos impredecibles: Los patrones de viento en entornos urbanos pueden ser irregulares debido a la presencia de edificios, árboles y otras obstrucciones. Esto puede afectar la eficiencia y la confiabilidad del aerogenerador, ya que requieren vientos constantes y relativamente uniformes para funcionar de manera óptima.
Aspectos estéticos: La estética del edificio y su entorno también son consideraciones importantes, debido a que el aerogenerador al ser visible podría no ser estéticamente agradable para los residentes o los vecinos.
Costos: El diseño del sistema de aerogeneración puede ser costoso, especialmente en entornos urbanos donde los desafíos técnicos y logísticos pueden aumentar los costos de mano de obra y los materiales.
MARCO TEÓRICO
Para un aerogenerador se requiere de tener claro conceptos asociados a la ingeniería aeronáutica para poder tener el mejor diseño posible y así poder evitar modificaciones de los elementos del aerogenerador como las entradas de aire para ver la mejor curva de perfil y así lograr una gran eficiencia.
TEORIA PARA DISEÑO DE LAS PALAS DEL AEROGENERADOR:
Un aerogenerador es un dispositivo utilizado para convertir la energía cinética del viento en energía eléctrica. Estos sistemas funcionan aprovechando la fuerza del viento para hacer girar sus aspas, las cuales están conectadas a un generador que produce electricidad a medida que las aspas rotan. La energía generada se puede utilizar para abastecer hogares, industrias, o incluso ser integrada a la red eléctrica.
Los aerogeneradores son una forma sostenible y renovable de generar electricidad, ya que el viento es una fuente de energía natural que no produce emisiones de gases de efecto invernadero ni contamina el medio ambiente. Además, pueden instalarse tanto en tierra como en el mar, siendo una parte importante de la transición hacia un sistema energético más limpio y eficiente.
El efecto Coanda ocurre cuando el flujo de aire se proyecta de cerca de una superficie paralela, como un techo o las paredes de un sistema de conductos. Cuando esto ocurre, el flujo de aire se ve afectado por la superficie paralela por la que fluye. En otras palabras, más simples, el aire se adhiere a las superficies a medida que se mueve.
Este efecto Qoanda es uno de los efectos relevantes para un análisis simple que se realizará en ANSYS.
Figura 2: Efecto teórico de Betz
Fuente: Extraído de Conocimiento eólico (2017)
Además, se analizará el efecto teórico de Betz el establece que una limitación fundamental sobre la cantidad máxima de energía que un aerogenerador puede extraer del viento.
Los análisis teóricos para las entradas y paletas de la parte superior de nuestro aerogenerador son superficiales, pero son necesarios aclararlos para la mayor eficiencia a la hora del diseño.
Figura 3: Teoría del elemento de pala simplificada
Fuente: Extraído de Tesis Universidad de Jaen (2015)
En la figura daremos a conocer la teoría básica necesaria para el diseño de la pala que forma parte de la hélice la cual tendrá que ir conectada al eje de rotación y este eje estará conectado a una caja de engranajes la cual se podría interpretar como una caja negra, donde la entrada es la fuerza del aire y la salida es la generación de energía eléctrica.
La breve descripción de la imagen es:
Recordemos que el viento chocara con el borde de la pala y esta necesita tener una inclinación un tanto precisa para poder lograr la mayor captación de aire que entra por la estructura, logrando una eficiencia de gran proporción. 
TEORIA DE PERNOS:
Los pernos son elementos de sujeción utilizados para unir o fijar piezas de manera segura en diversas aplicaciones industriales, de construcción y mecánicas. Estos componentes consisten en una varilla metálica con una cabeza en un extremo y una rosca en el otro. La cabeza del perno puede tener diferentes formas y diseños, como cabeza hexagonal, cabeza cuadrada, cabeza de lenteja, entre otras, y su función principal es permitir la aplicación de una fuerza de apriete mediante una herramienta como una llave o una tuerca.
Figura 4: Tipos de pernos
Fuente: Freepick (2024)
Los pernos se utilizan en una amplia variedad de contextos, desde la construcción de estructuras metálicas hasta la fabricación de maquinaria y equipos industriales. Su versatilidad radica en la capacidad de proporcionar una unión resistente y desmontable entre componentes, lo que facilita el montaje, mantenimiento y reparación de máquinas y estructuras.
Las uniones atornilladas son conexiones mecánicas que utilizan pernos y tuercas para unir de manera segura y desmontable dos o más piezas o componentes. Estas uniones son comunes en una variedad de aplicaciones industriales, de construcción, mecánicas y estructurales debido a su fiabilidad y versatilidad.
Figura 5: Tipos de pernos
Fuente: Ingenieria SAMAT (2024)
Elementos que se utilizan en uniones atornilladas
En una unión atornillada típica, se utilizan los siguientes elementos:
· Pernos: Son elementos de sujeción que consisten en una varilla metálica con una cabeza en un extremo y una rosca en el otro. Los pernos pueden tener diferentes tipos de cabezas (como hexagonal, cuadrada, etc.) y están diseñados para pasar a través de agujeros previamente perforados en las piezas que se desean unir.
Figura 6: Pernos
Fuente: Aceros Import (2024)
· Tuercas: Son dispositivos con una rosca interna que se enrosca sobre el extremo roscado del perno. Las tuercas se utilizan para aplicar la fuerza necesaria para apretar el perno y asegurar la unión de las piezas. Pueden ser hexagonales, cuadradas, de mariposa, entre otras formas.
Figura 7: Tuerca
Fuente: Cielo RASO (2024)
· Arandelas: A menudo se colocan bajo la cabeza del perno o entre la tuerca y la superficie de la pieza para distribuir la carga de manera uniforme y proteger las superficies de las piezas.
Figura 8: Arandelas
Fuente: Cielo RASO (2024)
Proceso de unión de tornillos
El proceso de unión atornillada generalmente implica los siguientes pasos:
· Perforación de agujeros en las piezas que se van a unir.
· Colocación de los pernos a través de los agujeros.
· Colocación de las arandelas y tuercas en el extremo roscado de los pernos.
· Aplicación de una herramienta de apriete, como una llave o una llave de torsión, para apretar las tuercas y crear la fuerza de sujeción necesaria.
Las uniones atornilladas ofrecen varias ventajas, como la facilidad de montaje y desmontaje, la capacidad de ajustar la tensión de la unión, y la resistencia a cargas de tracción y compresión. Además, permiten reemplazar piezas individuales o realizar mantenimiento sin dañar las partes restantes de la estructura o la máquina.
Aplicaciones de los pernos
· Construcción y Estructuras Metálicas:
Los pernos se utilizan extensamente en la construcción para unir vigas, columnas, placas y otros elementos estructurales. Son fundamentales en la construcción de puentes, edificios, torres y estructuras de acero.
· Maquinaria y Equipos Industriales:
En la industria manufacturera, los pernos se emplean para ensamblar maquinaria y equipos industriales, incluyendo motores, bombas, compresores, turbinas y equipos de transporte.
· Automotriz y Transporte:
En la industria automotriz, los pernos se utilizan para ensamblar motores, chasis, carrocerías y sistemas de suspensión. También son esenciales en la fabricación de vehículos de transporte como trenes, aviones y barcos.
· Electrodomésticos y Electrónica:
En la fabricación de electrodomésticos y dispositivos electrónicos, los pernos se utilizan para ensamblar componentes y carcasas. También son importantes en la industria de la tecnología para ensamblar equipos informáticos y de comunicaciones.
· Industria Petrolera y Energética:
En aplicaciones industriales como la extracción de petróleo, gas y energía, los pernos se utilizan en equipos y estructuras de alta resistencia sujetos a condiciones extremas.
· Industria Naval y Offshore:
En la construcción naval y en aplicaciones offshore, los pernos son críticos para ensamblarplataformas marítimas, estructuras submarinas y embarcaciones.
· Muebles y Carpintería:
En la fabricación de muebles y carpintería, los pernos se utilizan para unir piezas de madera, plástico y metal en muebles y estructuras de uso doméstico.
· Instalaciones y Estructuras Civiles:
En proyectos de infraestructura civil como vallas, barandas, sistemas de contención y parques de juegos, los pernos se utilizan para asegurar la estabilidad y seguridad de las estructuras.
· Equipos Deportivos y Recreativos:
En la fabricación de equipos deportivos y recreativos, como bicicletas, equipos de gimnasio, juegos infantiles y herramientas de jardinería, los pernos son utilizados para ensamblar componentes y garantizar la funcionalidad y seguridad.
Figura 9: Aplicaciones de uniones atornilladas
Fuente: GSA. (2024)
Ventajas y Desventajas de las Uniones Atornilladas
Ventajas de las Uniones Atornilladas:
· Facilidad de Montaje y Desmontaje:
Las uniones atornilladas permiten un montaje y desmontaje rápidos y fáciles, lo que facilita las tareas de mantenimiento, reparación y reemplazo de componentes.
· Ajuste y Reajuste:
Es posible ajustar la tensión de las uniones atornilladas durante el montaje para garantizar un apriete adecuado. También se pueden reajustar si es necesario debido a asentamientos o cambios en las condiciones de carga.
· Reutilización:
Los componentes utilizados en las uniones atornilladas, como pernos y tuercas, pueden ser reutilizados si se desmonta la unión, lo que puede ser ventajoso en aplicaciones donde se requiere flexibilidad o ensamblajes temporales.
· Resistencia a Cargas Dinámicas:
Las uniones atornilladas pueden ofrecer una buena resistencia a cargas dinámicas, como vibraciones y impactos, si se especifican y montan adecuadamente.
· Inspección Visual:
Es fácil realizar inspecciones visuales en las uniones atornilladas para detectar signos de aflojamiento, desgaste o deterioro, lo que permite una detección temprana de problemas potenciales.
· Integridad Estructural:
Las uniones atornilladas pueden proporcionar una alta integridad estructural cuando se utilizan correctamente, contribuyendo a la seguridad y estabilidad de las construcciones y equipos.
Desventajas de las Uniones Atornilladas:
· Posibilidad de Aflojamiento:
Existe el riesgo de que los pernos se aflojen con el tiempo debido a vibraciones, cargas cíclicas o asentamientos, lo que puede requerir inspecciones y reaprietes regulares.
· Requisitos de Espacio:
Las uniones atornilladas requieren espacio alrededor de los pernos para permitir el acceso de herramientas durante el montaje y desmontaje, lo que puede limitar su uso en espacios confinados o en aplicaciones de alta densidad de componentes.
· Costo y Complejidad:
En comparación con algunos métodos de unión más simples como el pegado o la soldadura, las uniones atornilladas pueden ser más costosas y complejas debido al uso de múltiples componentes y herramientas.
· Potenciales Puntos Débiles:
Las uniones atornilladas pueden presentar potenciales puntos débiles en las áreas alrededor de los agujeros perforados, especialmente en materiales frágiles o sujetos a cargas extremas.
· Corrosión y Degradación:
Si no se seleccionan adecuadamente los materiales y recubrimientos, las uniones atornilladas pueden ser susceptibles a la corrosión y degradación, especialmente en entornos agresivos o expuestos a la intemperie.
Para la teoría de pernos se especificarán las ecuaciones necesarias para el posterior análisis, estas ecuaciones son sacadas de la teoría proporcionada por el docente a cargo del curso de diseño de elementos de máquinas.
Fuerzas cortantes directas en los pernos:
Para que se cumpla este tipo de fuerza, se debe tener en claro que para que sea directo, la fuerza tiene que estar en el centro de gravedad denominado CG, en el proyecto el peso total pasa justamente en el centro de gravedad:
Fuerzas de tracción directa:
Para el análisis de fuerzas de tracción directa se mencionará para un posible caso de fuerzas ejercidas por el aire las cuales puedan con el tiempo generar una tracción en los pernos, puesto que según se mostró en el análisis en ANSYS para solo una paleta inferior se mostró lo siguiente:
En este caso se realizará un análisis de vientos simple ya que no presenta muchos una fuerza muy significativa en la ciudad de Arequipa, en casa de que esto se lleve a cabo en zonas de vientos extremos o frecuentes tornados se tendrá que hacer un mejor análisis para hacer un mejor diseño.
Cargas actuantes para uniones metal – metal
a) Carga de tracción directa
Donde:
Ft = Carga de tracción en el perno 
W = Carga actuante 
n = Número de pernos
b) Carga de corte directa
Donde:
Fs = Carga de corte en el perno 
W = Carga de corte actuante 
n = Número de pernos
c) Tracción en los pernos producido por la carga de momento flector
Donde:
Fti = Carga de tracción en el perno (i) 
M = Momento flector actuante 
Ci = Distancia entre el eje de pivote y el perno (i). 
Cj = Distancia entre el eje de pivote y un perno cualquiera. 
d) Carga de corte producido por el momento torsor
Donde:
Fsi = Carga de corte en el perno "i" 
T = Momento torsor actuante. 
Ci = Distancia del centro de gravedad de los pernos al perno "i" 
Cj = Distancia del centro de gravedad de los pernos a un perno cualquiera.
Evaluación de las cargas y esfuerzos
Para el caso general en que sobre la unión actúan las cargas de tracción, Ft, y de corte, Fs, los pernos pueden calcularse por cualquiera de estos dos métodos.
1. Considerando que la fricción existente entre las superficies de contacto toma la carga de corte actuante. Esto requiere que la fuerza de tracción en el perno sea:
El perno se fijará con un ajuste de: 
Siendo: 
Ft = Carga de tracción actuante 
Fs = Carga de corte actuante 
μ = Factor de fricción entre las superficies en contacto, se puede tomar: 0,2 a 0,35 
Fe = Fuerza de tracción en el perno para que éste no tome la carga de corte. 
Sy = Esfuerzo de fluencia del material del perno 
As = Área del esfuerzo del perno 
Fi = Ajuste inicial del perno.
2. Considerando que el perno tomará la carga de corte por ajuste inadecuado. Para esta situación, la carga equivalente de tracción será:
· De acuerdo con el criterio de la máxima energía de distorsión: 
· De acuerdo con el criterio de máximo esfuerzo cortante: 
Para calcular el área de esfuerzo requerido, podemos, hacer uso de las fórmulas de Seaton & Routhewaite:
También por la expresión:
Torque de ajuste
· Para pernos lubricados: 
· Para pernos no lubricados (secos): 
TEÓRIA DE UNIONES SOLDADAS
La soldadura es un proceso fundamental en la fabricación y construcción que permite unir materiales metálicos de manera permanente mediante la aplicación de calor y/o presión. Este proceso es ampliamente utilizado en diversas industrias, incluyendo la automotriz, la construcción, la aeroespacial, la naval, entre otras, para fabricar estructuras y componentes que requieren uniones sólidas y duraderas.
La soldadura implica la fusión localizada de los materiales base utilizando calor generado por una llama, un arco eléctrico u otro método de calentamiento. Durante la soldadura, los materiales se funden en la zona de unión y al enfriarse forman una conexión sólida. Además del calor, algunos procesos de soldadura pueden requerir el uso de un metal de relleno para fortalecer la unión.
Los avances en tecnología han dado lugar a una variedad de técnicas de soldadura, cada una adaptada para aplicaciones específicas y materiales particulares. Algunos ejemplos comunes incluyen la soldadura por arco eléctrico, la soldadura de gas, la soldadura por fricción, la soldadura láser y la soldadura ultrasónica.
Es esencial para la fabricación de estructuras y maquinaria, sino que también desempeña un papel crucial en la reparación y mantenimiento de componentes, permitiendo restaurar la funcionalidad de equipos y piezas dañadas.
Figura 10: Ejemplificación de proceso de soldadura
Fuente: Seabery. (2024)
No solo es un proceso fundamental en la fabricación y la industriaque consiste en unir materiales metálicos mediante la aplicación de calor, presión o ambos, con el objetivo de obtener una unión sólida y duradera. Existen diversos tipos de soldadura, cada uno adaptado para diferentes aplicaciones, materiales y condiciones específicas. 
Tipos de Soldadura
· Soldadura por Arco Eléctrico:
En este método, se genera un arco eléctrico entre un electrodo y el material base, creando calor que funde los metales. Puede realizarse con electrodos revestidos (SMAW), TIG (GTAW), MIG/MAG (GMAW), entre otros.
· Soldadura de Gas:
La soldadura de gas utiliza una llama generada por la combustión de gases combustibles y oxidantes para fundir los materiales. Ejemplos incluyen la soldadura oxiacetilénica y la soldadura por gas MIG.
· Soldadura por Fricción:
Este método utiliza la fricción entre las superficies de los materiales para generar calor y unir las piezas. Es común en la soldadura de plásticos y metales, como la soldadura por fricción-agitación.
· Soldadura Láser:
La soldadura láser utiliza un haz de luz láser altamente concentrado para fundir los materiales y crear una unión. Es precisa y adecuada para materiales de alta precisión y espesores delgados.
· Soldadura por Ultrasonido:
En este método, se utilizan vibraciones ultrasónicas para generar calor y unir materiales sin necesidad de calor adicional. Es común en la industria de plásticos y materiales compuestos.
· Soldadura por Resistencia:
La soldadura por resistencia utiliza la resistencia eléctrica para generar calor en los materiales a unir. Ejemplos incluyen la soldadura por puntos y la soldadura por costura.
Importancia de la Soldadura
La soldadura desempeña un papel crucial en la fabricación y la construcción de una amplia gama de productos, desde estructuras metálicas hasta componentes electrónicos y automotrices. Permite la fabricación eficiente de productos duraderos y confiables, así como la reparación y el mantenimiento de equipos en servicio.
Los avances en la tecnología de soldadura han permitido desarrollar métodos más precisos, rápidos y seguros para adaptarse a las demandas de la industria moderna. La elección del tipo de soldadura adecuado depende de factores como el tipo de material, la aplicación específica, la calidad requerida de la unión y la eficiencia del proceso.
Figura 11: Máquinas de Soldadura
Fuente: Escuela Des Arts. (2024)
Posiciones de Soldadura
Posiciones Básicas de Soldadura:
· Posición Plana (1G o 1F):
En esta posición, la soldadura se realiza en una superficie plana horizontal. Es la posición más fácil y cómoda para el soldador, ya que la gravedad ayuda a mantener el material en su lugar y el cordón de soldadura se deposita de manera uniforme sobre la superficie.
· Posición Vertical Ascendente (3G o 3F):
En la posición vertical ascendente, la soldadura se realiza en una superficie vertical hacia arriba. El cordón de soldadura se deposita de abajo hacia arriba. Requiere habilidades adicionales del soldador para controlar la penetración y el desplazamiento del metal fundido.
· Posición Vertical Descendente (2G o 2F):
En esta posición, la soldadura se realiza en una superficie vertical hacia abajo. El cordón de soldadura se deposita de arriba hacia abajo. Es una posición más desafiante que la posición vertical ascendente debido a la gravedad que puede afectar el control del charco de soldadura.
· Posición Sobre Cabeza (4G o 4F):
En la posición sobre cabeza, la soldadura se realiza en una superficie superior o techo. Esta es una de las posiciones más difíciles, ya que el metal fundido tiende a caer hacia abajo. Requiere habilidades avanzadas y técnicas especiales para evitar defectos en la soldadura.
Otras Posiciones Especiales:
· Posición Angular (6G o 6F):
Esta posición implica soldar en una superficie angular, como en un ángulo de 45 grados. Requiere destreza para manejar la dirección y el ángulo del cordón de soldadura.
· Posición Circunferencial (5G o 5F):
En la posición circunferencial, la soldadura se realiza alrededor de una pieza cilíndrica, como un tubo o una tubería. Esta posición puede requerir técnicas especiales para mantener la uniformidad del cordón de soldadura a lo largo de la circunferencia.
Figura 12: Posiciones de Soldadura
Fuente: Stargas. (2024)
Tipos de Electrodos en Soldadura
· Electrodos Revestidos (SMAW):
Los electrodos revestidos, también conocidos como electrodos de soldadura manual o SMAW (Shielded Metal Arc Welding), son electrodos metálicos recubiertos con una capa de material de revestimiento que se funde durante la soldadura.
El revestimiento del electrodo proporciona protección contra la atmósfera y ayuda a estabilizar el arco eléctrico. Los tipos de revestimientos varían según el tipo de metal base y las condiciones de soldadura.
· Electrodos de Tungsteno (GTAW):
En la soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) o GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), se utiliza un electrodo de tungsteno no consumible. El tungsteno tiene un alto punto de fusión y se utiliza para generar el arco eléctrico sin fundirse durante la soldadura.
Este tipo de electrodo es adecuado para soldar metales no ferrosos como aluminio, magnesio y cobre, así como aceros inoxidables.
· Alambre Tubular (FCAW):
En la soldadura por arco con electrodo tubular o FCAW (Flux-Cored Arc Welding), se utiliza un alambre continuo lleno de polvo de fundente en su interior. Este tipo de electrodo proporciona una protección adicional al arco eléctrico y facilita la deposición rápida del metal de soldadura.
· Alambre Sólido (GMAW/MIG):
En la soldadura MIG (Metal Inert Gas) o GMAW (Gas Metal Arc Welding), se utiliza un alambre sólido como electrodo continuo. El alambre sólido se alimenta a través de una pistola de soldadura junto con un gas de protección para proteger el arco y el baño de fusión.
Los electrodos de alambre sólido son versátiles y adecuados para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la soldadura de acero al carbono, acero inoxidable y aluminio.
· Electrodos de Carbón (SMAW y GMAW):
Los electrodos de carbón se utilizan en ciertos procesos de soldadura, como el arco de grafito o la soldadura por resistencia. Estos electrodos son eficaces para aplicaciones específicas que requieren altas temperaturas y conductividad eléctrica.
Importancia de Seleccionar el Tipo Correcto de Electrodo:
Seleccionar el tipo correcto de electrodo es crucial para garantizar la calidad y la eficiencia del proceso de soldadura. Los diferentes tipos de electrodos se eligen en función del material base, la aplicación específica, las condiciones de soldadura y las propiedades deseadas de la unión soldada.
Los soldadores deben estar capacitados para identificar y utilizar adecuadamente los tipos de electrodos según los requisitos del trabajo. La elección adecuada del electrodo contribuye significativamente a la integridad estructural, la resistencia y la durabilidad de las soldaduras, asegurando resultados óptimos en la fabricación y la construcción.
Características del Electrodo Revestido (SMAW):
· Composición del Electrodo:
El electrodo revestido está compuesto por un núcleo metálico (generalmente de acero al carbono) rodeado por un revestimiento de materiales que cumplen varias funciones durante la soldadura. El revestimiento puede incluir materiales que proporcionan estabilidad del arco, protección contra la contaminación atmosférica, desoxidantes, agentes de escoria y estabilizadores de la soldadura.
· Proceso de Soldadura:
Durante el SMAW, el soldador sostiene el electrodo revestido en una antorcha manual y establece un arco eléctrico entre el electrodo y el material base. El calor generado por el arco eléctrico funde el electrodo y parte del material base, formando el cordón de soldadura.
El revestimiento del electrodo se descompone y forma una escoria protectora que cubre la zona de soldadura, protegiéndola de la contaminación atmosférica y ayudando a mantener la integridad de la soldadura.
Figura 13: Descripción de Electrodo de Soldadura SMAW.
Fuente: Buleneria. (2024)
Aplicaciones de las unionessoldadas:
· Construcción y Estructuras Metálicas:
Las uniones soldadas son fundamentales en la construcción de edificios, puentes, torres de telecomunicaciones y otras estructuras metálicas. Se utilizan para unir vigas, columnas, placas y elementos estructurales, proporcionando estabilidad y resistencia a la estructura.
· Industria Automotriz:
En la fabricación de vehículos, las uniones soldadas se utilizan extensamente para ensamblar carrocerías, chasis, sistemas de suspensión y otros componentes estructurales y funcionales. Las soldaduras garantizan la integridad y seguridad de los vehículos.
· Maquinaria y Equipos Industriales:
La fabricación de maquinaria y equipos industriales requiere uniones soldadas para ensamblar componentes como cajas de engranajes, tanques de almacenamiento, estructuras de equipos y sistemas de transporte. Las soldaduras proporcionan resistencia y estabilidad a las piezas.
· Fabricación de Equipos y Herramientas:
Los equipos y herramientas industriales, como generadores, compresores, herramientas de corte y máquinas de fabricación utilizan uniones soldadas para ensamblar componentes críticos y garantizar su funcionamiento eficiente y seguro.
· Industria Naval y Offshore:
En la construcción naval y en instalaciones offshore, las uniones soldadas son esenciales para la fabricación de estructuras marinas, plataformas petrolíferas, barcos y buques. Las soldaduras deben ser duraderas y resistentes a las condiciones ambientales severas.
· Aeroespacial y Defensa:
En la industria aeroespacial y de defensa, las uniones soldadas se utilizan en la fabricación de aviones, cohetes, vehículos espaciales y equipos militares. Las soldaduras deben cumplir con estándares rigurosos de calidad y resistencia.
· Industria de la Energía:
En plantas de energía, centrales eléctricas y refinerías, las uniones soldadas se utilizan en la construcción de estructuras de soporte, tuberías, intercambiadores de calor y componentes críticos para la generación y distribución de energía.
Figura 14: Aplicación Soldadura
Fuente: Oroel. (2024)
Esfuerzos permisibles en uniones soldadas
1. Se toma igual al metal base en los siguientes casos: 
a. Para elementos sometidos a esfuerzos de tracción ó compresión paralelo al eje del cordón soldado a tope con penetración completa. 
b. Para elementos sometidos a esfuerzo de tracción, normal al cordón soldado a tope con penetración completa. 
c. Para elementos sometidos a esfuerzos de compresión, normal al cordón soldado a tope con penetración completa ó parcial. 
d. Para elementos sometidos a esfuerzo de corte en la garganta de un cordón soldado a tope con penetración completa ó parcial. 
2. De acuerdo con la especificación AWS D2.0-69, se puede tomar: 
St = 0,3 Sut y Ss = 0,3 Sut
Para los siguientes casos: 
a. Para elementos sometidos a esfuerzos de corte en la garganta efectiva de un cordón de soldadura de filete paralelo a la dirección de la carga (carga longitudinal). 
b. Para elementos sometidos a esfuerzos de tracción normal al cordón soldado a tope con penetración parcial. 
c. Para elementos sometidos a esfuerzos de corte en el área efectiva de una soldadura de tapón. 
3. En caso de no disponer de soldador calificado, preferible sería utilizar: 
· Para E-60XX : Ss = 13 600 PSI 
· Para E-70XX : Ss = 15 800 PSI
Recomendaciones generales
· El tamaño mínimo del cordón de soldadura de filete, en lo posible deberá estar sujeto a lo indicado en la tabla (12). 
· El tamaño máximo de un cordón de soldadura de filete soldado a lo largo de los bordes a unir será para:
tLas bandas planas son comunes en aplicaciones industriales donde se requiere transmitir potencia entre ejes paralelos, mientras que las bandas redondas son más adecuadas para aplicaciones que requieren flexibilidad y facilidad de ajuste.
· Bandas en V:
Las bandas en V son un tipo de transmisión de potencia que utiliza correas en forma de V para transmitir movimiento entre poleas. Este diseño ayuda a mejorar el agarre entre la correa y la polea, lo que permite transmitir mayores niveles de potencia en comparación con las bandas planas. Las bandas en V se utilizan comúnmente en motores y sistemas industriales.
· Bandas de sincronización:
Las bandas de sincronización, también conocidas como correas dentadas o correas de distribución, tienen dientes en su superficie que engranan con una polea dentada. Estas bandas se utilizan para una transmisión precisa y sincronizada de movimiento, especialmente en motores donde es crucial mantener una relación constante entre ejes, como en motores de automóviles.
· Cadenas de rodillos:
Las cadenas de rodillos son sistemas de transmisión que utilizan una cadena compuesta por eslabones y rodillos para transmitir movimiento entre piñones. Estas cadenas son altamente eficientes y se utilizan en aplicaciones que requieren resistencia y capacidad de carga, como en maquinaria industrial, vehículos y equipos de transporte pesado.
· Cables metálicos:
Las transmisiones de cadena son un tipo de mecanismo de transmisión de potencia que utiliza una cadena metálica para transmitir potencia entre dos ejes giratorios. 
La relación de velocidad de la transmisión se determina por el número de dientes de las ruedas dentadas. Cuanto más grande sea la rueda dentada de entrada en relación con la rueda dentada de salida, menor será la velocidad de salida.
Están compuestos por alambres de acero enrollados y recubiertos para resistir la corrosión y el desgaste. Los cables metálicos se utilizan en aplicaciones de elevación y tracción donde se requiere resistencia y durabilidad.
· Ejes flexibles:
Los ejes flexibles, también conocidos como ejes cardánicos o ejes flexibles helicoidales, permiten transmitir movimiento entre ejes no alineados o con ángulos variables. Están compuestos por una serie de elementos flexibles que permiten el giro y la flexión, utilizados en aplicaciones donde se requiere transmisión de movimiento en condiciones de flexibilidad, como en sistemas de dirección y transmisión de vehículos.
Importancia de las uniones flexibles
Estas uniones desempeñan un papel crítico en el diseño y la ingeniería de sistemas mecánicos y estructurales al permitir la conexión y transmisión de fuerzas entre componentes que pueden experimentar movimientos relativos. La importancia radica en su capacidad para adaptarse a desalineaciones y deformaciones, lo que ayuda a mitigar tensiones y evitar puntos de concentración de esfuerzos que podrían resultar en fallas prematuras. Estas uniones permiten la absorción de vibraciones y choques, contribuyendo así a mejorar la durabilidad y la integridad estructural de los sistemas. Además, facilitan el montaje, desmontaje y mantenimiento de equipos al permitir ajustes y reemplazos sin la necesidad de desarmar completamente el sistema, lo que resulta en una mayor eficiencia operativa y reducción de costos de mantenimiento.
Otro aspecto, es su capacidad para optimizar el rendimiento de los sistemas al minimizar la transmisión de vibraciones no deseadas. Esto no solo mejora la comodidad del usuario, sino que también reduce el desgaste y la fatiga de los componentes, prolongando así la vida útil de los equipos. En aplicaciones industriales y de transmisión de potencia, las uniones flexibles, como las correas en V o las cadenas de rodillos, garantizan una transmisión eficiente de fuerzas y movimientos, lo que es esencial para mantener la operación segura y confiable de maquinaria y sistemas.
Aplicaciones de las uniones flexibles:
a) Transmisión de potencia: Las correas en V, las bandas planas y las cadenas de rodillos son ejemplos de uniones flexibles utilizadas para transmitir potencia entre ejes no alineados. Estas uniones permiten la transferencia eficiente de fuerza y movimiento en motores, máquinas y sistemas de transmisión.
b) Suspensión y amortiguación: En vehículos, las uniones flexibles como los amortiguadores de suspensión y los bujes de goma permiten absorber impactos y vibraciones, proporcionando una conducción suave y confortable.
c) Acoplamientos mecánicos: Los acoplamientos flexibles se utilizan para unir ejes que pueden estar ligeramente desalineados, permitiendo la transmisión de movimiento entre componentes rotativos sin generar cargas excesivas.
d) Conexiones estructurales: En la construcción, las juntas sísmicas y los dispositivos de aislamiento sísmico utilizan uniones flexibles para permitir el movimiento de los edificios durante un terremoto, protegiendo así la estructura de daños severos.
e) Transmisión de movimiento en robots y maquinaria automatizada: Los ejes flexibles y las articulaciones permiten el movimiento multidireccional en brazos robóticos y otros sistemas automatizados, facilitando operaciones precisas y flexibles.
f) Sistemas de dirección en vehículos: Los ejes y juntas de dirección flexibles permiten el giro de las ruedas delanteras mientras se absorben las irregularidades del terreno, proporcionando un control suave y preciso del vehículo.
g) Sistemas de transporte y logística: Las cadenas de rodillos y las bandas transportadoras flexibles se utilizan en sistemas de transporte para mover materiales y productos de manera eficiente y continua.
Bandas Tipo V
Una banda tipo V es una correa flexible que tiene su sección transversal en forma de trapecio. Por este motivo, también son llamadas de banda trapezoidal. Constituye un adelanto en transmisión de fuerza. Por ello, su empleo se ha extendido en mecanismos de enlace flexible.
Existen diversos tipos de banda tipo V, de acuerdo con la utilización que se le asigne a cada una de ellas, la máquina donde estén ubicadas y la potencia que se quiera transmitir. Usted deberá distinguir estos tipos de bandas para luego estar en capacidad de identificarlas y de informar sobre su uso.
Hay básicamente tres tipos comunes de banda tipo V: las Clásicas (clasificadas por sus dimensiones de la A a la E), la banda tipo V estrecha (clasificada por sus dimensiones 3V, 5V y 8V) y la banda tipo V de potencia fraccionada (clasificada por sus dimensiones 2L, 3L, 4L, 5L). La banda tipo dentada por contraparte está clasificada por la letra X. Por ejemplo, la dentada clásica será 3VX, 5VX etc.
Las bandas tipo V se encuentran los siguientes tipos de bandas V: 
a) Bandas Clásicas
La banda tipo V convencional es el tipo más común y ha existido por más tiempo. El diseño clásico en V inicial reemplazó las correas de cuero al hacerse cargo de sus aplicaciones en una amplia gama de industrias, como la agricultura, la ventilación y la maquinaria industrial. Son capaces de cubrir un rango de carga desde fraccional (menos de 1 HP) hasta 500 caballos de fuerza. Son menos eficientes que la banda tipo V estrecha y en general, contribuyen a cargas de rodamiento más altas. Sin embargo, tienen una alta tolerancia a las malas condiciones de funcionamiento.
b) Bandas Estrechas
La banda tipo V estrecha es óptima para la transferencia de carga y la distribución de fuerza debido a su mayor relación de profundidad y ancho. Esta es su ventaja sobre la banda tipo V clásica. También es adecuada para transmisiones con velocidades de correas altas, nuevamente por su tamaño potente y compacto. La banda tipo V estrecha tiene la capacidad de transmitir hasta tres veces la potencia de la banda tipo V clásica en el mismo espacio de conducción. Puede manejar unidades de 1 a 1000 caballos de fuerza.
c) Banda de Potencia Fraccionada
Este tipo de banda se utiliza con mayor frecuencia como correa única en transmisiones de 1 caballo de fuerza o menos. Su diseño es para cargas relativamente ligeras. Las aplicaciones comunespara esta banda tipo V son lavadoras domésticas, ventiladores pequeños, refrigeradores y equipos de garaje. Esta banda nunca debe usarse en aplicaciones industriales de servicio pesado, incluso si parecen encajar en las ranuras de polea en V clásica o estrecha.
Procedimiento de cálculo para transmisiones por fajas en v
1. Potencia de diseño: Multiplique la potencia a transmitir o la potencia nominal del motor por el factor de servicio dado en la tabla Nº 1. La potencia así calculada es la base para la selección de la transmisión. 
2. Selección de la sección de la faja: Utilizando la figura Nº 1 y en base a la potencia de diseño y a la velocidad del eje más rápido, en RPM, determine la sección de la faja a usar, si la intersección cae en una Zona muy cercana a una de las líneas de división entre dos secciones de fajas, es preferible que se estudie las posibilidades de utilización de cualquiera de las dos fajas. 
3. Relación de transmisión: Calcúlela dividiendo las RPM del eje más rápido entre las RPM del eje de menor velocidad.
4. Selección de los diámetros de paso de las poleas: Teniendo en cuenta los diámetros recomendados y mínimo de la polea de menor diámetro de la tabla Nº 3, escoger de la tabla Nº 4, en preferencia, los diámetros estándares de la poleas. En caso de no ser posible, tratar que por lo menos uno de ellos sea una polea estándar, siendo el más indicado el de mayor diámetro. Si la polea de menor diámetro va a ser instalada en el eje de un motor eléctrico, es importante chequear el diámetro de la polea en base a la tabla Nº 2, utilizando la potencia nominal del motor. 
5. Selección de la longitud estándar de la faja: Asuma en forma tentativa una distancia entre centros. En caso de que no exista restricción de ella, se puede tomar el mayor valor de las siguientes expresiones:
Siendo: 
D = Diámetro de paso de la polea mayor 
d = Diámetro de paso de la polea menor
Calcule la longitud aproximada de la faja utilizando la fórmula:
Calcule la distancia entre centros correcta por medio de la expresión:
Potencia por faja: Calcule la relación: (D - d)/ C y en base a la tabla Nº 5, determine el factor de corrección por ángulo de contacto "KΘ". Utilizando la tabla Nº 7, determine el factor de corrección por longitud de faja "KL". Con los valores de las RPM del eje más rápido, del diámetro de la polea menor y de la sección de faja, determine la potencia que pueda transmitir la faja seleccionada haciendo uso de la tabla de capacidades correspondiente (De las tablas Nº 8 al 12). Utilizando la tabla Nº 6, y en base a la relación de transmisión y sección de faja, determine la potencia adicional y luego multiplicar este valor por las RPM del eje más rápido y dividirlo entre 100. La potencia que puede transmitir la faja seleccionada para la aplicación específica se calcula por la expresión: HP/FAJA = [(HP/FAJA)tabla + HPadicional] KΘ KL 7.- Número de fajas: Divida la potencia de diseño entre la potencia por faja calculado en 6.
INGENIERÍADEL PROYECTO
PRUEBAS DE SIMULACIÓN EN ANSYS:
Para el análisis en ANSYS se debe despreciar elementos innecesarios en la simulación a fin de lograr una malla de buena calidad.
Figura 16: Boceto de la estructura metálica
Fuente: Elaboración propia
Lo que se puede despreciar es el soporte del aerogenerador puesto que el viento al entrar en contacto con este al tener una baja viscosidad posiblemente logre una adhesión, para ello en ANSYS simulamos el modelo de solo la primera parte inferior la cual será una de las más importantes, puesto que ayudará a dar la dirección del viento, es decir, de abajo hacia arriba.	
Figura 17: Simulación en ANSYS de la base de guía del aerogenerador
Fuente: Elaboración propia
La malla se realizó en FLUID CDF y no en FLUID FLUENT para una simplificación, la malla tuvo una precisión de 0.500 m lo cual es suficiente para la simulación. Como observamos las direcciones de viento tratan guiarse hacia la parte superior, esto se mejorará con un mayor diámetro en la parte central, esta prueba fue exitosa puesto que usamos una media de velocidad de viento de 2 m/s lo cual es mucho inferior a lo que esta permitido, pero aun así el modelo en la peor condición de diámetro mostró una redirección del aire lo cual es satisfactorio.
CÁLCULO DE LA POTENCIA QUE TENDRÁ EL AEROGENERADOR
Para este cálculo aplicamos fundamentos de turbomáquinas para aerogeneradores para obtener un resultado aproximado de cuanta energía eléctrica generará el aerogenerador en 1 día
Como ya está definida la fórmula que usaremos tendremos que calcular todos los elementos para encontrar la potencia
El peso específico del aire es dato:
El caudal que pasa por el aerogenerador es igual al área que abarca la turbina por la velocidad con la cual pasa el fluido a través de este.
La velocidad que pasa por el aerogenerador aumenta gracias el compresor dinámico el cual en promedio es el doble de la velocidad promedio que hay en la ciudad de Arequipa
Y el área es solo el área que cubre el aerogenerador
Por ende, el caudal sería
Ahora hallamos la presión en metros con la cual ingresa el aire a la turbina, para hallarlo usamos esta fórmula
Las eficiencias son criterio:
· Eficiencia de la turbina: Los aerogeneradores tienen una eficiencia que ronda entre 20% a 40% de eficiencia tomamos el más bajo para que sea en las peores condiciones
· Eficiencia de la transmisión: En la caja de cambios y el mismo eje habrá pérdidas mecánicas por engranajes y uniones flexibles pero estas son muy bajas por eso se utiliza una eficiencia alta por criterio.
· Eficiencia del generador: El generador encargado de transformar la energía mecánica en energía eléctrica, también presenta pérdidas las cuales con muy bajas por son un poco mayores a la energía perdida en la transmisión por ello se considera por criterio.
Ahora que ya tenemos todos los datos podemos hallar la potencia
Ahora hallamos cuanta energía produciría al día
DISEÑO DE UNIONES ATORNILLADAS
Para seleccionar los pernos utilizados en la estructura metálica en la cual estará montada el aerogenerador, es necesario realizar un análisis de cargas en los pernos que soportarán la estructura.
Figura 18: Estructura metálica de montaje
Fuente: Elaboración propia
Unión Atornillada De La Turbina Con La Estructura
Para seleccionar los pernos a utilizar en la unión de la estructura metálica y el aerogenerador
Figura 19: Montaje estructura compresor
Fuente: Elaboración propia
El peso del aerogenerador lo soportará la estructura, pero estos pernos soportaran las cargas de viento, consideraremos la velocidad en las peores condiciones en Arequipa como un ventarrón que la velocidad de viento puede llegar a los 40km/h. Como nuestro público objetivo serían los edificios de gran altitud (Aproximadamente 10 pisos) debemos hallar la velocidad de viento en la zona para esto usamos la norma NTE E.020 de Cargas para consideraciones del viento. 
Entonces reemplazamos
Con eso hallamos la fuerza del viento por metro cuadrado de superficie
Tabla 3: Coeficientes de factor de superficies
Fuente: Norma NTE E.020 sobre cargas de viento
El factor de superficie a considerar se daría en secciones circulares o elípticas (0.7)
La sección según el software de diseño (SolidWorks) según los bocetos preliminares que hicimos nos da un valor de superficie aproximado para nuestro compresor dinámico de:
Entonces la fuerza del viento sería de:
Pondremos los pernos de la siguiente manera:
Figura 20: Diagrama de fuerzas en la unión de la estructura metálica con el aerogenerador
Fuente: Elaboración propia
Como vemos se colocarán radialmente según la estructura. Corte directo (fs) el corte se dará uniformemente a los 6 pernos
Tracción indirecta (ft)
Figura 21: Disposición de los pernos de unión de la estructura metálica con el aerogenerador
Fuente: Elaboración propia
La fuerza generará un momento
Lo coloqué en centímetros para un mejor manejo de unidades en la fórmula y las dimensiones de la estructura.
Tomamos el eje pivote como un extremo de la turbinarepresentado por una línea gruesa que pasa por el perno 5
Si vemos la peor tracción se dará en el perno 1
Máxima energía de distorsión
Material para utilizar: Pernos clase SAE 8.8, Sy=600 MPa (Tabla N°5 “Diseño de Elementos de Máquinas I” Ing. Fortunato Alva)
Entonces, utilizando Tabla N°2 “Diseño de Elementos de Máquinas I” Ing. Fortunato Alva Perno designación M-20 que tiene un paso de 2.5mm, AS=242.3,d=13.79mm=pulg
Utilizaremos 8 pernos.
Unión Atornillada De La Base
Se estima que la carga (F) que soportará esta estructura es de 1000 kg-f
Para cada pata de la estructura se colocarán 4 pernos
Figura 22: Diagrama de fuerzas en la estructura metálica
Fuente: Elaboración propia
Figura 23: Disposición de pernos en las patas de la estructura metálica
Fuente: Elaboración propia
La fuerza T es la fuerza del peso repartida en las 4 patas, y la inclinación de la pata con respecto a la superficie es 80.27°
Quien afectara a los pernos es el corte que generará la inclinación de la fuerza T
Corte directo generado por la fuerza (Fv)
Corte directo generado por la fuerza del viento (V):
Cálculo de fuerza de tracción indirecta por fuerza de viento:
Si vemos la peor tracción se dará en el perno 1 y 2
Si vemos la peor tracción se dará en el perno 3 y 4
Máxima esfuerzo cortante, Como la fuerza del viento puede venir de cualquier dirección el mayor corte se dará cuando el viento el colineal con la fuerza de corte del peso
Material para utilizar: Pernos clase SAE 4.6, Sy=225 MPa (Tabla N°5 “Diseño de Elementos de Máquinas I” Ing. Fortunato Alva)
Entonces, utilizando Tabla N°2 “Diseño de Elementos de Máquinas I” Ing. Fortunato Alva Perno designación M-30 que tiene un paso de 3.5mm, AS=555.3,d=26.59mm=1pulg
Utilizaremos 4 por pata, entonces 16 pernos.
DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS:
Selección de puntos críticos para soldadura:
Para la vista frontal podemos asumir que el punto crítico de soldadura esté en el centro donde se unen 4 tuberías cuadradas. Otro punto crítico será en las esquinas soldadas.
Figura 24: Estructura metálica de montaje
Fuente: Elaboración por Rafael
Para las esquinas se colocarán 2 cordones de soldadura en forma de L.
Figura 25: Boceto de soldadura para esquina superior de estructura
Fuente: Elaboración por Rafael
Para la soldadura del punto de unión central sería de la siguiente forma:
Figura 26: Boceto de soldadura para unión superior
Fuente: Elaboración por Rafael
Para la vista frontal debemos ver un punto crítico ubicado entre los parantes laterales. 
Figura 27: Vista frontal de estructura metálica
Fuente: Elaboración por Rafael
Para el caso de la soldadura de la vista frontal será mayor puesto que en la zona más crítica se tendrá el peso del aerogenerador y del operario que esté subiendo las escaleras ubicadas en esta vista
Figura 28: Boceto de soldadura soportes laterales
Fuente: Elaboración por Rafael
Figura 29: Vista lateral de estructura metálica
Fuente: Elaboración por Rafael
Para la soldadura en los largueros metálicos laterales se tiene la siguiente:
Figura 30: Boceto de soldadura soportes laterales
Fuente: Elaboración por Rafael
Figura 31: Boceto de soldadura de la base para la estructura.
Fuente: Elaboración por Rafael
Cálculos de soldadura en la unión central:
Figura 32: Diagrama de fuerzas para soldadura superior
Fuente: Elaboración propia
Primero debemos establecer la longitud de cordón de soldadura.
Figura 33: Geometría para longitud de soldadura
Fuente: Elaboración propia
Figura 34: Ubicación de centro de gravedad para primer cálculo de soldadura
Fuente: Elaboración propia
Una vez hallado el centro de gravedad y la longitud de soldadura, podremos calcular a partir de las tablas el momento de inercia, el módulo de línea y todas las fuerzas necesarias para hallar el punto más crítico.
Hallaremos primero el momento de inercia. De la figura anterior podemos extraer:
	
	
	
	
	
	
De las tablas obtenemos las siguiente formula:
	
	
Donde
 
 
 
	
	
	
	
	
	
De las tablas obtenemos las siguiente formula:
	
	
Donde
 
 
	
	
	
	
Tenemos todo lo necesario para realizar los cálculos de las fuerzas, para ello primero debemos hacer un proceso de abstracción para identificar las fuerzas que actúan y que generan cada fuerza.
De la primera figura de esta sección de cálculo se identificó 2 fuerzas:
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Una vez identificada las fuerzas realizamos los cálculos respectivos:
Para , hallamos primero la fuerza cortante directa que se da:
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Obteniendo 
	
	 
	
Tenemos ahora que hallar el momento flector generado 
	
	
	
	
	
	
	Obteniendo 
	
	 
	
Para , hallamos únicamente lo siguiente:
	
	
	
	
	Obteniendo:
	
	 
	
En este caso el punto más crítico serán 2 (punto 4 y/o 3) puesto que para el momento las distancias c serán iguales por su simetría que presenta. Representando las fuerzas así:
Figura 35: Representación de fuerzas en los puntos extremos de soldadura
Fuente: Elaboración propia
En este caso podemos elegir el punto 4 o 3, hallaremos entonces la fuerza resultante de los vectores presentes. Usaremos el método fasorial para una mayor rapidez de cálculo. Para la fuerza resultante hallaremos los vectores equivalentes acordes a nuestro sistema de referencia, seria Z-Y:
	
	
	 
	
	Obteniendo:
	
	
	
Usamos la ecuación para hallar el espesor de soldadura W:
	
	
	
	
	
	
Como vemos el tamaño de cordón de soldadura es muy inferior al mínimo recomendado por las tablas, por ello investigando se encontró una formula en el libro de Alva:
	
	
	
	
	
	
Indicando de la tabla de selección de soldadura intermitente podemos ver que necesitaremos soldadura intermitente de longitud de 2 in.
Consideraremos la soldadura de 2 in al inicio y al final del cordón representado en el boceto del inicio de los cálculos
Cálculos de soldadura en la unión de esquina:
Para este cálculo consideraremos las 2 fuerzas, solo que la fuerza F será la fuerza entre 4 ubicada en el centroide de nuestra soldadura.
	
Figura 36: Diagrama de fuerzas para soldadura en esquina
Fuente: Elaboración propia
Figura 37: Ubicación del centro de gravedad para la soldadura
Fuente: Elaboración propia
Hacemos los cálculos necesarios para hallar el momento de inercia, el centro de gravedad y módulo de línea, estos los obtenemos de las tablas. El tipo de soldadura tiene forma de L el cual es una forma conocida.
Hallamos la distancia de y:
	
	
Donde
 
 
	
	
	
	
	
	
Hallamos la distancia de x:
	
	
Donde
 
 
	
	
	
	
	
	
Hallaremos primero el momento de inercia. De la figura anterior podemos extraer:
	
	
	
	
	
	
De las tablas obtenemos las siguiente formula:
	
	
Donde
 
 
 
	
	
	
	
	
	
De las tablas obtenemos las siguiente formula:
	
	
Donde
 
	
	
	
	
De las tablas obtenemos las siguiente formula:
	
	
Donde
 
	
	
	
	
Tenemos todo lo necesario para realizar los cálculos de las fuerzas, para ello primero debemos hacer un proceso de abstracción para identificar las fuerzas que actúan y que generan cada fuerza.
De la primera figura de esta sección de cálculo se identificó 2 fuerzas:
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Una vez identificada las fuerzas realizamos los cálculos respectivos. Para , hallamos primero la fuerza cortante directa que se da:
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Obteniendo:
	
	 
	
Tenemos ahora que hallar el momento flector generado 
	
	
	
	
	
	
	Obteniendo: 
	
	 
	
	 
	
	
Ahora calculamos de la parte inferior el cual es denominado punto 3.
	
	
	
	
	
	Obteniendo 
	
	
	
Ahora para esta fuerza aplicada hallaremos su valor cuando hay T:
	
	
	
	
	
	
Para este caso necesitamos hallar las distancias c1, c2 y c3. Usaremos fasores para hallarlas rápidamente.
Figura 38: Ubicación de distancias de cada punto de análisis
Fuente: Elaboración propia
Obteniendo fasorial mente solo considerando el módulo lo cual nos interesa, se obtiene:
	1.32 in
	
	2.63 in
	
	2.92 in
	
Con estas distancias calculamos: