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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

“DISEÑO DE UNA REPRESA DE AGUA Y SISTEMAS DE COMPUERTAS TIPO TAINTOR PARA LA REGULACIÓN DE CAUDAL”

MECÁNICA DE FLUIDOS I

AUTORES:

CASTRO ARANDA, Fernando OVIEDO REYES, Josseth RAMOS RODRIGUEZ, Jhonatan RIOS CONDOR, Roberto URQUIZA REYES, Alex

DOCENTE: CICLO:

Ms. Ing. Julca Verástegui Luis VI

Trujillo, Perú 2019

RESUMEN El presente proyecto tiene como objetivo realizar el diseño y cálculo de una compuerta tipo Taintor para la regulación del caudal y el control de represamiento de agua. Para ello se realizó la búsqueda de informaciones referentes al diseño, así como también las normas técnicas existentes tantas nacionales e internacionales. Específicamente se plantea los siguientes objetivos: Diseñar las características mecánicas y geométricas de la pantalla de la compuerta tipo Taintor; Realizar el cálculo de las características mecánicas de los brazos de la compuerta tipo Taintor, Calcular las fuerzas en las partes fijas. Se hizo uso del programa Solidworks para el diseño y la simulación del funcionamiento de la compuerta tipo Taintor. El conocimiento que aporta el proyecto de investigación es de gran importancia debido a que en la región La Libertad se utiliza este tipo de compuerta en las obras hidráulicas. Palabras clave: Compuerta, fuerza, momento.

ABSTRACT The purpose of this project is to design and calculate a Taintor type gate for the regulation of the flow rate and the control of water damming. For this purpose, the search for information regarding the design was carried out, as well as the existing national and international technical standards. Specifically, the following objectives are set: Design the mechanical and geometric characteristics of the screen of the Taintor gate; Perform the calculation of the mechanical characteristics of the arms of the Taintor gate, Calculate the forces in the fixed parts. The Solidworks program was used to design and simulate the operation of the Taintor gate. The knowledge provided by the research project is of great importance because this type of gate is used in hydraulic works in the La Libertad region. Keywords: Gate, force, moment.

I.

GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCIÓN. IMPORTANCIA Y/O JUSTIFICACIÓN. 1.1.1

Introducción

La utilización de las compuertas hidráulicas para el represamiento de agua es muy importante para nuestro país, al estar ubicado en una zona con bastantes recursos hídricos es de vital importancia aprovechar este importante recurso mediante la implementación de represas, Es visto que en otros países es muy utilizado el tipo de compuertas hidráulicas de tipo TAINTOR dado que requiere menos fuerza de operación frente a las compuertas verticales convencionales que generalmente son más utilizadas

El conocimiento que aporta el presente proyecto de investigación es de mucha importancia, debido a que en nuestro país no se utiliza este tipo de compuerta en las obras hidráulicas. El proyecto se realizó con el fin de diseñar una compuerta hidráulica tipo TAINTOR para obtener un resultado que pueda funcionar adecuadamente, para su finalidad que es el represamiento de agua.

Motivo por el cual la utilización de herramientas computacionales es muy importante para ver el análisis y comportamiento de toda la estructura de la compuerta, para lo cual se empleará el software SOLIWORDS enseñado en avance del curso. 1.1.2

Marco Teórico

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS COMPUERTAS HIDRÁULICAS Las compuertas son equipos mecánicos utilizados generalmente para: trabajos de protección contra inundaciones, control de nivel en embalses destinados a recreación o situados cerca de áreas residenciales o inundables, regulación del caudal en presas, aguas arriba de las compuertas de los vertederos, cierre de los conductos de desvío del río, obras de admisión de plantas hidroeléctricas, abastecimiento de agua, irrigación - toma de agua, control de cabezas, distribución, control de las descargas de fondo, presas de navegación compuertas, sistemas de llenado y vaciado, etc. (ERBISTI, 2014) Las diferentes formas o tipos de compuertas a utilizar dependerán

principalmente del tamaño y forma del orificio en donde se ubican, de la presión hidrostática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de operación. TIPOS DE COMPUERTAS HIDRÁULICAS 

Compuertas Planas Deslizantes



Compuertas de Rodillos (Overflow gate, Breastwall gate)



Compuertas de Aleta (flap gates)



Compuertas Mariposa



Compuertas radiales (taintor)

a.

COMPUERTAS PLANAS DESLIZANTES.

Se les llama compuertas deslizantes pues para su accionar se deslizan por unos rieles guías fijos (Figura 1). Puede ser movida por diferentes tipos de motores. Estas compuertas pueden ser de acero estructural, madera y en caso de pequeñas cabezas de hierro. El espesor y el material de la compuerta dependerán de la presión del agua y el diseño de los sellos. Al trabajar a compresión estas compuertas tienen buenas adaptaciones a los sellos presentando pequeñas fugas. Este tipo de compuertas han sido utilizadas para todo tipo de cabezas, pero resultan ser más económicas para pequeñas cabezas y tamaños moderados pues necesitan grandes fuerzas para ser movidas.

b.

COMPUERTAS DE RODILLOS (ROLLER GATES).

El término más ampliamente usado es stoney gate y su nombre es un tributo a su inventor. Los demás nombres son simplemente usados para referirse a este tipo de compuerta ya que la terminología no describe las características de la compuerta. Consiste en una placa plana de acero reforzado con una estructura generalmente en celosía y rodillos en hierro fundido; sus dimensiones varían según los requisitos de la apertura y su espesor es determinado por la presión del agua. La regulación del nivel del agua se hace sacando parcial o completamente la compuerta. (Figura 2) Este tipo de compuerta es usada normalmente para requerimientos de alta presión. Ha sido diseñada para cerrarse por gravedad. Las compuertas de rodillos son usualmente instaladas en la entrada de conductos. Son frecuentemente localizadas en la cara de una presa. Las aplicaciones son: control de flujo, sistemas de irrigación, encima de las presas para aumentar la capacidad del depósito.

c.

COMPUERTAS DE ALETA (FLAP GATES).

Este tipo de compuerta consiste en una placa con bisagras que gira alrededor de un eje en su extremo inferior y transmiten el empuje hidrostático directamente hacia la solera (Figura 3). Dicha placa puede ser plana o curva para dar una mejor característica a la descarga. La posición de la placa debe ser controlada ya sea hidráulicamente, o alzando las conexiones que tiran o empujan la parte seleccionada bajo la compuerta.

d.

COMPUERTAS MARIPOSA.

Las compuertas tipo mariposa son utilizadas para controlar el flujo de agua a través de una gran variedad de aberturas (Figura 4). Aunque pueden ser utilizadas para controlar el flujo en ambas direcciones la mayoría de las instalaciones sólo las utilizan para controlar el flujo en una dirección. Con las compuertas mariposa es posible tener una máxima cabeza de energía en ambos lados de la compuerta. La mayoría de estas compuertas son instaladas en sitios con baja cabeza de presión (menor a 6 metros). Las secciones transversales de este tipo de compuertas normalmente son cuadradas o rectangulares; las secciones circulares no son muy comunes ya que estas se utilizan en válvulas mariposa. Son ideales cuando hay poco

espacio disponible ya que, al girar respecto a un eje, no es necesario disponer de espacio para levantarlas y allí se puede ubicar el mecanismo de apertura. Estas pueden ser utilizadas como reguladoras de flujo, pues al rotar la hoja cambia el tamaño de la abertura y se regula el caudal que fluye a través de ella.

e.

COMPUERTAS RADIALES (TAINTOR).

Es una de las compuertas más usadas en grandes presas donde usualmente se usan series de compuertas radiales entre columnas de concreto, consiste en una placa formada por un segmento cilíndrico y son giratorias alrededor de articulaciones que transmiten la presión (a través de soportes o miembro de acero) del agua directamente hacia la subestructura maciza. Al girar la compuerta hacia abajo, entra en una cavidad de concreto. El diseño de esta compuerta es útil ya que su levantamiento requiere de poca fuerza y es confiable. La mayor ventaja de estas compuertas es su funcionamiento hidráulico y la facilidad de represar ríos anchos sin necesidad de contrafuertes intermedios

1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO 1.2.1

OBJETIVO GENERAL

 Realizar el diseño y cálculo de una compuerta tipo Taintor para la regulación de caudal considerando los datos geográficos e hidráulicos de la futura represa de Palo Redondo perteneciente a la III etapa del Proyecto Especial Chavimochic en la región La Libertad 1.2.2

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Diseñar las características mecánicas de la pantalla de la compuerta.  Calcular el peso de la compuerta tipo Taintor  Calcular el centro de gravedad de la compuerta tipo Taintor.  Realizar la simulación con apoyo del programa Solidworks para que sirva de respaldo en el diseño. II.

DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN DEL PROBLEMA 2.1 OBSERVACIONES Y/O HIPÓTESIS El análisis del comportamiento del fluido será de acuerdo a los conceptos aprendidos en el curso, de un flujo asumido como continuo, tridimensional, incompresible y no rotacional en torno a la compuerta en evaluación.

2.2 DESCRIPCIÓN PROCEDIMENTAL III.

RESULTADOS

DEL

ANÁLISIS

Y

SIMULACIÓN

Simulación de COMPUERTA Fecha: sábado, 5 de octubre de 2019 Diseñador: Solidworks Nombre de estudio: Análisis estático Tipo de análisis: Análisis estático

Tabla de contenidos Descripción .......................................... 10 Suposiciones ......................................... 11 Información de modelo ............................ 11

Descripción

Propiedades de estudio ........................... 13 Unidades ............................................. 14 Propiedades de material .......................... 14 Cargas y sujeciones ................................ 14 Definiciones de conector .. Error! Bookmark not defined. Información de contacto .......................... 15 Información de malla .............................. 16 Detalles del sensor ......... Error! Bookmark not defined. Fuerzas resultantes ................................ 17 Vigas .............. Error! Bookmark not defined. Resultados del estudio ............................ 18 Conclusión ....... Error! Bookmark not defined. Apéndice ......... Error! Bookmark not defined.

Suposiciones El fluido a simular será agua. La ecuación de Presiones es P=559170-9810y

Información de modelo

Nombre del modelo: COMPUERTA RADIAL TIPO TEINTOR Configuración actual: Predeterminado

Sólidos Nombre de documento y referencia Cortar-Extruir1

Tratado como

Sólido

Propiedades volumétricas

Ruta al documento/Fecha de modificación

Masa:145907 kg Volumen:18.5869 m^3 Densidad:7850 kg/m^3 Peso:1.42989e+006 N

F:\VI CICLO\MECANICA DE FLUIDOS 1\DISEÑO DE UN COMPUERTA TEINTOR\APOYO.SLDPRT Oct 04 23:08:18 2019

Masa:145907 kg Volumen:18.5869 m^3 Densidad:7850 kg/m^3 Peso:1.42989e+006 N

F:\VI CICLO\MECANICA DE FLUIDOS 1\DISEÑO DE UN COMPUERTA TEINTOR\APOYO.SLDPRT Oct 04 23:08:18 2019

Masa:276677 kg Volumen:35.2454 m^3 Densidad:7850 kg/m^3 Peso:2.71143e+006 N

F:\VI CICLO\MECANICA DE FLUIDOS 1\DISEÑO DE UN COMPUERTA TEINTOR\BASE.SLDPRT Oct 04 23:08:19 2019

Cortar-Extruir1

Sólido

Saliente-Extruir9

Sólido

Saliente-Extruir1

Sólido

Masa:95301.9 kg Volumen:12.1404 m^3 Densidad:7850 kg/m^3 Peso:933959 N

F:\VI CICLO\MECANICA DE FLUIDOS 1\DISEÑO DE UN COMPUERTA TEINTOR\PLACA1.SLDPRT Oct 01 07:51:01 2019

Masa:7763.65 kg Volumen:0.989 m^3 Densidad:7850 kg/m^3 Peso:76083.8 N

F:\VI CICLO\MECANICA DE FLUIDOS 1\DISEÑO DE UN COMPUERTA TEINTOR\barra.SLDPRT Oct 01 00:48:47 2019

Masa:7763.65 kg Volumen:0.989 m^3 Densidad:7850 kg/m^3 Peso:76083.8 N

F:\VI CICLO\MECANICA DE FLUIDOS 1\DISEÑO DE UN COMPUERTA TEINTOR\barra.SLDPRT Oct 01 00:48:47 2019

Saliente-Extruir3

Sólido

Saliente-Extruir3

Sólido

Propiedades de estudio Nombre de estudio

Análisis estático 6

Tipo de análisis

Análisis estático

Tipo de malla

Malla sólida

Efecto térmico:

Activar

Opción térmica

Incluir cargas térmicas

Temperatura a tensión cero

298 Kelvin

Incluir los efectos de la presión de fluidos desde SOLIDWORKS Flow Simulation Tipo de solver

Desactivar

Efecto de rigidización por tensión (Inplane):

Desactivar

Muelle blando:

Desactivar

Desahogo inercial:

Desactivar

Opciones de unión rígida incompatibles

Automático

Gran desplazamiento

Desactivar

Calcular fuerzas de cuerpo libre

Activar

Fricción

Desactivar

FFEPlus

Utilizar método adaptativo:

Desactivar

Carpeta de resultados

Documento de SOLIDWORKS (F:\VI CICLO\MECANICA DE FLUIDOS 1\DISEÑO DE UN COMPUERTA TEINTOR)

Unidades Sistema de unidades:

Métrico (MKS)

Longitud/Desplazamiento

mm

Temperatura

Kelvin

Velocidad angular

Rad/seg

Presión/Tensión

N/m^2

Propiedades de material Referencia de modelo

Propiedades Nombre: Tipo de modelo: Criterio de error predeterminado: Límite elástico: Límite de tracción: Módulo elástico: Coeficiente de Poisson: Densidad: Módulo cortante:

Datos de curva:N/A

Cargas y sujeciones

ASTM A36 Acero Isotrópico elástico lineal Tensión de von Mises máx. 2.5e+008 N/m^2 4e+008 N/m^2 2e+011 N/m^2 0.26 7850 kg/m^3 7.93e+010 N/m^2

Componentes Sólido 1(CortarExtruir1)(APOYO-1), Sólido 1(CortarExtruir1)(APOYO-2), Sólido 1(Saliente-Extruir9)(BASE1), Sólido 1(SalienteExtruir1)(PLACA1-1), Sólido 1(SalienteExtruir3)(barra-1), Sólido 1(SalienteExtruir3)(barra-2)

Nombre de sujeción

Imagen de sujeción

Detalles de sujeción Entidades: Tipo:

2 cara(s) Geometría fija

Fijo-1

Fuerzas resultantes Componentes Fuerza de reacción(N) Momento de reacción(N.m)

Nombre de carga

X -3.24825e+007 0

Y -1.46607e+007 0

Cargar imagen

Z -2239.87 0

Detalles de carga Entidades: Tipo: Valor: Unidades: Ecuación: Sist. de coord. de ref.: Tipo de sist. de coord.: Ángulo de fase: Unidades:

Presión-1

Resultante 3.56377e+007 0

1 cara(s) Normal a cara seleccionada 1 N/m^2 559170-9810*"y" (m) Sistema de coordenadas1 Cartesiano 0 deg

Información de contacto Contacto

Contacto global

Imagen del contacto

Propiedades del contacto Tipo: Unión rígida Componentes: 1 componente(s) Opciones: Mallado compatible

Información de malla Tipo de malla

Malla sólida

Mallador utilizado:

Malla estándar

Transición automática:

Desactivar

Incluir bucles automáticos de malla:

Desactivar

Puntos jacobianos

4 Puntos

Tamaño de elementos

442.253 mm

Tolerancia

22.1126 mm

Calidad de malla

Elementos cuadráticos de alto orden

Regenerar la malla de piezas fallidas con malla incompatible

Desactivar

Información de malla - Detalles Número total de nodos

21727

Número total de elementos

12596

Cociente máximo de aspecto

7.6579

% de elementos cuyo cociente de aspecto es < 3

95.6

% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10

0

% de elementos distorsionados (Jacobiana)

0

Tiempo para completar la malla (hh;mm;ss):

00:00:04

Nombre de computadora:

Fuerzas resultantes Fuerzas de reacción Conjunto de selecciones Todo el modelo

Unidades

Sum X

N

3.24825e+007

Sum Y

Sum Z

Resultante

1.46607e+007

-2239.87

3.56377e+007

Sum Y

Sum Z

Resultante

0

0

0

Momentos de reacción Conjunto de selecciones Todo el modelo

Unidades

Sum X

N.m

0

Resultados del estudio Nombre

Tipo

Mín.

Máx.

Tensiones1

VON: Tensión de von Mises

0.10478 N/m^2 Nodo: 21305

5.27412e+007 N/m^2 Nodo: 91

COMPUERTA-Análisis estático 6-Tensiones-Tensiones1

Nombre

Tipo

Mín.

Máx.

Desplazamientos1

URES: Desplazamientos resultantes

0 mm Nodo: 25

1.55966 mm Nodo: 17803

COMPUERTA-Análisis estático 6-Desplazamientos-Desplazamientos1

Nombre

Tipo

Mín.

Máx.

Deformaciones unitarias1

ESTRN: Deformación unitaria equivalente

3.6485e-013 Elemento: 12515

0.000172879 Elemento: 899

COMPUERTA-Análisis estático 6-Deformaciones unitarias-Deformaciones unitarias1

Nombre

Tipo

Mín.

Máx.

Factor de seguridad1

Automático

4.74013 Nodo: 91

8 Nodo: 1

COMPUERTA-Análisis estático 6-Factor de seguridad-Factor de seguridad1

Propiedades de masa de COMPUERTA Configuración: Predeterminado Sistema de coordenadas: -- predeterminado --

Masa = 86537.62 kilogramos

Volumen = 86.54 metros cúbicos

Área de superficie = 465.22 metros cuadrados

Centro de masa: ( metros ) X = -4.53 Y = 1.55 Z = 8.48

Ejes principales de inercia y momentos principales de inercia: ( kilogramos * metros cuadrados ) Medido desde el centro de masa. Ix = ( 0.06, 0.02, 1.00)

Px = 751924.18

Iy = ( 0.91, 0.40, -0.06)

Py = 781745.92

Iz = (-0.40, 0.91, 0.00)

Pz = 1022338.19

Momentos de inercia: ( kilogramos * metros cuadrados ) Obtenidos en el centro de masa y alineados con el sistema de coordenadas de resultados. Lxx = 820936.64

Lxy = 88966.04

Lxz = 1642.77

Lyx = 88966.04

Lyy = 983038.81

Lyz = 727.83

Lzx = 1642.77 Lzy = 727.83 Lzz = 752032.83

Momentos de inercia: ( kilogramos * metros cuadrados) Medido desde el sistema de coordenadas de salida. Ixx = 7245802.76

Ixy = -517550.10

Ixz = -3323012.82

Iyx = -517550.10

Iyy = 8978623.57

Iyz = 1135063.26

Izx = -3323012.82

Izy = 1135063.26

Izz = 2736624.56

IV.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

V.

CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS IONA CON RIOS ---XD

VI.

VII.

BIBLIOGRAFIAS



Cruz, G. L. (2004). Obras de Derivación. Mexico.



Dávila, E. V. (2006). Diseño de una compuerta hidráulica tipo segmento para un nivel máximo de aguas arriba de 2m y un nivel máximo de aguas abajo de 2.30m. Guayaquil-Ecuador.



Luna, R. R., Urquiaga Cueva, M. Á., & José Benjamín, L. (s.f.). Compuertas y medición de caudal con vertedero. Lima.



TAPARA, J. R. (2017). Diseño y cálculo de una compuerta tipo segmento radial para el control de represamiento de auga en el sistema de irrigación YOCARA SAN ROMÁN JULIACA. Puno.

ANEXOS