3 Bancada Un material muy recomendado es el perfil de aluminio

3 Bancada
Un material muy recomendado es el perl de aluminio, usado en estructuras auxiliares
de laboratorio con mucha frecuencia, que cuenta también con ángulos de refuerzo y
que usa tornillería estándar. Su obtención es relativamente sencilla, así como la de los
elementos asociados. Permite armar fácilmente estructuras bastante rígidas y livianas
con un montaje muy sencillo. Evidentemente, también permite su reutilización, ya que
se desarma por tener tornillos, lo que facilita su adaptación a cualquier elemento.
Además de estas consideraciones previas se ha tenido muy en cuenta, a la hora del
diseño de la bancada, la experiencia aportada por las Escuelas de Ingenieros Aeronáuticos
de Madrid y Valencia donde se construyeron bancos de ensayos muy similares. En la gura
II 3.13 se observa la bancada fabricada para la Escuela de Madrid.
Figura II 3.13: Bancada en la ETSIA
Se llega así a la determinación de realizar una bancada con perles de aluminio (barras
con perl rectangular) en forma de paralelepípedo rectangular cuyas dimensiones vendrán
91
3 Bancada
dadas en planta por las del turborreactor y como altura se usa una que facilite el trabajo
con el motor sin que sea excesiva. Se toman, por tanto, unas dimensiones generales de la
bancada de 0.4 x 0.4 x 0.8 m. y se toma un perl de sección 0.04 x 0.04 m.
Como ya se ha comentado el propósito de la bancada no es sólo el de soportar el peso
del motor sino también el de evitar que el turborreactor se desplace como reacción al
empuje, por tanto, el motor debe estar rmemente sujeto al banco y éste anclado al
suelo de la celda de ensayos. Esta jación de la bancada al suelo se hará atornillando los
perles a dicho suelo, en al menos cuatro puntos, de forma que, desde un punto de vista
estructural, se empotra la bancada al suelo en estos puntos de jación.
La otra cuestión importante, referente al empuje proporcionado por el motor, es decidir
la colocación del turborreactor respecto a la vista de perl de la bancada. En Madrid se
optó por colocar el motor en la barra más adelantada para permitir una entrada de aire
más limpia, sin embargo, desde el punto de vista estructural esta opción favorece el vuelco
de la bancada. En nuestro banco de ensayos se llegó a una solución de compromiso, no se
colocó delante para evitar posibles vuelcos ni tampoco detrás para no interferir demasiado
en la entrada, de forma que se optó por colocar el motor en una zona intermedia. Además
se pensó que dada la temperatura de los gases de salida, al retrasar la posición del motor,
sería deseable eliminar la barra posterior para evitar que alcanzara grandes temperaturas.
Aunque no se han enumerado hasta el momento, es evidente que el estado de cargas
al que se ve sometido el motor se resume en el peso puntual y el empuje del motor y en
el peso distribuido de la bancada.
Dada la magnitud de estas cargas, la estructura de aluminio descrita está bastante
sobredimensionada para aguantarlas pero para estar completamente seguros, se realiza un
cálculo aproximado mediante el programa de elementos nitos Nastran-Patran. El modelo
que se usará será muy simplicado y siempre en el caso más desfavorable. Siguiendo
estas pautas, se modela la estructura (gura II 3.14) con las barras que se consideran
esenciales para resistir las cargas, es decir, se toman cuatro barras verticales, cuatro
horizontales inferiores (formando un marco) y cuatro horizontales superiores. Los cuatro
apoyos inferiores se empotran y se aplican las cargas mencionadas, el empuje (máximo,
dado que será el caso más desfavorable), el peso del motor y el de la estructura.
Se añade además una barra que hace el papel de célula de carga, para aplicar las cargas
del motor en su extremo, y dado que se estudia el caso más desfavorable se sitúa la célula
de carga en la barra delantera.
92
3 Bancada
Figura II 3.14: Modelo de la bancada para Nastran-Patran
En cuanto al perl (gura II 3.15) se toma uno en forma de marco cuadrado y se toman
los valores para su área y su inercia de valores típicos en perles de este tipo.
93
3 Bancada
Figura II 3.15: Modelo del perl de la estructura
Los resultados obtenidos con este modelo son los adelantados, los desplazamientos
máximos de las barras son despreciables, del orden de
10−3 m,
por lo que se asegura que
la estructura soportará las cargas, de forma que se pasa a realizar el diseño nal de la
estructura.
Se estudian las opciones que presentan distintos fabricantes, optando por utilizar perles de aluminio suministrados por Proteam. Este fabricante ofrece además otros elementos como la tornillería asociada, patas indicadas para sujeción al suelo, distintos tipos
de escuadras y otros accesorios.
Se seleccionan barras de AlMgSi 0.5 de perl cuadrado de 0.04 x 0.04 m. de tipo
fuerte, cuya geometría y dimensiones (en mm.) aparecen en la gura II 3.16 y a las que
le corresponde una inercia de
1,19 · 10−7 m4 ,
un módulo resistente de
6 · 10−6 m3 ,
y una
densidad de 1.9 Kg/m.
Comparando estos valores con los seleccionados para el cálculo con Nastran-Patran
(inercia de
1,06 · 10−7 m4
y densidad de 1.4 Kg/m), se observa que en todos los casos se
está del lado de la seguridad.
94
3 Bancada
Figura II 3.16: Perl de aluminio y sección
A partir de estos perles se diseña una estructura de 0.8 m de alto con una planta
cuadrada de 0.4 x 0.4 m y se le añaden cuatro patas de forma que el marco inferior previsto
para dar rigidez se sube hasta las 0.2 m para no interferir con dichas patas. Además se
añade otro marco a una altura media de 0.45 m para incluir dos baldas que permitan
colocar instrumentación asociada al banco de ensayos. Como se había previsto, el diseño
termina con un marco superior en el que la barra trasera se baja ligeramente (hasta
los 0.6m) para dejar el escape de gases libre. Además se añade una barra suplementaria
transversal en el marco superior que permitirá rigidizar la unión con la célula de carga.
Para jar todos los elementos de la estructura se adquieren tornillos especiales (de
cabeza trapezoidal de forma que se ajustan a los huecos existentes en el perl) uniéndose
las barras mediante escuadras de un sólo alma, ambos elementos se observan en la gura
II 3.17.
95
3 Bancada
Figura II 3.17: Tornillo cajeado y escuadra de un alma
Como elementos accesorios se adquieren cuatro tapas para cubrir los perles del marco
superior y dos baldas de plástico (gura II 3.18) de color blanco, de espesor de 8 mm y
tamaño de 0.42 x 0.42 m (de forma que queden incrustadas en los huecos de los perles).
Figura II 3.18: Balda
Para claricar este diseño se adjuntan una serie de guras realizadas con Catia V5 en
la que se aprecian los distintos elementos (vistas de detalle en las que se ha aplicado su
material a cada elemento (gura II 3.19)) y el montaje del conjunto (gura II 3.20) .
96
3 Bancada
Figura II 3.19: Vistas de detalle
97
3 Bancada
98
Figura II 3.20: Diseño de la estructura
Parte III
INSTALACIÓN
99
1 Bancada
Hasta este momento se ha realizado la descripción del turborreactor y sus sistemas
asociados, y se ha diseñado un banco de ensayos estático que permita la medición de
diversas variables uidodinámicas durante el funcionamiento de dicho motor.
En esta parte, se describirá la instalación real llevada a cabo para completar este
proyecto. Para facilitar su seguimiento se ha dividido en distintos capítulos correspondientes al montaje de la bancada, al sistema de adquisición de datos, a los sistemas
propios del turborreactor y al conjunto formado por todas estas partes. Se comienza con
la descripción de la bancada por ser el elemento que dará soporte al resto.
Hay que notar que, dado que no fue posible disponer de una celda de ensayos adecuada,
no se describe aquí la instalación denitiva del banco de ensayos sino un premontaje que
será de gran utilidad en la instalación futura.
Estructura
Su construcción es sencilla a partir del diseño realizado (gura II 3.20), se comienza
con el montaje del marco inferior y las barras verticales (gura III 1.1), posteriormente
se atornillan las patas (gura III 1.2) y se colocan el resto de barras.
100
1 Bancada
Figura III 1.1: Realización de la bancada
Figura III 1.2: Detalle de la colocación de las patas
101
1 Bancada
Hay que tener la precaución de incluir las baldas antes de completar los marcos haciéndose unas pequeñas incisiones en las esquinas para permitir el paso de las barras verticales.
Todas las uniones entre barras se hacen mediante las escuadras ya descritas (gura III
1.3) y usando los tornillos cajeados con tuercas M8 y arandelas de presión.
Figura III 1.3: Detalle de las uniones con escuadras
Por último se colocan las tapas superiores de las barras verticales (gura III 1.4).
Figura III 1.4: Vista superior de la bancada
102
1 Bancada
Evidentemente, la estructura (gura III 1.5) no se atornillará al suelo hasta que no se
encuentre en su posición adecuada en la celda de ensayos.
Hay que notar que se ha optado por un montaje jo, es decir, que en principio permanecerá en la celda de ensayos, por lo que se ha previsto que la estructura se atornille
al suelo; en el caso de que en algún momento se utilice en el exterior lo más apropiado es
utilizar una placa muy pesada que je la estructura para que no se despegue del suelo.
Figura III 1.5: Vista general de la estructura
Célula de carga
En cuanto a la colocación de la célula de carga, hay que notar que durante la fase de
diseño no se ha hecho referencia a esta parte. Esto atiende a una razón: la unión entre
la bancada y la célula y sobre todo entre la célula y el motor es la zona más critica de la
bancada desde el punto de vista estructural por lo que su montaje resulta más complejo
no siendo posible su realización actualmente.
Ya se ha dicho que, para que la célula de carga de una medida able del empuje
del motor, éste debe colocarse sobre la célula de carga y la célula estará, a su vez,
103
1 Bancada
colocada sobre la bancada de forma que todo el empuje dado por el motor será soportado
directamente por la célula como se observa en la gura III 1.6 del montaje realizado en la
ETSIA. Además debe cumplirse que la célula se encuentre alineada con el eje del motor.
Figura III 1.6: Posición de la célula de carga en la ETSIA
Desde un punto de vista estructural se puede asimilar la célula a una viga en voladizo
con una carga en el extremo (el empuje) y empotrada a la bancada. La unión que se haga
por tanto entre la célula y el motor y la bancada denirá si la estructura fallará o no
cuando el motor esté en funcionamiento. Por tanto, a la hora de su diseño se observaron
los tres elementos para decidir en qué puntos se podría realizar la unión y se encontraron
varios problemas.
En cuanto a la unión entre la célula y el motor lo más lógico era diseñar una unión
delantera y otra trasera de forma que se evitara el posible balanceo del motor respecto a la
célula, sin embargo la célula solo cuenta con agujeros previstos para una unión en uno de
sus laterales por lo que sería necesario perforar el otro lado. La idea sería colocar en ambos
104
1 Bancada
lados unas escuadras atornilladas a la célula que deberían ser modicadas para unirse a
las agarraderas del motor soldándoles una placa metálica aunque seria conveniente soldar
también placas a la agarradera dado que las existentes resultan débiles para una unión
de este tipo. La solución adoptada en la ETSIA se muestra en la gura III 1.7 aunque
evidentemente existen otras posibilidades para darle solución a esta unión.
Figura III 1.7: Unión de la célula de carga en la ETSIA
Por otro lado se encuentra la unión de la célula con la bancada. Esta unión es más
sencilla dado que basta con realizarla por un lado y sobre todo porque la unión de
escuadras a la estructura de perles puede hacerse en cualquier lugar gracias a la forma
del perl. La única restricción a tener en cuenta es que la célula no puede apoyarse
completamente sobre la estructura dado que el cable de alimentación y datos se encuentra
en la parte inferior de la célula.
Como se comentó, la célula se coloca en la barra superior central de la estructura (1,
verde) (ver la gura III 1.8), existiendo una barra transversal complementaria (2, roja)
que refuerza la estructura y que facilita la colocación de las escuadras para la unión con
la célula.
105
1 Bancada
Figura III 1.8: Barras (1) y (2) que facilitan la colocación de la célula de carga
Dada la ausencia de un taller de montaje, esta unión, que necesita de soldadura y
perforaciones, se muestra excesivamente compleja por lo que, como se anunció, no se
realizará en este montaje previo. Por ello se deja también sin colocar la barra transversal
(2) de forma que pueda cortarse a la medida más adecuada cuando se realice el montaje
nal.
Para este montaje previo, se realiza una unión provisional (gura III 1.9) de forma
que soporte el peso del motor aunque no se encuentra preparada para que éste entre en
funcionamiento.
106
1 Bancada
Figura III 1.9: Unión provisional célula-estructura
107
2 Sistema de adquisición de datos
Una vez montada la bancada se pasa a la instalación del sistema de adquisición de
datos.
Antes de comenzar a desarrollar esta parte, debe hacerse una anotación sobre las
uniones entre tubos y otros elementos que resultará muy útil a la hora de seguir el
montaje de los distintos sistemas.
En general existen dos formas de conectar los elementos con los tubos, de forma externa
o de forma interna.
Las conexiones externas se basan en que el elemento tiene una pieza, normalmente
metálica, en forma cónica y con unas protuberancias donde se ajusta a presión el tubo.
En algunas ocasiones, esta unión es tan ajustada que se recomienda calentar la punta del
tubo al baño maría para que se introduzca en la conexión más facilmente. Si se escoge
el diámetro interno de tubo adecuado, esta conexión resulta de gran abilidad. Como
ejemplo, pueden observarse las conexiones (gura III 2.1) del tubo con la válvula de
combustible o con la bomba, en este segundo caso, la conexión externa está recubierta
además con una pieza de plástico azul roscada al elemento.
Por contra, las conexiones internas de tubo se hacen mediante una pieza en forma de
aro, normalmente de plástico, situada en el extremo del elemento. Este aro se empuja
para introducir el tubo y al soltarse lo deja atrapado. El ajuste en este caso depende del
diámetro externo del tubo, aunque la abilidad de la unión depende sobre todo de la
calidad del elemento de conexión. Esta unión puede observarse, por ejemplo, en el caso
del tubo con el medidor de ujo (gura III 2.1).
Sensores
Los cuatro sensores de presión ya vienen instalados en el turborreactor y preparados
para conectarles tubos PP3 mediante conexiones internas (es decir, lo importante para
que la unión quede ajustada es que el tubo tenga 4 mm de diámetro exterior). Lo mismo
ocurre con los tres sensores de temperatura que se conectarán en el sistema de adquisición
108
2 Sistema de adquisición de datos
Figura III 2.1: Conexiones de tubo con otros elementos
diseñado, ya vienen montados y su salida es un cable con una clavija con dos terminales
planas. Estos sensores se observan en la gura III 2.2.
Figura III 2.2: Sensores de presión y temperatura instalados
El montaje de la célula de carga ya se ha explicado en el capítulo 1 de esta misma
parte, dedicado a la instalación de la bancada quedando sólo comentar la instalación del
medidor de ujo.
El uxómetro se conecta entre el ltro de combustible y la bomba de combustible
(gura III 2.3), estando por tanto en la línea de alimentación de combustible en la que se
utiliza un tubo PP4. Dado que los terminales del medidor son dos roscas macho G3/8,
109
2 Sistema de adquisición de datos
según indica su hoja de especicaciones, se adquieren dos racores de unión de tipo hembra
G3/8-conexión interna a tubo PP4 (6 mm de diámetro exterior) del fabricante SMC.
Figura III 2.3: Instalación del medidor de ujo
Sistema de adquisición
Este montaje presenta dos posibilidades, o bien colocar todos los elementos en la propia
bancada de forma que se encuentre preparado para un posible uso en el exterior (de forma
que se minimiza el número de elementos a desplazar) o bien se pueden situar en un lugar
propio (por ejemplo un armario) dentro de la celda de ensayos. Se recomienda esta última
solución por ser la que cumple unas mayores medidas de seguridad dado que separa todos
los elementos de adquisición del motor que es, evidentemente, el elemento más peligroso
durante el funcionamiento.
Dado que se está realizando un montaje provisional se opta por realizar el montaje
sobre unas planchas de madera de forma que hasta que se coloque el banco de ensayos en
su emplazamiento denitivo todos los elementos se encuentren jos y agrupados pudiendo
ser utilizados o movidos fácilmente.
En principio, estas planchas se colocan sobre las baldas de la estructura como se haría
si se quisiera poner en funcionamiento el montaje en el exterior. Por tanto se ajustan
las dimensiones de las planchas a las de las baldas y, para que el montaje resulte mas
didáctico, se colocan en una balda todos los acondicionadores y en la otra el registrador
de datos y la fuente de alimentación.
El montaje de los elementos se hace en base al diseño realizado con anterioridad, que
se muestra en la gura III 2.4.
110