Geometría de las turbomáquinas

El titulo de esta entrada es muy extenso para un articulo, por lo que el boceto de este grupo de maquinas nos dará una visión de su funcionamiento. Una turbomáquina es aquella que intercambia energía con un fluido que la atraviesa, de forma dinámica, y concretando cumple la ecuación de Euler para las mismas. Hay otras maquinas que intercambian energía con los fluidos pero no se rigen por dicha ecuación. Estas maquinas se clasifican según la compresibilidad, en hidráulicas, y térmicas; y según el flujo, en radiales, axiales, y flujo cruzado.

Turbomáquina axial

Si vemos una turbomáquina térmica, y una hidráulica, salvando los principios de cada tipo. Vemos que la térmica tiene varias etapas de alabes, y la hidráulica una sola etapa, esto se debe a la compresibilidad del fluido utilizado. El agua al ser incompresible intercambia toda la energía en una etapa, mientras que el vapor no consigue intercambiar la totalidad en una sola, y lo realiza en sucesivos pasos (Por la compresibilidad una turbina térmica tiene etapa de compresor y una hidráulica carece del mismo). También podemos ver las dificultades para el trazado del distribuidor de una bomba frente al de una turbina. El distribuidor de una turbina hidráulica se comporta como una tobera, y esta sufre desprendimiento de la capa límite. Sin embargo el distribuidor de una bomba es divergente, es decir un difusor, por lo que la geometría tiene que trazarse en función de esta transición.

Rodete de turbina hidráulica Francis

Otra diferencia fundamental es el tamaño y espesor de los alabes, esta diferencia se debe al impulso generado por cada fluido, en hidráulica este impulso es muy alto dando lugar a alabes voluminosos, en turbomáquinas térmicas sucede el caso contrario. Por último las maquinas hidráulicas a diferencia de las térmicas necesitan un buen guiado del flujo para evitar pérdidas por autofrenado, es por eso la importancia de la geometría del distribuidor.

Encuesta: ¿Utiliza software GPL especifico en ingeniería?

Los resultados de la encuesta ante la pregunta, "¿Utiliza software GPL especifico en ingeniería?" son:

Si (6 votos, 100%)
No (0 votos, 0%)
No cubre mis expectativas (0 votos, 0%)
Total encuestados (6 personas, duración 7 días)

El resultado de la pregunta ha sido abrumador, solo cabe decir que la utilización del software libre ayuda a mejorar el propio software, incluido el comercial. Esta ventaja hace al usuario más libre y pone a su disposición mejores herramientas.

Clotoide, la curva de transición

La curva clotoide ó espiral de Cornú, es una función nombrada de esta manera en honor a Marie Alfred Cornú. La función se caracteriza por ser tangente al eje de abscisas en el origen, y su radio de curvatura evoluciona inversamente a la longitud de la clotoide. Esta función es de carácter convergente en más-menos infinito, apareciendo dos regiones una de carácter cóncava y la otra región convexa. La expresión de esta función de forma paramétrica es:

C'(t)^2+S'(t)^2 = Sin^2 (t)^2 + Cos^2 (t)^2 = 1

Esta ecuación resulta interesante para el trazado de líneas de trasporte, ya que es una curva de transición. Esto significa que nos permite trazar una curva para que un móvil a velocidad constante la circule sin variación de la aceleración angular. La variación de la aceleración angular, actúa sobre un vehículo provocando inestabilidad con el pavimento. Cuando se realiza una línea de transportes, respetar el trazado de la clotoide y realizar el adecuado peraltado, son los factores que dan seguridad a un vial.

Grafica de la clotoide en Mathematica

Otra forma de emplear la clotoide es para el ocio, las montañas rusas se diseñan a partir de esta función. Si una de estas atracciones no empleara este trazado en algunas zonas del recorrido resultarían muy molestas las variaciones de la aceleración. (El trazado de los loopings, se realiza con la clotoide).

Lenguajes calculadoras HP

Las calculadoras Hewlett-Packard, son junto a las calculadoras Texas y Casio, una de las mejores herramientas para el ingeniero. Cuando se tiene que abordar cálculos extensos ó complicados, las calculadoras programables nos permiten resolverlos cuando no disponemos de ordenador rápidamente. La capacidad de cálculo del software específico es algo mayor que una calculadora programable, a esto se une que la introducción de datos en la calculadora también es más lenta.

Pero los puntos fuertes de estos dispositivos, son su movilidad, y las rutinas para hacer operaciones. La primera es inmediata, una vez que la adquirimos podemos llevarla a cualquier sitio, siendo muy recomendable el uso de baterías debido a su gran consumo. Sin embargo disponer de rutinas se complica, se necesita conocer como mínimo el entorno de la calculadora.


Calculadora HP50g

Cuando se utiliza con soltura la calculadora, se debe tratar de aprender a programarla, ya que en esto reside sacar las máximas posibilidades del aparato. Ahora bien las calculadoras HP tienen lenguajes de programación propios, que resulta engorroso aprender y solo sirven para las calculadoras. Estos lenguajes son algebraico, es muy básico y está basado en la notación matemática; User-RPL es un lenguaje más completo destinado al usuario; y por último el System-RPL este lenguaje es complejo pero muy flexible y está destinado para programadores duchos. También cabe la posibilidad de programar en C y en Assembler, pero son programas que compilan estos lenguajes a los lenguajes de la calculadora.

Como reseña final conocer la programación de estas calculadoras nos da mayor libertad, y con ello se entiende mejor como trabaja el dispositivo.
Para introducirse estas son unos enlaces útiles:

HPUserEdit, Programa para escribir código User-RPL
http://www.esnips.com/doc/cd194cd5-66b0-4b14-910d-5ea87ea3bcaf/HPuserEdit
Un manual para empezar
http://isa.umh.es/temas/calc/HPUser.pdf
Algunas aplicaciones de calidad
http://www.hpcalc.org/

Lentes de Fresnel

Gran cantidad de las tecnologías actuales necesitan complementarse con la óptica, algunos casos son; la tecnología laser, energética, y de comunicaciones entre otras. La óptica es la ciencia que estudia el comportamiento de la luz, esta ciencia desarrolla el diseño de lentes y espejos fundamentalmente. Para el diseño de estos elementos se basa en las propiedades del material, la geometría del mismo, y el carácter del espectro luminoso.

Entre las diferentes lentes existentes se encuentra la lente de Fresnel, esta lente es de tipo convergente pero con un diseño muy particular. La lente de Fresnel está formada por anillos concéntricos, estos anillos forman un escalonamiento en el radio de curvatura del elemento. Con esta geometría se consigue reducir el material y peso de lentes de gran apertura con pequeña distancia focal. La lente convencional equivalente a la de Fresnel sería mucho mas voluminosa, esto en ciertas aplicaciones seria impracticable o muy costoso.

La lente de Fresnel está extendida entre muchas aplicaciones; como son los faros costeros, focos de iluminación, lupas de tamaño reducido, o concentrador en instalaciones fotovoltaicas. Las lentes de Fresnel producen mucha dispersión por lo que las imágenes no son nítidas, pero la concentración que realizan es muy alta. (En días soleados, algunas lentes de Fresnel pueden concentrar la emisión solar alcanzando hasta 600ºC).

Faro con lente de Fresnel

Encuesta: ¿Cree que funcionara la fiscalización verde en Francia?

Los resultados de la encuesta ante la pregunta, "¿Cree que funcionara la fiscalización verde en Francia?" son:

Si (4 votos, 50%)
No (2 votos, 25%)
No conozco el tema (2 votos, 25%)
Total encuestados (8 personas, duración 7 días)

En esta encuesta el voto ha mostrado confianza ante el avance francés, la clave de esta confianza puede ser la modernización industrial ante la ecología. En cuanto al resto de votos los detractores se basaran en la ineficacia de la penalización económica. Por último pónganse al día con este tema, ya que será estudiado por muchos países a partir del ensayo francés.

Integrado 555, veterano temporizador

En el año 1972 salía al mercado el primer chip temporizador conocido como SE555 ó NE555, este temporizador se difundió con una gran rapidez debido a su bajo coste. El 555 pronto fue producido por varias compañías, ya que las funciones que desempeña en los circuitos son muy amplias. Entre estas funciones tenemos; multivibrador estable y monoestable, generación de rampas, y detector de impulsos entre otras. El corazón de este chip está basado en una combinación de flip-flops (Biestables), junto al transistor de descarga y la excitación de salida.

Integrado NE555

Pero además de las funciones que realiza y lo económico del integrado, el 555 perdura hasta nuestros días por su precisión. La estabilidad de la frecuencia es de 0,005% por ºC, las variaciones de voltaje apenas afectan a la frecuencia de salida. Una de los pocos cambios del 555 fue la introducción de la tecnología CMOS, a partir de ese momento aparecieron variantes como el 7555 sobre esta tecnología.

Operaciones 555: a) Monoestable b) Astable

El integrado 555 necesita de un circuito externo para realizar sus funciones, basado en componentes resistivos y capacitivos, dependiendo del valor de estos se caracterizan las temporizaciones. Uno de los diseños donde el 555 resulta realmente efectivo es en los mandos a distancia de puertas o similares. Este chip se suministra en el encapsulado SOIC, MDIP, y MSOP; con 8 pines.

Materiales: Bioplásticos

El conjunto de los bioplásticos son los polímeros generados a partir de productos vegetales, y recientemente productos animales también. La aparición de estos materiales se debe a la necesidad de reducir el consumo de derivados del petróleo. Cuando se genera un polímero utilizando petróleo; se generan emisiones de CO2, el tiempo de degradación es muy elevado, el tratamiento de residuos es muy costoso, y cuando estos polímeros acaban en el océano las corrientes marinas los dispersan. Las limitadas reservas petrolíferas también llevaron a buscar polímeros renovables.

El bioplástico sin embargo reduce las emisiones de CO2 en el proceso de fabricación entre 0,8 a 3,2 veces menos. El tiempo de degradación se puede caracterizar según el uso desde 30 días hasta algún año aunque actualmente los tiempos de degradación son demasiados reducidos, pero esta medida varia según la exposición a los agentes atmosféricos. Estos polímeros no necesitan exponerse a metales pesados para degradarse como algunos derivados del petróleo, los metales pesados es lo que permite fraccionar las cadenas de monómeros.

Producto de bioplástico

Para la generación de bioplásticos, los productos fundamentales de origen vegetal son el aceite de soja o maíz. (En el caso del maíz se obtiene el acido poliláctico). Para los polímeros de origen animal, su fuente de generación es la leche de varios mamíferos. Estos materiales tienen el inconveniente de no ser completamente acto para el reciclado, y su alto coste de producción (Se estima que es 4 veces mas costoso de producir que el convencional), aunque hay que mencionar que tienen muchas expectativas de evolución.

Ingeniería inversa

Antes de introducirnos en el tema, hay que mencionar lo que se conoce como ingeniería directa. El proceso de ingeniería directa es el que ejerce habitualmente el ingeniero; este consiste en presentarse un problema social que debe resolver la técnica, el problema es estudiado desde el punto de vista científico y se alcanzan unas conclusiones teóricas para abordarlo, finalmente estas conclusiones teóricas se abstraen en una aplicación ó uso de carácter practico. En el caso de la ingeniería inversa no se encuentra a un mismo nivel que la directa, esto se debe a que la inversa no es capaz en ningún momento de aportar soluciones a los problemas de la técnica.

La ingeniería inversa es un término que se acuño en la II guerra mundial, la necesidad de imponerse un bando sobre otro, junto a los importantes avances tecnológicos que podían suponer la derrota; hizo que ambos bandos tomaran aplicaciones ó procesos del enemigo para estudiarlos e intentar reproducirlos. Por tanto la ingeniería inversa toma aplicaciones ó usos estudia su relación con el entorno y extrapola la experiencia a los fundamentos teóricos. De esta forma se puede conocer un ingenio y rediseñarlo para otra función.

Ingeniería inversa, M-72 a partir de BMW R-71

La ingeniería inversa actualmente es muy empleada para la reposición de elementos de maquinas, cuando no se dispone de planos ó referencias originales de las piezas. Pero también existe un uso desleal de esta técnica, en la sociedad actual los países centrados en el diseño son; los formados por la UE, Japón, Canada y EE UU. Estos países generan una gran cantidad ideas que terminan en el mercado, donde son captadas por países asiáticos y posteriormente aplicada la ingeniería inversa. El resultado es un producto idéntico en el mercado pero con los costes reducidos y generado rápidamente; para alcanzar esta manufactura se buscan materias primas mas económicas, se abarata la mano de obra, y se suprime todo gasto y tiempo en diseño.

Navíos hidroala, sustentación en el agua

El primer gran hito de la aeronáutica fue la aplicación del empuje ascensional, este permite que las alas de un avión con la suficiente velocidad superen la fuerza ejercida por la gravedad, gracias a la diferencia de presiones originada en el perfil de las alas. De esta forma el avión puede desplazarse en el seno del aire. Este empuje también fue el punto de partida de la teoría de propulsión de las hélices, primer sistema autónomo de propulsión en aeronáutica.

Navío hidroala de pasaje

Este fenómeno es perfectamente extensible a cualquier fluido, como en el caso de las embarcaciones hidroala en el seno del agua. El modo de funcionamiento es idéntico que un avión, Cuando la velocidad del fluido es suficiente, se genera una circulación distinta de cero en el perfil del ala; esto conlleva que a la salida del perfil se produzca una circulación en sentido contrario, este proceso genera una depresión en la parte superior del perfil y un aumento de presión en la parte inferior.

Navío hidroala, armada canadiense

Los navíos hidroala utilizan el empuje ascensional para evitar las perdidas por resistencia viscosa en contacto con el agua. Al elevar la quilla por encima de la superficie libre y dejar en el seno del agua los perfiles de sustentación, se consigue reducir estas pérdidas y adquirir grandes velocidades. Cuando el barco está en reposo o con una velocidad reducida, el casco permanece sumergido como una embarcación normal. Si la embarcación alcanza la velocidad suficiente para la sustentación de la quilla, solo permanecen en el agua las hélices y el timón. En el caso de marejada este sistema se hace impracticable, debido al choque de las olas con el casco.

Transformadores piezoeléctricos

En la historia de la electricidad de consumo, uno de los grandes descubrimientos fue la corriente alterna. El gran impulsor de la generación de corriente alterna fue Nikola Tesla, considerado por muchos el mejor inventor de la historia en cuanto a número de invenciones. (Se estima que descubrió alrededor de 1000 dispositivos). La corriente alterna se puede distribuir con unas pérdidas muy bajas, esto se consigue mediante los transformadores, que incrementan el voltaje de una corriente a costa de reducir la intensidad. Con esta transformación se evitan las perdidas en forma de calor, según el efecto Joule.

Los transformadores son maquinas eléctricas estáticas, poseen unos rendimientos muy elevados, y generalmente se utilizan en la electricidad de potencia. Su principio de funcionamiento es el flujo magnético, generado por un bobinado y recogido por otro, donde el número de espiras varía entre etapas para lograr la transformación. Esta es una caracterización rápida de un transformador convencional.

Sin embargo un transformador piezoeléctrico no comparte el principio anterior. Esta máquina está basada en vibraciones mecánicas. La piezoelectricidad es un fenómeno que se presenta en ciertos cristales como el cuarzo, cuando uno de estos cristales está sometido a tensiones mecánicas, se genera una diferencia de potencial debida a la polarización de la masa. Este fenómeno también ocurre en sentido inverso, una corriente es capaz de generar tensiones mecánicas.

Material piezoeléctrico, cuarzo

La corriente aplicada a un transformador piezoeléctrico genera tensiones mecánicas, estas tensiones son captadas a la salida creando una diferencia de potencial. Este tipo de transformadores se utiliza normalmente para altas frecuencias en convertidores de tensión, teniendo la ventaja de ser muy reducidos.

Encuesta: ¿Sigue artículos de divulgación científica o técnica?

Los resultados de la encuesta ante la pregunta, "¿Sigue artículos de divulgación científica o técnica?" son:

Si, habitualmente (6 votos, 46%)
Si, ocasionalmente (4 votos, 30%)
No, salvo en consultas (3 votos, 23%)
Nunca (0 votos, 0%)
Total encuestados (13 personas, duración 7 días)

La relación de personas que se involucran con un conocimiento actual y puntero casi alcanza un 50%. Esta magnífica impresión junto a la de personas que actualizan sus conocimientos, cuando abordan nuevas situaciones, pone de manifiesto la tendencia a la profesionalización y especialización de la ingeniería. En la sección “Sitios de artículos de divulgación científica” se puede obtener información de primera mano en este sector.

Transmisión ondulatoria

Tras el receso de estos días, veremos uno de los engranes menos conocidos, la transmisión ondulatoria ó armónica. En este complejo sistema se une el estudio cinético y dinámico de engranajes, la elasticidad del sistema, y el método de fabricación. Cuando pensamos en una transmisión por engranajes indiferentemente del tipo, todas ellas tienen un sincronismo generado por la relación de engrane. En el caso de una transmisión ordinaria, los dientes de las ruedas dentadas entraran en contacto siempre los mismos según la relación (En una relación 1:1, en cada vuelta se produce la coincidencia en el mismo punto). Ahora bien una transmisión ondulatoria los dientes varían el engrane según se produce el desfase armónico.

Una transmisión armónica es análoga a una trasmisión planetaria, con la diferencia del desfase y la deformación de una rueda elástica. En el diseño de la rueda elástica y la corona rígida, se suele hacer esta última con algún diente más, y la rueda elástica con diámetro algo menor. En este conjunto se coloca un generador, que puede ser de rodillos planetarios ó un rodamiento elíptico. Cuando se produce el giro del generador, se deforma la rueda elástica y entran los dientes en contacto con la corona rígida. Según gira el generador se produce el desfase entre dientes produciendo la relación de transmisión (la rueda elástica se retrasa la diferencia de dientes con la corona rígida).

Transmisión ondulatoria

Estas transmisiones producen grandes reducciones, son muy compactas y silenciosas, y tienen buen rendimiento. Pero son realmente costosas, debido a la dificultad de su fabricación. Algunos de los problemas que presentan son, el cálculo de la deformación de los dientes y de la propia rueda. Esta deformación se combina la torsión de la transmisión, la presión ejercida por el generador, y la variación térmica. Las pérdidas de par a la salida siguen un ciclo de histéresis, lo que dificulta definir el par medio de la transmisión. Por último la rueda elástica es muy difícil de fabricar, debido a su flexibilidad ya que los dientes se comportan independientemente del soporte de la rueda. Por lo que los dientes son con forma de trapecio, y estos se deforman con la corona rígida.

Transmisión ondulatoria simbólica

GanttProject, administración del tiempo

Con el auge de la ingeniería moderna, y las cadenas de montaje, comenzó a valorarse el tiempo como recurso económico. Las operaciones equivalentes en las que se emplea menos tiempo son mas productivas, aumentando de esta forma el umbral de beneficio. Para controlar la serie de operaciones que se necesitan realizar en un proyecto, se emplean gráficos de tareas Gantt ó PERT fundamentalmente. El uso de estos gráficos se debe al crecimiento de la división de procesos, luego un gran número de tareas es mas complejo colocarlas cronológicamente.

Diagrama Gantt

Para solventar la gran cantidad de operaciones se realizan gráficos de celdas temporales en los que se colocan las distintas operaciones en una jerarquía paralela, de manera que se puede conocer la relación entre tiempo y carga de trabajo. Estos gráficos pueden trazarse mediante software apropiado, y en casos particulares se pueden trazar con las celdas de una hoja de cálculo (Excel, Calc, etc).

En el caso de software apropiado tenemos con licencia comercial, Project ó Visio de Microsoft. Pero también existe una extraordinaria alternativa de licencia abierta. GanttProject es un programa que nos permite crear el diagrama Gantt de un proceso, considerando de forma separada recursos y tareas, y pudiendo establecer las dependencias entre ambos. Nos permite exportar los gráficos en HTML y PDF, facilitando así su difusión. También dispone de amplios tutoriales y manuales de uso, junto a una interfaz sencilla.

Captura de GanttProject

La página de los creadores de GanttProject es:
http://www.ganttproject.biz/