Determinacion analitica de los coeficientes rotodinamicos y velocidad umbral

179 Pages·2012·6.54 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LOS COEFICIENTES
ROTODINÁMICOS Y VELOCIDAD UMBRAL PARA UNA
CHUMACERA INFINITAMENTE LARGA CON PUERTO
DE PRESURIZACIÓN LINEAL.

TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA:
ING. JOSÉ DANIEL MENDOZA RESÉNDIZ

DIRECTOR DE TESIS:
DR. VALERIY NOSOV

MÉXICO, D.F. 2012

Agradecimientos

Al Dr. Valeriy Nosov mis más sinceros agradecimientos por darme el privilegio y honor de
ser su alumno y por haber dirigido este trabajo, el cual no hubiera sido posible sin sus
comentarios, sugerencias e ideas.

Al Dr. Julio César Gómez Mancilla por compartirme un poco de su conocimiento,
experiencias profesionales y por su colaboración en revisiones y correcciones.

Al Dr. Jesús Alberto Meda Campaña por compartirme un poco de su conocimiento.

Al Dr. José Ángel Lodegario Ortega Herrera por haberme permitido entrar a su clase y
compartirme un poco de su conocimiento y experiencias profesionales.

Al Dr. José Martínez Trinidad por su tiempo y consejos.

A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME unidad Zacatenco del
Instituto Politécnico Nacional por haberme permitido realizar mis estudios de grado.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo económico que me brindo en
mis estudios de grado.

A mis amigos Elizabeth, Germán, Abraham, Max y Luis por hacer muy agradable esta
etapa de mi vida, sin su tiempo, bromas y comprensión no imagino cómo serían los
estudios de una maestría.

A todos y cada uno de mis profesores que he tenido a lo largo de mis estudios.

A todos y cada uno de mis amigos que han estado presentes en mi vida, nombrarlos me
llevaría más páginas de las que tiene este trabajo.
Dedicatoria

A mis padres el Sr. Clemente Mendoza Ángeles y la Sra. Martha Reséndiz Mentado
porque con sus consejos, cariño, comprensión, paciencia y apoyo han sido esenciales en
mis pequeños logros, espero que algún día pueda retribuirles un poco de lo mucho que han
hecho por mí.

A mis herman@s: Orlando, Maribel, Carolina y Antonio por ser una fuente inagotable
de inspiración y motivación.

A mi abuelo el Sr. Antonio Reséndiz por haberme guiado hacia la cultura del esfuerzo y el
trabajo.

A la memoria de mi tío Sergio Reséndiz.
“En este mundo en el que se juega con dados cargados, un hombre
debe poseer temple de hierro, armadura a prueba de los
golpes del destino y armas para abrirse camino contra los
demás. La vida es una larga batalla; tenemos que luchar a
cada paso; y Voltaire dice muy atinadamente que, si
triunfamos, será a punta de espada, y que morimos con las
armas en la mano”.
-Arthur Schopenhauer, Counsels and Maxims, 1851.
Determinación analítica de los coeficientes rotodinámicos y velocidad umbral para una chumacera

infinitamente larga con puerto de presurización lineal

Determinación analítica de los coeficientes rotodinámicos y
velocidad umbral para una chumacera infinitamente larga con
puerto de presurización lineal.
CONTENIDO I
ÍNDICE DE FIGURAS IV
ÍNDICE DE TABLAS VII
NOMENCLATURA VIII
RESUMEN XI
ABSTRACT XIII
OBJETIVOS XV
JUSTIFICACIÓN XVI
INTRODUCCIÓN XVII
CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE 2
1.1 Introducción. 2
1.2 Antecedentes de la rotodinámica 2
1.3 Estado del arte en el diseño de chumaceras hidrodinámicas con presurización externa.
4
1.4 Chumacera de película fluida. 5
1.4.1 Chumacera hidrostática 5
1.4.2 Chumaceras hidrodinámicas 6
1.4.3 Chumaceras híbridas. 7
1.5 Estudios analíticos / numéricos 8
1.6 Estudios experimentales por BENTLY-NEVADA. 9
1.7 La rotodinámica en México. 11
CAPÍTULO 2. MODELOS DE PRESURIZACIÓN EN CHUMACERAS HIDRODINÁMICAS
15
2.1 Introducción. 15
SEPI-ESIME ZACATENCO Ing. José Daniel Mendoza Reséndiz
I
Determinación analítica de los coeficientes rotodinámicos y velocidad umbral para una chumacera

infinitamente larga con puerto de presurización lineal

2.1.1 Las ecuaciones de Navier-Stokes. 15
2.1.2 Aproximación para lubricación. 16
2.2 La ecuación de Reynolds 19
2.3 Modelos clásicos para chumaceras. 24
2.3.1 Ecuación de Reynolds en chumaceras de deslizamiento. 24
2.3.2 Chumaceras infinitamente cortas. 29
2.3.3 Chumaceras infinitamente largas. 30
2.4 Rango de aplicación de las chumaceras cortas y largas. 30
2.5 Modelo matemático para una chumacera larga con puerto lineal de presurización. 31
2.5.1 Delta de Dirac 31
2.5.2 Modelo para una chumacera larga con línea de presurización. 32
CAPÍTULO 3. CAMPOS DE PRESIÓN Y POSICIONES DE EQUILIBRIO EN
CHUMACERAS INFINITAMENTE LARGAS CON PUERTOS DE INYECCIÓN
LINEALES. 36
3.1 Campos de presión. 36
3.1.1 Solución del modelo no presurizado (caso clásico). 36
3.1.2 Solución del modelo presurizado. 40
3.1.3 Campo de presión total de una chumacera larga con puerto de presurización lineal y
horizontal. 46
3.2 Cálculo analítico de la posición de equilibrio en el caso clásico (No presurizado). 49
3.3 Calculo analítico de la posición de equilibrio en el caso presurizado. 57
3.4 Análisis de dos casos especiales de presurización. 70
3.4.1 Presurización en la parte superior vertical de la chumacera infinitamente larga
. 70
3.4.2 Presurización en la parte inferior vertical de una chumacera infinitamente larga
0. 71
CAPÍTULO 4. DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LOS COEFICIENTES
ROTODINÁMICOS DE UNA CHUMACERA INFINITAMENTE LARGA CON
PRESURIZACIÓN LINEAL HORIZONTAL. 75
4.1 Definición clásica de los coeficientes rotodinámicos. 75
4.2 Coeficientes rotodinámicos de una chumacera larga sin presurización. 82
4.3 Coeficientes rotodinámicos de una chumacera larga con puertos de presurización lineales
horizontales. 95
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II
Determinación analítica de los coeficientes rotodinámicos y velocidad umbral para una chumacera

infinitamente larga con puerto de presurización lineal

4.4 Coeficientes Rotodinámicos totales en una chumacera infinitamente larga presurizada.
105
4.4.1 Coeficientes rotodinámicos adimensionales totales para cuando la inyección de
lubricante se realiza en . 105
4.4.2 Coeficientes rotodinámicos adimensionales totales para cuando la inyección de
lubricante se realiza en 0. 111
4.5 Comparación de coeficientes rotodinámicos a diferentes valores de fuerza de
presurización. Inyección central superior de la chumacera . 115
4.6 Comparación de coeficientes rotodinámicos a diferentes valores de fuerza de
presurización. Inyección central inferior de la chumacera 0. 119
CAPÍTULO 5. VELOCIDAD UMBRAL DE ESTABILIDAD. 126
5.1 Introducción. 126
5.2 Ecuaciones de movimiento para rotores de eje rígido. 126
5.2.1 Modelo de Jeffcott considerando eje rígido. 126
5.3 Criterio de Routh-Hurwitz. 128
5.4 Criterio de Lienard-Chipard. 130
5.5 Velocidad umbral de estabilidad para rotores rígidos. 130
5.6 Velocidad umbral de estabilidad para una chumacera infinitamente larga presurizada en
la parte central superior . 132
5.7 Velocidad umbral de estabilidad para una chumacera infinitamente larga presurizada en
la parte central inferior 0. 135
CONCLUSIONES. 138
TRABAJOS FUTUROS. 139
APÉNDICE A 140
APÉNDICE B. 145
APÉNDICE C. 146
APÉNDICE D 147
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III
Determinación analítica de los coeficientes rotodinámicos y velocidad umbral para una chumacera

infinitamente larga con puerto de presurización lineal

APÉNDICE E 150

ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1. 1 Principal requerimiento del desempeño de un rotor: Torque o carga a través de velocidad
rotacional. 2
Fig. 1. 2 Modelo del rotor con chumaceras apoyado en soportes flexibles. 4
Fig. 1. 3 Vista de sección de una chumacera hidrostática. 6
Fig. 1. 4 Regímenes de operación de una chumacera hidrodinámica. 7
Fig. 1. 5 Configuración de una chumacera hibrida. 8
Fig. 1. 6 Perfil de presión y ángulo de attitude en una chumacera hidrodinámica 8
Fig. 1. 7 Configuración de la chumacera experimental usada por Bently. 10

Fig. 2. 1 Superficies de una chumacera, ejes coordenados y escalas de longitud. 16
Fig. 2. 2 Velocidades en las superficies de la chumacera. 22
Fig. 2. 3 Velocidades de rotación y traslación en las superficies de una chumacera. 22
Fig. 2. 4 Geometría y nomenclatura de una chumacera hidrodinámica. 24
Fig. 2. 5 Velocidades y nomenclatura en una chumacera hidrodinámica. 26
Fig. 2. 6 Sistemas de coordenadas fijo de una chumacera (XOY) y móvil del muñón (X´JY´). 32
Fig. 2. 7 Ubicación de la línea de presurización en la chumacera larga. 33

Fig. 3. 1 Campo de presión clásico para una chumacera infinitamente larga con excentricidad de
0.3 40
Fig. 3. 2Campo de presión clásico para una chumacera infinitamente larga con excentricidad de
0.5 40
Fig. 3. 3 Comportamiento de (3.26) evaluada de 0 a 2 43
Fig. 3. 4 Campo de presión hidrostática a) ; b)
;  86.095; q 3.93; 0.3; f 0.5
pres prt prt
. 45
;  87.808; q 5.84;0.3; f 0.8
pres prt prt
Fig. 3. 5 Campo de presión hidrostática a) ; b)
0;  89.183; q 3.93; 0.3; f 0.5
pres prt prt
. 45
0;  89.955; q 5.84; 0.3; f 0.8
pres prt prt
Fig. 3. 6 Campos de presión para
;  86.095; S 0.127; q 3.93; 0.3; f 0.5 47
pres pres prt eq prt
Fig. 3. 7 Campos de presión para
;  87.808; S 0.137; q 5.84; 0.3; f 0.8 47
pres pres prt eq prt
Fig. 3. 8 Campos de presión para
0;  69.2419; S =0.04; q 7.5; 0.464; f 0.3 48
pres pres prt eq prt
Fig. 3. 9 Campos de presión para
0;  89.962; S =0.04; q 20; 0.251; f 0.8 49
pres pres prt eq prt
Fig. 3. 10 Perfil de presión y ángulo de attitude en una chumacera hidrodinámica 49
Fig. 3. 11 Componente radial y tangencial de la carga 50
Fig. 3. 12 Vista desplegada de la película de lubricante. 51
Fig. 3. 13 Distribución de presión circunferencial para las condiciones de Gümbel. 56
SEPI-ESIME ZACATENCO Ing. José Daniel Mendoza Reséndiz
IV