Escuela Politcnica NacionalDESGASTE Y FALLAINFORME

I. DATOS INFORMATIVOS

NOMBRE: KEVIN M. LORA L.FECHA: Abril de 2014CURSO: RME 129

II. TEMA

Conferencia sobre Proyectos de Investigacin de Turbomaquinaria por el Dr. Xianwu Luo

III. RESUMEN

Turbomquinas sonaquellas que absorben energa de unfluido y restituyengeneralmente energa mecnica en el eje, como una turbina de vapor, una turbina hidrulica o bien absorben energa mecnica en el eje y restituyen energa a un fluido como una bomba, un ventilador. El fluido puede ser un lquido o un gas y el rgano, intercambiador de energa mecnica y de fluido, est dotado de movimiento rotativo; de all la palabra Turbo o Turbinis de origen latn que significa que la mquina gira. Las turbomquinas se diferencian de otras mquinas trmicas en el hecho de que funcionan de manera continua y no discreta como es el caso de loscompresoresde mbolo, lasbombas de vapora pistn o los popularesmotores alternativosde pistn. Adems, a diferencia demotores rotativoscomo elmotor Wankel, dicho intercambio de energa se produce por un intercambio de momento debido al giro del rotor.Este tipo de mquinas son muy usadas en la actualidad parageneracin de energa elctricadonde se usa en casi todas las tecnologas empleadas (turbina de gas,turbina de vapor,turbina elica,turbina hidrulica), como mecanismo de propulsin para vehculos (turborreactores,turbohlicesyturbofanesen aviones,turbinas de gaspara algunos ferrocarriles y barcos) y para accionar un fluido (bombas hidrulicasen sistemas de abastecimiento de agua,turbocompresoresen motores para vehculos e instalaciones industriales, ventiladoresde mltiples usos).

IV. DESARROLLO DE LA CONFERENCIA

Introduccin a cargo del Decano de la FIMLa conferencia inici a cargo del Dr. lvaro Aguinaga, Decano de la Facultad de Ingeniera Mecnica, quien dio la bienvenida a los estudiantes asistentes y al conferencista Dr. Xianwu Luo, notable investigador de la Universidad de Tsinghua en China, quien tiene varios trabajos sobre Turbomaquinaria aplicada a la Biomedicina. Luego de esto, se dio inicio a la conferencia por parte del Dr. Luo quien expuso varios temas.

Resea turstica sobre China La exposicin inici con una pequea presentacin sobre China, el pas de origen del Dr. Luo, quien mostr al pblico fotos de lugares ms tursticos de su pas, dando a conocer los lugares maravillosos que se pueden visitar all. Adems indic la poblacin que actualmente posee China y la compar con la del Ecuador.

Tsinghua UnversityPosteriormente, la conferencia sigui con una explicacin detallada acerca de la Universidad de Tsinghua en Pekn, China, donde el Dr. Luo realiza sus investigaciones, y la cual es considerada una de las mejores y ms selectas instituciones de educacin superior en ese pas. Realiz una presentacin de las diferentes instalaciones y laboratorios que posee la universidad, y tambin de las diferentes carreras que ofrece a los estudiantes como arquitectura, ingeniera civil, ingeniera ambiental, ingeniera mecnica, ingeniera automotriz, ingeniera industrial, ingeniera aeronutica, ingeniera elctrica y electrnica, ingeniera en software, ingeniera qumica, matemticas, fsica, contabilidad, finanzas, economa, psicologa, poltica internacional, filosofa, sociologa, idiomas, historia, leyes, periodismo, publicidad, arte, diseo, farmacutica, ingeniera biomdica, entre otras. Ilustracin 1: Campus de la Universidad de Tsinghua

Tsinghua Unversity en la lista ForbesUna de las caractersticas notables de esta universidad es su presencia en 2010 en la lista Forbes, ubicndola como una de las universidades con el campus ms bello del mundo. Adems de tener presencia en los primeros lugares de las listas que rankean a las mejores universidades del mundo entero.

Proyectos de InvestigacinLa conferencia prosigui con la presentacin de los diferentes proyectos de investigacin que estudia el Dr. Luo en la Universidad de Tsinghua, los cuales los realiza en uno de los Laboratorios State Key, los cuales forman parte de una lista de laboratorios de Universidades y del sector privado que actualmente reciben financiamiento y apoyo administrativo delgobierno centralde la Repblica China. Estos laboratorios a menudo se especializan en reas de inters acadmico como: Ingeniera ocenica, Qumica, Medicina, Fsica y Matemticas. El Dr. Luo ha realizado varios proyectos investigativos sobre Turbomaquinaria, los cuales tienen gran aplicacin en la Biomecnica y Biomedicina.

CavitacinLacavitacin fue el principal tpico tratado en la conferencia, debido a que es un tema complejo en Ingeniera Mecnica, especialmente en lo que respecta a Mecnica de Fluidos y Turbomaquinaria, pues este fenmeno ocasiona la mayora de daos y desgaste en mquinas del sector industrial. La cavitacin es un efectohidrodinmicoque se produce cuando elaguao cualquier otrofluidoen estado lquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresin del fluido debido a la conservacin de laconstante de Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance lapresin de vapordellquidode tal forma que lasmolculasque lo componen cambian inmediatamente a estado devapor, formndose burbujas o, ms correctamente,cavidades. Las burbujas o cavidades formadas viajan a zonas de mayor presin eimplosionan(es decir, el vapor regresa al estado lquido de manera sbita, aplastndose bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que se origina este fenmeno. Ilustracin 2: Dao ocasionado por la cavitacin en una turbina

Dicha implosin causaondas de presinque viajan en el lquido a velocidades prximas a las del sonido, es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser prxima a la del sonido. Estas pueden disiparse en la corriente del lquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presin es la misma, el material tiende a debilitarse metalrgicamente y se inicia una erosin que, adems de daar la superficie, provoca que sta se convierta en una zona de mayor prdida de presin y por ende de mayor foco de formacin de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared slida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el lquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie slida. Ntese que dependiendo del material usado se puede producir una oxidacin del metal lo que debilitara estructuralmente el material. El fenmeno generalmente va acompaado de ruido y vibraciones, dando la impresin de que se tratara de grava o que golpean en las diferentes partes de la mquina.

Problemas que ocasiona la cavitacinLa cavitacin es un grave problema en Turbomaquinaria, del cual an no se comprende por qu se ocasiona, ni las formas correctas de evitarlo y solucionarlo. Entre los graves efectos que se producen tenemos: Las disgregaciones son roturas que se producen en el interior del hormign por tracciones internas que el hormign no puede resistir. Pueden producirse por causas muy diversas. En la ingeniera naval se estudia el fenmeno, para el diseo de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida til de algunas partes tales como las hlices y los timones. En los submarinos, este efecto es todava ms estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navos de guerra mantener sus caractersticas operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitacin provoca en el casco y las hlices. El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energa que puede causar enorme dao. La cavitacin puede daar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bomba o hlice. La creacin y posterior colapso de las burbujas crea friccin y turbulencias en el lquido. Esto contribuye a una prdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitacin. La cavitacin se presenta tambin en el fondo de los ros donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este ltimo, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaos microscpicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60t/m. Su importancia radica en la constancia y repeticin del fenmeno, lo que favorece su actuacin. La cavitacin tambin es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.Ilustracin 3: Torpedo de supercavitacin

Beneficios de la cavitacinEl fenmeno de cavitacin puede llegar a ser favorable en ciertas aplicaciones, como por ejemplo la industria militar donde se fabrican torpedos de supercavitacin en los cuales una burbuja rodeo al torpedo eliminando de esta manera toda friccin con el agua.

Microburbujas en la medicinaEn la medicina y cosmtica tambin ha tenido grandes avances el estudio de la cavitacin en beneficio de la salud pues ha permitido la creacin de importantes elementos teraputicos que ayudan a disminuir la grasa como la cavitacin sea posible. La cavitacin es una novedosa terapia que facilita la eliminacin de las clulas adiposas mediante el proceso fsico de la cavitacin, permitiendo la fcil eliminacin de la grasa mediante procesos naturales como la orina o el sistema linftico. La cavitacin es un procedimiento que emplea la creacin de micro burbujas de vaco en los tejidos adiposos, mediante impulsos generados por un sistema que ondas de baja frecuencia, logrando la destruccin de dichas partculas que se encuentra en determinadas reas como las piernas, los brazos y el abdomen entre otras. Por lo general este procedimiento se emplea para el tratamiento y prevencin de la aparicin de problemas como la celulitis y la piel de naranja. Un importante aspecto a destacar en la cavitacin son las micro burbujas, pues estas no son burbujas comunes, estas son de vaco y al ser creadas causan una implosin que hace que las partculas de grasa se destruyan y puedan ser absorbidas ms fcilmente por los sistemas de eliminacin natural del organismo. Ilustracin 4: Mquina para cavitacin cosmtica

La utilizacin de la cavitacin no solo se emplea para la eliminacin de la grasa localizada, sino tambin en la actualidad se usa como reafirmante muscular, pues al eliminar los pequeos ndices de grasa en lugares como los brazos permite que el msculo seas reafirmado y tonificado con mayor facilidad y prontitud. Una importante ventaja que se debe mencionar de la cavitacin es el ser un tratamiento no invasivo, ya que la aplicacin de este se da por medio de aparatologa.

BiomecnicaComo parte de sus proyectos de investigacin, el Dr. Luo expuso la aplicacin que tiene el estudio de la turbomaquinaria en la biomecnica, como parte de la creacin de rganos y partes del cuerpo artificiales para personas que las han perdido. Esta rea de conocimiento se apoya en diversasciencias biomdicas, utilizando los conocimientos de lamecnica, laingeniera, laanatoma, lafisiologay otras disciplinas, para estudiar el comportamiento delcuerpo humanoy resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido. Se estudia, por el momento, la fabricacin de rganos artificiales y prtesis basados en los principios de ingeniera que ayudaran a reemplazar o reponer los rganos daados o perdidos.Los rganos artificiales son dispositivos ytejidoscreados para sustituir partes del organismo daadas o que funcionan de forma incorrecta. El anlisis de un rgano artificial, debe considerarse en la construccin de estos aspectos tales como materiales que requieren unas particulares caractersticas para poder ser implantados e incorporados al organismo vivo. Adems de las caractersticas fsicas y qumicas de resistencia mecnica, se necesita fiabilidad, duracin y compatibilidad en un ambiente biolgico que siempre tiene una elevada agresividad. El mayor problema que se plantea la construccin de una prtesis se refiere a la relacin entre el biomaterial y el tejido vital en el que se inserta ya que es muy importante el control de las reacciones qumicas de superficie y microestructura, el tejido crece y tiende a incorporar incluso a nivel de los poros de la rugosidad superficial, el material implantado.

Simulacin de flujo de sangreUna de las aplicaciones que se expusieron y que siempre ha tenido inters es la circulacin sangunea, pues uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecnico moderno, result de intento de aplicar lasecuaciones de Navier-Stokesa la comprensin del riego sanguneo en el cuerpo humano.Aunque usualmente se considera a la sangre como un fluido newtoniano incompresible, esta modelizacin falla cuando se considera el flujo sanguneo en lasarteriolaso capilares. A la escala de esas conducciones, los efectos del tamao finito de las clulas sanguneas oeritrocitosindividuales son significativos, y la sangre no puede ser modelada como unmedio continuo. Ms concretamente, cuando el dimetro del vaso sanguneo es ligeramente mayor que el dimetro del eritrocito, entonces aparece el efecto FahraeusLindquist y existe una disminucin en la tensin tangente al vaso. As a medida que el dimetro del vaso sanguneo disminuye, los glbulos rojos tienen que aplastarse a lo largo del vaso y frecuentemente slo pueden pasar de uno en uno. En este caso, se da un efecto FahraeusLindquist inverso y la tensin tangencial del vaso se incrementa. Para el estudio y diseo de rganos artificiales encargados de la irrigacin sangunea se necesita realizar la simulacin computarizada del flujo de sangre, conociendo las propiedades de la misma, pues tiene diversos comportamientos segn la parte del cuerpo por donde circule.Ilustracin 5: Simulacin del flujo de sangre en el corazn

Desarrollo de corazones artificialesUn corazn artificial es unaprtesisque se implanta en el cuerpo para reemplazar alcoraznbiolgico. Es distinto de una mquina de bypass cardiopulmonar(CPB), un CPB es adecuado para ser utilizado solo durante algunas pocas horas, mientras que se han utilizado corazones artificiales por perodos que exceden un ao de uso.El corazn artificial busca reemplazar al corazn humano cuya capacidad se ve disminuida hasta llegar a ser insuficiente debido a malformaciones congnitas o a enfermedades como las obstrucciones arteriales, las infecciones o los infartos. Los primeros intentos de construir una mquina que realizara sus funciones fueron hechos en la dcada de 1940. Se trataba de mquinas externas que no solamente bombeaban la sangre del paciente sino que adems permitan oxigenarla en el transcurso de operaciones de corazn. En 1952, se implant un corazn artificial en un perro que sobrevivi durante noventa minutos. Distintos cientficos continuaron los desarrollos para lograr un aparato efectivo y porttil, y a principios de la dcada del 60 se investig la posibilidad de utilizar motores elctricos y bombas neumticas en los dispositivos, luego se logr la primera implantacin permanente exitosa de un aparato de asistencia ventricular en 1966. En los siguientes aos, utilizando animales para las investigaciones, se logr que la sobrevida de cabras y toros implantados con corazones artificiales pasara de treinta das en 1973 y a 268 das en 1981. En la actualidad, existen equipos como el SynCardia, aprobado por el gobierno de los Estados Unidos, que sirven para reemplazar el corazn de manera temporaria mientras se aguarda un trasplante, o el AbioCor, que fue autorizado como dispositivo permanente para pacientes con limitacin severa de la capacidad ventricular y no son destinatarios de trasplantes. Hasta el ao 2011, catorce personas han sido implantadas con el AbioCor, logrando una sobrevida rcord de 512 das. Ilustracin 6: Diseo de un corazn artificial

El funcionamiento de un corazn artificial se basa en el de un corazn real, en el cual un corazn real o biolgico tiene el comportamiento parecido a una bomba la cual cumple una determinada funcin, la de bombear o impulsar sangre en una establecidadireccincon la ayuda de un conjunto de vlvulas. Este dispositivo est diseado de modo que el paciente puede movilizarse y mantener unestilo de vidaproductivo, est provisto por unmotorinterno el cual le da la capacidad de poder movilizar la sangre a travs de los pulmones y el resto del cuerpo. El Corazn Artificial est constituido por una unidad torcica interna, una batera interna recargable, una batera externa y un circuito electrnico miniaturizado.V. CONCLUSIONES Se conocieron los efectos nocivos que provoca la cavitacin en los metales, principalmente presentndose en metales que entran en contacto con fluidos como las turbomquinas. Existe gran dificultad para afrontar problemas sobre cavitacin en la industria, pues el fenmeno es complicado, difcil de entender y de evitar. Logrando minimizar los daos que ocasiona la cavitacin se alcanzara una gran duracin de los elementos de turbomquinas. Adems de los perjuicios que ocasione la cavitacin, se pueden encontrar aplicaciones beneficiosas para el ser humano, como la que existe en medicina o en la industria militar. La biomecnica posee una gran variedad de ayudas tecnolgicas en el campo de la medicina y la biologa, esta ciencia se centra principalmente en ayudar a las personas con problemas biolgicos mediante la aplicacin conjunta de las diferentes ingenieras. La investigacin de las turbomquinas y la cavitacin es muy importante en otras ciencias como la medicina, pues tienen gran aplicacin en la construccin de rganos como corazones artificiales que permiten alargar la vida de personas que, en diferentes circunstancias, no tendran otra oportunidad. Los alcances que tiene la Ingeniera Mecnica no se limitan a las grandes industrias y maquinarias, sino que se extienden hacia otras ciencias que, aparentemente, no tendran relacin, como la medicina.