Volante de inercia

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VOLANTES

Un volante es un elemento giratorio que actúa como depósito de almacenamiento de energía cuando el trabajo no se « consume » tan rápidamente como es aplicada la potencia o fuerza motriz. Cuando el trabajo realizado es mayor que la entrada de energía, el volante cede parte de su energía almacenada para suplir la deficiencia.

La energía almacenada en el volante es cinética que paraun elemento giratorio es

[pic] , de acuerdo con la mecánica; la energía cinética es totalmente disponible, 100% convertible en trabajo sin rozamiento.

Así, para que realice su función, la velocidad angular del volante tiene que variar necesariamente, siendo el valor de la fluctuación para una variabilidad dada de la entrada de potencia y del consumo de ésta, función de su momento de inerciaI.

Las máquinas motrices alternativas se caracterizan por sus impulsos de potencia; por ejemplo, en los motores Diesel la mayor parte de la potencia entregada se genera poco después de que se quema el combustible, pero un volante correctamente proyectado mantiene la fluctuación de velocidad dentro de los límites adecuados y hace posible que el motor entregue la energía en cantidad casiconstante.

La cantidad de fluctuación de velocidad que es admisible, en una decisión de ingeniería que depende de la aplicación de que se trate. Los constructores de ciertas clases de maquinaria se guían por su propia experiencia y la manera convencional de especificar la fluctuación es aplicar el coeficiente de fluctuación Cf , que se define por:

(j) [pic]

En donde en subíndice 1 designala máxima velocidad y el 2 designa la mínima; las unidades de cada término en una expresión particular deben ser las mismas y nosotros utilizaremos ω [Radián/segundo], n [rpm] y vs [mps] (o bien fps), que es la velocidad lineal en un punto cualquiera elegido en el volante; las velocidades ω, n, vs que aparecen en los denominadores son los valores medios, como ω = (ω1+ω2) /2.

El cambio deenergía cinética del volante con signo positivo es ΔKE=I(ω12-ω22)/2 kilográmetros (o bien pie-lb), para I dado en kilogramosge-m2 [o sea (kg-seg2/m) (m2) ]. El momento de inercia de cualquier masa es I=mk2 , y en este caso con respecto al eje de rotación, donde k metros es el radio de giro, y m=w/g0 , kilogramosge para una masa de w kilogramos, la aceleración normal g0≈ 9,81 m/seg2 se conviertetambién en una constante de conversión 9,81 kg/kilogramosge. Como una gran proporción de la masa del volante puede estar situada en la llanta y como ésta está más alejada del eje de rotación, la contribución del cubo y los brazos al momento de inercia puede ser sólo de un 5 a 10% del valor de I total. A causa de esto los ingenieros desprecian el efecto del cubo y los brazos y en primera aproximación estosignifica que la fluctuación de la velocidad será ligeramente menor que si se utilizase la I total.

Con esta simplificación, ΔKE=I(ω12-ω22)/2 se puede reducir como se explica a continuación.

Si el espesor de la llanta t es pequeño comparado con el diámetro D del volante, el radio medio de la llanta es casi igual al radio de inercia o de giro k de dicha llanta. Sea vs la velocidad media deun punto correspondiente al radio k y sean vs1 y vs2 las velocidades límites de este radio; entonces vs= rω= kω mps para g0=9,81 m/seg2 y

(k) [pic]

Kgm para unidades como las definidas. Utilizando vs1-vs2 = Cfvs de la ecuación (j) y vs=(vs1+vs2)/2 en (k) tenemos

(l) [pic] kg (o bien en libras)

Que es la masa de la llanta del volante necesaria para tener en cuenta la variaciónde energía cinética ΔKE kgm (o bien en pie-libras) con un coeficiente de fluctuación Cf en la velocidad media vs en mps (o bien en mps).

Algunas veces el cálculo de la variación de la energía ΔKE es un problema laborioso. Para una maquina alternativa, se puede representar un diagrama de fuerzas correspondiente a una revolución que indique la fuerza tangencial resultante sobre el gorrón de...
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