Practica No. 14 Analisis Del Comportamiento de Una Turbina d

C O N T E N I D O

1 Práctica No. 14 22 Análisis del comportamiento de una Turbina Pelton utilizando

una computadora personal.2

3 Objetivos 24 Turbinas de acción. Turbinas Pelton 2

4.1 Transferencia de energía de una turbina. 45 Correlación con el o los programas de estudios vigentes. 106 Material y equipo utilizado. 10

6.1 Consola. 106.2 Computadora con los siguientes requisitos mínimos. 106.3 Unidad para el estudio de turbinas

hidráulicas.11

6.4 Turbina pelton. 136.5 Sensores. 156.6 Fluido 176.7 Conectores. 176.8 Cable paralelo. 176.9 Cables para suministro de energía eléctrica 17

7 Metodología 177.1 Tabla de datos 267.2 Ecuaciones utilizadas 277.3 Tabla de resultados. 287.4 Trazo de gráficas 30

8 Sugerencias didácticas. 319 Reporte del alumno. 3210 Bibliografía. 32

AUTOR: ING. JUAN MANUEL GALVAN ROBLES 1

1.- PRÁCTICA No. 14.

2.- ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA TURBINA PELTON UTILIZANDO UNA COMPUTADORA PERSONAL.

3.- OBJETIVOS:

a.- Determinar los parámetros para el trazo de las curvas de comportamiento de una turbina Pelton.b.- Trazar las curvas de comportamiento de una turbina Pelton.c.- Interpretar las curvas de comportamiento de una turbina Pelton.

4.- TURBINAS DE ACCIÓN. TURBINAS PELTON

El objeto de ejercicios de trabajo práctico es ayudar a entender las características de operación de las turbinas.

La figura 14.1 muestra el arreglo de rotor y boquilla para la turbina pelton (FM32).

FIGURA 14.1 ARREGLO DE ROTOR Y BOQUILLA DE LA TURBINA PELTON

La turbina Pelton (figura 14.1) es obviamente el ejemplo más visual de una máquina de impulso. Una válvula de aguja dirige el chorro de agua a una serie de cangilones los


cuales están montados en la periferia de un rotor. Como el agua que sale de la válvula de aguja esta a presión atmosférica, la fuerza ejercida sobre el rotor es debida completamente a cambios en la dirección del flujo de agua. La turbina Pelton esta por lo tanto asociada con cambios considerables de energía cinética y cambios pequeños en energía de presión. La válvula de aguja permite que el diámetro del chorro de agua pueda variarse con una velocidad de chorro constante. Turbinas grandes podrían incluir más de una válvula de aguja alrededor de la periferia del rotor. En el caso de FM32 está instalada únicamente una válvula de aguja.

Las características de operación de una turbina frecuentemente y convenientemente, se muestran graficando el torque T, la potencia al freno Pb y la eficiencia de la turbina Et contra la velocidad de rotación n para una serie de caudales como se muestra en la figura 14.2. Es importante notar que la eficiencia alcanza un máximo y después cae, mientras que el torque cae constantemente y linealmente. En la mayoría de los casos una turbina es usada para mover un generador en la producción de electricidad, la velocidad del generador se fija para producir una frecuencia dada de electricidad. Las condiciones óptimas para operación ocurren cuando la eficiencia máxima de la turbina coincide con la velocidad de rotación del generador. En la medida que la carga sobre el generador se incremente, entonces el flujo de agua también debe incrementarse para mantener la velocidad de operación requerida.

FIGURA 14.2 EJEMPLO DE CARACTERÍSTICAS DE UNA TURBINA A DIFERENTES FLUJOS

Esta unidad esta diseñada para permitir que los estudiantes determinen las características de operación de una turbina Pelton (FM32), rápidamente y usando datos en línea y análisis. Los resultados se pueden desplegar en forma gráfica y tabular, y es


muy simple repetir o adicionar u obtener datos para cubrir áreas del funcionamiento de turbinas de particular interés.

4.1.- TRANSFERENCIA DE ENERGÍA DE UNA TURBINA.

Las turbinas están clasificadas en dos categorías generales impulso y reacción. En ambos tipos, el fluído pasa a través de un rodete con alabes. El momento de fluído en la dirección tangencial es cambiado y también se produce una fuerza tangencial sobre el rodete. El rodete por lo tanto gira y desarrolla trabajo útil, mientras que el fluído lo deja con su energía disminuida. La característica importante de la máquina de impulso es que no hay cambio en la presión estática a través del rodete. En la máquina de reacción la presión estática decrece cuando el fluído pasa a través del rodete.

Para cualquier turbina la energía del fluído esta inicialmente en la forma de presión, es decir un recipiente de nivel alto en un esquema hidroeléctrico. La turbina de impulso tiene una o más boquillas fijas, en cada una de las cuales esta presión es convertida en la energía cinética de un chorro no confinado. Los chorros de fluído impactan entonces sobre los alabes móviles del rodete donde pierden prácticamente toda su energía cinética.

En una máquina de reacción los cambios de presión a energía cinética tienen lugar gradualmente mientras que el fluído se mueve a través del rodete, y para que éste cambio gradual de presión sea posible, el rodete debe estar completamente encerrado y los conductos de el completamente llenos de fluído de trabajo.

La relación general entre las varias formas de energía, está basada en la primera ley de la termodinámica aplicada a una masa unitaria de fluído fluyendo a través de un volúmen de control, (tal como la turbina misma) esta expresada como:

Fdpvolgdz

vdWs 2

2

...................................................................................(14.1)

Donde:

-Ws= a el trabajo desarrollado por el fluído sobre la turbina

2

2vd = a el cambio en energía cinética del fluido.

Gdz= a el cambio en energía de presión, donde “vol” es el volúmen por unidad de masa del fluído. Para un fluído incompresible de densidad constante, Rho, este término es igual

a Rhodp

o

Rho

pp 21

Donde P2 se refiere a la descarga en la salida de la turbina y P1 a la entrada a la turbina.


F= a la pérdida de energía por fricción cuando se calientan los alrededores o el fluído mismo cuando circula desde la entrada hasta la salida.

Los primeros tres términos del lado derecho representan el trabajo útil Wa, es decir:

Rho

PPzzg

vvWa

2121

22

21

2......................................................................(14.2)

Donde el índice 2 se refiere a ala salida de la turbina y el índice 1 se refiere a la entrada.

El termino Wa representa el trabajo actual producido en el cambio de las etapas de energía de una unidad de masa del fluído. Esto alternativamente podría ser presentado como la carga dinámica total de la turbina H, convirtiendo las unidades de trabajo por unidades de masa a carga expresada como longitud:

gRho

PPzz

g

vvH 21

21

22

21

2.........................................................................(14.3)

Se puede suponer para propósitos de los experimentos prácticos siguientes, que el fluído es incompresible (es decir r es constante)

Los términos básicos usados para definir, y por lo tanto medir el comportamiento de la turbina en relación a la velocidad de rotación, incluyen:

i) Caudalii) Cargaiii) Torque, potencia de salida y eficiencias.

A continuación se analizan estos términos:

i) Caudal

El caudal de fluido a través de la turbina es el volúmen pasando a través del sistema por unidad de tiempo, en unidades del SI se expresa en m3/sEl equipo Armfield FM3SU emplea un placa de orificio en la tubería de entrada a la bomba para medir Qv de acuerdo a la relación convencional entre la caída de presión medida dPo a través de la placa de orificio y el caudal.

)(2

))((2(2

Rho

dPoRhodPCQ id

v ......................................................................................(14.4)

Donde Cd es el coeficiente de descarga del orificio.


(Esto aplicado cuando el diámetro del orificio no es mayor del 50% del diámetro del tubo)

Las constantes adecuadas necesarias para usar esta ecuación para obtener Qv a partir de dPo están dadas en la sección “Params” de la barra de menú. Similarmente, la calibración del orificio necesario para confirmar estos valores de parámetros esta descrita en la sección “calibrt” de la barra de menú

ii) Carga H

El termino “carga” se refiere a la elevación de una superficie libre de agua por encima o por debajo de una referencia. En el caso de una turbina, estamos interesados en la carga de agua entrando al rotor, lo cuál por supuesto tiene un efecto directo sobre las características de la unidad.

En la figura 14.3 se ilustran gráficamente términos específicamente aplicado al análisis de turbinas y generación de sistemas, brevemente se definen a continuación:

FIGURA 14.3 DEFINICIONES DE CARGA A TRAVÉS DE UNA TURBINA

1.- Carga de succión manométrica Hm1 es la lectura manométrica (metros) medida a la entrada a la boquilla de la turbina, referida a la línea de centros del rotor.

2.- Carga de descarga manométrica Hm2 es la lectura manométrica (metros) medida en la boquilla de descarga de la turbina referenciada a la línea de centros del rotor.

3.- Carga de entrada a la turbina (Hi) es la carga usada por la turbina operando. Para la turbina mostrada en la figura 14.1, Hi esta dada por:

Hi=Hm1-Hm2..................................................................................................……........(14.5)


La ecuación 14.3 se relaciona precisamente a la ecuación (14.5) para un volúmen de control conteniendo la salida de la turbina y la entrada, como Hm1 y Hm2 como las presiones medidas iguales a:

gRho

Pz 11 y

gRho

Pz 22 respectivamente:

La instrumentación del equipo es tal que la presión de entrada está medida en relación a la presión atmosférica (P1). Ya que la salida de la turbina es a presión atmosférica, se puede suponer que las lecturas dadas por P1 es la diferencia de presiones a través de la turbina.

Por lo tanto Hm1-Hm2 está medida actualmente como una presión diferéncial P1 (Pascales), pero convertida por calculo subsecuentes en P1/Rho g metros

iii) Potencia de salida y eficiencias

La potencia al freno Pb producida por la turbina al crear un torque T sobre el freno a la velocidad n del rotor está dada por la ecuación (14.6)

)))()()(2( TnPiPb (Nm/s=W)......................................…………………........................(14.6)

El torque está dado por la ecuación:

T=(Fb) ( r) (Nm)

Donde Fb es la fuerza de frenado leída en el sensor y r es el radio de la polea.

Sin embargo, las pérdidas por fricción, en la misma turbina representadas como F en la ecuación (14.1) requieren una eficiencia hidráulica Eh definida como:

)100(min h

rh P

P

utilistradasufluidodePotencia

rotorelporabsorbidaPotenciaE .....................................................(14.7)

Adicionalmente, las perdidas mecánicas en los baleros, etc. Requieren una eficiencia mecánica Em definida como:

)100(min

r

mm P

P

rotorelporabsorbidapotencia

rotorelporistradasupotenciaE .......................................................(14.8)

La unidad de turbina Armfield no incluye la medición directa de la potencia mecánica Pm , pero en su lugar se mide la fuerza de frenado aplicada al rotor vía la polea. Se requiere adicionalmente una eficiencia expresando las pérdidas por fricción en el ensamble de polea (Eb).


)100(min m

bb P

P

rotorelporistradasupotencia

frenoelporabsorbidaPotenciaE ....................................................(14.9)

La eficiencia total de la turbina, Et es entonces:

)100())()()((

))()()(2()100(

""min.

.

viw

i

h

bt QHgRho

TnP

P

P

utilfluidoelporistradasupot

frenadoelporabsorbidapotE …....

(14.10)

Siendo (Rho)(g)(H)(Q) el cálculo estándar para la potencia de fluído.

Se vera que Et = (Eh) (Em) (Eb).................................................................................(14.11)

La mejor forma para describir las características de operación de una turbina es a través del uso de las curvas características (figura 14.4) . Ésta figura muestra la interrelación del torque T, potencia al freno Pb, eficiencia de la turbina Et y la velocidad de rotación n para una turbina dada girando a caudal constante.

FIGURA 14.4 CURVAS CARACTERÍSTICAS PARA UNA TURBINA

La curva Pb – n de al figura 14.4 muestra la relación entre la potencia de salida y la velocidad de rotación de la turbina . La curva Et – n relaciona la eficiencia de la turbina a la velocidad. Para una turbina con las características de la figura 14.6 , la eficiencia


máxima ocurriría a una velocidad de 65Hz y una potencia de salida de 58 Watts. Los fabricantes suministran información del comportamiento de sus turbinas en la forma de curvas características , tales como las mostradas en la figura 14.5.

FIGURA 14.5 GRAFICA TIPICA MOSTRANDO LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE UNA TURBINA A DIFERENTES CAUDALES

Grafica típica mostrando las características de operación de una turbina a diferentes caudales.

Una gráfica de éste tipo hace posible determinar a que velocidad, y a que apertura de la compuerta (caudal volumétrico) la turbina debe operar para desarrollar una potencia de salida dada, y aun tener la mejor eficiencia posible. La mejor línea de velocidad se obtiene mediante el dibujo de una línea a través del eje mayor de la curvas de isoeficiencia.

5.- CORRELACIÓN CON EL O LOS TEMAS Y SUBTEMAS DEL PROGRAMA DE ESTUDIOS VIGENTE

No. TEMA SUBTEMA INCISOS14 Análisis del

comportamiento de 5.- Turbinas hidráulicas de

5.1.- Generalidades5.2.- Características


una turbina Pelton utilizando una computadora personal.

Impulso. Turbina Pelton

constructivas5.3.- Forma de los alabes5.4.- Diagrama de velocidades5.5.- Coeficientes de velocidad

6.- MATERIAL Y EQUIPO NECESARIO.

6.1.- CONSOLA INTERFASE

Esta consola (1FD1) es una interfase de 8 canales estandarizada y se utiliza con la unidad para el análisis del comportamiento de una turbina de flujo radial.

El equipo de entrenamiento a utilizar, esta diseñado primariamente para explotar las vastas capacidades de la computadora en el tratamiento de datos y análisis de resultados, las facilidades disponibles dentro del software suministrado incluyen el desplegado de resultados en una forma gráfica o tabular y rutinas de calibración de sensores .

6.2.- REQUISITOS MÍNIMOS DEL SISTEMA PARA INSTALACIÓN DEL SOFTWARE.

Para usar con una microcomputadora.

-Unidad de demostración adecuada.-Consola de interfase.-Disco conteniendo software.-Computadora con 640 kb de memoria Ram-Drive de 3.5.-Adaptador tarjeta gráfica (EGA)-Monitor de color compatible (EGA)-Tarjeta de adquisición de datos DT 2811-PGH-Impresora

6.3.- UNIDAD PARA EL ESTUDIO DE TURBINAS HIDRAULICAS.


FIGURA 14.6 UNIDAD PARA EL ESTUDIO DE TURBINAS HIDRAULICAS

Todas las referencias numéricas están referenciadas a la figura No. 14.7.


FIGURA 14.7 UNIDAD PARA ESTUDIO DE TURBINAS

La unidad para turbinas es un accesorio esencial diseñado para permitir la operación de tres tipos de turbinas (FM30, FM31, FM32).

La unidad consiste de un recipiente de acrílico transparente (3), una bomba de circulación y la tubería asociada todo el sistema instalado sobre una base soporte (1). El recipiente incluye una válvula de drenaje (2) en la base y una brida (4), en la parte superior, en la cual se acopla la turbina adecuada.

El agua de circulación es suministrada por una bomba centrífuga de una etapa (8) movida por un motor eléctrico (7). El motor es monofasico y requiere un suministro eléctrico de 127 V.

El tubo de descarga de la bomba (6) incluye un conector roscado el cual se embona con el tubo de entrada a la turbina apropiada.

El flujo de agua se mide por medio de un sensor de presión diferencial (SPW1) (9) el cual esta conectado a una placa de orificio (10) la cual se encuentra en la tubería de entrada a la bomba. El sensor de presión tiene dos conexiones, una sobre la placa de orificio y la otra en la pared del recipiente.

6.4.- TURBINA PELTON (FM32)


Todas las referencias numéricas están relacionadas a la figura No.14.8.

FIGURA 14.8 TURBINA PELTON

La turbina Pelton (FM32) consiste de una turbina demostrativa montada sobre una placa soporte (13) con controles y sensores apropiados.


FIGURA 14.9 TURBINA PELTON

El rotor (9) tiene 10 cilindros divididos sobre un paso circular de 70 mm de diámetro. El rotor esta montado sobre una flecha horizontal de acero inoxidable la cual gira entre baleros resistentes a la corrosión con doble resguardo para proveer tiempo para lubricación o que dure la lubricación.

La válvula de aguja (3) tiene una tobera de 4.5 mm de diámetro, unida a un dispositivo de ajuste para variar el diámetro del chorro con mínimas perdidas de fricción. Esto permite que el flujo sea variado con una velocidad del chorro de salida constante.

Una carcaza robusta de acrílico transparente (4) encapsula al rotor y a la válvula.

La placa soporte de la turbina (13) esta diseñada para unirse a la boca superior del recipiente sobre la turbina FM·SU y la válvula de entrada (1) se une al conector roscado sobre el tubo de descarga de la bomba. Para suministro de agua al recipiente, esto se puede hacer a través del conector que se tiene para tal fin.

La turbina Pelton (figura 14.9) es obviamente el ejemplo más visual de una máquina de impulso. Una válvula de aguja dirige el chorro de agua a una serie de cangilones los cuales están montados en la periferia de un rotor. Como el agua que sale de la válvula de


aguja esta a presión atmosférica, la fuerza ejercida sobre el rotor es debida completamente a cambios en la dirección del flujo de agua. La turbina Pelton esta por lo tanto asociada con cambios considerables de energía cinética y cambios pequeños en energía de presión. La válvula de aguja permite que el diámetro del chorro de agua pueda variarse con una velocidad de chorro constante. Turbinas grandes podrían incluir más de una válvula de aguja alrededor de la periferia del rotor. En el caso de FM32 está instalada únicamente una válvula de aguja,

6.5.- SENSORES.

6.5.1.- SENSOR DE PRESIÓN (SPH2).

FIGURA 14.10 SENSORES DE PRESION (SPH2) Y DE VELOCIDAD (SS02)

Este consiste de un sensor de presión piezo-eléctrico (2) con un acondicionamiento de señal adecuado en una caja protectora (7).

Este sensor es usado para medir la presión en la entrada de la válvula de aguja.


6.5.2.- SENSOR DE VELOCIDAD DE ROTACIÓN (SS02). (FIGURA 14.10)

Este consiste de un interruptor óptico infrarrojo reflectivo (10) con el acondicionamiento de señal adecuado en una caja protectora (6), este sensor es usado para medir la velocidad de rotación del rotor de la turbina.

El interruptor óptico esta montado adyacente al eje del rotor el cual incorpora una tira reflectiva.

6.5.3.- SENSOR DE FUERZA (SLR1).

FIGURA 14.11 SENSOR DE FUERZA

La viga de carga (8) incorpora un strain gauge el cual esta conectado a una señal apropiada acondicionada en una caja protectora (5).

El sensor de fuerza es usado para medir la fuerza aplicada al freno sobre el eje del rotor de la turbina.

La velocidad de la turbina esta controlada mediante el ajuste de la tensión de la banda de frenado (11) mediante el ajuste de tornillo tensor (12)


6.6.- FLUIDO

Agua limpia.

6.7.- CONECTORES.

Estos conectores se utilizan para la conexión de los sensores a la interfase

6.8.- CABLE PARALELO.

Este cable se utiliza para la conexión de la impresora a la computadora

6.9.- CABLES PARA SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Se utilizan para el suministro de energía eléctrica a la interfase, al equipo, a la impresora y a la computadora.

7.- METODOLOGÍA

Todas las referencias numéricas están relacionadas a la figura No.14.7.

Ubicar la unidad de servicio para turbinas FM3SU en un lugar adyacente a una computadora. Ya que la unidad tiene suficiente peso para soportarse adecuadamente.

Asegurar que la válvula de drenaje (2) en la base del recipiente esta completamente cerrada.

Verificar que el sensor de presión diferencial SPW1 (9) esta conectado a las dos tomas en la parte frontal del recipiente. La parte inferior P1 sobre SPW1 debe estar conectada a la toma sobre la placa de orificio y la parte superior de P2 debe estar conectada a la toma en la pared del recipiente.

Llenar el recipiente (3) con agua clara hasta que el nivel se encuentre a aproximadamente 100 mm por debajo de la parte superior del recipiente.

Los tubos flexibles que conectan el sensor de presión diferencial SPW1 a la placa de orificio deben de ser cebadas con agua usando la jeringa para cebado. Cuando todas las burbujas de aire han sido expelidas reconectar los tubos flexibles al recipiente.

Ubicar la turbina (FM32) sobre la parte superior del recipiente asegurando que el O Ring este localizado en el hueco de la boca superior del recipiente.

Aflojar la junta del tubo conector de la unidad de servicio a las turbinas, posteriormente asegurar la placa base de la turbina a la boca superior del recipiente apretando las tuercas. Finalmente apretar el tubo conector.


Colocar la consola de interfase 1FD1 junto a la computadora.

Conectar el cable principal de suministro de un suministro eléctrico adecuado al socket principal de entrada sobre 1FD1 (MAINS INPUT) asegurando que el voltaje del suministro eléctrico es compatible con la consola (indicado en la parte posterior de la consola).

Si se usa el FM3SU-B (120V/60 Hz). Conectar el suministro principal del motor sobre la unidad de servicio de turbinas al suministro eléctrico apropiado asegurando que el voltaje del suministro eléctrico es compatible con el letrero sobre el cable principal.

Encender el suministro principal a la unidad de servicio de turbinas. Encender el RCCB(ELCB) sobre la unidad de servicio de las turbinas posteriormente encender el interruptor on/off sobre la unidad de servicio de la turbina. Verificar que el agua esta circulando a través de la turbina y regresa al recipiente con las válvulas de control apropiadas abiertas sobre la unidad de las turbinas.

Conectar cada una de las cajas de acondicionamiento de sensores a las entradas apropiadas de los sockets de los sensores en la parte frontal de 1FD1, usando los cables de conexión numerados como sigue:

Canal 1 al sensor SPW1 sobre la unidad de servicio de turbinas FM3SU.

Canal 2 al sensor SPH2 sobre la placa base de la turbina de agua apropiada.

Canal 3 al sensor SSO2 sobre la placa base de la turbina de agua apropiada.

Canal 4 al sensor SLR1 sobre la placa base de la turbina de agua apropiada.

Asegurar que los switches de tierra 1,2,3,4, sobre la consola 1FD1 estén presionados.

Asegurar que los switches 5,6,7,8 sobre 1FD1 estén libres.

El equipo esta listo para conectarse a una computadora , como se describe a continuación:

El conector de datos sobre la consola interfase 1FD1 se enchufa simplemente al conector en la parte posterior de la interfase usando el cable correspondiente suministrado. El otro extremo del conector se conecta al CPU de la computadora.

Debe de formatearse un disco para tenerlo listo para guardar los datos.

Colocar el disco de datos formateado en el drive B de la computadora. O se puede utilizar el disco duro de la computadora para almacenar los datos.


Al encender la computadora, aparece el promt C, se escribe el nombre del equipo FM3SU, apretando posteriormente la tecla ENTER, posteriormente se escribe intro para llamar el archivo con que inicia el programa , a continuación se despliega la introducción que indica que el software está diseñado para usarse con las siguientes unidades demostrativas de turbinas para agua.

FM30 Turbina de impulsoFM31 Turbina de reacciónFM32 Turbina Pelton

Adicionalmente se menciona que el software permite al operador obtener datos en línea del equipo y facilita los cálculos automáticos de parámetros relevantes para demostrar el funcionamiento y comportamiento del equipo. Todos los datos ya sea medidos o calculados pueden ser almacenados en un disco y desplegados en forma tabular o gráfica en unidades de ingeniería adecuadas.

Las instrucciones están presentes en todas las secciones del software, sin embargo cuando se obtienen nuevos datos se deben de observar los siguientes puntos:

1.- Cerrar la válvula de estrangulamiento (figura 14.12) de la turbina entonces arrancar la bomba (motor de la bomba arrancado bajo carga mínima) abrir la válvula completamente y permitir que el agua circule hasta que todas las burbujas de agua se hayan dispersado. Apretar el tornillo para tensado sobre la segunda rueda –polea hasta que la turbina se haya casi detenido (rotor girando al mínimo)


FIGURA 14.12 VÁLVULA DE ESTRANGULAMIENTO DE LA TURBINA

2.- Seleccionar “Diagrm” y anotar el valor del freno de la polea. Decidir respecto a los incrementos adecuados en fuerza para obtener una adecuada cantidad de lecturas (típicamente 15 puntos entre flujo 0 y máximo).

3.- Aflojar el tornillo tensor (figura 14.13) hasta que ninguna fuerza se este aplicando sobre la turbina, es decir Fb=0. Cuando las lecturas medidas como se indica en las cajas del diagrama esquemático sean lo suficientemente estables, seleccionar “take sample”. Esto representa el primer punto sobre al curva característica.


FIGURA 14.13 TORNILLO TENSOR Y FRENO

4.- Apretar el tornillo, para dar el primer incremento en fuerza para el freno. Cuando las lecturas se hayan estabilizado lo suficiente seleccionar “take sample”

5.- Repetir el paso 4) anterior para un incremento gradual de los valores de Fb es decir, incrementando valores de torque. El punto de lectura final corresponderá a cuando la turbina esta completamente parada.

6.- El conjunto de datos ahora puede ya ser examinado y procesado utilizando inclusive una hoja de cálculo.

7.- Ahora incrementar o decrementar el flujo para una nueva configuración cambiando la posición de la válvula de estrangulamiento, y repetir la toma de lecturas para un incremento de valores de torque gradual, como en el inciso 3) anterior. La repetición de este paso producirá una serie de resultados para su comparación.

El comportamiento del equipo esta relacionado a la velocidad de rotación de la turbina, la cual es controlada ajustando la tensión sobre el freno.Las lecturas se toman presionando la barra espaciadora una vez que las lecturas se han estabilizado.


Se pueden tomar hasta 15 lecturas en secuencia entre los valores de velocidad mínimo y máximo. Hay que esperar hasta que el indicador de toma de lectura despliegue NO antes de ajustar el equipo para la siguiente lectura.

Después de completar un conjunto de resultados, las condiciones de operación se pueden cambiar alterando el flujo. Se pueden tomar hasta 4 conjuntos de resultados facilitando la comparación de los cambios en el comportamiento. Después de estas instrucciones se presiona cualquier tecla para continuar, a continuación se despliega una pantalla indicando que antes de tomar cualquier lectura, se debe de asegurar que todos los sensores están conectados a la consola interfase como sigue:

CONEXIÓN DE SENSORES.

CANAL SENSOR CONEXIÓN1 SPW1 Presión diferencial a través de la placa de orificio

LOW-P1 Conectado a la toma del orificioHIGH P2 Conectado a la toma en el tanque

2 SPH2 Presión de entrada a la turbinaSensor conectado al ducto de entrada a la turbina

3 SS02 Velocidad de rotación de la turbinaSensor adyacente a la polea para frenado

4 SLR1 Tensión en la correa del frenoSensor unido a el extremo de la correa del freno

Nota: asegurarse que solamente los switches de tierra 1,2 3, y 4 en 1FD1 no estén presionados.

Se presiona a continuación cualquier tecla para continuar.

Aparece a continuación el menú principal

MENÚ PRINCIPAL

COMPORTAMIENTO DEL EQUIPO

1.- Obtención de nuevos datos2.- Evaluación de datos almacenados en disco.

CALIBRACIÓN DE SENSORES

3.- Calibración de sensores4.- Obtención de datos para curva de calibración5.- Trazo de curva de calibración


EVALUACIÓN A ESTUDIANTES

6.- Tentativa de asignación de tarea7.- Examen de respuestas

CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA

8.- Cambio de drive para disco de datos(normalmente drive C:)9.- Salida del programa y regreso al sistema operativo.

SELECCIONAR POR NÚMERO

Al seleccionar el número 1 aparece el siguiente menú:

SELECCIÓN DE UNIDAD DE DEMOSTRACIÓN

1.- Turbina de impulso2.- Turbina de reacción3.- Turbina pelton


Al seleccionar el número 3, solicita el programa la siguiente información:

Al presionar la tecla ENTER aparece la solicitud de información o datos generales de la práctica:

SOLICITUD DE INFORMACIÓN

PREGUNTA RESPUESTANombreNombre de la materiaNombre del profesorCualquier comentario adicional

Al meter el último comentario y presionar la tecla ENTER se despliegan las barras de datos en el siguiente orden:

BARRA DE DATOS

VARIABLESdPo P1 n FbKPa °C kPa Hz

Al final de las barras se indica lo siguiente:


PRESIONAR:BARRA ESPACIADORA para toma de lecturas (máximo 15 lecturas)K para la explicación de los símbolosS cuando se hayan tomado las suficientes lecturas.

TOMA DE LECTURANo

LECTURAS TOMADAS0

La turbina de agua debe de ser configurada para la prueba requerida (por ejemplo FM30) controlada usando una válvula de aguja.

Al presionar la barra espaciadora, se pregunta si se desea tomar otro conjunto de datos a una diferente configuración de flujo (Y o N)

Se pregunta si se desean salvar los datos en disco (Y o N)Se pregunta si se desea tomar otro conjunto de datos (Y o N)

Al seleccionar el número 2 del menú principal correspondiente a la evaluación de datos almacenados en disco, aparece una leyenda indicando que debe asegurarse de que hay un disco adecuado conteniendo datos y esta instalado en A o corresponde a C.

En caso de estar en A o en C, aparecen todos los archivos guardados correspondientes a turbinas hidráulicas y el programa solicita que se le introduzca el nombre del archivo que se quiera procesar.

Al meter el nombre del archivo y presionar la tecla ENTER se despliegan los datos generales dados al inicio de la práctica. Se presiona posteriormente la tecla ENTER.

A continuación, se despliega el siguiente menú

SELECCIÓN DE PRUEBA A PROCESAR

1.- Conjunto de resultados 12.- Conjunto de resultados 23.- Conjunto de resultados 34.- Conjunto de resultados 45.- Comparación de conjuntos de resultados



Si se selecciona la opción 1, el programa pregunta si se quieren graficar 1 o 2 variables, posteriormente aparecen las 3 opciones de graficas, de éstas se seleccionan 2, el programa pregunta si están correctas dando la opción de poder corregir, en caso positivo, se deben seleccionar las escalas correspondientes a los dos ejes verticales, indicando a la pregunta de que en donde se quiere que se comience, se da el valor de 0 para iniciar

Posteriormente se presiona la tecla ENTER y aparecerá el graficado de las curvas.

Posteriormente se despliega el siguiente menú

SELECCIÓN DE PARÁMETROS

1.- Despliegue de variables medidas2.- Despliegue de constantes3.- Despliegue de variables calculadas4.- Regreso al menú anterior.


O si se selecciona la opción 2, aparece otro menú:

1.- Despliegue de variables medidas2.- Despliegue de constantes3.- Despliegue de variables calculadas4.- Regreso al menú anterior.

De este menú si se selecciona 1, se desplegara la tabla de las variables medidas, si se selecciona 2, desplegará las constantes, y si se selecciona 3, despliega una relación de las variables calculadas siguientes:

VARIABLES CALCULADAS

LETRA VARIABLE CALCULADAA Flujo másicob Flujo volumétricoc Carga de entradaD Potencia hidráulicaE TorqueF Potencia al frenoG Eficiencia de la turbinaH Regreso al menú anteriorSELECCIONAR POR LETRA

De la tabla anterior el programa solicita que se le indique la letra de lo que se pretende calcular, al seleccionar cualquier letra de la a a la g, despliega primero la ecuación que se


utiliza para el cálculo y posteriormente al presionar la tecla ENTER despliega la tabla de resultados para ese conceptoLa letra h es para regreso al menú anterior.

NOTA: Pueden obtenerse copias de cualquier información presentada en el monitor usando una impresora. Asegurándose que la impresora esta encendida y posteriormente presionando SHIFT y PRINT SCREEN simultáneamente. Cuando la impresión esta completa el programa regresa a su posición original.

El funcionamiento del equipo esta relacionado a la velocidad a la cual se ajusta graduando la tensión de la banda del freno de tambor.

Las muestras se toman presionando la barra espaciadora una vez que las lecturas se han estabilizado. Deben de tomarse hasta 15 muestras en secuencia entre el flujo máximo y el flujo mínimo, esperar hasta que el indicador de toma de muestra indique NO antes de ajustar el equipo para la siguiente lectura.

Las variables medidas se despliegan en forma de una grafica de barras con los valores numéricos y las unidades apropiadas desplegadas abajo. La magnitud de las variables se indica por lo tanto por la altura de la barra. Los valores positivos se indican en rojo, los valores negativos se indican en verde.

Para obtener curvas de comportamiento razonables es importante tomar lecturas en secuencia es decir incrementando o decrementando continuamente la velocidad. Si se toman mediciones aleatorias de la velocidad, éstas se tabularán y salvarán satisfactoriamente pero las curvas de comportamiento no serán las adecuadas.

Todos los datos obtenidos de los sensores monitoreando el comportamiento de la turbina correspondiente pueden ser almacenados en el disco de datos para referencias futuras cuando las series de lecturas hayan sido completadas siguiendo las instrucciones presentadas en el monitor.

7.1.- TABLA DE DATOS.

VARIABLES MEDIDASNo. LECTURA dPo P1 n Fb

kPa kPa Hz N12345

7.1.1.- EXPLICACIÓN DE LOS CONCEPTOS INDICADOS EN LA TABLA DE DATOS.

SIMBOLO PARAMETRO UNIDAD


dpo Presión diferencial en el orificio

Pa

P1 Presión de entrada PaN Velocidad de rotación HzFb Fuerza al freno N

7.1.2.- CONSTANTES DEL SISTEMA.

SÍMBOLO CONCEPTO VALOR UNIDADESd Diámetro del orificio 0.0090 mg Gravedad 9.81 m/s2

ALPHA Coeficiente de flujo 0.63 -R Radio de la polea 0.024 mDENSIDAD Densidad del agua 998.2 kg/m3

7.2.- ECUACIONES UTILIZADAS.

7.2.1.- CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO

4

))((2))(14159.3( 2 dPoRHOwdALPHAQm

7.2.2.- CÁLCULO DEL FLUJO VOLUMÉTRICO

RHOw

QmQv

7.2.3.- CÁLCULO DE LA CARGA DE ENTRADA

))((

1

gRHOw

PHi

7.2.4.- CÁLCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA

))()()(( HiQvgRHOwPh

7.2.4.- CÁLCULO DEL TORQUE

))(( RFbT

7.2.5.- CÁLCULO DE LA POTENCIA AL FRENO

))()(14159.3)(2( TnPb


7.2.6.- CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DE LA TURBINA.

)100(Ph

PbETAt

7.3.- TABLAS DE RESULTADOS.

7.3.1.- CÁLCULO DE FLUJO MÁSICO.

No. LECTURA

ALPHA D DENSIDAD dPo Qm

- M kg/m3 kPa kg/s12345

7.3.2.- CÁLCULO DE FLUJO VOLUMÉTRICO.

No. LECTURA Qm DENSIDAD Qvkg/s Kg/m3 m3/s

12345

7.3.3.- CÁLCULO DE LA CARGA DE ENTRADA.

No. LECTURA P1 DENSIDAD g HikPa kg/m3 m/s2 m

12345NOTA: Después de completar un conjunto de resultados, las condiciones de operación pueden cambiarse modificando el caudal. Se pueden tomar hasta cuatro conjuntos de resultados, facilitando con esto la comparación de los cambios en comportamiento.

7.3.4.- CÁLCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA.

No. DENSIDAD g Qv Hi Ph


LECTURAkg/m3 m/s2 m3/s m W

12345

7.3.5.- CÁLCULO DEL TORQUE.

No. LECTURA Fb r TN m m Nm

12345

7.3.6.- CÁLCULO DE LA POTENCIA AL FRENO.

No. LECTURA n T PbHz m Nm W

12345

7.3.7.- CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DE LA TURBINA.

No. LECTURA Pb Ph ETAtW W %

12345

7.3.8.- EXPLICACIÓN DE LOS CONCEPTOS INDICADOS EN LAS TABLAS DE RESULTADOS.

SIMBOLO PARAMETRO UNIDADESQm Flujo másico kg/s


Qv Flujo volumétrico m3/sHi Carga de entrada mPh Potencia hidráulica WT Torque m NmPb Potencia al freno WETAt Eficiencia de la turbina %

7.4.- TRAZO DE GRÁFICAS

Se deberán graficar los valores correspondientes a las siguientes variables:

1.- TORQUE (T) CONTRA VELOCIDAD DE ROTACIÓN2.- POTENCIA AL FRENO (Pb) CONTRA VELOCIDAD DE ROTACIÓN (n)3.- EFICIENCIA DE LA TURBINA (ETAt) CONTRA VELOCIDAD DE ROTACIÓN (n)

8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS

1.- Explicación inicial de la práctica

2.- Aclaración de dudas

3.- Acompañamiento del docente durante el desarrollo de la práctica


4.- Asesoría para la elaboración del reporte

5.- Análisis grupal de los resultados de la práctica

6.- Uso de un procesador de textos para la elaboración del reporte final de la práctica

7.- Uso de una hoja electrónica para efectuar los cálculos

8.- Fomentar la participación activa de los alumnos en el desarrollo de la práctica

9.- Para la determinación de los parámetros para el trazo de la curva de comportamiento de un equipo, se deberá efectuar un cálculo en la forma convencional (uso de la calculadora) indicando las ecuaciones utilizadas, esto con objeto de validar los resultados obtenidos mediante el uso de la hoja de cálculo.

10.- Utilizar para la explicación de la práctica, auxiliares didácticos tales como cañón, PC, etc.

11.- El profesor deberá hacer la primera toma de lecturas, las siguientes incluyendo la configuración del equipo las deberán hacer los alumnos.

12.- El profesor deberá estar atento para corregir cualquier desviación en la toma de lecturas o en la operación del equipo que genere la obtención de datos erróneos.

13.- Promover la participación activa de los alumnos en el desarrollo de la práctica

14.- Hacer énfasis en el objetivo de la práctica y en los resultados esperados al concluir la misma.

15.- En grupos numerosos dividir a estos por equipos y promover el trabajo en grupo.

9.- REPORTE DEL ALUMNO.

Para la elaboración del reporte por parte del alumno, se sugiere utilizar los conceptos indicados en la siguiente tabla, se describe adicionalmente en que consiste el concepto.

No. CONCEPTO DESCRIPCIONI Introducción Finalidad de la práctica. Síntesis del

contenido. En que consistió la práctica.


II Marco teórico Definiciones, conceptos, formulas, etc.III Desarrollo de la Práctica Descripción del método utilizado,

materiales y equipo, la ejecución del trabajo, aplicación de formulas, duración de la práctica.

IV Resultados Explicación de los resultados que se obtuvieron en el desarrollo de la práctica. A que resultados se llego.

V Conclusiones y recomendaciones

Respecto a la práctica, al desempeño del maestro, consideraciones respecto a la experiencia obtenida al realizar la práctica. Que problemas se presentaron. Que dudas no se pudieron resolver

VI Bibliografía La que el estudiante utilizó para planear y desarrollar su practica.

VII Anexos Tablas, formatos, dibujos, planos, diagramas, fotografías, etc.

10.- BIBLIOGRAFÍA

Golden, F.M.,V, Batres L.,M,Terrones V(1989) Termofluidos, Turbomáquinas y Máquinas Térmicas . Edit. CECSA. México

Mataix, Claudio. (2001) Mecánica de Fluídos y Máquinas Hidráulicas 2a. ed. Editorial Harla . México.

Polo Encinas, Manuel (1980) Turbomáquinas Hidráulicas 2a. ed. Editorial Limusa. México


Practica No. 14 Analisis Del Comportamiento de Una Turbina d

Documents

Transcript of Practica No. 14 Analisis Del Comportamiento de Una Turbina d