Practica turbinas
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Laboratorio de Mecánica de Fluidos I “CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE UNA TURBINA FRANCIS” Andrés Santiago Flores Chaluis Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador [email protected] Resumen Esta práctica se fue realizada para conocer el funcionamiento y comportamiento de una turbina tipo Francis y Pelton, analizamos el punto de operación, aplicando diferentes fuerzas al freno, observamos como varia el caudal y como varia la altura de salida. Las turbinas son aquellas que sacan energía al fluido que en nuestro y en la mayoría de los casos es agua, regulamos el chorro de agua incidente en las paletas de la turbina y aplicando una fuerza constante al eje podemos ver como varia las revoluciones por minuto del mismo y graficaremos los resultados para un análisis mejor de los mismos. Palabras clave: turbinas, caudal, fuerza, freno, eje. Abstract This practice was carried on the operation and behavior of a Francis Turbine and Pelton type, analyze the operating point by applying different forces to the brake, we observed that the flow rate varies as output varies up. Turbines are those that take energy to fluid in our and in most cases is water, regulate the water jet incident on the blades of the turbine, and applying a constant force to the shaft can see how varying the revolutions per minute of same. Keywords: turbines, flow, force, brake shaft. Introducción. Turbinas.- Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica eneléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica. La turbina Francis es una turbina hidráulica de REACCIÓN. Se llama así porque la presión a la entrada del rodete de la turbina es superior a la presión del mismo. El rodete está inundado y la salida de la turbina se encuentra en el nivel aguas abajo. Los componentes básicos de una turbina Francis son: Caja espiral.- Que es el cuerpo exterior de la turbina. Distribuidor.- La caja espiral y el distribuidor dirigen el agua al rodete con un mínimo de pérdidas y trasforman parte de la energía de presión (no toda, como
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Laboratorio de Mecánica de Fluidos I “CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE UNA TURBINA FRANCIS”
Andrés Santiago Flores Chaluis
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
Guayaquil - Ecuador
Resumen
Esta práctica se fue realizada para conocer el funcionamiento y comportamiento de una turbina tipo Francis y Pelton, analizamos el punto de operación, aplicando diferentes fuerzas al freno, observamos como varia el caudal y como varia la altura de salida. Las turbinas son aquellas que sacan energía al fluido que en nuestro y en la mayoría de los casos es agua, regulamos el chorro de agua incidente en las paletas de la turbina y aplicando una fuerza constante al eje podemos ver como varia las revoluciones por minuto del mismo y graficaremos los resultados para un análisis mejor de los mismos.
Palabras clave: turbinas, caudal, fuerza, freno, eje.
Abstract
This practice was carried on the operation and behavior of a Francis Turbine and Pelton
type, analyze the operating point by applying different forces to the brake, we observed that
the flow rate varies as output varies up. Turbines are those that take energy to fluid in our
and in most cases is water, regulate the water jet incident on the blades of the turbine, and
applying a constant force to the shaft can see how varying the revolutions per minute of
same.
Keywords: turbines, flow, force, brake shaft.
Introducción.
Turbinas.- Una turbina hidráulica es
una turbomáquina motora hidráulica, que
aprovecha la energía de un fluido que pasa a
través de ella para producir un movimiento de
rotación que, transferido mediante un eje,
mueve directamente una máquina o bien
un generador que transforma la energía
mecánica eneléctrica, así son el órgano
fundamental de una central hidroeléctrica.
La turbina Francis es una turbina hidráulica
de REACCIÓN. Se llama así porque la
presión a la entrada del rodete de la turbina es
superior a la presión del mismo. El rodete
está inundado y la salida de la turbina se
encuentra en el nivel aguas abajo.
Los componentes básicos de una turbina
Francis son:
Caja espiral.- Que es el cuerpo exterior
de la turbina.
Distribuidor.- La caja espiral y el
distribuidor dirigen el agua al rodete con
un mínimo de pérdidas y trasforman parte
de la energía de presión (no toda, como
2
sucede en las turbinas de acción) en
energía cinética. El distribuidor es de
alabes orientales si se quiere reducir el
caudal de agua cuando la carga de la
turbina disminuye, o de alabes fijos si no
interesa regular el caudal.
Rodete.- Que gira al impacto del agua y
entrega potencia mecánica a un eje.
Codo de entrada o aspiración.- El cual
crea una depresión a la salida del rodete
para recuperar la energía cinética del
agua a la salida del rodete por medio de
un salto de presión mayor en el mismo.
Y se recupera además la energía
geodésica haciendo que el agua caiga a
través de él, evitando una inundación de
la turbina.
Las características de una Turbina Francis se
evalúan mediante las curvas características de
la misma, sobre la base de los siguientes
parámetros:
Caudal (Q).- Que es el volumen de agua
por unidad de tiempo utilizado para
mover la turbina.
Velocidad de rotación (N).- A la cual
gira la turbina durante su operación en
revoluciones por minuto.
Potencia mecánica (P).- Que desarrolla
y entrega la turbina en su eje, igual al
producto del Torque (T) y la velocidad
angular (W):
60TN2TWP (1)
Eficiencia Total (Efic).- Que relaciona
la potencia mecánica (P) con la potencia
hidráulica entregada a la turbina (Pe):
eP
PEfic (2)
La potencia hidráulica está dada por la
energía que posee el líquido al salir del
inyector y es igual a:
gmHP te (3)
donde: Ht = cabeza total a la entrada de la
turbina
m = flujo de agua
g = aceleración de la gravedad
El cabezal total a la entrada de la turbina (Ht)
es la combinación de energía cinética y
potencial del agua que hace trabajo sobre el
rodete:
g
VentHH t
2)(
2
(4)
dónde: H(ent) = cabezal estático
V2/2g = cabezal cinético
Las turbinas PELTON son turbinas hidráulicas
de ACCIÓN de flujo tangencial y, son
prácticamente, las únicas que se construyen
actualmente de esta clase. Se denomina
turbina de ACCIÓN pues en ella toda la
energía de presión de un flujo de agua se
transforma en energía cinética que hace
trabajo sobre el rodete, conservándose la
presión de entrada igual a la de salida. El
rodete posee en su periferia los alabes o
cucharas que son los receptores del chorro
de agua.
3
Los componentes básicos de una turbina
Pelton son:
Inyector.- Es el distribuidor de la
turbina. Transforma la energía de
presión de fluido de energía cinética. La
velocidad del chorro a la salida del
inyector puede llegar hasta 150 m/seg en
turbinas grandes. Consta de tobera y
válvula de aguja.
Tobera.- Que es el extremo del inyector,
donde se estrangula el flujo.
Válvula de aguja.- Se desplaza
longitudinalmente. Aún cuando la
boquilla y la aguja son de acero muy
duro, deben remplazarse cuando ya no
se produzca un cierre estanco, pues se
deteriora por abrasión.
Rodete.- Cuerpo de la turbina.
Alabes o cucharas.-
Freno de turbina.- Puede hacerse
mediante chorros de agua pequeños
sobre el dorso de los alabes.
Eje o árbol.- El cual va acoplado al
rodete y es portador de la potencia
mecánica que realiza un trabajo en
contra de una carga.
Las características de una turbina Pelton se
evalúan mediante las curvas características
de la misma sobre la base de los parámetros
siguientes:
Caudal (Q).- Que es el volumen de agua
por unidad de tiempo utilizado para
mover la turbina.
Velocidad de rotación (N).- A la cual gira
la turbina durante su operación (en RPM)
Potencia mecánica (P).- Que es aquella
que desarrollo y entrada la turbina en su
eje, igual al producto del torque (T) por
la velocidad angular (W):
P = w*T = 260
NT (1)
Eficiencia total de la turbina (Efic).-
Que relaciona la potencia mecánica
(P) con la potencia hidráulica
entregada a la turbina (Pe):
eP
PEfic (2)
donde la potencia hidráulica está dada por la
energía que posee el líquido al salir del
inyector y es igual a:
Pe = gmH t (3)
donde: Ht= Cabezal total a la entrada de la
turbina (salida del inyector)
m = flujo másico
g = aceleración de la gravedad
Cabezal total a la entrada de la
turbina (Ht).- Es la combinación de
energía cinética y potencial del agua
que hará trabajo sobre el rodete:
g2
V)ent(HHt
2
(4)
4
donde: H(ent) = cabezal estático
V2/2g = cabezal cinético
Materiales e Instrumentos.
Banco de Pruebas de Turbinas:
Francis. MARCA: Gilkes
SERIE: 41612
MODELO: GH-58
CÓDIGO ESPOL: 02697
Pelton: MARCA: Gilkes
SERIE: GH-53
MODELO: 41611
CÓDIGO ESPOL: 02698
Agua
Tacómetro
Procedimiento experimental TURBINA
FRANCIS.
La turbina Francis del laboratorio opera en
un circuito cerrado. El flujo proveniente de
la descarga de la bomba alimenta a la turbina
por medio de alabes directores que regula el
gasto. La bomba es manejada por un motor
de velocidad variable para satisfacer las
necesidades de caudal y cabezal requeridas
por la turbina.
El caudal es medido por medio de un
vertedero en “V” con una escala colocada en
una pared lateral del tanque. La velocidad
de la turbina se la mide por medio de un
tacómetro. El cabezal de entrada a la turbina
es medido por medio de un manómetro
colocado a la entrada. La carga es aplicada a
la turbina por medio de un freno mecánico.
1) Primero nos asegurarnos que las lecturas
de la fuerza aplicada al freno y el medidor
de caudal estén enceradas.
2) Prendemos el motor de la bomba y
calibramos el caudal y el flujo del chorro
iniciales deseados.
3) Aplique carga al eje de salida cerrando el
freno mecánico. Tome lecturas de caudal,
velocidad y fuerza en el dinamómetro.
4) Aplicar más carga (que la lectura en el
dinamómetro suba dos puntos) y repetir
la lectura de velocidad y fuerza. Hacer
esto hasta detener totalmente el eje con
el freno.
5) Hacer los pasos anteriores para una
apertura de 100 % y de 50% del flujo.
Procedimiento experimental TURBINA
PELTON.
La turbina Pelton del Laboratorio opera en
un circuito cerrado. El flujo proveniente de
la descarga de la bomba alimenta a la turbina
por medio de un inyector que regula el
gasto. La bomba es manejada por un motor
de velocidad variable para satisfacer las
necesidades de caudal y cabezal requeridas
por la turbina.
El caudal es medido por medio de un
vertedero en “V” con una escala colocada en
una pared lateral del tanque. La velocidad
de la turbina se la mide por medio de un
estroboscopio. El cabezal de entrada a la
turbina es medido por medio de un
manómetro colocado a la entrada. La carga
es aplicada a la turbina por medio de un
freno mecánico.
5
1) Enseramos y calibramos las unidades y
medidas iniciales.
2) Prendimos el motor, regulamos e
incrementemos la velocidad y caudal
iniciales.
3) Aplicamos la carga al eje de salida
cerrando el freno mecánico. Tome
lecturas de caudal, velocidad y fuerza en
el dinamómetro.
4) Aplicamos más carga (que la lectura en el
dinamómetro suba dos puntos) y repetir
la lectura de velocidad y fuerza, hacer
esto hasta detener totalmente el eje con
el freno.
5) Repetimos los pasos para una entrada de
25% y 100 %
Resultados
Los resultados para la práctica de turbinas
fueron que para la turbina PELTON el caudal
no varía mucho al aplicar las fuerzas, los rpm
disminuyen y la altura de salida no varía
mucho, además para la turbina FRANCIS al
contrario el caudal aumenta al aumentar la
fuerza y los rpm disminuyen y la altura de
salida aumenta.
El torque va aumentando un poco para los
dos casos de las turbinas Pelton y Francis, de
igual forma la potencia mecánica va
aumentando ya que depende del torque, como
era de esperarse.
Para cada caso y para cada turbina aplicamos
la fuerza inicial de 1 N y aumentamos de uno
en uno, hasta llegar a 6 interacciones.
A continuación unos datos para observar la
manera de los cálculos de los datos obtenidos
en las tablas adjuntas en anexos.
Para la turbina Francis al 100%
Torque: T=0.16F
Potencia mecánica: 2
60
NTP
Potencia hidráulica:.
tPc m gH
2
4A D Eficiencia
P
Pc
Altura total:
2
2t mtH H
g
V
QV
A
2
4A D
F= 1 N D = 0.038 m. H= 15 m
N= 3060rpm= 320.4 rad/seg.
Q= 0.16 cfm= 0.000075 (m*3)/s
A= (3.1416*0.038̂’2)/4 = 0.00113 m*2
V= 0.05 m/s
T=0.16 N.m
A=0.0013 m*2
P= (2*3.1416*320.4*0.16)/60=53.68 W
Ht= 15+ (0.05 ‘2 )/2(9.81)= 15.00012 m
Pc= (0.000075*9.81*1000*15.00012)= 11.03
ᶯ = 53.68/11.03 = 4.6 * 1000 = 46%
Y así de la misma forma para todos los datos
y los casos estudiados.
6
Análisis de resultados.
Los resultados encontrados fueron exitosos
sin embargo existieron muchos efectos no
esperados y no deseados, como la variación
del caudal, sin bien es cierto debía aumentar
pero por las vibraciones del banco de pruebas
hacia que no se mantenga estable y se pueda
leer los datos de forma precisa, a mas que el
ojo humano no es sensible y la posición en la
que se toman los datos en muy importante, de
igual forma con la altura de la fuerza aplicada
se trató en lo posible de mantener la
estabilidad para ser precisos, en el eje de la
Turbina al aplicar fuerzas mayores a 6 N,
empezada a calentarse demasiado, lo que
ocasionaba que enfriemos con agua, pero el
mayor inconveniente fue que debido a este
efecto no podíamos hacer más observaciones
ya que disminuía considerablemente las
revoluciones por minuto del eje, y como el
banco es de fines académicos no podemos
sobrepasar los límites de experimentación, sin
embargo con las mediciones tomadas
pudimos palpar claramente los efectos y el
trabajo de las turbinas, tanto para Francis
como para Pelton, además de conocer el
punto de operación y graficar los resultados.
He aquí unos cálculos de la fuerza, potencia y
eficiencia para la primera prueba en una
turbina Francis con el 100 % de admisión en
el flujo:
P= (2*3.1416*320.4*0.16)/60=53.68 W
Ht= 15+ (0.05 ‘2 )/2(9.81)= 15.00012 m
Pc= (0.000075*9.81*1000*15.00012)= 11.03
ᶯ = 53.68/11.03 = 4.6 * 1000 = 46%
Los datos se muestran en las tablas dela
apéndice.
Tabla 1 corresponde a una turbina Francis
100% de admisión.
Tabla 2 corresponde a una turbina Francis
con 50% de admisión.
Tabla 3 corresponde a una turbina Pelton
100% de admisión
Tabla 4 corresponde a una turbina Pelton con
25% de admisión.
De igual forma y en el mismo orden la
gráficas.
Conclusiones y Recomendaciones
o Finalizada la práctica se concluye de
forma exitosa, vemos cómo funciona la
turbina Francis y la turbina Pelton, la
primera trabaja con impulso que sale del
chorro golpeando a las peltas de la
turbina que genera el movimiento en el
eje, mientras la segunda es de reacción, el
fluido atraviesa tangencialmente y mueve
la turbina como remolino, dando el giro
al eje que genera la energía mecánica.
o Se pudo observar que al aplicar una
fuerza grande al eje, esta podría causar
efectos importantes, asi como detener el
eje de trabajo y generar
sobrecalentamiento en el mismo, por lo
cual se requiere un enfriamiento
adecuado.
o Además concluimos que las turbinas de
reacción en este caso las turbinas Francis
es muy buena para gran caudal y baja
carga, Ns altos, mientras que las turbinas
de impulso como son las Pelton son muy
buenas para grandes cargas y potencias
relativamente bajos, esto es Ns bajo.
o Se concluye que las turbinas son de gran
importancia y hay que tratar de
aprovechar lo mas que podamos los
recursos de la naturaleza de manera
eficiente.
7
RECOMENDACIONES:
Se recomienda hacer el
mantenimiento adecuado de los
bancos de prueba para conservarlos
bien y no tener inconvenientes a la
hora de realizar la práctica.
Se recomienda verificar los
generadores de energía y revisar las
tuberías, generan imprecisión a la
hora de tomar datos y hay mucho
golpeteo.
Se recomienda y sugerencia, de
alguna manera aprovechar esa
energía generada, ya que se
desperdicia y podríamos utilizarla en
algo provechoso aunque sea minima.
Bibliografía:
Mott, Robert L. MECANICA DE
FLUIDOS Sexta edición. PERSON
EDUCAIÓN 2006. 52519
NAUCALPAN DE JUAREZ, Estado
de Mexico.
FRANK M. WITHE DERECHOS
RESERVADOS, 2004, respecto a la
quinta edición en español
por McGRAW-
HILL/INTERAMERICANA DE
ESPAÑA, S. A. U.Edificio Valrealty,
1.a plantaBasauri, 1728023 Aravaca
(Madrid)
Guía de laboratorio de Mecánica de
Fluidos II, 2013, Escuela Superior
Politécnica del Litoral.
8
Anexos:
TABLA 1. Turbina Francis 100% de admisión.
100%
Q(m^3/s) fuerza (N) N (rpm) Q(CFM) Ht
7,5568E-05 1 3060 0,16 15,00022629
7,0845E-05 2 2047 0,15 15,00019889
6,6122E-05 3 2434 0,14 15,00017325
8,0291E-05 4 2328 0,17 15,00025546
8,5014E-05 5 1596 0,18 15,0002864
5,6676E-05 6 1495 0,12 15,00012729
Tabla 1.1. referente al torque potencia mecánica y potencia al freno. 100% de admisión.
T P Pc N
0,16 51,270912 11,119999 4,61069396
0,32 68,5957888 10,42498 6,57994442
0,48 122,34647 9,72996468 12,5741947
0,64 156,024422 11,8150219 13,2055974
0,8 133,706496 12,5100489 10,6879275
0,96 150,294144 8,33994417 18,0210012
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0 1000 2000 3000 4000
Q e
n c
fm
N en rpm
Q vs N
Linear (Q vs N)
9
TABLA 2. Turbina Francis 50% de admisión.
50%
Q(m^3/s) fuerza (N) N (rpm) Q(CFM) Ht
6,1399E-05 1 2912 0,13 15,00014939
6,3761E-05 2 2655 0,135 15,0001611
6,6122E-05 3 2450 0,14 15,00017325
6,1399E-05 4 2520 0,13 15,00014939
6,6122E-05 5 2485 0,14 15,00017325
7,0845E-05 6 2225 0,15 15,00019889
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 1000 2000 3000 4000
po
ten
cia
N rpm
potencia vs N
Linear (potencia vs N)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 1000 2000 3000 4000
efi
cie
nci
a
N rpm
eficiencia vs N
Linear (eficiencia vs N)
10
Tabla 2.1 referente a torque, potencia mecánica y potencia al eje con 50 % de admisión.
T P Pc N
0,16 48,7911424 19129,6905 0,002550545
0,32 88,970112 19865,4633 0,004478633
0,48 123,15072 20601,2379 0,005977831
0,64 168,892416 19129,6905 0,008828811
0,8 208,18336 20601,2379 0,010105381
0,96 223,68192 22072,7927 0,01013383
0.125
0.13
0.135
0.14
0.145
0.15
0.155
0 1000 2000 3000 4000
Q c
fm
N rpm
Q vs N
Linear (Q vs N )
0
50
100
150
200
250
0 1000 2000 3000 4000
Po
ten
cia
N rpm
P vs N
Linear (P vs N)
11
TABLA 3. Turbina Pelton 100% de admisión.
100%
Q(m^3/s) fuerza (N) N (rpm) Q(CFM) Hentra Ht
0,00302272 1 1995 6,4 15 15,3620601
0,00311718 3 1911 6,6 15 15,3850424
0,00316441 5 1763 6,7 15 15,3967988
0,00321164 7 1613 6,8 15 15,4087319
0,00321164 9 1434 6,8 15 15,4087319
0,00302272 11 1380 6,4 15 15,3620601
0,00311718 13 1235 6,6 15 15,3850424
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0 1000 2000 3000 4000
efi
cie
nci
a
N rpm
eficiencia vs N
Linear (eficiencia vs N )
6.35
6.4
6.45
6.5
6.55
6.6
6.65
6.7
6.75
6.8
6.85
0 500 1000 1500 2000 2500
Q c
fm
N rpm
Q vs N
Q vs N
Linear (Q vs N )
12
Tabla3.1 referente a torque, potencia mecánica y potencia al eje.
T P Pc N
0,16 33,426624 455,529374 0,07337973
0,48 96,0575616 470,467455 0,20417472
0,8 147,697088 477,960701 0,30901513
1,12 189,182963 485,47041 0,38969
1,44 216,242611 485,47041 0,44542902
1,76 254,343936 455,529374 0,55834805
2,08 269,004736 470,467455 0,57178182
0
50
100
150
200
250
300
0 500 1000 1500 2000 2500
Po
ten
cia
w
N rpm
Potencia vs N
Linear (Potencia vs N )
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 500 1000 1500 2000 2500
efi
cie
nci
a
N rpm
eficiencia vs N
Linear (eficiencia vs N)
13
TABLA 4. Turbina Pelton 25% de admisión.
25%
Q(m^3/s) fuerza (N) N (rpm) Q(CFM) Ht
0,00273934 1 2126 5,8 15,297356
0,00273934 3 2027 5,8 15,297356
0,00278657 5 1894 5,9 15,307698
0,00278657 7 1745 5,9 15,307698
0,00273934 9 1630 5,8 15,297356
0,00269211 11 1430 5,7 15,2871907
0,00269211 13 1340 5,7 15,2871907
Tabla 4.1 referente a torque, potencia mecánica y potencia al freno
T P Pc N
0,16 35,6215552 411,084706 0,08665259
0,48 101,888371 411,084706 0,2478525
0,8 158,671744 418,455087 0,37918465
1,12 204,664768 418,455087 0,48909614
1,44 245,798784 411,084706 0,59792734
1,76 263,559296 403,728579 0,65281308
2,08 291,875584 403,728579 0,72295002
5.65
5.7
5.75
5.8
5.85
5.9
5.95
0 500 1000 1500 2000 2500
Q c
fm
N rpm
caudal vs N
caudal vs N
Linear (caudal vs N )
14
0
50
100
150
200
250
300
350
0 500 1000 1500 2000 2500
Po
ten
cia
W
N rpm
potencia vs N
Linear (potencia vs N )
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 500 1000 1500 2000 2500
efi
cie
nci
a
N rpm
eficiencia vs N
Linear (eficiencia vs N )
