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LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III

UNI-FIM

UNIVERSIDAD NACIONAL INGENIERÍA

DE

Facultad de Ingeniería Mecánica

BOMBA-TURBINA PROFESOR

:

Eliseo Paez

CURSO

:

Lab. de Ing. Mecánica III

CÓDIGO

:

MN - 464

ALUMNOS

:

Córdova Bedoya, Daniel Sánchez Muñoz, Javier Vásquez Falcón, Manuel

2008-I

LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III

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OBJETIVO

El objetivo fundamental es comparar las eficiencias del grupo funcionando como bomba y luego como turbina a una misma velocidad de rotación y diferentes ángulos de los alabes directrices.

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FUNDAMENTO TEORICO

DIFERENCIAS ENTRE UNA BOMBA Y UNA TURBINA La teoría hidrodinámica básica de aplicación es la misma para ambas máquinas; sin embargo, el comportamiento del flujo de fluido real incluyendo la fricción y la turbulencia resultan diferentes en algunos aspectos para el diseño de la bomba y la turbina.

Algunas diferencias particulares son: TURBINA -L  a entrada de energía es de tipo hidráulica y por medio de un fluido (agua) bajo presión. -L  a salida de la energía es de tipo mecánica y a través del torque en el eje de la máquina.

BOMBA -La entrada de la energía es de tipo mecánica y a través del torque en el eje de la máquina. -La salida de la energía es de tipo hidráulica y por medio de un fluido bajo presión.

Altura de Presión Hidráulica

-L  a altura neta de la Turbina decrece (fricción fluida) con el incremento del caudal.

-La altura neta de la Turbina decrece (fricción fluida) con el incremento del caudal.

Sentido de Rotación

El rotor de la turbina gira en dirección opuesta al sentido de rotación del impulsor de la bomba.

Dirección del Torque

En ambos modos tienen la misma dirección

Flujo de Energía

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Turbinas Hidráulicas Definición: La turbina hidráulica es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa. Así como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al fluido; una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica. Teóricamente, suministrando energía hidráulica a la máquina, e invirtiendo el flujo, una bomba podría trabajar como turbina. Prácticamente, el rendimiento sería muy bajo, y a veces nulo. Elementos constitutivos Los elementos constitutivos de una turbina son análogos a los de una bomba; pero colocados en orden inverso. Fig 7. Los número entre paréntesis se refieren a esta figura.

Canal de llegada (lámina libre) o tubería forzada (flujo a presión) (Nº1). Corresponde a la tubería de impulsión de una bomba. Caja espiral (Nº2) transforma presión en velocidad. En una bomba velocidad en presión. Distribuidor. Corresponde a la corona directriz en una bomba, pero en una turbina transforma presión en velocidad y actúa como tobera. En una bomba, actúa como difusor. Rodete. A las bombas centrífugas con flujo en el rodete hacia el exterior corresponde el tipo de turbinas centrípetas con flujo en el rodete hacia el interior. Tubo de aspiración (Nº3) Corresponde a la tubería de aspiración de una bomba. En una turbina es el órgano de desagüe, pero se llama tubo de aspiración porque crea una aspiración o depresión a

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la salida del rodete; mientras que en las bombas constituye la tubería de admisión y crea también una depresión a la entrada del rodete.

FORMULAS A EMPLEAR. ALTURA UTIL DE UNA TURBOMAQUINA

H(m) 

(P2 - P1) (C2 - C1)   Z2 - Z1  2g

CAUDAL EN LA PLACA ORIFICIO Q  2.1728 x 10 -3 x

H

ΔH: mmHg POTENCIA HIDRAULICA (Ph )

PH  QH POTENCIA ELECTRICA (Pe)

PE  VxI CALCULO DE LA EFICIENCIA DEL GRUPO (%)

Como Turbina:

T 

Como Bomba:

T 

PH PE

PE PH

(m3/s)

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ESQUEMA DEL EQUIPAMIENTO Y SUS ESPECIFICACIONES DE LA INSTALACION

A continuación se muestra una foto tomada del experimento Bomba-Turbina, en el cual se puede apreciar la instalación.En esta foto se podemos observar una vista completa de la maquina utilizada.

En esta foto podemos visualizar al generador, el cual aprovechara la energía cuando la maquina trabaje como turbina.

En esta foto se ha tomado al tablero de control, en el cual se encuentran los mandos para la corriente y voltaje, tendremos q asumir q no hay perdidas para hacer los cálculos requeridos.

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PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO

OPERACIÓN COMO TURBINA Ensayo con generador, sin regulador Antes del Arranque debemos de verificar lo siguiente: 1. El regulador este desenganchado (es decir el eje, y los alabes directrices). Los alabes directrices estén colocados y asegurados en la posición inicial escogida. 2. La válvula by pass y la válvula de la bomba estén cerradas. 3. Sobre el panel eléctrico: Switch “MOTOR GENERADOR” este en la posición generador. Switch “LOAD MASTER SWITCH” en posición ON. Ninguna carga (LOADS) deben estar encendidas. Arranque de la Turbina. 1. 2. 3. 4. 5.

Conectar el switch d la alimentación eléctrica. Poner el botón SUPPLY en ON Arrancar la bomba de servicio(El arrancador esta fuera del panel) Dejar que la turbina gire unos cuantos minutos para que se estabilice. Arrancar las pruebas a ensayar.

Procedimiento. Para cada posición de los alabes directrices y a la misma velocidad de rotación: 1. Cambiar la carga de manera que la turbina Francis gire ala velocidad de ensayo. 2. Medir la presión en los manómetros. 3. Medir la caída de presión en el medidor de flujo. 4. Tabular los datos. 5. Cambiar la posición de los alabes directrices y repetir los pasos anteriores.

OPERACIÓN COMO BOMBA Antes del Arranque debemos de verificar lo siguiente: 1. Los alabes directrices estén colocados en la posición deseada y cuidadosamente asegurados por la tuerca abrazadera. 2. Asegurarse que la válvula de la bomba de servicio y la válvula by pass estén cerradas. 3. Sobre el panel eléctrico: Switch “MOTOR GENERADOR” este en la posición motor. Switch “LOAD MASTER SWITCH” en posición OFF. Ninguna carga (LOADS) deben estar encendidas. Arranque de la Bomba. 1. Colocar el rectificador y el panel bajo tensión, por medio del switch de la alimentación de energía externa. 2. Poner el botón suplly en ON. 3. Abrir la válvula by pass para cada medida. 4. Iniciar las pruebas de ensayo.

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Procedimiento. Para cada posición de los alabes directrices y a la misma velocidad de rotación: 1. Cambiar la posición de la válvula reguladora de caudal. 2. Medir la presión en los manómetros. 3. Medir la caída de presión en el medidor de flujo. 4. Tabular los datos. 5. Cambiar la posición de los alabes directrices y repetir los pasos anteriores.

5

DATOS OBTENIDOS

Lpalanca=0.4m Z2-Z1=0.152m N=1500

BOMBA Punto

P2 (psi)

P1 (Kpa)

1 2 3 4 5 6

8 7 5 4 3 2.5

0 0 0 -1 -2 -2

α=30º Δh (mmHg) 4 18 33 40 45 50

V (V)

I (A)

156 166 167 166 166 167

6.4 7.4 7.3 7.3 7.3 7.2

V (V)

I (A)

156 166 167 166 166 167

6.4 7.4 7.3 7.3 7.3 7.2

Tabla1

BOMBA Punto

P2 (psi)

P1 (Kpa)

1 2 3 4 5 6

8 7 5 4 3 2.5

0 0 0 -1 -2 -2

α=20º Δh (mmHg) 4 18 33 40 45 50

Tabla2

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TURBINA Punto

P2 (psi)

P1 (Kpa)

0 1 2 3 4 5 6 7

8.5 8.5 10 13 14.2 15 16 16

1 1 3 4 4 4 4 5

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α=30º Δh (mmHg) 25 26 33 45 50 53 57 56

V (V)

I (A)

160 141 137 157 152 151 147 136

0 1 2 3.5 4.5 6.5 6.3 6.6

V (V)

I (A)

141 157 143 150 142 142 138 146

0 1 2.1 3.4 4.3 5.2 5.1 7.1

Tabla3

TURBINA Punto

P2 (psi)

P1 (Kpa)

0 1 2 3 4 5 6 7

8 11 11.5 13 14 15 16 17.5

4 2 2 0 0 0 0 0

α=20º Δh (mmHg) 20 29 31 40 41 43 47 51

Tabla4

5

CÁLCULOS Y RESULTADOS

Punto 1 2 3 4 5

Q (m3/s) 0.0043 0.0092 0.0125 0.0137 0.0146

BOMBA H BOMBA 5.77 5.07 3.66 3.06 2.46

α=30º Ph(Kw) Pelect(Kw) 0.246 0.998 0.458 1.228 0.449 1.219 0.413 1.212 0.352 1.212

eficiencia 24.6 37.3 36.8 34.1 29.1

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6

0.0154

2.11

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0.318

1.202

26.5

Tabla5

Punto 1 2 3 4 5 6

Q (m3/s) 0.0043 0.0092 0.0125 0.0137 0.0146 0.0154

BOMBA H BOMBA 5.77 5.07 3.66 3.06 2.46 2.11

α=20º Ph(Kw) Pelect(Kw) 0.246 0.998 0.458 1.228 0.449 1.219 0.413 1.212 0.352 1.212 0.318 1.202

eficiencia 24.6 37.3 36.8 34.1 29.1 26.5

Tabla6

Punto 1 2 3 4 5 6 7

Q (m3/s) 0.0109 0.0111 0.0125 0.0146 0.0154 0.0158 0.0164

TURBINA H BOMBA 6.02 6.02 6.87 8.87 9.72 10.28 10.98

α=30º Ph(Kw) Pelect(Kw) 0.642 0.000 0.654 0.141 0.841 0.274 1.269 0.550 1.465 0.684 1.595 0.982 1.767 0.926

eficiencia 0.0 21.6 32.6 43.3 46.7 61.5 52.4

Tabla7

Punto 1 2 3 4 5 6 7

Q (m3/s) 0.0097 0.0117 0.0121 0.0137 0.0139 0.0142 0.0149

TURBINA H BOMBA 5.36 7.67 8.03 9.28 9.98 10.69 11.39

α=20º Ph(Kw) Pelect(Kw) 0.511 0.000 0.881 0.157 0.952 0.300 1.251 0.510 1.363 0.611 1.494 0.738 1.664 0.704 Tabla8

eficiencia 0.0 17.8 31.5 40.8 44.8 49.4 42.3

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GRAFICOS DEL EXPERIMENTO

FUNCIONANDO COMO TURBINA

Grafica1. Altura de la turbina en función del caudal.

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Grafica2. Potencia hidráulica en función del caudal.

Grafica3. Potencia eléctrica en función del caudal.

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Grafica4. Eficiencia total versus el caudal. FUNCIONANDO COMO BOMBA.

Grafica5. Altura de la bomba en función del caudal.

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Grafica6. Potencia hidráulica en función del caudal.

Grafica7. Potencia eléctrica versus el caudal.

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Grafica8. Eficiencia total en función del caudal.

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OBSERVACIONES 

De las graficas de Potencia vs Caudal, podemos observar que cuando trabaja como bomba al aumentar el caudal, las Potencia se igualan indiferentemente del ángulo del alabe, mientras cuando lo hace como turbina la tendencia de las curvas de la Potencia tienden a separarse.



De las graficas de Eficiencia vs. Caudal notamos que para el ángulo del alabe de 20° y un mismo caudal la eficiencia es mayor cuando trabaja como bomba que cuando lo hace como turbina.



Como turbina el rendimiento se incrementa a partir de cero y de un caudal mínimo caudal de vacío), hasta un pico que es el punto nominal de funcionamiento, y decrece lentamente a medida que se incrementa el caudal.



Como turbina la eficiencia es mayor para ángulos de alabe de 20° que cuando el ángulo del alabe es 30°.

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De las gráficas, se puede visualizar que el punto de mejor eficiencia en el modo bomba no se corresponde para la misma combinación de valores de altura y caudal para el punto de mejor eficiencia en el modo turbina.

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CONCLUSIONES



Para que la turbina comience a generar, el flujo debe exceder un valor mínimo (caudal de vacío). La potencia nominal entregada como turbina aumenta progresivamente aun por encima de la altura nominal. El punto de óptimo funcionamiento es más alto como turbina que como modo bomba lo que representa un torque mayor en el eje.



La bomba turbina necesita de un altura neta mayor cuando trabaja como bomba a fin de que la turbina pueda operar en el Punto de Mayor eficiencia.



La bomba turbina es de menor costo que una turbina convencional, lo que nos podría dar una mayor utilidad en el aspecto industrial.



Como bomba la eficiencia se incrementa, con el aumento del flujo, a partir de cero y caudal nulo hasta llegar a un punto máximo o pico (punto nominal de funcionamiento de la máquina). A partir de ese punto decrece a medida que se sigue aumentando el flujo.

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BIBLIOGRAFIA

-Manual del Laboratorio de Ingeniería Mecánica III -Mecánica de Fluidos Autores: Merle C. Potter y David C. Wiggert -El Laboratorio Del Ingeniero Mecánico Autor: Jesse Seymour Doolittle Ed. Hispano Americana S.A. / Buenos Aires, 1971 -Bombas. Su Selección Y Aplicación Autor: Tyler G. Hicks Ed. Universal ... (1960) -Turbomáquinas I Autor: M. Salvador G. Ed. Ciencias.

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APENDICE Centrales de Bombeo La Figura representa un esquema de estas centrales de bombeo, que se multiplican hoy en Europa y en el mundo entero. El embalse superior puede ser natural o artificial. La máquina eléctrica suele ser única: máquina síncrona, que funciona como alternador cuando se está turbinando y como motor síncrono cuando se está bombeando al estanque superior. La tubería forzada es también única con flujo en ambos sentidos. Fig. 6: Central de Bombeo

El principio básico de una central de bombeo es el siguiente: En los períodos de poca demanda de energía se utiliza energía sobrante de la red, proveniente de otras centrales conectadas eléctricamente con la central de bombeo, para bombear agua del nivel de aguas abajo al embalse superior. Así en las horas de consumo reducido puede haber un excedente de energía proveniente de los grupos de las centrales térmicas y nucleares conectadas a la misma red, que piden una gran regularidad de marcha. Este excedente de energía puede utilizarse para bombeo. En las puntas de energía se turbina el agua desde el embalse superior con gran altura de salto, funcionando entonces la máquina eléctrica reversible como alternador. Las soluciones son múltiples. En el esquema de la figura hay dos máquinas hidráulicas, una bomba y una turbina accionadas en sentido contrario por la misma máquina eléctrica. Modernamente se ha creado la máquina hidráulica reversible, bomba-turbina, de buen rendimiento; aunque para mejorar el rendimiento como bomba se sacrifique algo el rendimiento de la turbina. Otra solución mejor pero más cara, es acoplar la bomba turbina a una máquina eléctrica que pueda girar a dos velocidades distintas, con lo que se consigue un rendimiento grande en la máquina hidráulica.