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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

TEMA:

INFORME DE TURBINAS HIDRAULICAS DE ACCION

CURSO: ENSAYOS EN TURBOMAQUINAS DOCENTE: ING. LESTER ALUMNO: CONDORI MAMANI NELSON RENATO CUSI YUCRA FRANK TITTO TORRES ALEX GENARO SULLCA COAQUIRA GABRIEL SOTAYA GOMEZ MELVIN

AREQUIPA –PERU

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INDICE 1.

Objetivos: .............................................................................................................................. 3

2.

Marco teórico: ....................................................................................................................... 3

3.

Descripción experimental ..................................................................................................... 6

4.

Resultados ............................................................................................................................. 7

5.

Análisis de resultados .......................................................................................................... 13

6.

Conclusiones........................................................................................................................ 14

7.

Bibliografía .......................................................................................................................... 14

3

1. Objetivos: - Trazar curvas características de la Turbina Pelton tomando datos experimentales mediante el método de Freno Prony. - Determinar los valores de las diferentes potencias presentes en la Turbina relacionados con las diferentes RPM presentes durante el funcionamiento de la turbina. - Determinar los puntos de mayor eficiencia hidráulica, mecánica y total de la turbina mediante la lectura de las curvas.

2. Marco teórico: Características de las turbinas Para llegar a conocer bien las particularidades del funcionamiento de un determinado tipo de turbina, es necesario realizar con ella un gran número de ensayos, que abarquen la totalidad de las condiciones posibles de trabajo, que vienen determinadas por la variabilidad del salto, de la carga (par resistente), de la velocidad, etc. Para cada valor del grado de admisión x, que se obtiene variando la posición de las directrices móviles del distribuidor en las turbinas de reacción, o la carrera de la aguja del inyector en las ruedas Pelton, se realizan, (con ayuda de un freno y a diferentes velocidades), una serie de medidas procurando mantener constante el valor del salto neto. La potencia absorbida (potencia hidráulica) se calcula conocidos el caudal Q y el salto neto Hn. También se puede determinar el valor del número específico ns, con lo que se completa la serie de datos a incluir en las diferentes tablas, en las que habrá que señalar también el valor del diámetro D1 con objeto de poder referir estos resultados a otras ruedas del mismo tipo de diferente D1 o funcionando bajo otro valor Hn del salto, sin más que aplicar las leyes de semejanza de turbinas.

Características de caudal, par motor y potencia : Con ayuda de las tablas de valores obtenidas en Laboratorio, se pueden construir las familias de curvas definidas por las siguientes ecuaciones, mediante el ensayo elemental, para un grado de apertura del distribuidor x, determinado:

en las que se toman los valores de x como parámetros, y los de las velocidades de rotación n como variables independientes.

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Las curvas de potencia N (n): Parten todas de un origen común, Fig II.9, cuando n = 0 y tienen una forma casi parabólica, con un máximo que se corresponde para cada valor de x con el rendimiento óptimo. Los puntos de corte con el eje de velocidades se corresponden con las velocidades de embalamiento, distintas para cada valor de x, estando en ese momento sometido la turbina, únicamente, al freno impuesto por las resistencias pasivas, tanto mecánicas como hidráulicas.

Las curvas Q(n) para diferentes grados de apertura x y salto constante Hn, son rectas, Fig II.10; para las Pelton son rectas horizontales, siendo el gasto del inyector rigurosamente independiente de la velocidad de rotación; para las ruedas Francis, el caudal varía con la velocidad, pero la inclinación de las curvas Q(n) varía con los valores de ns; a las ruedas hélice, y a las Francis rápidas, corresponden curvas siempre crecientes, lo cual significa que a velocidad constante y salto variable, la capacidad

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de absorción de la rueda es tanto mayor cuanto menor sea el salto, lo que constituye una gran ventaja para saltos pequeños.

Las curvas C(n): Fig II.9, aunque poco utilizadas por los constructores de turbinas, son de gran utilidad en el estudio de la regulación y del acoplamiento mecánico de la turbina y el alternador. También son rectas, siendo la ordenada en el origen el par de arranque, y la abscisa de ordenada nula la velocidad de embalamiento. El par de arranque de las turbinas hidráulicas es aproximadamente el doble que el de régimen, excepto para las turbinas hélice; esta propiedad es de gran interés, por cuanto permite el arranque en carga cuando el par resistente en el arranque es mayor que el de régimen.

Curvas en colina.-

Las curvas en colina, o en concha, se obtienen a partir de una serie de ensayos elementales. Al ser constante el salto neto, el rendimiento será una función simultánea de las variables N y n, o de las Q y n, es decir: η = F1 (N , n ) ; η = F2 (Q, n). La representación espacial de estas funciones es una superficie que puede representarse en el plano, para cualquiera de los dos casos, cortándola por planos de rendimiento constante, equidistantes, y proyectando las intersecciones obtenidas sobre el plano (N,n) o sobre el plano (Q,n), quedando de esta forma representada la colina de rendimientos, por las curvas de igual rendimiento de la Fig II.11.

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Para obtener la representación de las ecuaciones Q = f1(n) y N = f2(n) para cada punto dado por un valor de x y otro de n correspondientes a cada ensayo, se anota el rendimiento calculado y uniendo los puntos de igual rendimiento, se obtiene la representación deseada. El vértice de la colina de rendimientos se corresponde con la velocidad de régimen y con la potencia o caudal de diseño siempre que la turbina esté racionalmente construida. La mayor o menor proximidad de las curvas en colina da una idea sobre el campo de aplicación de la turbina ensayada. Cuando estas curvas estén muy próximas, el rendimiento variará mucho al modificar las condiciones de funcionamiento, por lo que será conveniente utilizar la turbina en aquellas zonas en donde las curvas se encuentren muy distanciadas, pues de este modo, el rendimiento variará poco al modificar las condiciones de funcionamiento.

3. Descripción experimental Equipos e instrumentos -

Bomba Hidrostal 40-200 Turbina Peltón Manómetro Tacómetro Dinamómetro Pesas de diversas masas Vertedero triangular Flexómetro Vernier Procedimiento

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-

Colocar la Turbina en la posición correcta para un aprovechamiento máximo del chorro de agua. Poner en condiciones de encendido a la bomba (cebado). Encender el motor. Tomar la presión a la salida del chorro. Colocar una pesa en la cuerda unida al dinamómetro. Tomar lectura del dinamómetro. Tomar lectura de las revoluciones que marca el tacómetro. Colocar otra pesa y registrar los datos anteriores Obtener la medida de la turbina, de la polea y del tacómetro; en especial estos dos últimos dato para hacer la transformación de las revoluciones. Medir la altura del líquido en el vertedero para poder hallar el caudal usado durante el ensayo Después de tomar la totalidad de datos, se procesaran para hallar las potencias, eficiencias y velocidades. Graficar los resultados cada variable en función de la rpm.

Obtención de las curvas características de la turbina Pelton a) Fijar la altura neta en 750 mmHg relativos, que corresponde a la altura disponible para conversión a energía cinética. Esto se realiza con ayuda de la válvula que permite provocar una pérdida de carga. b) Fijar el caudal de operación. Esto se realiza fijando la altura de la columna de mercurio en el tubo Pitot. Se recomienda trabajar entre 220 y 30 mmHg. c) Con el caudal fijo, variar la carga con ayuda del juego de resistencias. Para unas seis cargas distintas, registrar datos de voltaje, velocidad de rotación y corriente. d) Variar el caudal seis veces y repetir el paso c). 4. Resultados Medida de caudal Se construyó la tabla 4.1, que posee datos de caudal (Q) v/s altura dinámica (Hdin). El propósito es llegar a una expresión ajustada, para que luego solamente se requiera anotar la altura de la columna de mercurio para conocer el caudal de agua. Cuadro 4.1: Datos de caudal en función de la altura de la columna de mercurio en el tubo Pitot.

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Turbina Pelton 

Potencia en el eje

La potencia en el eje (Peje) es la sumatoria de la potencia útil (Pútil), las pérdidas en el rotor del generador (P1) y otras pérdidas en el generador (P2).

Donde R = −0, 015 · 𝐼+ 0, 68 Ω. P2 = 0, 22371 · (N − 127, 6667) Donde N es la velocidad de rotación, en 1/min.



Potencia neta



Rendimiento hidráulico



Coeficiente de velocidad periférica

Donde φP es el diámetro Pelton y es igual a 0,21 m.

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Resultados de la turbina Pelton Usando las expresiones anteriores, los datos de la tabla y la expresión para el cálculo del caudal en función de la altura dinámica, se obtuvieron los siguientes valores para el caudal, la potencia en el eje, la potencia neta y el rendimiento hidráulico de la turbina Pelton, en función de la altura dinámica y la velocidad de rotación.

Cuadro 4.2: Resultados obtenidos para la turbina Pelton

Usando la expresión anterior se calcularon valores del coeficiente de velocidad periférica en función de la velocidad de rotación, obteniéndose la tabla anterior y la figura 4.1

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Figura 4.1: Coeficiente de velocidad periférica en función de la velocidad de rotación

Obtención de las curvas de igual velocidad especifica Se conoce la expresión siguiente:

N(1/min) Peje,Kw nh,% 760 0.2462 41.9361 650 0.3607 61.4443 560 0.4053 69.0493 510 0.4437 75.5767 480 0.4343 73.9891 420 0.4432 75.5037 380 0.4233 72.108

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Curva Caracteristica , Hdin(220 mm Hg),Q(5,8707 Lt/s),Pneta(0.58kw) 80

0.5

70

0.45 0.4

Peje,Kw

0.35

50

0.3

40

0.25

30

0.2

Nh,%

nh,%

Peje,kW

60

0.15

20

0.1

10

0.05

0

0 0

200

400

600

800

N,1/min

N(1/min) Peje,Kw nh,% 730 0.2188 46.7123 640 0.2979 63.6003 600 0.3113 66.4645 523 0.3269 69.813 460 0.3638 77.6816 300 0.2953 63.0535

Curva Caracteristica, Hdin(130mmHg),Q(4.6836lt/s),Pneta(0.4683kW) 90

0.4

80

0.35

70

0.3 nh,%

0.25

50

0.2

40

0.15

30 20

0.1

10

0.05

0

0 0

200

400 N,1/min

600

800

Nh,%

Peje,kW

60

Peje,Kw

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N,1/min Peje,Kw Nh,% 743 0.2394 45.2774 663 0.2699 51.0491 560 0.3597 68.0411 500 0.4102 77.599 460 0.3905 73.8573 350 0.382 72.2533

0.45

80

0.4

70

0.35

60

0.3

50

0.25

40

0.2

30

0.15

20

0.1

10

0.05

0

Nh,%

Nh,%

Peje,kW

Curva Caracteristica, Hdin(170mmHg),Q(5.2872 90 lt/s),Pneta(0.5287kW)

Peje,Kw

0 0

200

400 N,1/min

600

800

Donde Hn es la altura neta y es constante igual a 10,1963 metros de columna de agua, N es la velocidad de rotación, en 1 min, y ns toma los valores 10, 15, 20, 25 y 30. Con esto se obtienen valores para la potencia en el eje en función de la velocidad de rotación, para una velocidad específica constante. Obtención de las curvas de igual rendimiento Para obtener valores de potencia en función de la velocidad de rotación a rendimiento constante, se interpola con los valores de la tabla anterior para obtener distintos pares de la forma (N, Peje) cuyo rendimiento sea el mismo. Esto se hace para ηh igual a 60 %, 70 % y 75 %. Con esto se obtienen valores para la potencia en el eje en función de la velocidad de rotación, para un rendimiento hidráulico constante.

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Se realizó lo anterior; sin embargo, dada la poca cantidad de datos tomados en la experiencia, fue imposible obtener una curva coherente. Si se tienen pocos puntos, no hay posibilidad de ajustar una curva de tendencia representativa. Por este motivo no se podrán graficar las curvas de potencia en función de la velocidad de rotación para igual rendimiento. Con los datos de las tablas anterior se graficaron finalmente las curvas características, obteniéndose lo que se muestra en la figura 4.2.

Figura 4.2: Curvas características de la turbina Pelton. 5. Análisis de resultados Observando las curvas características de la turbina de Pelton, se nota que la potencia en el eje aumenta a medida que el caudal aumenta, considerando que la altura neta es constante. Esto se debe a que al aumentar el caudal, la potencia que cede el fluido de trabajo (agua), disponible para conversión a potencia eléctrica, es mayor. Para una velocidad específica constante, a medida que aumenta la velocidad de rotación se tiene una disminución de la potencia en el eje. Esto se puede predecir ya que Peje es inversamente proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación. Además, para una velocidad de rotación constante, a medida que la velocidad especifica aumenta se tiene que la potencia en el eje aumenta.

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6. Conclusiones  

 

La potencia en el eje (Peje) aumenta a medida que el caudal aumenta, considerando una altura neta (Hn) constante. Para una velocidad especifica (ns) constante, a medida que aumenta la velocidad de rotación (N) se tiene una disminución de la potencia en el eje. Para una velocidad de rotación constante, a medida que la velocidad especifica aumenta se tiene que la potencia en el eje aumenta. El rendimiento hidráulico (ηh) máximo se obtiene cuando la potencia en el eje es máxima, lo que se da para velocidades de rotación cercanas a 490 1/min.

7. Bibliografía [1] Fernando Donoso: Apuntes Laboratorio de Maquinas I, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Chile (1982). [2] Pedro Fernández Diez: Bombas centrifugas y volumétricas, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria, España (2003). [3] Pedro Fernández Diez: Turbina Pelton, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria, España (2003).