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• Abate Guardiola

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INFORME 1. RESUMEN: El presente informe de laboratorio tiene como uno de sus objetivos analizar la variación de eficiencia en la turbina Francis debido a la variación de la velocidad angular por parte de la carga de frenado aplicada a este, por medio de utilización de pesas como carga y medidos con el dinamómetro. Para empezar, verificamos que los instrumentos de medición y los equipos funcionen correctamente, así como también ver que las pesas (carga de frenado) estén disponibles a la mano antes de iniciar el experimento. Luego debemos colocar todos los instrumentos de medición donde corresponden y tenerlos listos para ser utilizados una vez iniciada la experiencia, estos deben estar funcionando con normalidad. El nivel del agua debe coincidir con el vértice del vertedero (o cresta) antes de realizar la experiencia, luego encendemos la bomba la cual llevará el agua hacia la turbina, para esto se debe trabajar con una altura de funcionamiento constante para luego variar la carga de frenado y medir los otros parámetros (RPM, H, W, etc.) El reconocimiento de las partes y sus esquemas será de mucha utilidad para poder analizar en el ámbito laboral y eso por su puesto es tratado en este informe. Los detalles del procedimiento, los cálculos y los resultados se muestran en el desarrollo del presente informe. 2. OBJETIVOS:   

Conocer en forma objetiva el funcionamiento de una Turbina Francis. Para diferentes caudales observar la variación en los diferentes parámetros. Analizar la variación de las diferentes eficiencias de la turbina Francis a fin de proporcionar conocimiento sobre cuándo será mayor y cuando será menor la eficiencia.

3. MARCO TEÓRICO: TURBINAS FRANCIS Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas. FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS La turbina Francis, la transformación de la energía de presión del agua en energía cinética se realiza en el distribuidor y en la rueda. La presión en la entrada de la rueda es mayor que en la salida de esta. La potencia de la turbina se regula mediante el ajuste de los álabes en el distribuidor. ACCESORIOS DE LA TURBINA

Cámara espiral Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete. La forma en espiral o caracol se debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada punto de la misma. La sección transversal de la misma puede ser rectangular o circular, siendo esta última la más utilizada.

Predistribuidor Está compuesto por álabes fijos que tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral y conferirle rigidez transversal,que además poseen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.

Distribuidor Es un órgano constituido por álabes móviles directores, cuya misión es dirigir convenientemente el agua hacia los álabes del rodete (fijos) y regular el caudal admitido,

modificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a las variaciones de carga de la red eléctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink. Rotor o rodete Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodete es una suma de energía cinética, energía de presión y energía potencial. La turbina convierte esta energía en energía mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico dónde se realiza la conversión final en energía eléctrica. El rotor puede tener diversas formas dependiendo del número específico de revoluciones para el cual esté diseñada la máquina, que a su vez depende del salto hidráulico y del caudal de diseño. Tubo de aspiración Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

Álabes directores (en color amarillo) configurados para mínimo caudal (vista interior).

Rodete de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.

Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.

4. CONDICIONES INICIALES DEL TRABAJO La altura útil nos dará por la presión de entrada al inyector que en nuestro caso será constante. Presión constate. Caudal constante. Revoluciones por minuto variado. Longitud que se muestra del inyector constante. 5. DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS: TURBINA FRANCIS Marca: Tipo: Potencia: Velocidad: Tamaño nominal del rodete: Velocidad específica: Altura neta: Velocidad máxima: Diámetro de la volante: Diámetro de entrada:

Armfield Hydraulic Engineering Co. Ns 36 MK2 2.5 BHP 1000 RPM 6’’ 36 RPM 20 pies 1800 RPM 12’’ 6’’

TACOMETRO Tacómetro SMITH Rango: 0 – 2000 RPM Aproximación: 20 RPM

PESAS

REGLA METÁLICA

DINAMÓMETRO Marca: Rango: Aproximación:

Saltin 0 – 20 kg 100 g

BOMBA Motor: Casco: RPM: Ciclo: Fase: Factor de Servicio: BOMBA: Tipo: N° Serie:

Neman Motor INC 2560/DD 2182 BB 3600BB 60 3 1.15

SIGMUND PUMP LTD. MN63 147305

Voltaje: Amperaje: HP:

220v 26A 10

FRENO DE CINTA (PRONY)

VERTEDERO Escala: Aprox.: Triangular: Cd=0.6

0-30cm 0.1 mm α=90°

MANOMETRO Rango: Aprox.:

0-60PSI 1 PSI

6. PROCEDIMIENTO Y OBTENCIÓN DE DATOS: 1. Seleccionar una altura de funcionamiento que debe permanecer constante durante todo el ensayo. 2. Para determinar posición de los alabes directrices se hace varias la carga de freno. 3. Para cada carga aplicada toman los datos de la velocidad, de la fuerza en el dinamómetro, de la pesa y de la altura del linímetro.

TABULACIÓN DE DATOS: N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

N (rpm) 1296 1135 1160 1147 1022 948 864 763 648 542

D (kg.) 0 1.2 2.1 3.1 4.8 6.5 8 9.6 11.1 12.3

H (cm.) 16.5 17.4 18.2 18.5 18.5 18.9 19 19.3 19.3 19.3

m (kg.) 0 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8

Para la potencia de la Turbina Hidraulica (Pag): 𝑃𝑎𝑔 = 𝜌 𝑥 𝑔 𝑥 𝐻𝑛 𝑥 𝑄 Donde: 𝑄 = 1.416 𝑥 ℎ5/2 5

𝑄 = 1.416 𝑥 (16.5 𝑥 10−2 )2 = 0.015659

𝑚3 𝑠

Tomando en los diferentes diámetros: 𝑄 0.015659 𝑥 10−3 𝑉1 = = 𝜋 = 0.863 2 𝐴1 𝑥 (0.152) 4

𝑄 0.015659 𝑥 10−3 𝑉2 = = 𝜋 = 0.319 2 𝐴2 𝑥 (0.250) 4

𝑍 = (1.21 − ℎ) 𝑚. 𝑃𝐼𝐼 𝑉1 2 − 𝑉2 2 𝐻𝑛 = 𝑍 + + = 𝜌𝑔 2𝑔

= 1.21 − 0.165 +

344.7379 0.8632 − 0.3192 + = 4.592 𝑚. 9.81 2𝑥9.81

𝑃𝑎𝑔 = 1000 𝑥 9.81 𝑥 4.592 𝑥 0.015659 = 0.705 𝐾𝑤

N°

Q (m3/s)

V1 (m/s)

V2 (m/s)

H (m)

Pag (w)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.015659328 0.017882835 0.020009753 0.020844552 0.020844552 0.021989622 0.022281645 0.023171627 0.023171627 0.023171627

0.86297071 0.9855061 1.10271851 1.14872353 1.14872353 1.21182723 1.22792035 1.2769664 1.2769664 1.2769664

0.31900921 0.36430613 0.40763534 0.42464174 0.42464174 0.4479689 0.45391795 0.47204851 0.47204851 0.47204851

4.59191904 4.592886 4.59565655 4.59721433 4.59721433 4.59976907 4.60049678 4.60290282 4.60290282 4.60290282

705.401443 805.732807 902.107505 940.061645 940.061645 992.253866 1005.59011 1046.30268 1046.30268 1046.30268

Para la potencia de frenado: 𝑃𝑡 = (𝐷 − 𝑊)𝑥 𝑁𝑥 𝑅

N°

N (rpm)

W (kg.)

D (kg.)

Pt

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1296 1135 1160 1147 1022 948 864 763 648 542

0 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8

0 1.2 2.1 3.1 4.8 6.5 8 9.6 11.1 12.3

0 34.504 105.792 191.7784 279.6192 360.24 393.984 417.5136 403.8336 354.2512

Calculando la eficiencia:

N°

Pt

Pag

n

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 34.504 105.792 191.7784 279.6192 360.24 393.984 417.5136 403.8336 354.2512

705.401443 805.732807 902.107505 940.061645 940.061645 992.253866 1005.59011 1046.30268 1046.30268 1046.30268

0.00% 4.28% 11.73% 20.40% 29.74% 36.31% 39.18% 39.90% 38.60% 33.86%

7. GRAFICA DE LOS RESULTADOS: Gráfico Eficiencia vs RPM

RPM vs eficiencia 45.00% 38.60%

40.00%

EFICIENCIA

35.00%

39.90% 39.18% 36.31%

33.86%

29.74%

30.00%

25.00%

20.40%

20.00% 11.73%

15.00% 10.00%

4.28%

5.00%

0.00%

0.00% 542

648

763

864

948

1022 RPM

1147

1160

1135

Gráfica TORQUE vs RPM

T (N.m) vs RPM 7 6 5 4 3 2 1 0 542

648

763

864

948

1022

T (N.m)

1147

1160

1135

1296

1296

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:  Los cálculos de la Potencia hidráulica de la turbina Francis, cumple con lo establecido, ya que es menor de 1.5 kw.  Los valores de la eficiencia hidráulica son bastantes bajos, en su mayoría menores a 40% e incluso tan bajos como 4%. Esto no coincide con las altas eficiencias que las Turbinas Francis suelen tener.  La mayor eficiencia es de 39.9%, cuando las RPM son de 763.  Es recomendable tener los equipos correctamente calibrados, en especial el dinamómetro.  Es recomendable que la presión de entrada de la Turbina sea menos de 5 PSI para que la bomba no tenga problemas para mantenerla y poder tener más puntos de análisis.  Al observar la curva TORQUE vs RPM se nota que cuando la potencia del agua es mayor (a menor RPM), el eje soporta mayores cargas, esto era de esperarse ya que cuando se le entrega mayor potencia al eje este tendrá mayor resistencia. 9. BIBLIOGRAFÍA:  Ensayo de turbinas Pelton y Francis – Universidad Nacional del Centro del Perú – Huancayo 2010  http://www.gunt.de/networks/gunt/sites/s1/mmcontent/produktbilder/07 036531/Datenblatt/07036531%204.pdf  https://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis