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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECANICA

INFORME DE LABORATORIO N.°3 ESTUDIANTES: GONZALES CHAVEZ, HANS RUBENS

20151018K

MORALES ACERO, YORDAN JULIAN

20151187G

RENTERIA CARRERA, MIGUEL ANGEL

20154502K

CHONG LUNA, JOSE MARIA

20151011F

JOSUE JHOSIMAR, ESPINOZA VENTURA

20112094A

GRUPO:

3F

FECHA DE ENTREGA: 16 de Abril del 2018 TEMA: MEDICION DE POTENCIA Y VELOCIDAD

DOCENTE: Ing. Federico Chávez Lizama

MATERIA:

LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA I – MN412

2018 - I Informe de laboratorio N.°3

Página 1

INDICE EXPERIMENTO. MEDICION DE POTENCIA Y VELOCIDAD

Pág.

RESUMEN

03

1. INTRODUCCION

04

2. FUNDAMENTO TEORICO

05

3. MATERIALES

09

4. PROCEDIMIENTO

13

5. DATOS EXPERIMENTALES

14

6. CALCULOS Y GRAFICOS

15

7. CONCLUSIONES

27

8. OBSERVACIONES

28

9. RECOMENDACIONES

29

10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

30

Informe de laboratorio N.°3

Página 2

EXPERIMENTO. MEDICION DE POTENCIA Y VELOCIDAD RESUMEN

Objetivos: Determinar la potencia indicada, al eje y potencia eléctrica del compresor de baja presión. Mediante un freno de cinta (Prony) averiguar la potencia al eje que entrega la Turbina Francis. Analizar la variación de la velocidad angular del eje con respecto a las diferentes cargas, a las que se le somete a la turbina. Procedimiento: Experiencia 1 (Compresor de Baja Presion) Se calibró el dinamómetro del motor eléctrico. Se midió el brazo de palanca del motor. Se encendió la fuente de energía (motor eléctrico CC). Se reguló las válvulas hasta alcanzar presiones especificadas tanto a la entrada como a la salida del compresor de baja. Se instaló el indicador de tipo pistón sobre el compresor, y luego se colocó un pedazo de papel para obtener el diagrama PV. En el tablero de control se hizo las regulaciones de amperaje y voltaje para el motor eléctrico que alimentaba al compresor (de baja). Se hizo la conexión entre el cilindro y el indicador; el cual dispone de un resorte calibrado K = 72 psi/pulg; simultáneamente se hizo la lectura de las RPM del motor con un contador, también el voltaje y la intensidad de corriente. Obtenemos entonces el diagrama indicado. Usando el planímetro de brazo trazador medimos el área del diagrama indicado obtenido (el área lo obtenemos en cm2). Experiencia 2 (Turbina Francis): Se verificó que la válvula de acceso a la turbina Francis este inicialmente cerrada; se puso en funcionamiento la bomba de alimentación. Se abrió la llave del segundo depósito para expulsar el agua, hasta que el nivel estuvo por debajo del vértice del vertedero. Se abrió la válvula que permite el flujo del caudal de agua a la turbina. (a 4 PSI consideremos es dato para el laboratorio) Se colocó la correa sobre la volante y echamos agua al interior de ésta. Se procedió a medir las RPM. Se añadió una carga inicial de 1 Kg-f y medimos las RPM, luego se tomó la lectura del dinamómetro. Se repitió el paso anterior, variando la carga en forma ascendente; procurando que no frene. Conclusiones:

Informe de laboratorio N.°3

Página 3

INTRODUCCION: En el presente informe realizaremos el laboratorio de medición de potencia y velocidad, mediremos la potencia al eje en la turbina Francis así como también la potencia indicada en el sistema de compresión de 2 etapas. En los motores de combustión interna, la sustancia activa ejerce una fuerza neta sobre los pistones a medida que estos se mueven, y por lo tanto, se desarrolla potencia a costa de la energía de sustancia activa, esta potencia es transmitida a través de la máquina hasta el eje de salida, la potencia indicada es la potencia entregada a la cara del pistón o por ella. Para determinar la potencia entregada al pistón se usa un aparato llamado indicador. La potencia de salida de las máquinas de vapor se determinaba antes por medio de un freno, por lo tanto, la potencia entregada por las máquinas de vapor se llama potencia al freno. La potencia entregada por las turbinas se llama potencia al eje, también se usa este término para indicar la potencia entregada en el eje de compresores, ventiladores y bombas. Tanto la potencia en el eje como la potencia al freno denotan la potencia entregada por la máquina al exterior.

Informe de laboratorio N.°3

Página 4

1. FUNDAMENTO TEORICO:

Informe de laboratorio N.°3

Página 5

2. MATERIALES: Experiencia 1 (Compresor de Baja Presión): -

Tablero de Control.

-

Dos motores eléctricos.

-

Compresores de alta y baja presión

-

Planímetro

-

Dinamómetro

-

Manómetros de tipo Bourdon

-

Contador de revoluciones tipo contador

-

Cronometro digital

-

Tanque que almacena aire comprimido.

-

Indicador de diagrama tipo “pistón”

FIGURA 1. PLANIMETRO

FIGURA 2. COMPRESOR DE BAJA PRESION

Informe de laboratorio N.°3

FIGURA 3. INDICADOR

Página 6

CARACTERISTICAS DEL COMPRESOR DE BAJA PRESION

Numero de cilindros

2

Carrera

101.6 mm

Diámetro interior

101.6 mm

Volumen de desplazamiento

1.647 litros

Volumen muerto

29.5 cm3

Presión máxima

10.3 bar

Relación de velocidades, motor/compresor

3:1

Eficiencia de la transmisión

0.98

Rango de velocidades

Informe de laboratorio N.°3

300-500RPM

Página 7

Experiencia 2 (Turbina Francis): ESQUEMA DE INSTALACIÓN

1

5

1

4

7

2 6

3 Donde:

Informe de laboratorio N.°3

1

TURBINA FRANCIS

2

DINAMOMETRO

3

RODETE

4

MANOMETRO

5

FAJA PRONY

6

SOPORTE PARA LAS CARGAS

7

TACOMETRO

Página 8

TURBINA FRANCIS Marca

: ARMFIELD HYDRAULIC ENGINEERING Co. Ltd. RINGWOOD HARTS, ENGLAND.

Tipo

: Ns 36 MK2

Potencia

: 2,5 BHP

Velocidad

: 1000 RPM

Tamaño nominal del rodete

:

6”

Velocidad especifica

:

36 RPM

Altura neta

:

20 pies

Velocidad de embalamiento máximo

:

1800 RPM

Diámetro de la volante

:

12”

Diámetro de entrada

:

6”

MOTOBOMBA (simula caída de agua) Marca

:

NEWMAN MOTORS

Marca

:

SIGMUND PUMP LTD.

Tipo

:

NN63

Nº de

:

INC. Potencia

:

10 HP

Casco

:

2560 / DD 2182 BB

RPM

:

3600

Ciclo

:

60

Fase

:

3

Factor de Servicio

:

1,15

Voltaje

:

220 V

Amperaje

:

26 A

Informe de laboratorio N.°3

serie

147305

Página 9

3. PROCEDIMIENTO

Experiencia 1 (Compresor de Baja Presión): 1) Se calibró el dinamómetro del motor eléctrico. 2) Se midió el brazo de palanca del motor. 3) Se encendió la fuente de energía (motor eléctrico CC). 4) Se reguló las válvulas hasta alcanzar presiones especificadas tanto a la entrada como a la salida del compresor de baja. 5) Se instaló el indicador de tipo pistón sobre el compresor, y luego se colocó un pedazo de papel para obtener el diagrama PV. 6) En el tablero de control se hizo las regulaciones de amperaje y voltaje para el motor eléctrico que alimentaba al compresor (de baja). 7) Se hizo la conexión entre el cilindro y el indicador; el cual dispone de un resorte calibrado K = 72 psi/pulg; simultáneamente se hizo la lectura de las RPM del motor con un contador, también el voltaje y la intensidad de corriente. 8) Obtenemos entonces el diagrama indicado. 9) Usando el planímetro de brazo trazador medimos el área del diagrama indicado obtenido (el área lo obtenemos en cm2).

Experiencia 2 (Turbina Francis): 1) Se verificó que la válvula de acceso a la turbina Francis este inicialmente cerrada; se puso en funcionamiento la bomba de alimentación. 2) Se abrió la llave del segundo depósito para expulsar el agua, hasta que el nivel estuvo por debajo del vértice del vertedero. 3) Se abrió la válvula que permite el flujo del caudal de agua a la turbina. (a 4 PSI consideremos es dato para el laboratorio) 4) Se colocó la correa sobre la volante y echamos agua al interior de ésta. 5) Se procedió a medir las RPM 6) Se añadió una carga inicial de 1 Kg-f y medimos las RPM, luego se tomó la lectura del dinamómetro. 7) Se repitió el paso 6, variando la carga en forma ascendente; procurando que no frene.

Informe de laboratorio N.°3

Página 10

3. DATOS EXPERIMENTALES:

Experiencia 1 (Compresor de Baja Presión):

Fuerza RPM

(kg)

859

5.2

1

Voltaje(v)

Corriente(A)

Brazo de Palanca (mm)

K(psi/pulg)

130

12.5

310

72

Experiencia 2 (Turbina Francis):

TURBINA FRANCIS PRESION

RPM

DINAMÓMETRO

CARGA

(PSI)

(TACOMETRO)

(KG)

(KG)

4

1166

0

0

4

993.6

2

1

4

934.5

3.3

1.5

4

876.6

4.6

2

4

722.6

5.6

2.5

4

699.5

6.6

3

Informe de laboratorio N.°3

Página 11

4. CALCULOS Y GRAFICOS: Experiencia 1 (Compresor de Baja Presión): 

Potencia Eléctrica del motor [Pel]:

𝑷𝑬𝑳 = 𝑽 ∗ 𝑰 𝑃𝐸𝐿 = 130 ∗ 12.5 𝑷𝑬𝑳 = 𝟏. 𝟔𝟐𝟓 𝑲𝑾 

Potencia al eje [PEJE]:

𝑷𝑬𝑱𝑬 =

𝑃𝐸𝐽𝐸

𝑭∗𝑹∗𝑵∗𝝅 𝟑𝟎

(5.2 ∗ 9.81) ∗ 31 ∗ 10−2 ∗ 859 ∗ 𝜋 = 30 𝑷𝑬𝑱𝑬 = 𝟏. 𝟒𝟐𝟐 𝑲𝑾



Entregada al compresor [𝑷𝑬 ]:

𝑷𝑬 = 𝟎. 𝟗𝟖 ∗ 𝑷𝑬𝑱𝑬 𝑃𝐸 = 0.98 ∗ 1.422 𝑃𝐸 = 1.393 𝐾𝑊 

Potencia Indicada [𝑷𝑰 ]:

𝑷𝑰 = 𝑨 ∗ 𝑲 ∗ 𝑺𝒑𝒊𝒔𝒕𝒐𝒏 ∗ 𝒓𝑽 ∗ (

𝑵∗𝝅 ) 𝟑𝟎 ∗ 𝒏𝒄𝒊𝒍

Dónde:

𝜋 ∗ 101.62 𝑚𝑚2 4 𝑟𝑉 : 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟/𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟= 1/3 𝑆𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛 : 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛 =

𝑛𝑐𝑖𝑙 : 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 = 2 𝑃𝐼 = 3.3 ∗ 10−4 ∗ 19544.2 ∗ 103 ∗ Informe de laboratorio N.°3

𝜋 1 𝑁∗𝜋 ∗ 101.62 ∗ 10−6 ∗ ∗ ( ) 4 3 30 ∗ 2 Página 12

𝑷𝑰 = 𝟎. 𝟕𝟖𝟑 𝑲𝑾 

Eficiencia Mecánica [𝒏𝒎𝒆𝒄 ]: 𝒏𝒎𝒆𝒄 = 𝑛𝑚𝑒𝑐 =

Area(cm2)

potencia electrica

𝑷𝑰 𝑷𝑬𝑱𝑬

0.783 ∗ 100% → 𝒏𝒎𝒆𝒄 = 𝟓𝟓. 𝟎𝟔% 1.422

potencia al eje (kw)

potencia al compresor

potencia indicada

Eficiencia mecanica

(kw)

(kw)

(%)

1.393

0.783

55.06

(kw) 1

3.3

1.625

1.422

Experiencia 2 (Turbina Francis):

f

Potencia al Freno:

PB  T  N  f  R  N  (Fd - P)  R  N …… (1) Donde:

R

T = Torque N = velocidad angular f = fuerza de fricción FD = fuerza indicada en el dinamómetro

Fd

P = Carga R = radio de la volante

W

D=30 Pulgadas R=15.24cm

Informe de laboratorio N.°3

Página 13

DINAMÓMETRO CARGA

RPM FRICCION(KG)

POTENCIA AL EJE(W)

(KG)

(KG)

(TACOMETRO)

0

0

0

1166

0

2

1

1

993.6

155.56

3.3

1.5

1.8

934.5

263.35

4.6

2

2.6

876.6

356.83

5.6

2.5

3.1

722.6

350.71

6.6

3

3.6

699.5

394.25

GRAFICAS Carga vs friccion

Carga Vs Friccion 4

3.6

3.5

Carga = 1.2486.f - 0.0643

Friccion (Kg)

3

3.1 2.6

2.5 1.8

2 1.5

1

1 0.5

0

0 -0.5

-0.5

0

0.5

Informe de laboratorio N.°3

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Carga Pesadas(kg)

Página 14

Carga vs potencia

Carga Vs Potencia 450

394.25

400

356.83

350.71

2

2.5

350 263.35

Potencia

300 250 200

155.56

150 100 50 0 0 0

0.5

1

1.5

3

3.5

Carga(pesadas kg)

Carga vs RPM

Carga Vs Velocidad Angular

RPM(Tacometro)

1400 1166 1200

993.6

1000

934.5

876.6

800

722.6

699.5

2.5

3

600 400 200 0 0

0.5

1

1.5

2

3.5

Carga(Persadaskg)

Informe de laboratorio N.°3

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6. CONCLUSIONES Experiencia 1 (Compresor de Baja Presión): -

Su eficiencia mecánica es de 55.06%, con lo que se podría decir que las perdidas casi van a la misma proporción que su utilidad, esto por los rozamientos mecánicos del compresor, pistón-cilindro, cabeza-pie de biela, etc.

-

La potencia eléctrica es mayor que la potencia al eje, esto representa que la pérdida que sufre el motor eléctrico sobrepasa lo entregado por este.

Experiencia 2 (Turbina Francis):

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7. OBSERVACIONES Experiencia 1 (Compresor de Baja Presión): -

Para presiones bajas usamos resortes de menor constante K.

-

Realizamos la toma de nuestros datos del laboratorio, cuando la presión del tanque de almacenamiento de aire era constante.

Experiencia 2 (Turbina Francis): -

La volante no solo gira alrededor de su eje, sino que también vibra, esto se debe evitar para efecto de la toma de datos.

-

Debido a la observación anterior se prefirió tomar los datos de rpm óptico a las del tacómetro.

-

Todas las mediciones se realizaron, teniendo en cuenta que el flujo que se dirigía a la turbina era constante, y que solo variaban las cargas y con esto también las revoluciones de la volante.

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8. RECOMENDACIONES Experiencia 1 (Compresor de Baja Presión): -

Se debe fijar bien el papel en el indicador de tipo pistón para obtener diagramas indicados correctos.

-

Se debe fijar y verificar el nivel en el que se encuentra el planímetro, para hacer una correcta medición del área.

Experiencia 2 (Turbina Francis): -

La potencia al freno a medida que aumenta genera un calentamiento en la cinta de freno; para evitar el calentamiento y desgaste de ésta será necesario suministrarle agua a la faja.

-

Debemos ir añadiendo en forma ascendente, pero gradual las pesas al dinamómetro, para evitar incremento brusco de la fuerza de fricción

-

Se recomienda llenar el segundo deposito hasta poco antes de llegar al vértice del vertedero esto es con el fin de q no llegue aire a la bomba lo q es perjudicial en el mantenimiento de la bomba de agua.

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9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS (MODELO) 1. Numero de Reynolds. Calculo online del número de Reynolds. Disponible en: http://www.valvias.com/numero-de-reynolds.php Acceso el 07 de abril del 2018.

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