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• joel rodriguez

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Curva Característica Turbina Francis Rodríguez, Yoel. Plazas, Miguel, Bedoya, Oscar. Estudiantes Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito

Abstract: In the following document we will show the

procedure of a practice where the behavior of the Francis turbine was studied, in which we considered its rotation regime and its flow, in this case the process is carried out without load. Palabras clave: caudal, velocidad, tobera, álabe.

A

corriente,

presión,

eficiencia,

I. INTRODUCCIÓN

ctualmente una de las mayores fuentes de energía en Colombia esta constituida principalmente por el uso de las fuentes hídricas que cuenta el país, esto genera que el uso de estos sistemas energéticos sean uno de los más importantes en el país, generando un crecimiento de las industrias y el desarrollo de ciudades, significando para el país uno de los principales pilares económicos. Por medio de las centrales hidroeléctricas, nuestro país produce aproximadamente el 69.93% de la energía eléctrica, que corresponde a una capacidad efectiva neta mensual de 11606.4 MW, esto hace parte del progreso de las ciudades como una mejora de la calidad de vida de la población. Por lo anterior, se elabora el presente trabajo enfocado en caracterizar el funcionamiento de uno de los tipos de turbinas usados a nivel nacional, la cual es la turbina Francis, un tipo de turbina que cuenta con una importante presencia en las centrales hidroeléctricas del país. II. OBJETIVOS 1) Caracterizar la turbina Francis sin carga, tomando los valores obtenidos para obtener la curva característica. 2) Comprender el funcionamiento de la turbina Francis y su capacidad para generar energía en diferentes casos de estudio. 3) Reconocer la influencia del caudal en el rendimiento de la turbina Francis.

III.

METODOLOGÍA

Para el proceso realizado durante la práctica, se realizará la variación de la apertura de la entrada de fluido a la turbina, pero esta tendrá la capacidad de girar en vacío. Para tener en cuenta este procedimiento, a continuación, se enumeran y se da una breve descripción de cada una de las partes que conforman el banco de pruebas. Finalmente se realiza el procedimiento realizando una apertura completa, media apertura y completamente cerrada. A. Turbina Francis La turbina Francis es una turbina hidraulica utilizada en instalaciones de energia hidraulica con una altura de caida considerable. La funcion de la turbina Francis es principalmente, generar electricidad por medio de un generador. Las turbinas Francis tienen un alto grado de utlizacion de la capacidad de mas del 90% y una amplia gama de actividades en comáracion con la altura del flido que fluye a traves de la turbina. Esto se enfatiza particularmente en el agua donde logra un rendimiento optimo en una caida constructiva de 20 metros hasta 700 metros. El diametro del rotor puede ser de 1 a 10 m y la velocidad de rotacion es de 83 a 1000 rpm. En contraste con la turbina Pelton, la turbina Francis funciona en su mejor momento completamente llena de agua en todo momento. La turbina y el canal de salida se pueden colocar mas abajo que el nivel del lago o del mar en el exterior, lo que reduce la tendencia a la cavitacion. La turbina Francis, que es un tipo de turbina de agua a reacción, utiliza energía cinética del agua corriente como energía de presión para hacer girar una rueda hidráulica.

MEMA -XX La turbina se encuentra entre el puerto de admisión donde se aplica la alta presión y la parte del puerto de descarga de baja presión, y normalmente se instala en la base de la presa de una central hidroeléctrica como se muestra a continuación en la figura 2.

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Rápidas: 250 ≤ ns ≤ 400 La turbina Francis depende principalmente del distribuidor para su funcionamiento, este presenta un sistema de cerrado y apertura en caso de emergencias o en la disposición necesaria, como fue en el caso de esta práctica, donde el rango de apertura se vario de 0% a 50% y finalmente 100%, este funcionamiento se puede observar en la figura 3, mostrada a continuación.

Fig. 3 Posicionamiento alabes directrices

Figura 1. Turbina Francis

El distribuidor permite regular el caudal de la turbina sin que las venas liquidas sufran desviaciones bruscas o contracciones, permitiendo un rendimiento elevado incluso con cargas reducidas. Estos alabes móviles pueden girar alrededor de un eje paralelo al eje de la maquina y el movimiento de cierre es simultaneo para todos ellos. B. Tanque de almacenamiento : El depósito de un sistema hidráulico es el recipiente destinado a almacenar el fluido necesario para el funcionamiento normal del sistema. También otras funciones como facilitar la disipación de calor fluido y la separación del aire que este puede contener, el tanque de almacenamiento es característico de sistemas hidráulicos abiertos.

Figura 2. Montaje turbina Francis

Las turbinas Francis se clasifican en tres tipos mostrados a continuación:  Turbina Francis lenta: Para saltos de gran altura, alrededor de 200 m o más.  Turbina Francis normal: Indicada en saltos de altura media, entre 200 y 20 m  Turbinas Francis rápidas y ultrarrápidas: Apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 20 m. De acuerdo con el numero especifico las turbinas Francis se encuentran entre: 60 ≤ ns ≤ 400 Y de acuerdo con este rango se pueden clasificar de la siguiente manera: Lentas: 60 ≤ ns ≤ 150 Medias: 150 ≤ ns ≤ 250

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Figura 1 Tanque de almacenamiento hidráulico. Figura 3 Turbina Francis.

C. Tuberías: La tubería constituye los circuitos hidráulicos encargados de trasporta los fluidos, estas presentan una rugosidad, la cual genera pérdidas por medio de la fricción presente en ellas. A su vez en un circuito se presenta accesorios como válvulas, codos, uniones, entre otros, estos deben de tomarse en cuenta para los cálculos realizados.

E. Caudalímetro: El caudalímetro es un instrumento usado para medir lineal, no lineal, la masa o caudal volumétrico de un fluido.

Figura 4 Caudalímetro

F. Manómetro de carátula [0-4bar]:

Figura 2 Tuberías de circuito hidráulico.

D. Montaje de carga variable: La carga del sistema se varió por medio de una válvula, la cual modificaba directamente el caudal.

El manómetro de presión es un indicador analógico para medir la presión de un gas o líquido.

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Imagen 2. Triángulos de velocidades en turbomáquinas. Figura 5 manómetro de caratula con glicerina

E. Tacómetro digital: El tacómetro es el nombre del dispositivo que tiene la función de medir la cantidad de revoluciones de un eje.

Como se pudo observar anteriormente la turbina Francis se clasifica en tres tipos diferentes, por lo cual es necesario obtener un triangulo de velocidades para cada caso como se muestra a continuacion.

Figura 7. Medidas tomadas con tacómetro.

F. Caudalímetro digital Instrumento digital que permite medir el caudal de fluido que pasa por la tobera.

Imagen 2. Rodete rapido

Figura 8. Caudalimetro digital IV.

MARCO TEÓRICO

1. Triángulos de Velocidades en Turbomáquinas En una turbomáquina, un fluido en movimiento atraviesa un rodete que también se mueve. Eso implica que, en cualquier punto de contacto entre el fluido y el rodete, se puede hablar de tres vectores de velocidad: la velocidad absoluta del fluido (de módulo c), la velocidad relativa del fluido con respecto al rodete (de módulo w) y la velocidad del rodete (de módulo u) lineal (en dirección tangencial). Dado que el rodete gira con velocidad angular ω, el módulo de la velocidad del rodete está relacionado con ésta y la posición radial del punto considerado:

Imagen 3. Rodete normal

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Imagen 4. Rodete lento.

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Imagen 5. Curva caracteristica Potencia vs Regimen de giro. V.DATOS OBTENIDOS

2. Ecuación Fundamental de Euler Se denomina ecuación de Euler a la ecuación fundamental que describe el comportamiento de una turbomáquina bajo la aproximación de flujo unidimensional. En potencias: Donde: Ciu es la velocidad absoluta tangencial del fluido. El subíndice u indica que se considera solo la velocidad tangencial. Los subíndices 1 y 2 indican entrada y salida respectivamente. Ui es la velocidad absoluta del álabe. En alturas hidráulicas:

Donde g es la aceleración de la gravedad. Finalmente, a continuación, se observa la curva que se espera obtener con los datos obtenidos del modelo experimental.

Caudal (m^3/s) 0,002198333 0,002119 0,002091833

Presión Régimen de giro (rpm) (Pa) 131000 2825 137895 2523 131000 2284

Sin válvula de alivio 0,002322833 158579 0,002293333 158579 0,002275 158579 Datos calculados

Cabeza (m) 13,35372069 14,05657492 13,35372069

Potencia(W) 287,9816667 292,199505 274,0301667

Sin válvula de alivio

16,16503568 16,16503568 16,16503568

368,3525872 363,6745067 360,767225

Grafica obtenida con válvula de alivio

3097 2670 2540

[3]

Grafica obtenida sin valvula de alivio

VI. CONCLUSIONES 1. Como se pudo observar no se pudo obtener la curva característica esperada, esto es debido a que se tomaron solo tres datos, para obtener una mayor semejanza entres las curvas es necesario tomar muchos mas datos que permitan un menor error de cálculo. 2. Como se pudo observar, la mayor diferencia entre tener una válvula de alivio es la potencia, como se pudo observar el régimen de giro aumento y la potencia presento un comportamiento creciente. 3. La turbina Francis presento un comportamiento donde se manejó un alto régimen de giro en comparación a experimentos pasados en otros tipos de turbina como la Pelton, esto es debido principalmente a que la turbina Francis opera a una mayor velocidad especifica. REFERENCIAS [1]

[2]

Turbna Francis, funcionamiento y operacion. Tomado de: https://solar-energia.net/energias-renovables/energiahidraulica/turbinas-hidraulicas/turbina-francis Sistemas Energeticos, turbinas hidraulicas. Tomado de: https://es.slideshare.net/fbancoff_01/turbinas-hidraulicas-42163140

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Turbina Francis. Tomado https://es.slideshare.net/GersonLaTorre/turbina-francis-por-csar

de: