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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

TURBINA PELTON Curso: Laboratorio de Ingeniería Mecánica II (MN-463) Integrantes:  Dávila Paredes Antony Profesor:

25 de setiembre de 2017

INDICE:

20142583K

Contenido I.

OBJETIVO ......................................................................................................................... 2

II.

RESUMEN ......................................................................................................................... 3

III.

MARCO TEORICO ............................................................................................................ 3

IV.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS ........................................................................................ 10

V.

PROCEDIMIENTO .......................................................................................................... 13

VI.

CALCULOS Y RESULTADOS: .......................................................................................... 17

VII.

RECOMENDACIONES .................................................................................................... 26

VIII. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 26

I. 

OBJETIVO Conocer los principios de funcionamiento de una turbina Pelton.

2



 

II.

Determinar los valores de las diferentes potencias presentes en las turbinas Pelton relacionados con las diferente RPM presentes durante el funcionamiento de la turbina. Traza curvas características de la turbina Pelton, con los datos experimentales obtenidos. Determinar los puntos de mayor eficiencia hidráulica, mecánica y total de la turbina Pelton.

RESUMEN

El presente informe de laboratorio tiene como unos de sus objetivos analizar la variación de eficiencia en la turbina Pelton debido a la variación al RPM por parte de la carga de frenado aplicada a este, por medio de utilización de focos 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 los focos (carga de frenado) estén en OFF antes de iniciar el experimento. Luego verificar que los instrumentos estén funcionando bien El nivel del agua debe coincidir con el vértice del vertedero (o cresta) antes de realizar la experiencia, luego encendemos la bomba la cual llevara el agua hacia la turbina, para esto se debe trabajar con una presión de funcionamiento constante para luego variar la carga de frenado y medir los otros parámetros (RPM, H, w, etc). Después graficamos los datos para mayor entendimiento y observar fácilmente las características de operación de la turbina Pelton

III.

MARCO TEORICO

3

Una turbina es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo (en forma de movimiento de rotación) la energía presente en una masa de fluido. Las turbinas hidráulicas transfieren la energía cometida en el agua a un rotor provisto de álabes, mientras el flujo pasa a través de estos.

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS Normalmente las condiciones hidráulicas de un proyecto fijan solamente dos de tres parámetros característicos: Altura de caída (H), Caudal (Q), y Potencia (P). Conocidos los parámetros H y P o H y Q se puede seleccionar un tipo determinado de turbinas a través del conocimiento de los parámetros característicos de diseño y/o selección como son: la velocidad específica (Ns) o la cifra de rotación.

TURBINA PELTON La turbina PELTON debe su nombre al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (1829-1908), quien en busca de oro en California concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovecharan la energía cinética del agua que venía de una tubería y actuaba tangencialmente sobre la rueda. Por fin en 1880 patentó una turbina con palas periféricas de muy particular diseño, de tal manera que el chorro proveniente de la tubería golpea el centro de cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al máximo el empuje del agua.

4

Las Turbinas Pelton son: 

De chorro libre, está a la presión atmosférica



De admisión parcial, el líquido ataca sólo una parte del rodete



Tangenciales, el líquido ataca tangencialmente al rodete



De acción, el agua y el rodete tienen el mismo sentido

Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s), es la más eficiente en esos casos.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La energía potencial gravitatoria del agua, se convierte, prácticamente sin perdidas, en energía cinética, al salir el agua a través del inyector en forma de chorros, a una velocidad que corresponde a toda la altura del salto útil, se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los alabes, y así obteniéndose el trabajo mecánico deseado. Las formas cóncavas que los alabes muestran, hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo este, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los alabes, De este modo el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica.

5

La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera o inyector, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por esta, al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones del mismo, por disminución o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador. La arista que divide al alabe en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo.

Las dimensiones del álabe son proporcionales a los diámetros del chorro que impacta sobre él; el chorro a su vez está en función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El diámetro de chorro (do) está entre el 5% y el 12% del diámetro de la rueda (Dp). En la siguiente figura se muestra a detalle la forma del álabe y sus variables correspondientes.

6

REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD Para mantener constante la velocidad de la turbina, el caudal inyectado tiene que adaptarse en cada instante al valor de la carga, por lo que la posición del inyector tiene que ajustarse mediante un regulador que actúa según la velocidad de la turbina y en el caso más general, en forma automática según la siguiente figura.

Si se supone que la turbina se ha acelerado, el regulador (7) levantará la válvula (1) y el aceite a presión entrará en el cilindro grande haciendo bajar el embolo (8), con lo que la palanca (2) bajará y el deflector (6) cortará al chorro desviando una parte del mismo. 7

El punzón (5) que es retenido por la palanca (2), no avanza solidariamente con ésta, debido al huelgo de la hendidura (3), sino que es empujado lentamente por el agua a presión que pasa por un orificio estrecho, señalado en la figura y que actúa sobre el émbolo (4). El punzón en su avance llega a encontrarse con el tope inferior de la hendidura (3) que le impide seguir cerrando la salida del inyector. Si sobreviene una carga brusca, el émbolo (8) actuará en sentido contrario, tirando rápidamente la aguja (5) hacia atrás y llevando, simultáneamente, el deflector a su posición primitiva. Cuando se utilizan grandes caudales de agua y se emplea un solo inyector, las cazoletas resultan muy grandes y pesadas; también se encuentra el inconveniente de que toda la fuerza tangencial se ejerce en un solo punto de la rueda, lo que representa un desequilibrio dinámico. En consecuencia, conviene hacer el montaje de dos o más inyectores cuando el caudal lo requiera, por lo que las cazoletas estarán menos cargadas y, por lo tanto, serán más pequeñas. El par motor se distribuye más uniformemente sobre la periferia de la rueda, aumenta el número específico de revoluciones y a igualdad de diámetro del rodete, la turbina adquiere una velocidad angular mayor.

CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS PELTON Las turbinas PELTON se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven, por lo tanto existen dos clasificaciones: EJE HORIZONTAL Y EJE VERTICAL. POSICIÓN HORIZONTAL En esta posición solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como máximo, debido a la complicada instalación, la ventaja es la facilidad del mantenimiento de la rueda sin necesidad de desmontar la turbina.

8

POSICIÓN VERTICAL En esta posición se facilita la distribución de alimentación en un plano horizontal y con esto es posible aumentar el número de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por cada inyector. Se debe hacer referencia que en la posición vertical, se hace más difícil y, por ende, más caro su mantenimiento, lo cual nos lleva a que esta posición es más conveniente para aquellos lugares en donde se tengan aguas limpias y que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los álabes.

Factores que pueden afectar la eficiencia en las turbinas 

Fricción en la carcasa.



Fricción y turbulencia en las superficies guías.



Turbulencia según el agua que ingresa al rodete.



Fricción en la estructura del rodete.



Porosidad en los álabes y mal acabo de estos.

9

IV.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS

TURBINA PELTON

Marca Armfield Hydraulic Engineering, England. Tipo Pelton simple MK2 Serie 2061 – 61 Altura 175 pies 53m Velocidad max 1160rpm Potencia 5BHP

10

MOTOBOMBA

Motor trifásico Meuman Tipo 215DD1881 BB n° P424701 Potencia 7.5HP Velocidad 3600rpm Factor de servicio 1.15 BOMBA Bomba Sigmund pumps Ltd. Tipo N - NL3 Serie 147304

11

MANOMETROS

Chalinco Rango 0 – 40mH2O Aproximacion 1mH2O

12

DINAMOMETRO

TACOMETRO VERTEDERO REGLA METALICA

V.

PROCEDIMIENTO

Experiencia 1 

Encender la bomba y regular el inyector a una presión de 20 psi.



Medir la altura del linímetro para calcular el caudal.

13

Linimetro



Aplicamos carga al sistema (focos).



Tomamos las medidas de los RPM y fuerzas con el tacómetro y dinamómetro respectivamente.

La lectura del dinamómetro por la distancia del brazo nos da el torque



Acercamos el tacómetro al eje para poder hallar las revoluciones

Comenzamos las mediciones con una carga de un foco hasta llegar a una carga de diez focos.



En esta primera parte lo que se mantiene constante es la presión manométrica del inyector y el caudal.

Experiencia 2 14



Encender la bomba y regular el inyector a una presión de 30 psi.

Abrimos la válvula para tener menos caudal y así aumentar la presión de entrada



Medir la altura del linímetro para calcular el caudal.



Aplicamos carga al sistema (focos).



Tomamos las medidas de los RPM y fuerzas con el tacómetro y dinamómetro respectivamente.



Comenzamos las mediciones sin carga hasta llegar a una carga diez focos.



En esta segunda parte lo que se mantiene constante es la presión manométrica del inyector y el caudal.

Experiencia 3 

Encender la bomba y regular el inyector a una presión de 40 psi.



Medir la altura del linímetro para calcular el caudal.



Aplicamos carga al sistema (focos).



Tomamos las medidas de los RPM y fuerzas con el tacómetro y dinamómetro respectivamente. 15



Comenzamos las mediciones sin carga hasta llegar a diez focos.



En esta tercera parte lo que se mantiene constante es la presión manométrica del inyector y el caudal.

16

VI.

CALCULOS Y RESULTADOS:

a) Potencia Hidráulica (PH) PH  gQH ……… (1)

Dónde:

ρ:

densidad del agua.

g:

aceleración de la gravedad.

H:

altura simulada a altura útil.

Q:

caudal

H Donde

Vt:

Ae:





VT2 2g

velocidad de entrada a la boquilla. VT 

Donde

P

Q Ae

área de entrada a la boquilla (Φ=3”)

Q  1.416 xh Donde

h:

5 2

altura medida en el linímetro (en metros)

b) Potencia del Rodete (HPr) H Pr  QU (Vch  U )(1  k cos(  )) …………

Dónde:

U:

velocidad tangencial.

Cd:

coeficiente de descarga (0.98)

(2)

Vch: velocidad del chorro. K = 0.9 β = 10º

Vch  0.98 2 gH 17

𝑈= Dónde:

. 𝐷. 𝑁 60

N: Velocidad de rotación de la turbina (RPM) Dp=11.375”=288.925 mm

c) Potencia al Freno (BHP)

BHP  Fd * R * w ……… (3) Dónde:

Fd:

fuerza medida en el dinamómetro. 𝑤=

2. 𝑁 60

R = 3”=0.0762 m d) Eficiencia Mecánica (ηm)

m 

BHP …… (4) H Pr

h 

H Pr ……… (5) PH

T 

BHP ……… (6) PH

e) Eficiencia Hidráulica (ηh)

f) Eficiencia Total (ηT)

Experiencia 1 Presión (psi) 20

P 137895.2

88

caudal (m3/s) 0.0033

Area boquilla 0.0045

Q 0.0033

H 14.0974

PH 0.6024

Presión (pa)

h (mm)

137895.2

Vt 0.7197

18

Foco 1 2 3 5 7 10

N (RPM) 920 920 910 903 890 890

F (Kgf) 0.85 2.2 2.45 2.6 2.6 2.2

F (N) 8.33 21.56 24.01 25.48 25.48 21.56

Cálculo de los distintos valores de potencia y eficiencia N(RPM) 920 920 910 903 890 890

F(N) 8.33 21.56 24.01 25.48 25.48 21.56

T(Nm) 0.63 1.64 1.83 1.94 1.94 1.64

U(m/s) 13.92 13.92 13.77 13.66 13.46 13.46

HPr(HP) 0.27 0.27 0.29 0.30 0.31 0.31

BHP(HP) 0.08 0.21 0.23 0.25 0.24 0.21

nm(%) 30.19 78.13 81.79 83.30 77.50 65.58

nh(%) 45.08 45.08 47.43 49.04 51.95 51.95

Graficas de potencias y eficiencias vs velocidad angular

BHP vs N BHP(HP)

N(RPM)

0.082 0.212 0.234 0.246 0.243 0.205

920 920 910 903 890 890

BHP (HP)

0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 880

890

900

910

920

930

N (RPM)

HPr vs N HPr(HP) 0.272 0.272 0.286 0.295 0.313 0.313

N(RPM) 920 920 910 903 890 890

HPr (HP)

N° FOCOS 1 2 3 5 7 10

0.320 0.310 0.300 0.290 0.280 0.270 0.260 880

890

900

910

920

930

N (RPM)

19

nt(%) 13.61 35.22 38.80 40.85 40.27 34.07

T vs N 2.500

N(RPM) 920 920 910 903 890 890

2.000

T (Nm)

T(Nm) 0.635 1.643 1.830 1.942 1.942 1.643

1.500 1.000 0.500 0.000 880

890

900

910

920

930

920

930

920

930

N (RPM)

nm(%)

N(RPM)

30.19 78.13 81.79 83.30 77.50 65.58

920 920 910 903 890 890

nm (%)

nm vs N 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 880

890

900

910

N (RPM)

nt(%) 13.61 35.22 38.80 40.85 40.27 34.07

N(RPM) 920 920 910 903 890 890

nt (%)

nt vs N 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 880

890

900

910

N (RPM)

20

Experiencia 2 Presión (psi) 30

85

caudal (m3/s) 0.0030

Area boquilla 0.0045

Vt 0.6599

Q 0.0030

H 21.1286

PH 0.8279

N (RPM) 1060 1062 1022 1020 997 980

F (Kgf) 3 3.9 4.6 4.4 4.5 2.6

F (N) 29.4 38.22 45.08 43.12 44.1 25.48

Presión (pa)

h (mm)

206842.8

P 206842.8

Foco 0 1 3 5 7 10

Cálculo de los distintos valores de potencia y eficiencia N(RPM) 1060 1062 1022 1020 997 980

F(N) 29.4 38.22 45.08 43.12 44.1 25.48

T(Nm) 2.24 2.91 3.44 3.29 3.36 1.94

U(m/s) 16.04 16.07 15.46 15.43 15.08 14.83

HPr(HP) 0.47 0.47 0.52 0.53 0.55 0.57

BHP(HP) 0.33 0.43 0.49 0.47 0.47 0.27

nm(%) 70.54 92.42 94.29 89.59 85.06 46.68

nh(%) 57.08 56.74 63.13 63.43 66.78 69.12

Gráficas de potencias y eficiencias vs velocidad angular

BHP vs N BHP(HP)

N(RPM)

0.333 0.434 0.493 0.470 0.470 0.267

1060 1062 1022 1020 997 980

BHP (HP)

N° FOCOS 0 1 3 5 7 10

0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 960

980

1000

1020

1040

1060

1080

N (RPM)

21

nt(%) 40.27 52.44 59.53 56.83 56.81 32.26

HPr(HP) 0.473 0.470 0.523 0.525 0.553 0.572

N(RPM) 1060 1062 1022 1020 997 980

HPr (HP)

HPr vs N 0.700 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000

960

980

1000

1020

1040

1060

1080

1040

1060

1080

1040

1060

1080

N (RPM)

T vs N 4.000

N(RPM) 1060 1062 1022 1020 997 980

3.000

T (Nm)

T(Nm) 2.240 2.912 3.435 3.286 3.360 1.942

2.000 1.000 0.000 960

980

1000

1020

N (RPM)

nm vs N 120.00

N(RPM)

70.54 92.42 94.29 89.59 85.06 46.68

1060 1062 1022 1020 997 980

100.00

nm (%)

nm(%)

80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 960

980

1000

1020

N (RPM)

22

nh vs N 54.00

N(RPM) 1060 1062 1022 1020 997 980

52.00

nh (%)

nh(%) 57.08 56.74 63.13 63.43 66.78 69.12

50.00 48.00 46.00 44.00 880

890

900

910

920

930

N (RPM)

nt vs N 80.00

N(RPM) 1060 1062 1022 1020 997 980

60.00

nt (%)

nt(%) 40.27 52.44 59.53 56.83 56.81 32.26

40.00 20.00 0.00 960

980

1000

1020

1040

1060

1080

N (RPM)

Experiencia 3 Presión (psi) 40

82

caudal (m3/s) 0.0027

Area boquilla 0.0045

Vt 0.6032

Q 0.0027

H 28.1604

PH 1.0086

N (RPM) 1253 1195 1190 1080 1070 1050

F (Kgf) 3.2 4.1 5.3 6.2 6.3 6

F (N) 31.36 40.18 51.94 60.76 61.74 58.8

Presión (pa)

h (mm)

275790.4

P 275790.4

Foco 0 1 3 5 7 10

23

Cálculo de los distintos valores de potencia y eficiencia N(RPM) 1253 1195 1120 1080 1070 1050

F(N) 31.36 40.18 51.94 60.76 61.74 58.8

T(Nm) 2.39 3.06 3.96 4.63 4.70 4.48

U(m/s) 18.96 18.08 16.94 16.34 16.19 15.88

HPr(HP) 0.53 0.62 0.71 0.75 0.76 0.78

BHP(HP) 0.42 0.51 0.62 0.70 0.71 0.66

nm(%) 79.06 83.33 87.61 93.21 92.62 84.47

nh(%) 52.71 61.11 70.42 74.66 75.64 77.51

Gráficas de potencias y eficiencias vs velocidad angular

BHP vs N N(RPM)

0.420 0.514 0.622 0.702 0.707 0.660

1253 1195 1120 1080 1070 1050

BHP (HP)

0.800

BHP(HP)

0.600 0.400 0.200 0.000 1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1200

1250

1300

N (RPM)

HPr vs N 1.000

HPr(HP) 0.532 0.616 0.710 0.753 0.763 0.782

N(RPM) 1253 1195 1120 1080 1070 1050

0.800

HPr (HP)

N° FOCOS 0 1 3 5 7 10

0.600 0.400 0.200 0.000 1000

1050

1100

1150

N (RPM)

24

nt(%) 41.67 50.92 61.69 69.59 70.06 65.48

T vs N 5.000

N(RPM) 1253 1195 1120 1080 1070 1050

4.000

T (Nm)

T(Nm) 2.390 3.062 3.958 4.630 4.705 4.481

3.000 2.000

1.000 0.000 1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1200

1250

1300

N (RPM)

nm vs N 95.00

N(RPM)

79.06 83.33 87.61 93.21 92.62 84.47

1253 1195 1120 1080 1070 1050

90.00

nm (%)

nm(%)

85.00 80.00 75.00 1000

1050

1100

1150

N (RPM)

nh vs N 100.00

N(RPM) 1253 1195 1120 1080 1070 1050

nh (%)

80.00

nh(%) 52.71 61.11 70.42 74.66 75.64 77.51

60.00 40.00

20.00 0.00 1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

N (RPM)

25

nt vs N 80.00

N(RPM) 1253 1195 1120 1080 1070 1050

60.00

nt (%)

nt(%) 41.67 50.92 61.69 69.59 70.06 65.48

40.00 20.00 0.00 1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

N (RPM)

VII. RECOMENDACIONES 

Medir la potencia con el numero de lamparas, no da resultados muy exactos por que no se puede medir la potencia de las lamparas, ya que variaron su intesidad en cada experiencia



El tacometro no media el RPM muy bien ya que era variable el valor, por lo que tuvimos que tomar un valor promedio , y ademas en 2 tomas de datos llegaba a indicar el mismo numero



Verificar el la altura que indica el linimetro no debe cambiar, de lo contrario se debe reiniciar la experiencia



VIII. CONCLUSIONES Se observa que la eficiencia las turbinas pelton son mayores comparadas a la turbina Francis



Se demostró que la tendencia de las eficiencias(hidráulicas y mecánicas) con respecto al RPM es cuadrática



La relación T(torque-Nm) vs RPM es lineal descendente



Se observa que la potencia al rodete(HPr) siempre es mayor que la potencia al freno(BHP), en todos los casos

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