Informe Turbina Francis 4m2c3d

ENSAYO DETURBINA PELTON “AÑO DE LA INVERSIÓN PARA EL DESARROLLO RURAL Y LA SEGURIDAD ALIMENTARIA”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

TURBINA FRANCIS CURSO

: LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA

DOCENTE

: Ing. TOLEDO MANUEL SEBES

INTEGRANTES

:

RAMOS NUÑEZ, EDGAR JHONATAN

20114064B

TICLA PUENTE, PAUL

20110119G

YOPLA BASALDUA JORGE

20114027J

ZELAYA-DAMIAN-MIGUEL GUILLERMO 20110145H

SECCION

: “A”

LIMA – PERÚ 2014 Facultad de Ingeniería Mecánica

1

ENSAYO DETURBINA PELTON

ÍNDICE

Pag. RESUMEN TÉCNICO

…………………………………

3

INTRODUCCIÓN

…………………………………

4

OBJETIVO

…………………………………

5

MARCO TEÓRICO

…………………………………

6

EQUIPOS E INSTRUMENTOS

…………………………………

12

PROCEDIMIENTO

...............................................

15

HOJA DE DATOS

...............................................

16

CÁLCULOS Y RESULTADOS

...............................................

17

CONCLUSIONES

…………………………………

25

………………………………….

26

…………………………………

27

OBSERVACIONES

Y

RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFIA

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ENSAYO DETURBINA PELTON

RESUMEN TÉCNICO

El presente laboratorio tiene como objetivo determinar si las paletas directrices que regulan el caudal que entra al rodete generan mayor rendimiento si están parcialmente abiertas o totalmente cerradas. Esta experiencia fue guiada por el Ing. Toledo con quien se acordó ensayar con una presión de entrada de 5 metros de agua (corrige) y de trabajar con dos posiciones distintas de las paletas directrices, la primera parcialmente abierta y la segunda totalmente cerrada, de donde se tomaron 9 datos para cada caso. Esta experiencia nos permite determinar las condiciones de operación, digamos potencias, como potencia hidráulica (HPa), potencia del rodete (HPr), potencia al eje (BHP) y más importante la eficiencia total de la Turbina Francis, por consecuencia nos permitirá trazar curvas características de la turbina como BHP vs RPM y otras más de donde se podría predecir con que RPM existe mayor eficiencia.

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3

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INTRODUCCION: La turbina Francis es, en la actualidad, la turbina hidráulica típica de reacción de flujo radial. Lleva este nombre en honor al Ingeniero James B. Francis (18150-1892) a finales del siglo XIX, de origen inglés y que emigro a los

Estados

Unidos,

donde

fue

encargado

de

realizar

algunos

aprovechamientos hidráulicos. Utilizando turbinas centrípetas, esto es, con recorrido radial del agua de afuera hacia adentro, para una debida acción de en la transferencia energética del rotor. Ya Samuel Dowd había obtenido una patente de la turbina centrípeta en 1838, pero los perfeccionamientos hidráulicos introducidos por Francis fueron de tal naturaleza que se le dio su nombre. La turbina Francis ha evolucionado mucho desde entonces, encontrando buena aplicación en aprovechamientos hidráulicos de características muy variadas de carga y caudal, Se encuentran turbinas Francis en saltos de agua de 30 metros como también en saltos de 550 metros y con caudales que a veces alcanzan los 200 metros cúbicos por segundo y otras solo de 10 metros cúbicos por segundo, Esta versatilidad ha hecho que las turbinas Francis sea la turbina hidráulica más generalizada en el mundo hasta el momento. De acuerdo la ponderación de la sobre el caudal o viceversa, se originan unas particulares características en la máquina, que dan lugar a dos tipos no siempre completamente definidos, la turbina Francis pura y la Francis mixta. Ahora en la turbina Francis, el rotor con sus alabes son el elemento básico de la turbina, pues en él se logra la transferencia de energía. Completan la maquina otros elementos auxiliares que contribuyen a que la cesión de energía del agua pueda realizarse con buen aprovechamiento. Por eso se dispone de un ducto alimentador en forma de caracol circundando la máquina, el cual recibe el agua de la tubería de llegada y la sirve al rodete móvil por medio del distribuidor, este último regula el gasto de acuerdo con la potencia exigida en la turbina y además impone al líquido el giro necesario para su acción sobre lo alabes. En la descarga del agua de la maquina se instala otro ducto abocinado, llamado tubo de desfogue, que permite una ganancia en la gradiente de presión y mejora el rendimiento de la máquina.

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4

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OBJETIVO: 1. Determinar en qué dirección las paletas directrices genera un mayor rendimiento.

2. Interpretar el funcionamiento de la turbina Francis

3. Determinar los valores de las diferentes potencias presentes en la Turbina bajo distintas condiciones de operación tanto de altura, caudal y de carga.

4. Determinar los puntos de mayor eficiencia hidráulica, mecánica y total de la Turbina mediante la lectura de las curvas.

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MARCO TEORICO: TURBINAS FRANCIS I.

DEFINICIÓN: La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis.. Se trata de una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. 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.

Fig. 1Turbina Francis Y Rodete

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II.

DESARROLLO

Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadas históricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. En el siglo XIX las mejoras logradas en las turbinas hidráulicas permitieron que, allí donde se disponía de un salto de agua, pudiesen competir con la máquina de vapor. En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete de la turbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V. Poncelet diseñó una turbina de flujo interno que usaba los mismos principios, y S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en los EE.UU. para un diseño similar. En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños y desarrolló una turbina con el 90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbina más eficiente elaborada hasta la fecha. Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el nivel de desarrollo alcanzado (estado del arte) en lo referente al diseño e ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta eficiencia.

III.

PARTES:

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. Facultad de Ingeniería Mecánica

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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 itido, 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.

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IV.

APLICACIONES:

Se utilizan para producción de electricidad. Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada aprovechamiento hidroeléctrico, a efectos de lograr el máximo rendimiento posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas. También pueden utilizarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, utilizando dos embalses, uno a cota superior y otro inferior (contraembalse); el embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica. Se fabrican microturbinas Francis baratas para la producción individual de energía para saltos menores de 52 metros.

V.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS:

Ventajas de la turbina Francis o también llamada VGR 

Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.



Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.



Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones físicas, también permiten altas velocidades de giro.

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9

ENSAYO DETURBINA PELTON 

Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento.

Desventajas 

No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.



Hay que controlar el comportamiento de la cavitación.



No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal debido a que el rendimiento cae al disminuir el caudal de diseño, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.

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EQUIPOS E INSTRUMENTOS: Turbina Francis

Se utilizó un banco de pruebas de turbina Francis

Figura(). Banco de Pruebas Turbina Francis

La cual está conformada por: 1.- Electrobomba 2.- Turbina Francis 3.- Dinamómetro 4.- Vertedero Weirs

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 Una Turbina Francis

Especificaciones:

Marca: “ARMFIELD”. Serie: 2061-61. RPM: 1000. Altura: 20 pies. Tipo: Ns 36MK2. Potencia: 2.5 BHP

IMAGEN Figura() . Turbina Francis.

 Un Dinamómetro

Especificaciones:

Marca: “Salter”. Rango: 0 - 20 kg. Aproximación: 0.1 kg.

Figura(). Turbina Francis

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ENSAYO DETURBINA PELTON  Un Tacómetro de luz infrarroja

Especificaciones:

Marca: “Smith”. Aproximación: 0,01 rpm.

Figura(). Tacómetro de luz infrarroja.

 Un motor eléctrico acoplado a una bomba

Figura (). Motor eléctrico y bomba. Especificaciones:

Marca: “Newman”. Potencia: 10 BHP Velocidad: 3600 RPM

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ENSAYO DETURBINA PELTON  Un manómetro Especificaciones: Marca: “Chalinco”. Rango: 0 – 10 mH2O. Aproximación: 0.1 mH2O

Figura (). Manómetro  Un vertedero Weirs triangular

α=90°

Cd=0.6

Figura (). Vertedero

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PROCEDIMIENTO: 1. Seleccionar una altura de funcionamiento que debe permanecer constante durante todo el tiempo.

2. Para una determinada posición de los alabes directrices se hace variar la carga al freno con unas pesas.

3. Para cada carga aplicada tomar datos de la velocidad, de la fuerza en el dinamómetro, de la pesa y de la altura del limnimetro.

4. Repetir el paso anterior para otros dos angulos o aperturas de los alabes directrices

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HOJA DE CÁLCULOS: De la experiencia de laboratorio se tomaron los siguientes datos: Radio del brazo en el dinamómetro R= 7.62 cm. El ensayo se realizó para las condiciones climáticas siguientes: PRESIÓN BAROMÉTRICA: 754 mmHg T.B.S: 26.086 ℃ T.B.H: 21.645 ℃ HUMEDAD RELATIVA: 65%

.

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CALCULOS Y RESULTADOS Constantes: Peso específico del agua Aceleración de la gravedad Presión de ingreso

ɣ g P1

9810 N/m3 9.81 m/s2 5psi

<>

34464.28 Pa Diámetro de ingreso

D1

0.152m

Diámetro de salida

D2

0.25m

Radio de la volante

R

6 pulg = 0.1524m

a. Cálculo de la Potencia hidráulica (HPa)

Donde: HPa: Potencia hidráulica (HP) ɣ = Peso específico (9810 N/m3) Q = Caudal (m3/s) He = Altura efectiva (m) h = Altura del limnimetro

La altura efectiva la determinamos mediante la fórmula de Bernoulli.

Donde: Z : Altura geodésica = 1.21 – h (altura en el limnímetro) V1: Velocidad en la entrada (m/s) V2: Velocidad en la salida (m/s)

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b. Calculo de Potencia al eje (BHP)

En este caso se utilizó un freno Prony para simular la potencia al freno. La carga se realiza mediante el aumento de pesas. BHP = Txω T = fxR

f=D-W

Donde: BHP: Potencia al freno (W) T: Torque (N.m) ω: Velocidad angular del eje(rad/s) f: Fuerza de fricción (N) R: Radio de la volante D: Fuerza medida en el dinamómetro (N) W: Peso que le agrega a la báscula (N)

c. Eficiencia Total (nT)

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ENSAYO 1: Alabes completamente abiertos. Para una presión de entrada de 5psi para cada punto.

Punto

D (Kg)

W(Kg)

N (rpm)

h(m)

Q(m3/s)

1

1.8

1

1131

0.169

0.0166

2

2.7

1.5

1100

0.171

0.0171

3

3.5

2

1065

0.173

0.0176

4

4

2.5

1000

0.175

0.0181

5

5.4

3

960

0.178

0.0189

6

6.3

3.5

915

0.181

0.0197

7

7.2

4

848

0.182

0.0200

8

8.1

4.5

810

0.184

0.0206

9

9.1

5

680

0.185

0.0208

10

10

5.5

620

0.185

0.0208

Resultado aplicando la formulas planteadas anteriormente. Calculamos la potencia hidráulica.(HPa)

Potencia hidráulica V1(m/s)

V2(m/s)

Z(m) = 1,21 -h

HE(m)

HPa(w)

HPa(HP)

0.9162

0.3387

1.0410

4.5911

748.8029

1.0038

0.9436

0.3488

1.0390

4.5914

771.1939

1.0338

0.9714

0.3591

1.0370

4.5917

794.0013

1.0643

0.9997

0.3696

1.0350

4.5922

817.2299

1.0955

1.0431

0.3856

1.0320

4.5931

852.8730

1.1433

1.0876

0.4021

1.0290

4.5942

889.4913

1.1923

1.1027

0.4076

1.0280

4.5947

901.9171

1.2090

1.1333

0.4189

1.0260

4.5957

927.1025

1.2428

1.1487

0.4246

1.0250

4.5962

939.8633

1.2599

1.1487

0.4246

1.0250

4.5962

939.8633

1.2599

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ENSAYO DETURBINA PELTON

Calculamos la potencia al eje.(BHP)

Potencia al eje BHP f=(D-W)*9,81

T(N*m)

w(rad/s)

BHP(w)

BHP(HP)

nT

7.8480

1.1960

118.4380

141.66

0.1899

18.92%

11.7720

1.7941

115.1917

206.66

0.2770

26.80%

14.7150

2.2426

111.5265

250.11

0.3353

31.50%

14.7150

2.2426

104.7198

234.84

0.3148

28.74%

23.5440

3.5881

100.5310

360.72

0.4835

42.29%

27.4680

4.1861

95.8186

401.11

0.5377

45.09%

31.3920

4.7841

88.8024

424.84

0.5695

47.10%

35.3160

5.3822

84.8230

456.53

0.6120

49.24%

40.2210

6.1297

71.2094

436.49

0.5851

46.44%

44.1450

6.7277

64.9262

436.80

0.5855

46.48%

Graficas Grafico BHP vs RPM

BHP vs RPM Potencia al eje (HP)

0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 600

700

800

900 N(rpm)

1000

1100

1200

Grafico T vs RPM

Facultad de Ingeniería Mecánica

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ENSAYO DETURBINA PELTON

T vs RPM 8

Torque (N.m)

7 6 5 4 3 2 1 0 600

700

800

900

1000

1100

1200

N(rpm)

Grafico nt vs RPM

nt vs RPM Eficiencia Total

60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 600

700

800

900

1000

1100

1200

N(rpm)

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ENSAYO DETURBINA PELTON ENSAYO 2: Alabes semiabiertos. Para una presión de entrada de 5psi para cada punto.

Punto

D (Kg)

W(Kg)

N (rpm)

h(m)

Q(m3/s)

1

2.1

1

1205

0.214

0.0300

2

3.2

1.5

1160

0.218

0.0314

3

4

2

1105

0.221

0.0325

4

5.1

2.5

1127

0.226

0.0344

5

5.9

3

1105

0.227

0.0348

6

8.8

5

1082

0.233

0.0371

7

10.7

6

1010

0.234

0.0375

8

12.2

7

960

0.236

0.0383

9

13.7

8

905

0.237

0.0387

Resultado aplicando la formulas planteadas anteriormente. Calculamos la potencia hidráulica.

Potencia hidráulica V1(m/s)

V2(m/s)

Z(m) = 1,21 -h

HE(m)

HPa(w)

HPa(HP)

1.6532

0.6111

0.9960

4.6294

1362.3705

1.8262

1.7315

0.6401

0.9920

4.6371

1429.2913

1.9159

1.7917

0.6623

0.9890

4.6434

1480.9921

1.9852

1.8948

0.7004

0.9840

4.6552

1570.1381

2.1047

1.9158

0.7082

0.9830

4.6577

1588.4261

2.1293

2.0449

0.7559

0.9770

4.6742

1701.4855

2.2808

2.0669

0.7641

0.9760

4.6772

1720.8980

2.3068

2.1114

0.7805

0.9740

4.6833

1760.2252

2.3596

2.1338

0.7888

0.9730

4.6865

1780.1432

2.3863

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ENSAYO DETURBINA PELTON Calculamos la potencia al eje. Potencia al eje BHP f=(D-W)*9,81

T(N*m)

w(rad/s)

BHP(w)

BHP(HP)

nT

10.7910

1.6445

126.1873

207.52

0.2782

15.23%

16.6770

2.5416

121.4749

308.74

0.4139

21.60%

19.6200

2.9901

115.7153

346.00

0.4638

23.36%

25.5060

3.8871

118.0192

458.75

0.6150

29.22%

28.4490

4.3356

115.7153

501.70

0.6725

31.58%

37.2780

5.6812

113.3068

643.71

0.8629

37.83%

46.1070

7.0267

105.7670

743.19

0.9962

43.19%

51.0120

7.7742

100.5310

781.55

1.0477

44.40%

55.9170

8.5218

94.7714

807.62

1.0826

45.37%

Gráficas Grafico BHP vs RPM

BHP vs RPM Potencia al eje (HP)

1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 850

900

950

1000 1050 N(rpm)

1100

1150

1200

1250

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ENSAYO DETURBINA PELTON Grafico T vs RPM

Torque (N.m)

T vs RPM 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

N(rpm)

Grafico nt vs RPM

nt vs RPM Eficiencia Total

50% 40% 30% 20% 10% 0% 850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

N(rpm)

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ENSAYO DETURBINA PELTON

CONCLUSIONES  En las gráficas de potencia al eje y la eficiencia en función de las r.p.m. del rodete, se logra observar sus concavidades hacia abajo, por lo tanto en la eficiencia de la turbina francis indica que cuando se aumente la carga, disminuye la velocidad de rotación pero aumenta la potencia, así se logrará una eficiencia máxima y después la eficiencia disminuirá.  Al observar las gráficas torque con velocidad angular, se puede observar que cuando la potencia del agua aumenta, existirá un mayor torque en el eje, lo anterior es deducible ya que cuando se le entrega mayor potencia al eje este tendrá mayor resistencia.  Al tener álabes semiabiertos la velocidad angular que alcanza el rodete y su caudal son mayores para una presión de entrada constante.

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RECOMENDACIONES Y OBSERVACIONES

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BIBLIOGRAFIA 1. SIFUENTES J. Fluidos II (Teoría) 2. IRWING H. SHAMES. Mecánica de Fluidos 3. CLAUDIO MATAIX, Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas, Turbinas de acción: turbinas Pelton. 4. MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANCA II –UNI FIM, Turbinas Hidráulicas

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