UNIVERSIDAD TECNICA DE ORUROFACULTAD NACIONAL DE INGENIERAINGENIERA MECNICA ELECTROMECNICALABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICASAbril2015Pgina 1 LMH 2252 - 01

ANALISIS DEL BANCO DE PRUEBAS DE LATURBINA PELTON

UNIVERSIDAD TCNICA DE ORUROFACULTAD NACIONAL DE INGENIERAINGENIERA MECNICA ELECTROMCANICA

LABORATORIO DE MQUINAS . HIDRAULICAS

MEC 2252 A ^ MEC 2253 A LABORATORIO N 4 TEMA: ANALISIS DEL BANCO DE PRUEBAS DE LATURBINA PELTON

NOMBRES: UNIV. BELLOT CUENTAS ROGER EDSON MEC- 2252 A UNIV. ROJAS CALDERON ARTURO OMAR MEC- 2253 A

DOCENTE DE TEORIA: ING. GARNICA SALGUERO ALBERTODOCENTE DE LABORATORIO: ING. FLORES CASTILLO CARLOS

FECHA DE REALIZACIN: MIERCOLES 10 DE JUNIO 2015 A Hrs. 10:30 12:00FECHA DE ENTREGA: LUNES 15 DE JUNIO DE 2015

ORURO - BOLIVIAINDICE1. INTRODUCCION..12. ANTECEDENTES13. OBJETIVOS..14. FUNDAMENTO TEORICO.....14.1. TIPOS DE TURBINAS..14.2. ECUACION DE TORRICELLI.24.3. ESFUERZO PULSATORIO.......34.4. POTENCIA HIDRAULICA.....34.5. POTENCIA EN EL EJE...34.6. CUCHARAS DE TURBINAS PELTON O CANGILONES....34.7. DIMENCIONADO DE CUCHARAS DE TURBINA PELTON........44.8. DISTRIBUIDOR DE TURBINA PELTON.54.9. IMPUREZAS ABRASIVAS DENTRO DEL AGUA.......65. METODOLOGIA...65.1. EQUIPO MATERIAL E INSTRUMENTOS......65.2. FICHAS TECNICAS DE INSTRUMENTOS...75.3. MONTAJE DEL EQUIPO.....85.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL....95.5. REGISTRO DE DATOS....135.6. CALCULOS.....135.6.1. DETERMINAR LA POTENCIA HIDRULICA DEL FLUIDO DE TRABAJO.135.6.2. DETERMINAR EL RENDIMIENTO TOTAL DE LA TURBINA...135.7. RESULTADOS145.8. CONCLUSIONES..156. BIBLIOGRAFIA15

1. INTRODUCCIONLa necesidad de utilizar energa mecnica para diversos objetivos como ser bombeo de agua, generacin de energa elctrica, triturado de cereales, etc. Ha originado una diversa variedad de mtodos de aprovechar la energa hidrulica de los fluidos, con el fin de satisfacer estos requisitosUno de los principales transformadores de energa utilizados en todo el mundo son las turbinas que generan energa mecnica a partir de energa hidrulica. En el siguiente laboratorio se analizara el funcionamiento de las turbinas pelton2. ANTECEDENTESLa Turbina Pelton tiene la peculiaridad de aprovechar solamente la energa cintica del fluido, pues no existe gradiente de presin entre la entrada y la salida de la mquina.La energa cintica del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubera a presin. La tobera est provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo el conjunto el rgano de alimentacin y de regulacin de la turbina.Las turbinas Pelton aumentan la velocidad del fluido mediante esta tobera, produciendo un chorro de agua dirigido a gran velocidad hacia las paletas. Debido a la forma de stas, el chorro gira en casi 180, con lo cual se produce un cambio de momento que se traspasa al eje. 3. OBJETIVOS Conocer el funcionamiento y montaje de turbinas pelton Saber reconocer las caractersticas importantes para la eleccin de una turbina pelton Determinar el rendimiento total del sistema de experimentacin4. FUNDAMENTO TEORICO4.1. TIPOS DE TURBINAS PELTON4.1.2. TURBINAS PELTON DE EJE VERTICAL:

Fig. 4.1. Turbina pelton de eje verticalEn este tipo de turbinas Pelton el nmero de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalacin en un plano vertical de las tuberas de alimentacin y las agujas de inyeccin. Este sistema de montaje encuentra aplicacin en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable accin abrasiva. Con el eje horizontal se hace tambin posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales.4.1.3. TURBINAS PELTON DE EJE HORIZONTAL:

Fig. 4.2. Turbina pelton de eje horizontalEn este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocacin del sistema de alimentacin en un plano horizontal, lo que permite aumentar el nmero de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud del eje turbina-generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el dimetro de rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia. Esto hace que la utilizacin de esta disposicin en turbinas Pelton sea ms ventajosa que la disposicin horizontal. Su aplicacin es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspeccin y las reparaciones con este montaje se hacen ms difciles.Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican tambin en sencillas (un rodete y un chorro) y mltiples. Las turbinas Pelton se multiplican por el nmero de chorros, llamndose Pelton doble, triple, etc. Las turbinas Pelton sxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron un tiempo en desuso, por la complicacin que entraa su duodcuple regulacin (6 inyectores y 6 pantallas deflectoras y por tanto, 12 servomotores).4.2. TEOREMA DE TORRICELLIEl teorema de Torricelli es una aplicacin del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un lquido contenido en un recipiente, a travs de un pequeo orificio, bajo la accin de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de un lquido por un orificio. "La velocidad de un lquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendra un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vaco desde el nivel del lquido hasta el centro de gravedad del orificio."Donde:

Vt: es la velocidad terica del lquido a la salida del orificio. Vo: es la velocidad de aproximacin. h: es la distancia desde la superficie del lquido al centro del orificio. g: es la aceleracin de la gravedad.Para velocidades de aproximacin bajas, la mayora de los casos, la expresin anterior se transforma en:Donde:

Vr: es la velocidad real media del lquido a la salida del orificio. Cv: es el coeficiente de velocidad. Para clculos preliminares en aberturas de pared delgada puede admitirse 0.95 en el caso ms desfavorable, tomando =1.Experimentalmente se ha comprobado que la velocidad media de un chorro de un orificio de pared delgada, es un poco menor que la ideal, debido a la viscosidad del fluido y otros factores tales como la tensin superficial, de ah el significado de este coeficiente de velocidad. 4.3. ESFUERZO PULSATORIOEste tipo de esfuerzo se define como la aplicacin de fuerza pulsante sobre una superficie. Como ejemplo tenemos a un martillo golpeando un clavo4.4. POTENCIA HIDRAULICALa potencia hidrulica se refiere a la potencia que tiene el fluido de trabajo, para nuestro laboratorio utilizaremos la ecuacin.

4.5. POTENCIA EN EL EJELa potencia mecnica tambin es conocida como potencia en el eje y puede ser calculada por la siguiente ecuacin.

Donde:

4.6. CUCHARAS DE TURBINAS PELTON O CANGILONESLas cucharas tienen una forma caracterstica, tal como puede apreciarse en la donde se aprecia la seccin de entrada y la seccin de salida: presentan una mella en la parte externa, son simtricas en la parte axial, y presentan una cresta centra la filada. Las dimensiones de las cucharas, y su nmero, dependen del dimetro del chorro que incide sobre ellas: cuanto menor sea ese dimetro, ms pequeo sern las cucharas y mayor nmero de ellas se situaran en el rodete. La mella, con una cuchara ligeramente superior al dimetro del chorro, tiene como funcin evitar el rechazo. El mximo aprovechamiento energtico del fluido se obtiene cuando el chorro incide perpendicularmente sobre la cuchara. Pero, al girar el rodete, cuando se aparta una cuchara y llega la siguiente, esta tapa a la anterior antes de estar en condiciones de aprovechar su energa adecuadamente. La mella evita que una cuchara tape a la anterior demasiado pronto.

Fig. 4.3. Dimensiones de un cangiln

4.7. DIMENCIONADO DE CUCHARAS DE TURBINA PELTONEl dimensionado de una turbina pelton se realiza primeramente en funcin de la potencia requerida.Una vez conocida la potencia requerida podemos regular el caudal mediante el estrangulamiento de la tobera de impulsin.

Fig. 4.4. Turbina pelton de eje horizontalEl radio medio del rodete ser determinado tomando en cuenta que el chorro de fluido de trabajo debe impactar con 3 cucharas de la turbina simultneamente.4.8. DISTRIBUIDOR DE TURBINA PELTON

4.8.1. INYECTOREl inyector es el rgano regulador del caudal del chorro; consta de una vlvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el dimetro mximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo dimetro d se mide en la seccin contrada, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presin exterior es igual a la atmosfrica.El chorro est constituido por un ncleo central convergente de agua y una seccin anular creciente que contiene una emulsin de agua y aire.Con el fin de asegurar una buena regulacin, conviene disear el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y ste, a su vez, a la seccin de paso normal al flujo.

Fig. 4.5. Esquema de inyector4.8.2. TOBERASe entiende como tal, una boquilla, normalmente con orificio de seccin circular (puede tratarse de otra seccin), de un dimetro aproximado entre 5 y 30 cm, instalada en la terminacin de la cmara de distribucin.

Fig. 4.6. Instalacin de tobera

4.9. IMPUREZAS ABRASIVAS DENTRO DEL AGUA (PARTICULAS DE SILICIO)

El Silicio no se encuentra en estado libre en la naturaleza, sino ms bien como Slice (SiO2) en forma de cristales, combinada con otros xidos y metales en una variedad de silicatos.

La solubilidad de la slice en las aguas naturales depende del pH y de silicatos particulares. El silicio normalmente se indica como slice cuando se analizan rocas, sedimentos, suelo y agua. La slice es solo ligeramente soluble en agua; la solubilidad y forma de la slice en agua depende del pH del agua y de los minerales, que contengan slice, en contacto con agua. Su presencia en el agua de aplicaciones industriales es perjudicial ya que provoca incrustaciones.

En modo particular, las plantas de calefaccin y de osmosis inversa necesitan una monitorizacin cuidadosa de la concentracin de slice en el agua.

El contenido de slice del agua natural est en el rango de 5 a 25 ppm. Es importante calcular la concentracin de slice en el caso de algunas instalaciones industriales tales como sistemas de generacin de vapor y de refrigeracin de agua.

El slice se encuentra en todas las aguas naturales en forma de minerales disueltos. Sin embargo su presencia en aplicaciones industriales causa problemas debido a incrustaciones. En particular, las turbinas de alta presin son altamente afectadas por este factor.

5. METODOLOGIA5.8. EQUIPO MATERIAL E INSTRUMENTOS Manmetro diferencial digital Tubo de Venturi Lector de caudal Bomba hidrulica Dinammetro (incorporado) Tacmetro (incorporado) Regla

5.9. FICHAS TECNICAS DE INSTRUMENTOSDATOS GENERALES

NombreMedidor de Caudal

Fig. 5.1 Medidor de Caudal

Tipo------

MarcaBlue-White Industries

IndustriaE.E.U.U.

Colornegro

Caractersticas de medicin

Unidades[gal/min]

Minimomaximo

Alcance----------------------

Sensibilidad0.1------------

Ficha Tcnica 1DATOS GENERALES

NombreManmetro digital

Fig. 5.2. Manmetro

TipoDigital

MarcaP C E

Industria ------------

ColorManmetro digital

Caractersticas de medicin

Unidadesm.c.a.

Sensibilidad0.01

Ficha Tcnica 2

DATOS GENERALES

NombreMedidor de fuerza

Fig. 5.3. Medidor de fuerza

TipoDual Ranger

MarcaVernier

Industria

Colornegro

Caractersticas de medicin

Unidades[N]

Alcance10 - 50

Sensibilidad------------

Incertidumbre-------------

Ficha tcnica 3

5.10. MONTAJE DEL EQUIPO

Fig. 5.4. Montaje del Banco de pruebas de una Turbina Pelton

5.11. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se dio una breve explicacin sobre turbinas y con fines demostrativos se mostr la siguiente turbina:

Fig. 5.5. Turbina Francis Se procedi con una explicacin a cerca del dimensionado de turbinas pelton tomando en cuenta la ecuacin de Torricelli, tambin se habl sobre el dimensionado del ancho de las cucharas simtricas en funcin del dimetro de chorro que est en funcin de la potencia hidrulica

Fig. 5.6. Turbina Pelton quebrada en los alabes Se procedi con la explicacin sobre la seleccin de material a utilizar para la construccin de una turbina principalmente este est en funcin del tipo de fluido de trabajo y de su composicin. Tambin hablamos sobre el efecto que tienen las partculas de slice (abrasivo) que estn dentro de un fluido de trabajo generando rugosidades sobre las cucharas que idealmente deben estar perfectamente pulidas Se procedi con una explicacin acerca del efecto que genera de la cavitacin, ocasionando que la vida til de nuestra turbina disminuya ya que genera porosidades, grietas, quiebres en las cucharas de la turbina Se dio una explicacin acerca del tipo de esfuerzo que se realiza en las cucharas de la turbina el cual es ESFUERZO PULSATORIO que a la larga ocasiona el quiebre de las cucharas por el constante esfuerzo en el que estn sostenido las cucharas. Una vez identificado el tipo de esfuerzo fue posible fundamentar por qu las cucharas tienen un nervio tan prominente en su parte posterior ya que este ayuda a disipar la carga en el rodete y prolonga la vida til de la turbina Nos indic que en Bolivia es el tipo de turbina ms utilizada especialmente por el oriente Se procedi con una breve explicacin a cerca de la forma de las cucharas, principalmente sobre el porqu de la entalladura Este tipo de entalladura se utiliza para que el chorro de fluido golpee simultneamente a 3 cucharas de la turbina pelton a la vez esto es conveniente para aumentar la vida til de la turbina ya que si el chorro impactara sobre una sola cuchara ocasiona que todo el esfuerzo en un instante de tiempo sea concentrado en una sola de ellas esto es un 300% superior de que si usramos la entalladura de tipo

Fig. 5.7. Cucharas de la turbina pelton Se dio una explicacin sobre la tobera que alimenta a la turbina y la importancia que esta tiene para regular la cantidad de potencia requerida en el eje de la turbina (potencia mecnica)

Fig. 5.8. Tobera distribuidora de la turbina pelton Se dio una explicacin de supuestos casos que pueden ocurrir si la turbina trabajara sin carga alguna, esto ocasiona que la velocidad angular de la turbina aumente, tambin genera vibraciones en el rotor que daan los rodamientos de los cojinetes que soportan el eje de la turbina Para evitar los daos producidos en las cucharas ocasionadas por el incremento de la velocidad angular se cuenta con un accesorio que cuenta con un mecanismo que ayuda a desviar el chorro de fluido de trabajo cuando la turbina empieza a alcanzar una velocidad angular elevada

Fig. 5.9. Mecanismo de accionamiento del re direccionamiento de emergencia Se logr identificar varias falencias que tiene la turbina del banco de pruebas tales como: No cuenta con la entalladura No cuentan con un nervio prominente Se encuentra desbalanceada ocasionando vibraciones La superficie de las cucharas no se encuentra pulida La direccin del chorro de fluido de trabajo tiende hacia una de las caras de las cucharas, ocasionando esfuerzos de tipo axial en el eje del rodete Se design un grupo de trabajo para la experimentacin en el banco de pruebas de la turbina pelton del laboratorio de mquinas hidrulicas de la siguiente manera: Encargado de controlar la presin de salida en la tubera de salida de la bomba Encargado de leer el caudal en [gal/min]

Fig. 5.10. Medidor de caudal del tubo de Venturi Encargado de manipular el regulador de fuerza de apriete en el eje de la turbina

Fig. 5.11. Regulador de fuerza de apriete Encargado de accionar la bomba de trabajo

Fig. 5.12 Accionador de la bomba Encargado de manipular y leer las lecturas de fuerza y revoluciones por minuto del eje de la turbina

Fig. 5.13. Lectura del instrumento de medicin de fuerza y vel. angular El grupo de trabajo tuvo xito en la segunda lectura realizada

5.12. REGISTRO DE DATOSFluido de trabajo

Caudal "Q"48 [gal/min]0,00302832 [m^3/s]

Altura "H"3,08 [m]

Tabla 5.1. Datos para clculo de potencia hidrulica

Eje de turbina

Fuerza "F"24,35[N]

Brazo "d"0,27[m]

Vel. Angular w14,806[rad/s]

Tabla 5.2. Datos para clculo de potencia en el eje de la turbina5.13. CALCULOS5.13.1. DETERMINAR LA POTENCIA HIDRULICA DEL FLUIDO DE TRABAJO Determinamos la potencia hidrulica con la ayuda de la siguiente ecuacin Remplazando datos para un fluido de trabajo agua

5.13.2. DETERMINAR EL RENDIMIENTO TOTAL DE LA TURBINA Primero debemos calcular la potencia en el eje de la turbina

Pero el momento torsor es igual a fuerza por distancia entonces

Remplazando datos tenemos:

Para calcular el rendimiento total del sistema en particular utilizamos la siguiente ecuacin

Pero:

Entonces

Y sabemos que para turbinas:

Remplazando valores tenemos:

5.14. RESULTADOSTABLA DE RESULTADOS

91,500[w]

97,342[w]

1,064

Tabla 5.3. Resultados finales

5.15. CONCLUSIONES Nuestro sistema viola la segunda ley de la termodinmica al generar una potencia en el eje mayor a la potencia suministrada (potencia hidrulica) Uno o varios de nuestros equipos de medicin se encuentran des calibrados y tienen un error de tipo sistemtico La turbina tiene un rendimiento bajo ocasionado por la precaria manufactura de su construccin La potencia til siempre es menor que la potencia suministrada Es posible el clculo de la potencia mecnica e hidrulica con los instrumentos de laboratorio La turbina pelton es una turbina de bajo rendimiento generalmente

5.16. BIBLIOGRAFIA Claudio Mataix; Mecnica de fluidos y maquinas hidrulica; Ediciones del Castillo; 1996; Madrid Wikipeda; Ventiladores; Pagina http://www.wikipedia.com/ventiladores; acceso en 11 - 10 -11 a horas 15:30 http://www.infoagro.com/instrumentos_medida/medidor.asp?id=6030&_medidor_de_silice_en_agua_fotometo_hi_96705_tienda_on_line