Practica Turbina Francis

8/3/2019 Practica Turbina Francis

1/20

Instituto Politcnico NacionalEscuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Unidad Profesional Culhuacn

Laboratorio de Ingeniera Hidrulica

Practica: Turbina Francis

Profesor: Ing. Armando Garca Espinoza

Alumnos:

Garca Santiago Arturo IssacHernndez Ortega Mayra GracielaOlgun Tinajero Omar AdrinRodrguez Hernndez Jorge Eduardo

Grupo: 7MV-1

31 Agosto 2011


2/20

1. Objetivo:

Observar y analizar el comportamiento de una turbina Francis y obtenermediante los instrumentos que se emplean, los datos de las energas que semanejan para calcular y trazar sus curvas.

2. Consideraciones Tericas:

La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomquina motora a reaccin y de flujo mixto.

Las turbinas Francis son turbinas hidrulicas que se pueden disear para unamplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos dedesnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, juntocon su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el msampliamente usado en el mundo, principalmente para la produccin de energa

elctrica mediante centrales hidroelctricas.

Las norias y turbinas hidrulicas han sido usadas histricamente para accionarmolinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. En el siglo XIXlas mejoras logradas en las turbinas hidrulicas permitieron que, all donde sedispona de un salto de agua, pudiesen competir con la maquina de vapor.

En 1826 Benoit Fourneyron desarroll una turbina de flujo externo de altaeficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a travs del rodete de laturbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V. Poncelet dise unaturbina de flujo interno que usaba los mismos principios, y S. B. Howd obtuvoen 1838 una patente en los EE.UU. para un diseo similar.

En 1848 James B. Francis mejor estos diseos y desarroll una turbina con el90% de eficiencia. Aplic principios y mtodos de prueba cientficos paraproducir la turbina ms eficiente elaborada hasta la fecha.

Ms importante, sus mtodos matemticos y grficos de clculo mejoraron elnivel de desarrollo alcanzado (estado del arte) en lo referente al diseo eingeniera de turbinas. Sus mtodos analticos permitieron diseos seguros deturbinas de alta eficiencia.

Rodete Turbina Francis


3/20

Partes:

Caja espiral:

Tiene como funcin distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete

de una turbina

Pre distribuidor:

Tienen una funcin netamente estructural, para mantener la estructura de lacaja espiral, tienen una forma hidrodinmica para minimizar las prdidashidrulicas.

Distribuidor:

Es el nombre con que se conocen los labes directores de la turbomquina, su

funcin es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar alfluido para mejorar el rendimiento de la mquina. Este recibe el nombre dedistribuidor Fink.

Rotor

Es el corazn de la turbina, ya que aqu tiene lugar el intercambio de energaentre la mquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo delnmero de giros especfico para el cual est diseada la mquina.

Tubo de aspiracin

Es la salida de la turbina. Su funcin es darle continuidad al flujo y recuperar elsalto perdido en las instalaciones que estn por encima del nivel de agua a lasalida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto deaspiracin, el cual recupera parte de la energa que no fuera entregada al rotoren su ausencia.

Alabes Directores Min. Caudal Alabes Directores Max. Caudal


4/20

3. Mtodo de Operacin:

Prueba a Velocidad Variable

1. Verifique la Vlvula de la bomba este cerrada y que el ngulo del distribuidor

de la turbina sea 0

2. Energice la bomba y lea el valor de la presin a vlvula cerrada, es decir agasto igual a 0. Este dato le servir para que posteriormente recurra a la curvacaracterstica de la bomba para obtener el dimetro del impulsor de la misma.Tambin con eta curva caracterstica se encontraran los valores de caudalcorrespondientes a cada valor de presin.

3. Abra completamente la vlvula de descarga de la bomba posteriormentedeslice la palanca del distribuidor en forma lenta hasta 15

4. Con el freno vari el torque hasta obtener las r.p.m. de la turbina propuestasen el cuadro de datos y registre los valores que se piden para cada lectura.Tome la lectura del nivel de acuerdo al plano de la instalacin.

5. Al concluir la prueba a velocidad variable lleve a 0 el distribuidos y libere elfreno de la turbina.

Prueba a Velocidad Constante

1. Mueva la palanca del distribuidor a los grados que indica el cuadro de datoscon el freno de la turbina alcanzar para diferentes lecturas una velocidadconstante de 1200 r.p.m. Si en las primeras posiciones del distribuidor noalcanza la vel. indicada contine con la sig., posicin del distribuidor.

2. Registre las lecturas que se piden en el cuadro de datos. Tome la lectura delnivel de acuerdo al plano de la instalacin

3. Al finalizar la practica cierre completamente la vlvula de descarga de laboba y apguela.


5/20

4. Cuadro de Datos:

a) Prueba a Velocidad Variable:

Concepto

Lecturas

1 2 3 4 5 6 7 8Angulo

Distribucin15 15 15 15 15 15 15 15

Velocidad(r.p.m.)

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600

Presin deDescarga

Bomba(Pdb=Kg/cm2)

0.1 0.9 0.8 0.9 0.85 0.85 0.85 0.85

Presin de

entrada a laTurbina

(Pt=Kg/cm2)

1 1 1 0.9 0.95 0.9 0.9 0.9

Nivel (cm) 8 9 9.5 9.5 9.5 9.7 9.7 9.5Caudal

(Qb=m3/s)

0.062 0.056 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055

Fuerza (N) 45 34.5 45 70 71 71 71 71

b) Prueba a Velocidad Constante:

ConceptoLecturas

1 2 3 4 5 6 7 8

Angulodistribucin

0 5 10 15 20 25 30 35

Velocidad(r.p.m.)

1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200

Presin deDescarga

Bomba(Pdb=Kg/cm2)

1.3 1.2 1 0.9 0.75 0.65 0.55 0.5

Presin deentrada a la

Turbina(Pt=Kg/cm

2)

1.3 1.25 1.05 0.9 0.75 0.65 0.55 0.5

Nivel 5 6 8 9.3 10.7 11 11 11.5Caudal

(Qb=m3/s)

0.063 0.063 0.059 0.056 0.048 0.047 0.047 0.045

Fuerza (N) 20 35 71 71 71 71 70.5 69


6/20

5. Ejemplo de Calculo:

a) Velocidad del Fluido dentro de la turbina, V

=

D tubo= 6

rea del Tubo = ((r2)) = ((0.07622))= 0.0182 m.

V= (0.063/0.0182)= 3.406 m/s

b) Carga Efectiva neta sobre la turbina, Hn.

= m.

Hst= Nivel datoHet= 62.5 cm.

Hn= (0.08) + (0.625) + 3.4062/2(9.81) = 1.296 m

c) Potencia Hidrulica sobre la turbina , Nh.

* Q * Hn = (kW)

Nh = (9810)*(0.063)*(0.7110) = 788.253 kW.

d) Potencia Mecnica generada por la turbina, Nm.

= (W)

donde:

T= F(r)= (Nm)r = 0.25

Nm = (45*0.25)(2000) = 22500 W


7/20

6. Cuadro de Resultados:

a) Prueba a Velocidad Variable

ConceptoLecturas

1 2 3 4 5 6 7 8

Vel. DelFluido

3.406 3.076 3.021 3.021 3.021 3.021 3.021 3.021

Carga netaTurbina

(Hn= m.c.a.)1.296 1.197 1.185 1.185 1.187 1.187 1.187 1.187

Carga de

descarga(Hd= m) 0.0009 0.0004 0.0002 0 0.00005 0.00005 0.00005 0.00005

PotenciaHidrulica

de laTurbina(Nh= W)

788.253 657.583 639.366 639.366 639.366 640.445 640.445 640.445

PotenciaMecnica de

la Turbina(Nm= W)

22500 15525 18000 24500 21300 17775 14200 10650

Rendimiento(= %)

28.22 23.60 28.15 38.31 33.31 27.71 22.17 16.52


8/20

b) Prueba a Velocidad constante

ConceptoLecturas

1 2 3 4 5 6 7 8

Vel. DelFluido

(V= m/s)3.461 3.461 3.241 3.076 2.637 2.582 2.582 2.472

Carga netaTurbina

(Hn= m.c.a.)1.285 1.295 1.240 1.2 1.086 1.074 1.074 1.051

Carga dedescarga(Hd= m)

0 0.00005 0.00005 0 0 0 0 0

Potencia

Hidrulicade la

Turbina(Nh= W)

794.168 800.348 717.699 659.232 511.375 495.189 495.189 463.963

PotenciaMecnica de

la Turbina(Nm= W)

6000 10500 21300 21300 21300 21300 21300 20700

Rendimiento

(= %)

7.5 13.11 29.67 32.31 41.65 43.01 42.71 44.61


9/20

7. Graficas:

Las siguientes graficas representan a cada una de las tablas de resultados

a) Para este caso No. De r.p.m. (n) contra (Q,Hn,Nm,Nh y )

Prueba a velocidad variable

0.05

0.052

0.054

0.056

0.058

0.06

0.062

0.064

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Q

RPM

1.12

1.14

1.16

1.18

1.2

1.22

1.24

1.26

1.28

1.3

1.32

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Hn

RPM


10/20

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Nh

RPM

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Nm

RPM

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

RPM


11/20

Prueba a velocidad constante

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200

Q

RPM

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200

Hn

RPM


12/20

0

5000

10000

15000

20000

25000

1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200

Nm

RPM

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200

Nh

RPM

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200

RPM


13/20

b) Para este Caso Caudal (Q) contra (n,Hn,Nm,Nh, y )

Prueba a velocidad variable

0

500

1000

1500

2000

2500

0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062

RPM

Q

1.12

1.14

1.16

1.18

1.2

1.22

1.24

1.26

1.28

1.3

1.32

0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062

Hn

Q


14/20

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062

Nm

Q

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062

Nh

Q

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062

Q


15/20

Prueba a velocidad constante

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063

RPM

Q

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063

Hn

Q


16/20

0

5000

10000

15000

20000

25000

0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063

Nm

Q

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063

Nh

Q

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063

Q


17/20

8. Imgenes de la turbina

Banco de pruebas

Bomba

Turbina Francis


18/20

Indicador de revoluciones

Dispositivo compuesto de un freno de disco y mordaza parala indicacin de la fuerza ejercida por la turbina

Indicador de fuerza


19/20

9. Conclusiones:

Este tipo de turbina es ampliamente utilizada en las hidroelctricas ya quegracias a su diseo con alabes ajustables se puede alcanzar una buenaeficiencia.

La prueba realizada fue de gran ayuda para entender mejor el funcionamientode esta turbina ya que pudimos observar la gran variacin que puede haber enla fuerza y en la velocidad que produce la turbina conforme se van ajustandolos alabes a un grado mas alto.Tambin se pudo observar, mediante las graficas realizadas anteriormente, queexiste una gran variacin entre las rpm y el caudal, tanto en la prueba avelocidad variable como a velocidad constante.Uno de los pequeos inconvenientes que se encontraron al realizar las pruebasfue que el freno de disco que tiene el dispositivo tiende a calentarse demasiadoocasionando que se amarre y con esto una gran perdida de tiempo entre cadaprueba correspondiente.


20/20

10. Bibliografa:

Titulo: Mecnica De Fluidos Y Maquinas HidrulicasAutor: Claudio MataixEditorial: Ediciones del Castillo

Ao: 1986

Titulo: Mecnica de FluidosAutor: Robert L. MottEditorial: PearsonAo: 2006

www.wikipedia.org
http://www.wikipedia.org/http://www.wikipedia.org/

Practica Turbina Francis

Documents

Transcript of Practica Turbina Francis