lab turbina pelton 2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA2014

1. OBJETIVOS Analizar la variacin de las distintas eficiencias involucradas en la operacin de una turbinaPelton,conrespectoalavelocidaddegirodesueje,ascomosu comportamiento para diferentes alturas. Determinar la curva de prdidas en el generador. Analizar la eficiencia vs la altura de caida

2. FUNDAMENTO TERICO2.1 TURBOMQUINAS HIDRULICASSon mquinas hidrulicas rotativas que se emplean actualmente en la transferencia de energa entre el agua y un rotor (o viceversa) provisto de alabes. Tambin son llamados turbomquinas de fluido incompresibles por la naturaleza del fluido de trabajo.2.2 TURBINA HIDRULICATransformalaenergamecnica.SonTurbomquinasquetransfierenlaenerga contenida en el agua a un rotor provisto de alabes, mientras el flujo pasa a travs de estos.2.2.1 CLASIFICACIN DE LAS TURBINAS HIDRULICAS2.2.1.1 Segn la direccin que sigue el agua por el rotor.a. Radiales:Elpasodelaguaporelrotorseefectaendireccinradial. Turbina FRANCIS. B. Axiales:El paso del agua entre los alabes se hace en direccin del eje de la mquina. Turbinas KAPLAN y PELTON. C. Tangenciales:El ataque del agua al rotor es de forma tangencial. Turbina PELTON.2.2.1.2 Segn como aprovecha la energa del aguaA. DeImpulso:Si la turbina aprovecha solamente la energa cintica del agua. Turbina PELTON.B. De reaccin:Si la turbina aprovecha la energa esttica del agua y la dinmica. Turbinas KAPLAN Y FRANCIS.2.2.2 TURBINA PELTONLas turbinas Pelton, como ya se dijo , son turbinas hidrulicas de impulso, es accionadapor unchorro de agua que impacta a altavelocidad contra las cucharas yabandona estas sin velocidad, por lo tanto, a la entrada y salida de la mquina no hay variacin de presin (presin atmosfrica).Los alabes o cucharas estn montadas en un rodete, el cual comunica un parmecnico a un eje. Las Turbinas Pelton son empleadas para grandes alturas y bajos caudales, ya que se les considera turbinas de admisin parcial, esto es debido a que las cucharas de la rueda no estn en contacto con el agua permanentemente, ya que para cada giro, el agua impacta slo una vez y por untiempo muy pequeo en cada cuchara.

Fig. 1 Turbina Pelton del Laboratorio

2.2.2.1 CARACTERSTICASLa alimentacin seefectaatravsde lastoberasque transformanla energa esttica del agua en dinmica. El fluido sale en forma de chorro libre de las toberas, las cuales encuentran colocada al final de la tubera de presin.Las toberas estn provistas de unaaguja de cierre para regular el caudal. El labe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua, producindose una desviacin simtrica en direccin axial, buscando un equilibrio dinmico de la mquina en esa direccin. Por ser el ataque del agua en sentido tangencial a la rueda se la denomina tambin turbina "tangencial" por tener el fluido un recorrido axial a supasopor el labe, se clasificatambin entrelas mquinas de tipo axial. Encuentra justa aplicacin la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidrulicos donde la ponderacin de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad especfica espuesbaja entre 10y 60en el sistema mtrico.LaturbinaPelton,porlasencillezdesuconstruccinyporrazonesdetipohidrodinmico esla quetiene lamxima eficiencia entre todoslos motores hidrulicos.Otra de sus cualidades es que permite el acoplamiento directo con los generadores electrnicos de alta velocidad, ya que puede proyectarse para elevadas velocidades tangenciales del rodete.

Fig. 2 Diagrama esquemtico de una rueda PeltonEl chorro que emerge de la tobera choca simtricamente contra el divisor y se distribuye por igual entre las dos mitades de la cazoleta hemisfrica, como se ve en la figura.Lalneadecentrodelacazoletanosepuedefabricarexactamentecomounvrtice matemtico, en parte debido a dificultades de fabricacin y en parte porque el chorro que chocacontraelvrticearrastrainvariablementepartculasdearenauotrosmateriales abrasivos que tienden a desgastarlo. El ngulo de entrada est por tanto entre 1 y 3 , pero se supone siempre que es cero en todos los clculos.Tericamente, si la cazoleta fuera exactamente hemisfrica, desviara el chorro un ngulo de 180. En este caso, la velocidad relativa del chorro al salir de la cazoleta, tendra opuesta direccin a la velocidad relativa del chorro que entra. Esto no se puede obtener en laprctica puesto que el chorro al salir de la cazoleta golpeara la parte posterior de, la siguiente cazoleta y causara salpicaduras e interferencia de manera que la eficiencia total de la turbina descendera a un valor bastante bajo. Por tanto, la deflexin angular del chorro en la cazoleta selimitaenlaprcticaaaproximadamente 165170, y por lo tanto, laCazoletaes ligeramente menor que un hemisferio.

Fig. 3 Diagrama esquemtico de la cuchara

2.2.2.1 CLASESA. De eje HorizontalEl nmero de entradas son de una a dos por resultar complicada la instalacin en plano vertical de las tuberas de alimentacin y las agujas de inyeccin. La ventaja de este tipo de turbina es la fcil inspeccin y reparacin de la rueda, los inyectores sin necesidad de desmontarlos. Permite tambin este tipo de turbinas instalar turbinas gemelas para un slo generadorcolocado entre ambos.B. De eje VerticalEl sistema de alimentacin (toberas y agujas) se encuentra en un plano horizontal, lo que permite aumentar el nmero de chorros por rueda de cuatro a seis. El caudal puede ser mayor as como la potencia por unidad.Otra ventaja de esta turbina es que el eje Turbina-Generador se acorta, se reduce las excavaciones, se puede disminuir el dimetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. En conclusin se reduce el peso de la turbina. La desventaja de este modelo de turbina es que se hace ms difcil la inspeccin y reparacin.

2.2.2.1 PARTES PRINCIPALESa. El rodeteEst constituido por un disco de acero con alabes perifricos en forma de doble cuchara. Estos pueden estar fundidos en una sola pieza o individualmente, sujetndose al disco por medio de bulones. Se prefiere la fundicin en una sola pieza para Turbinas que utilizan grandes velocidades especficas para lograr mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rpido. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosin y a la erosin. El nmero de alabes esta alrededor de los 17 a 26 por rueda, para altas velocidades es menor el nmero de alabes y viceversa.b. El inyectorEst constituido por una tobera convergente, con aguja de cierre cnica; La posicin de esta ltima determina el grado de apertura de la tobera y en consecuencia el gasto o caudal .El material del inyector debe ser tal que resista la accin abrasiva y corrosin del agua. En la figura se muestra un croquis de la turbina en conjunto para poder apreciar la distribucin de los componentes fundamentales. Un chorro de agua convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desva sin choque, cediendo toda su energa cintica, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la mquina. La regulacin se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tubera. Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.

Fig. 4 Diagrama esquemtico del inyector

3. EQUIPOS E INSTRUMENTOS3.1 Turbina PeltonMarca : Armifield HydraulicEngineiringEngland.Tipo : PeltonMK2Serie : 2061AlturaNominal : 53 m(175pies)VelocidadNominal : 1160rpmPotenciaNominal : 5BHP3.2 MotobombaMotor : NewmanMotorINC.Tipo : 215DD1881BBSerie : P42470Potencia : 7.5BHPVelocidad : 3600rpmBomba : SigmundPumpLtd.Tipo : N - NLSerie : 147303.3 VertederoMarca : Wyerstriangularde90Rango : 0 - 30 cmAproximacin : 0.1 mm3.4 ManmetroWikaRango : 0 - 100psiAproximacin : 2psi3.5 DINAMMETROSalter :Rango : 0 - 20 KgAproximacin : 0.1 Kg3.6 Tacmetro DigitalSmithRango : 0- 2500rpmAproximacin : 50rpm

4. PROCEDIMIENTO1. Encendemos la bomba y regulamos la boquilla de emisin de agua a una presin determinada (40, 50 y 60 psi).2. Medimos la altura en el linmetro para calcular el caudal.

3. Medimos la fuerza en el dinammetro cuando no hay carga.4. Medimos la velocidad angular con ayuda del tacmetro cuando no hay carga.5. Aplicamos carga al sistema (encendemos los focos de uno en uno).6. Medimos la fuerza y la velocidad angular en cada variacin de carga.7. Repetimos el procedimiento para las diferentes presiones.5. CLCULOS Y RESULTADOS5.1 DATOS DE LABORATORIOa) Prueba 1Presin: 40 psiN DE FOCOSF(KG)N(RPM)ALTURA DEL LIMNIMETRO(mm)

03.81256105

14.51246105

25.31220105

35.71197105

46.11178105

56.51164105

66.91157105

77.21143105

b) Prueba 2Presin: 50 psiN DE FOCOSF(KG)N(RPM)ALTURA DEL LIMNIMETRO(mm)

03.7138698

15.1135398

25.9129898

36.3127898

46.9126698

57.3124598

67.7122498

78121098

c) Prueba 3Presin: 60 psiN DE FOCOSF(KG)N(RPM)ALTURA DEL LIMNIMETRO(mm)

03.8142689

15136989

25.9133289

36.4129889

46.6126389

57123489

67.4122289

77.9121589

d) Prueba 4Presin: 50 psiN DE FOCOSF(KG)N(RPM)ALTURA DEL LIMNIMETRO(mm)

03128585

14.1123985

24.8120185

35.1116485

45.4115685

55.6114285

65.8112985

76.1111885

e) Prueba 5Presin: 50 psiN DE FOCOSF(KG)N(RPM)ALTURA DEL LIMNIMETRO(mm)

03.4136090

14.4129590

25.2126390

35.7124790

46.1123090

56.5121290

66.8119290

77117690

5.2 clculos efectuadosa) Potencia Hidrulica () Dnde : densidad del agua. : aceleracin de la gravedad. : altura simulada o altura til.

: velocidad a la entrada de la boquilla.

: rea a la entrada de la boquilla (=3) : caudal

: coeficiente de descarga (0.62) : altura medida en el limnmetro (en metros)

b) Potencia del Rodete ()

Dnde : velocidadtangencial.

: velocidadangular. = 9.625 (244.475 mm) : velocidaddelchorro.

= 0.9 = 10

c) Potencia al Freno ()

Dnde : fuerzamedidaeneldinammetro = 3

d) Eficiencia Mecnica ()

e) Eficiencia Hidrulica ()

f) Eficiencia Total ()

Con ayuda de una Hoja de Clculo en Microsoft Excel, calculamos cada uno de estos parmetros y lo presentamos en las siguientes tablas:a) Prueba 1:P=40psiHPa(W)Q(m3/s)Vt(m/s)Vch(m/s)H(m)

837.7520.0030350.754323.0252828.13576

FOCON(RPM)F(N)T(N.m)BHP(W)nmnTnhU(m/s)HPr

0125637.2782.84058373.6160.5140.3200.76516.078726.325

1124644.1453.36385438.9180.5980.3650.77315.95733.791

2122051.9933.96187506.1610.6730.3950.79215.617752.206

3119755.9174.26088534.0990.6960.4120.80815.322767.297

4117859.8414.55988562.5070.7220.4780.82015.079778.916

5116463.7654.85889592.2690.7530.4970.82914.9786.986

6115767.6895.15790624.9350.7900.5130.83314.810790.865

7114370.6325.38216644.2160.8070.5450.84114.631798.310

b) Prueba 2:P=50psiHPa(W))Q(m3/s)Vt(m/s)Vch(m/s)H(m)

880.9800.0025540.634825.7385735.15747


0138636.2972.76583401.4370.5530.4770.79917.742689.325

1135350.0313.81236540.1580.7360.560.80717.319696.790

2129857.8794.41038599.4860.7970.6350.82716.615715.205

3127861.8034.70939630.2660.8210.650.84216.359730.297

4126667.6895.15790683.8100.8780.6860.85516.206741.916

5124571.6135.45691711.4510.9040.7150.86315.937749.986

6122475.5375.75592737.7760.9330.7530.86715.668753.864

7121078.485.98018757.7540.9490.7690.87515.489761.309

c) Prueba 3:P=60psiHPa(W)Q(m3/s)Vt(m/s)Vch(m/s)H(m)

830.7330.0020080.4989428.1920842.17965


0142637.2782.84058424.1850.58418.254

1136949.053.73761535.8290.7300.5140.59717.524622.2724

2133257.8794.41038615.1890.8180.61317.051

3129862.7844.78414650.2900.8480.65716.615

4126364.7464.93365652.5290.8380.69316.167

5123468.675.23265676.1850.8590.70515.796

6122272.5945.53166707.8730.8950.70715.642

7121577.4995.90542751.3740.9410.8260.77315.553805.5072

d) Prueba 4:P=50psiHPa(W)Q(m3/s)Vt(m/s)Vch(m/s)H(m)

617.0890.001790.4989425.7355935.14932


0128529.432.24257301.7710.58418.254

1123940.2213.06484397.6560.7300.5140.59717.524622.2724

2120147.0883.58811451.2700.8180.61317.051

3116450.0313.81236464.7030.8480.65716.615

4115652.9744.03662488.6570.8380.69316.167

5114254.9364.18612500.6180.8590.70515.796

6112956.8984.33563512.5950.8950.70715.642

7111859.8414.55988533.8560.9410.8260.77315.553805.5072

e) Prueba 5:P=50psiHPa(W)Q(m3/s)Vt(m/s)Vch(m/s)H(m)

711.9330.0020640.5130725.7365435.15192


0136033.3542.54157361.9680.85117.409

1129543.1643.28910446.0410.8610.5140.59716.577622.2724

2126351.0123.88711514.1140.87216.167

3124755.9174.26088556.4090.88515.962

4123059.8414.55988587.3370.90115.745

5121263.7654.85889616.6920.95615.514

6119266.7085.08315634.5090.97815.258

7117668.675.23265644.4040.990.8260.77315.054805.5072

6. GRFICASa) Prueba 1:

b) Prueba 2:c) Prueba 3:d) Prueba 4:7. OBSERVACIONES Se observ que el banco de pruebas de la Turbina Pelton solo se puede utilizar para cierto rango de potencias, ya que, para valores fuera de este rango los valores obtenidos presentan demasiado error. La turbina Pelton se encuentra en un estado aceptable de utilizacin, a diferencia de varios equipos de laboratorio, claro que su uso es puramente acadmico. El dinammetro tiene que estar alineado para tomar los valores de fuerza en forma correcta.

8. CONCLUSIONES Las grficas tanto de potencia como de eficiencia en teora tienen una tendencia parablica hacia abajo. Nuestras grficas presentan la parte de cada de las curvas tericas. En las grficas obtenidas para 40 y 50psi se observa que para una misma velocidad de giro hay valores de carga diferentes, esto es debido a que los datos tomados estaban fuera del rango aceptable de utilizacin de la turbina. Las grficas para 40 y 50psi demuestran que para una mayor altura de cada de agua, la turbina es ms eficiente. La eficiencia total mxima de la Turbina Pelton para los datos tomados va en aumento conforme aumentamos la altura y se mantiene en un rango aceptable, peo la eficiencia mecnica vemos que sobrepasa el 100%, lo cual indicara una falla en la toma de datos o clculos.9. BIBLIOGRAFA1.Polo, E., TURBOMAQUINAS HIDRULICAS, Primera Edicin, Ed. Limusa, S.A.,Mxico 1, D.F. 1975.2.Rauch, Alfred INSTALACIONES DE FUERZA MOTRIZ HIDRULICA, Primeraedicin, Ed. Jos Monties, Barcelona. 1956.

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