martes 11-13 informe3 defaz serrano

7/25/2019 Martes 11-13 Informe3 Defaz Serrano

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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE MECNICA FLUIDOS Y TURBOMQUINAS

1. Nmero y Ttulo de la Prctica:Practica N2

Turbina Pelton

2. GrupoMartes 11-13

2.1 Integrantes Serrano Barahona Guillermo Israel Defaz Taipe William Santiago

3. Objetivos: Conocer los principios de operacin de la turbina Pelton y su aplicacin. Determinar las curvas caractersticas de su funcionamiento y de carga.

4. ResumenEl informe a continuacin presenta un anlisis del comportamiento de una turbina Peltoncuando se consigue variar algunas condiciones de su operacin (caudal proveniente de labomba y caudal de entrada a la turbina variando apertura del inyector), estos resultados serepresentan en las curvas caractersticas: caudal-posicin inyector, velocidad-par de motor,salto-caudal, velocidad-rendimiento, velocidad-potencia til y velocidad-potencia al freno;

que proporcionan una idea clara del funcionamiento de la turbina. Las curvas obtenidas seestudian por separado para entender el mejor funcionamiento de la turbomquina.5. AbstractThis report presented, shows an analysis of the behavior of a Pelton turbine when some oftheir conditions of operation are changed (flow from the pump and flow turbine inlet varyinginjector opening), these results are shown in the characteristic curves: flow-injector position,speed-torque motor, head-flow, speed-performance, speed-useful power and speed-brakehorsepower; which provide a clear image of the operation of the turbine. The curves obtainedare studied separately to understand the best performance of the turbomachine, their betterwork conditions.

6. Datos Obtenidos


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Tabla 01. Prueba #1, apertura del inyector y carga constante

N toma

dedatos

Apertura

vlvulade

descarga

Apertura

inyector

Velocidad

Salto

Vertedero

Altura

denivel

Z N H hvueltas % RPM piesH2O pulg

1 0,5

25

1330 90 2,8

2 0,75 1670 130 3,33 1 1830 160 3,7

4 1,25 1945 175 45 1,5 2015 190 4,2

6 0,5

50

940 40 3,97 0,75 1303 75 4

8 1 1490 100 4,28 1,25 1630 120 4,5

10 1,5 1730 130 4,711 0,5

75

805 25 3,3

12 0,75 1120 52 3,913 1 1338 80 4,214 1,25 1480 95 4,6

15 1,5 1580 110 4,816 0,5

100

700 20 1,3

17 0,75 1020 45 2,318 1 1275 70 3

19 1,25 1420 90 3,720 1,5 1510 100 4,1

Tabla 02. Prueba #2, salto y carga constante.

N tomadedatos

Apertura

vlvulade

descarga

Apertura

inyector

Velocidad

Salto

Vertedero

Altura

denivel

Z N H hvueltas % RPM piesH2O pulg

1 0,4 25 1000

50

2,4

2 0,55 50 1055 3,1

3 0,75 75 1090 3,7

4 0,8 100 1085 4,12


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5 0,55 25 1435

100

3,44

6 1 50 1485 3,83

7 1,3 75 1505 4,18

8 1,5 100 1525 4,49

9 0,8 25 1777

150

4

10 1,8 50 1836 4,77

11 3 75 1860 5

12 3,7 100 1825 5,2

Tabla 03. Prueba #3, carga variable

N tomadedatos

Apertura

vlvulade

descarga

Apertura

inyector

Velocidad

Salto

VertederoFreno

Altur

ade

nivel

Cau

dal

Z N H h Q W 1 W 2

vueltas % RPM piesH 2O pulg pies 3/min [lb] [lb]

1

0,5 25

1338

90 3,78

0 02 1314 2 1,153 1274 4 1,8

4 1235 6 2,55 1200 8 2,856

1 50

1500

100 4,6

0 0

7 1485 2 1,2558 1459 4 2,159 1425 6 2,6

10 1400 8 3,1511

2 75

1715

130 5,1

0 012 1710 2 1,3

13 1690 4 2,514 1662 6 2,7515 1640 8 3,25

16

2,5 100

1738

130 5,41

0 017 1730 2 1,418 1725 4 2,4

19 1700 6 2,8


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7. Ejemplos de clculoCaudal:

= 815 (2) 2 = 0,8 815 (902 ) 2 115826,4 2,8/12

= , Potencia de entrada del agua

= . [ ]

= 1.89 90 9,72 10

= , [] Potencia til = [ ]

= 2 0.5 0.85 1314550 60 [ ] = , [] Potencia al freno

= = 0,85 0,5 1314

= . [] Rendimiento de la Turbina

= [%] = 0,1061,65 100 = , %

20 1670 8 3,25


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8. Cuadros de resultadosTabla 04. Resultados prueba #1 (salto vs caudal)

N tomade

datos

Apertura

vlvulade

descarga

Apertura

inyector

Velocidad

Salto

Vertedero

Potencia

Altura

de

nivel

Cauda

l

Z N H h Q N W vueltas % RPM piesH2O pulg pies pies 3/min Hp

1 0,5

25

1330 90 2,8 0,2333 4,5906 0,78122 0,75 1670 130 3,3 0,2750 6,9224 1,7017

3 1 1830 160 3,7 0,3083 9,2146 2,78784 1,25 1945 175 4 0,3333 11,1975 3,70545 1,5 2015 190 4,2 0,3500 12,6502 4,5449

6 0,5

50

940 40 3,9 0,3250 10,5108 0,7950

7 0,75 1303 75 4 0,3333 11,1975 1,58808 1 1490 100 4,2 0,3500 12,6502 2,3920

8 1,25 1630 120 4,5 0,3750 15,0316 3,410810 1,5 1730 130 4,7 0,3917 16,7578 4,119411 0,5

75

805 25 3,3 0,2750 6,9224 0,3272

12 0,75 1120 52 3,9 0,3250 10,5108 1,033513 1 1338 80 4,2 0,3500 12,6502 1,913614 1,25 1480 95 4,6 0,3833 15,8806 2,8527

15 1,5 1580 110 4,8 0,4000 17,6635 3,6740

16 0,5

100

700 20 1,3 0,1083 0,6743 0,025517 0,75 1020 45 2,3 0,1917 2,8073 0,2389

18 1 1275 70 3 0,2500 5,4548 0,722019 1,25 1420 90 3,7 0,3083 9,2146 1,568220 1,5 1510 100 4,1 0,3417 11,9106 2,2522

Tabla 05. Resultados prueba #2 (caudal vs posicin del inyector)

N tomade

datos

Apertura

vlvulade

descarga

Apertura

inyector

Velocidad

Salto

Vertedero

Potencia

Altura

de

nivel

Altura

de

nivel

Cauda

l

Z N H h Q N W vueltas % RPM piesH2O pulg pies pies 3/min Hp


6/16

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1 0,4 25 1000

50

2,4 0,2000 3,1225 0,29522 0,55 50 1055 3,1 0,2583 5,9208 0,55983 0,75 75 1090 3,7 0,3083 9,2146 0,8712

4 0,8 100 1085 4,12 0,3433 12,0564 1,13995 0,55 25 1435

100

3,44 0,2867 7,6801 1,45226 1 50 1485 3,83 0,3192 10,0455 1,8995

7 1,3 75 1505 4,18 0,3483 12,5001 2,36378 1,5 100 1525 4,49 0,3742 14,9482 2,82669 0,8 25 1777

150

4 0,3333 11,1975 3,1760

10 1,8 50 1836 4,77 0,3975 17,3888 4,932111 3 75 1860 5 0,4167 19,5613 5,548312 3,7 100 1825 5,2 0,4333 21,5765 6,1199


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Tabla 06. Resultados Prueba #3 (caudal vs posicin del inyector)

N toma

dedatos

Apertura

vlvulade

descarga

Apertura

inyector

Velocidad

Salto Vertedero Freno

Par-Motor

Potencia

Rendimie

ntora d

eniv e

lCa

uda l

Z N H h Q W 1 W 2 T N W NT n

Vueltas % RPM piesH 2O pulg pies 3/min lb-pie [Hp] [Hp] [%][lb] [lb]

1

1,5 25

1338 90 3,78 9,72 0 0 0 1,654 0,000 0,0002 1314 90 3,78 9,72 2 1,15 0,425 1,654 0,106 6,4283 1274 90 3,78 9,72 4 1,8 1,1 1,654 0,267 16,1314 1235 90 3,78 9,72 6 2,5 1,75 1,654 0,412 24,8775 1200 90 3,78 9,72 8 2,85 2,575 1,654 0,588 35,5676

2,5 50

1500 100 4,6 15,88 0 0 0 3,003 0,000 0,0007 1485 100 4,6 15,88 2 1,255 0,3725 3,003 0,105 3,5078 1459 100 4,6 15,88 4 2,15 0,925 3,003 0,257 8,5579 1425 100 4,6 15,88 6 2,6 1,7 3,003 0,461 15,361

10 1400 100 4,6 15,88 8 3,15 2,425 3,003 0,646 21,52711

3 75

1715 130 5,1 20,55 0 0 0 5,052 0,000 0,00012 1710 130 5,1 20,55 2 1,3 0,35 5,052 0,114 2,25613 1690 130 5,1 20,55 4 2,5 0,75 5,052 0,241 4,77714 1662 130 5,1 20,55 6 2,75 1,625 5,052 0,514 10,17915 1640 130 5,1 20,55 8 3,25 2,375 5,052 0,742 14,68116

3,5 100

1738 130 5,41 23,82 0 0 0 5,855 0,000 0,00017 1730 130 5,41 23,82 2 1,4 0,3 5,855 0,099 1,68818 1725 130 5,41 23,82 4 2,4 0,8 5,855 0,263 4,48719 1700 130 5,41 23,82 6 2,8 1,6 5,855 0,518 8,845


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20 1670 130 5,41 23,82 8 3,25 2,375 5,855 0,755 12,897


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9. Curvas caractersticas

Fig. 01. Curvas Salto vs. Caudal, Prueba 1

Fig. 02. Curvas Caudal vs. Posicin, Prueba 2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180200

0,0000 5,0000 10,0000 15,0000 20,0000

H [ p i e s H 2 O

]

Q [pies^3/min]

Z=25% Z=50% Z=75% Z=100%

0,0000

5,0000

10,0000

15,0000

20,0000

25,0000

0 20 40 60 80 100 120

Q [ p i e s ^ 3

/ m i n

]

Z [%]

H=50 [piesH2O] H=100 [piesH2O] H=150 [piesH2O]


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Fig. 03. Velocidad vs par motor, Prueba 3

Fig. 04. Velocidad vs potencia al freno, Prueba 3

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

V e

l o c i

d a d

[ r p m

]

Par motor [lb-pie]

25

50

75

100

1000

1100

12001300

1400

1500

1600

1700

1800

0 1000 2000 3000 4000 5000

V e l o c i

d a d

[ r p m

]

Potencia al freno [Hp]

25

50

75

100


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la apertura del inyector, es decir a un 100% de apertura y velocidad mxima la potencia alfreno es la mayor, y la menor, cerca de 3000 Hp, a una velocidad de 1350 rpm con un25% de apertura. En la segunda curva, fig. 04, se observa que la potencia til aumentacon el incremento de la velocidad y con la apertura del inyector. Para la tercera curva,

fig. 05, se aprecia un comportamiento contrario al de las dos curvas anteriores; debido aque a una mayor apertura del inyector se genera una mayor velocidad y menor par motor,el que aumenta conforme disminuye la apertura y la velocidad hasta los 2,5 lb-pie. Ladiferencia yace en la ltima grfica, la fig. 06, donde el punto del rendimiento mximo seda en velocidades bajas y una apertura del 25% del inyector, mientras esta aperturaaumenta conforme la velocidad a la par, el rendimiento decrece progresivamente hastacerca del 12%, siendo su mximo de cerca los 37%

11. Preguntas1. Describa el grfico de reas para seleccionar las turbinas de acuerdo al

caudal y la altura

Fig. 07. Grfico Altura vs. Caudal. (Greenbugenergycom, 2014)Las reas encerradas muestran los lmites de funcionamiento de los diferentes tipos deturbinas de acuerdo a la altura y al caudal. Se muestran cierta superposicin, por lo quepara una altura dada se pueden utilizar varios tipos de turbinas. La seleccin esparticularmente crtica en el diagrama, la eleccin debe ser econmicamente viable.

2. Cundo se selecciona una turbina Pelton para una central hidroelctrica?La turbina Pelton es preferida para la energa hidroelctrica, cuando la fuente de aguadisponible tiene relativamente alta carga hidrulica a caudales bajos, donde la geometrade la rueda Pelton es la ms adecuada. Es una mquina eficiente y es particularmenteadecuada para aplicaciones de altas altura (presin).

3. Por qu razn se suele utilizar la turbina Pelton de eje vertical?La turbina Pelton pueden ser mquinas de eje vertical porque el tamao de la mquina esmucho menos que la carga disponible. Algunas turbinas de accin utilizan mltipleschorros por corredor para equilibrar el empuje del eje. Esto tambin permite el uso de unrodete de la turbina ms pequea, lo que puede disminuir los costes y las prdidasmecnicas.

4. Para qu sirve el tabique de calzonetas?En una rueda Pelton la direccin del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; elelemento constructivo ms importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, querecibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por


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su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ngulo de 180, contrarrestndose as losempujes axiales por cambio de direccin de los dos chorros.

5. Qu es la mella de una cazoleta y para qu sirve?Esta mella se refiere a una fractura, una rotura o desgarro en el borde de la cazoleta.

Como se observa en la fig. 08, la seccin de entrada es el nmero 1, la salida es elnmero 2, y la mella se encuentra en la parte externa y son simtricas, con una cresta enel medio que distribuye el flujo de agua que sale del inyector.

Fig. 08: Cazoleta de la turbina PeltonPara aprovechar de la manera ms ptima la energa que sale del inyector, el chorrodebe impactar perpendicularmente en la cuchara; mediante la mella se evita que elchorro de agua no golpee de manera justa a la cuchara que sigue en la sucesin, es

decir, crea un espacio por donde el agua pase de una cuchara a otra sin que la previainterfiera el chorro a la que sigue.6. Por qu se la considera una turbina de accin?

Se llaman as porque aprovechan nicamente la energa cintica del chorro del fluido, noexiste un gradiente de presiones a la salida y entrada de la turbomquina. El agua quesale de las cazoletas de la turbina Pelton tendr una velocidad demasiada baja y lacarcasa que soporta la mquina. (Polo Encinas, 1975) (Rica, 2012)

7. Cmo se frena a la turbina Pelton en centrales hidroelctricas?El freno consiste en un sistema de chorros de agua, alrededor de 25 mm de dimetro queimpacta sobre la parte trasera de las palas frenando el avance del rodete y detenindoloal poco tiempo. La caracterstica negativa de este mtodo es que se perjudica lalubricacin y se daan los cojinetes. (N.A., 2011)

8. LimnmetroTambin llamado estacin limnimtrica es un instrumento que permite medir la altura deun lquido que se encuentra en un reservorio, cuenca, reserva natural, etc. Es similar a lamira empleada en el rea de la topografa, salvo que esta escala est anclada a unapared del reservorio de agua. Est graduando por lo general en centmetros o metros, ypulgadas en algunos casos. Esta altura se convierte en una estimacin del caudal del romediante una curva de calibracin.Esta curva de calibracin resulta de aforar algunas veces el ro en pocas de avenidas yestiaje utilizando un correntmetro y observar la altura alcanzada y su caudal respectivo,estos datos forman una curva calibracin.


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El limnmetro debe tener una localizacin fija en el reservorio de agua, adems de teneruna escala graduada en una pared del mismo, de modo que facilite la medicin.De las principales desventajas de este instrumento es que los datos observados sepierden si no nos recolectados por los operadores. Ante esto se cre el limngrafo, que

recolecta y graba los datos en un papel gracias a un mecanismo elctrico o de relojera.En los ltimos tiempos se han diseado equipos electrnicos, que tomen medidas conuna mayor precisin. Estos nuevos elementos tienen comunicacin con un ordenador alque transfieren las datos de lecturas y almacenaje de informacin que puede ser redireccionada.El funcionamiento de esta nueva tecnologa es en base al seguimiento del espejo deagua y un registro de sus variaciones mediante u sensor. Como es evidente, las ventajasde esta tecnologa yacen en su rpida respuesta hidromtrica con bajos costos.Es empleada en mediciones para advertir de desbordamientos, aumentos sbitos decaudal que puedan ocasionar daos en su paso.

Sus dimensiones suelen variar entre 1 a 7 metros de altura y recorren una longitudhorizontal de hasta 5 metros. Por su necesario peso ligero (generalmente de aluminio) ysimple funcionamiento no requiere una compleja estructura. Su precisin suele ser muyacertada, variando 1 centmetro ms menos la medida real. (Iotsens, 2016) (Glosario deriego, 2016) (Meteo Omnium, 2011) (Eumed, 2016)

12. Conclusiones Serrano Guillermo

La turbina Pelton como se conoca previamente al laboratorio, trabaja con altascadas de agua, aprovechndolas para generar mucha potencia, y empleando caudales

pequeos. Esto se ve reflejado en los datos resultantes, donde se obtuvieron alturasrelativamente grandes y caudales bajos.El desgaste que produce el roce del agua durante su trayecto en elementos y

componentes del sistema reducen su eficiencia y generan errores que debern sercorregidos o tomados en cuenta al realizar anlisis comparativos.

La aplicacin principal de este tipo de turbinas de accin es en sectoreshidroelctricos, ya que se beneficia de caractersticas geogrficas de zonas tan mixtascomo nuestro pas, pero deben ser estudiados mtodos para aprovechar toda sueficiencia, tomando en cuenta costo-beneficio.

Defaz Santiago Aprender el funcionamiento de la turbina Pelton es muy importante para de esa

manera poner analizar sus aplicaciones mediante anlisis experimentales podemosdeterminar diferentes caractersticas de funcionamiento para diferentes condiciones.

En la Figura 2 podemos apreciar que los mejores resultados se obtienen para unaapertura de 75%, ya que el salto es menor para las otras configuraciones y el caudal esmayor, este resultado puede diferir del rendimiento debido a que para este se debeanalizar diversos factores.


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11. Recomendaciones Serrano Guillermo

Resolver el problema con el generador elctrico de la bomba, este impide unabuena toma de datos y los datos recolectados son, en varias ocasiones, muy alejados de

los valores esperados y supuestos.Sealizar bien la llave de apertura y cierre del inyector para controlarlo de manera

ms precisa y evitar suposiciones de la porcin que este est abierto.Conservar el equipo rotativo a temperatura ambiente, en lo posible, para aumentar

el tiempo de trabajo y evitar daos posibles a sistemas internas elctricos de la misma, ode su generador.

Realizar mantenimiento preventivo y correctivo en la mquina y sus componentespara reducir el porcentaje de error que generan estos componentes en mal estado.

Defaz Santiago

Se recomienda usar una bomba que funcione con la frecuencia de trabajo del pas,y as evitar el calentamiento de la misma evitando el buen desempeo de la prctica ylimitando el aprendizaje

Es importante que el freno Prony no se encuentre cargado al tambor de inercia dela turbina.

BibliografaEumed. (2016). Eumed . Obtenido de http://www.eumed.net/libros-

gratis/2009b/564/AFORO%20CON%20LIMNIMETROS%20Y%20LIMNIGRAFOS.htm

Glosario de riego. (2016). Riego.org . Obtenido dehttp://www.riego.org/glosario/limnimetro/

Iotsens. (15 de Abril de 2016). Iotsens . Obtenido dehttp://www.iotsens.com/sensors/limnimetro/

Meteo Omnium. (2011). Meteo Omnium . Obtenido dehttp://www.meteoomnium.com/index.php?option=com_content&view=article&id=72&Itemid=81&lang=es

N.A. (Enero de 2011). wikispaces. Obtenido de https://investigacion-enero2011.wikispaces.com/file/view/Marco_Teorico.pdf/199806294/Marco_Teorico.pdf

Polo Encinas, M. (1975). Turbomquinas hidralicas. limusa.

Rica, J. M. (Julio de 2012). Ensayo de microturbinas hidralicas para la generacin deenerga elctrica en zonas desabastecidas (II). Ensayo . Madrid, Espaa:Universidad Carlos III de Madrid, Escuela Politcnica Superior.

Wikipediaorg. (2016). Wikipediaorg . Retrieved 14 June, 2016, fromhttps://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel
https://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheelhttps://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel


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Greenbugenergycom. (2014). GreenBug Energy - micro hydro . Retrieved 14 June,2016, from http://greenbugenergy.com/get-educated-knowledge/types-of-turbinesWikipediaorg. (2016). Wikipediaorg . Retrieved 14 June, 2016, fromhttps://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine
http://greenbugenergy.com/get-educated-knowledge/types-of-turbineshttps://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbinehttps://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbinehttp://greenbugenergy.com/get-educated-knowledge/types-of-turbines

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