Banco de pruebas turbina pelton Informe.docx

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMÉCANICA

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LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRAULICAS MEC 2252 “A” ^ MEC 2253 “A” LABORATORIO Nº 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 ALBERTO

DOCENTE DE LABORATORIO:

ING. FLORES CASTILLO CARLOS

FECHA DE REALIZACIÓN:

MIERCOLES 10 DE JUNIO 2015 A Hrs. 10:30 – 12:00

FECHA DE ENTREGA:

LUNES 15 DE JUNIO DE 2015

ORURO - BOLIVIA

INDICE 1. INTRODUCCION…………………………………………………………………… ……………………………………..1 2. ANTECEDENTES…………………………………………………………………… ………………………………………1 3. OBJETIVOS…………………………………………………………………………… ……………………………………..1 4. FUNDAMENTO TEORICO………………………………. ……………………………………………………..……..1 4.1. TIPOS DE TURBINAS……………………………………………………………………….. ……………………1 4.2. ECUACION DE TORRICELLI……………………………………………………………………… …………….2 4.3. ESFUERZO PULSATORIO…………………………………. ……………………………………..…………....3 4.4. POTENCIA HIDRAULICA………………………………. ………………………………………………..……..3 4.5. POTENCIA EN EL EJE……………………………………. …………………………………………………..……3 4.6. CUCHARAS DE TURBINAS PELTON O CANGILONES……………………………………………....3 4.7. DIMENCIONADO DE CUCHARAS DE TURBINA PELTON…………..………..……..…………..4 4.8. DISTRIBUIDOR DE TURBINA PELTON…………………………………….………………………………5 4.9. IMPUREZAS ABRASIVAS DENTRO DEL AGUA…………………….….……..…………..….………6 5. METODOLOGIA……………………………………………………………………… …………………….……………..6 5.1. EQUIPO MATERIAL E INSTRUMENTOS……………………………. ……..…….……….…………….6 5.2. FICHAS TECNICAS DE INSTRUMENTOS………………………………………..………. ………………7 5.3. MONTAJE DEL EQUIPO………………………………………………. ………….……………….…………..8 5.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL………………………………………….…….………. …………….9 5.5. REGISTRO DE DATOS…………………………………………………………….……………. ……………..13 5.6. CALCULOS…………………………………………………………………… ……….……………..……………..13 5.6.1.DETERMINAR LA POTENCIA HIDRÁULICA DEL FLUIDO DE TRABAJO…….13

5.6.2.DETERMINAR EL RENDIMIENTO TOTAL DE LA TURBINA………..…………….13 5.7. RESULTADOS……………………………………………………………… ………………………………………14 5.8. CONCLUSIONES…………………………………………………………… ……………………………………..15 6. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………… ……………………………………15

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1. INTRODUCCION La necesidad de utilizar energía mecánica para diversos objetivos como ser bombeo de agua, generación de energía eléctrica, triturado de cereales, etc. Ha originado una diversa variedad de métodos de aprovechar la energía hidráulica de los fluidos, con el fin de satisfacer estos requisitos Uno de los principales transformadores de energía utilizados en todo el mundo son las turbinas que generan energía mecánica a partir de energía hidráulica. En el siguiente laboratorio se analizara el funcionamiento de las turbinas pelton 2. ANTECEDENTES La Turbina Pelton tiene la peculiaridad de aprovechar solamente la energía cinética del fluido, pues no existe gradiente de presión entre la entrada y la salida de la máquina. La energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo el conjunto el órgano de alimentación y de regulación 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 éstas, el chorro gira en casi 180º, 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 características importantes para la elección de una turbina pelton - Determinar el rendimiento total del sistema de experimentación 4. FUNDAMENTO TEORICO 4.1. TIPOS DE TURBINAS PELTON 4.1.2.TURBINAS PELTON DE EJE VERTICAL:

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Fig. 4.1. Turbina pelton de eje vertical En este tipo de turbinas Pelton el número de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección. Este sistema de montaje encuentra aplicación en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva. Con el eje horizontal se hace también 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 horizontal En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal, lo que permite aumentar el número 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 diámetro 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 utilización de esta disposición en turbinas Pelton sea más ventajosa que la disposición horizontal. Su aplicación es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias

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que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen más difíciles. Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican también en sencillas (un rodete y un chorro) y múltiples. Las turbinas Pelton se multiplican por el número de chorros, llamándose Pelton doble, triple, etc. Las turbinas Pelton séxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron un tiempo en desuso, por la complicación que entraña su duodécuple regulación (6 inyectores y 6 pantallas deflectoras y por tanto, 12 servomotores). 4.2. TEOREMA DE TORRICELLI El teorema de Torricelli es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de un líquido por un orificio. "La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio." Donde:

   

Vt: es la velocidad teórica del líquido a la salida del orificio. Vo: es la velocidad de aproximación. h: es la distancia desde la superficie del líquido al centro del orificio. g: es la aceleración de la gravedad.

Para velocidades de aproximación bajas, la mayoría de los casos, la expresión anterior se transforma en: Donde:

 

Vr: es la velocidad real media del líquido a la salida del orificio. Cv: es el coeficiente de velocidad. Para cálculos preliminares en aberturas de pared delgada puede admitirse 0.95 en el caso más desfavorable, tomando =1.

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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 tensión superficial, de ahí el significado de este coeficiente de velocidad. 4.3. ESFUERZO PULSATORIO Este tipo de esfuerzo se define como la aplicación de fuerza pulsante sobre una superficie. Como ejemplo tenemos a un martillo golpeando un clavo 4.4. POTENCIA HIDRAULICA La potencia hidráulica se refiere a la potencia que tiene el fluido de trabajo, para nuestro laboratorio utilizaremos la ecuación.

Phidraulica=Q∗ρ∗g∗H

4.5. POTENCIA EN EL EJE La potencia mecánica también es conocida como potencia en el eje y puede ser calculada por la siguiente ecuación.

P potencia en el eje=M t∗ω

Donde:

M t=F∗d

4.6. CUCHARAS DE TURBINAS PELTON O CANGILONES Las cucharas tienen una forma característica, tal como puede apreciarse en la donde se aprecia la sección de entrada y la sección de salida: presentan una mella en la parte externa, son simétricas en la parte axial, y presentan una cresta centra la filada. Las dimensiones de las cucharas, y su número, dependen del diámetro del chorro que incide sobre ellas: cuanto menor sea ese diámetro, más pequeño serán las cucharas y mayor número de ellas se situaran en el rodete. La mella, con una cuchara ligeramente superior al diámetro del chorro, tiene como función evitar el rechazo. El máximo aprovechamiento energético 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 energía adecuadamente. La mella evita que una cuchara tape a la anterior demasiado pronto.

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Fig. 4.3. Dimensiones de un cangilón 4.7. DIMENCIONADO DE CUCHARAS DE TURBINA PELTON El dimensionado de una turbina pelton se realiza primeramente en función de la potencia requerida. Una vez conocida la potencia requerida podemos regular el caudal mediante el estrangulamiento de la tobera de impulsión.

Fig. 4.4. Turbina pelton de eje horizontal El radio medio del rodete será determinado tomando en cuenta que el chorro de fluido de trabajo debe impactar con 3 cucharas de la turbina simultáneamente. 4.8. DISTRIBUIDOR DE TURBINA PELTON 4.8.1.INYECTOR El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro “d” se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica.

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El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire. Con el fin de asegurar una buena regulación, conviene diseñar 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 éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo.

Fig. 4.5. Esquema de inyector 4.8.2.TOBERA Se entiende como tal, una boquilla, normalmente con orificio de sección circular (puede tratarse de otra sección), de un diámetro aproximado entre 5 y 30 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución.

Fig. 4.6. Instalación de tobera 4.9. IMPUREZAS ABRASIVAS DENTRO DEL AGUA (PARTICULAS DE SILICIO)

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El Silicio no se encuentra en estado libre en la naturaleza, sino más bien como Sílice (SiO2) en forma de cristales, combinada con otros óxidos y metales en una variedad de silicatos. La solubilidad de la sílice en las aguas naturales depende del pH y de silicatos particulares. El silicio normalmente se indica como sílice cuando se analizan rocas, sedimentos, suelo y agua. La sílice es solo ligeramente soluble en agua; la solubilidad y forma de la sílice en agua depende del pH del agua y de los minerales, que contengan sílice, en contacto con agua. Su presencia en el agua de aplicaciones industriales es perjudicial ya que provoca incrustaciones. En modo particular, las plantas de calefacción y de osmosis inversa necesitan una monitorización cuidadosa de la concentración de sílice en el agua. El contenido de sílice del agua natural está en el rango de 5 a 25 ppm. Es importante calcular la concentración de sílice en el caso de algunas instalaciones industriales tales como sistemas de generación de vapor y de refrigeración de agua. El sílice 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 presión son altamente afectadas por este factor. 5.

METODOLOGIA 5.8. EQUIPO MATERIAL E INSTRUMENTOS - Manómetro diferencial digital - Tubo de Venturi - Lector de caudal - Bomba hidráulica - Dinamómetro (incorporado) - Tacómetro (incorporado) - Regla

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5.9. FICHAS TECNICAS DE INSTRUMENTOS DATOS GENERALES Nombre Medidor de Caudal Tipo -----Marca Blue-White Industries Industria E.E.U.U. Color negro Características de medición Unidades [gal/min] Minimo maximo Alcance

----------

------------

Sensibilida d

0.1

------------

Fig. 5.1 Medidor de Caudal

Ficha Técnica 1 DATOS GENERALES Nombre Manómetro digital Tipo Digital Marca PCE Industria -----------Color Manómetro digital Características de medición Unidades m.c.a. Sensibilidad

0.01 Fig. 5.2. Manómetro Ficha Técnica 2

Ficha técnica 3 DATOS GENERALES Nombre Medidor de fuerza Tipo Dual Ranger Marca Vernier Industria Color negro Características de medición Unidades [N] Alcance 10 - 50 Sensibilida -----------d Fig. 5.3. Medidor de fuerza Incertidum ------------bre

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MONTAJE DEL EQUIPO

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

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se dio una breve explicación sobre turbinas y con fines demostrativos se mostró la siguiente turbina:

Fig. 5.5. Turbina Francis Se procedió con una explicación a cerca del dimensionado de turbinas pelton tomando en cuenta la ecuación de Torricelli, también se habló sobre el dimensionado del ancho de las cucharas simétricas en función del diámetro de chorro que está en función de la potencia hidráulica

Fig. 5.6. Turbina Pelton quebrada en los alabes

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Se procedió con la explicación sobre la selección de material a utilizar para la construcción de una turbina principalmente este está en función del tipo de fluido de trabajo y de su composición. También hablamos sobre el efecto que tienen las partículas de sílice (abrasivo) que están dentro de un fluido de trabajo generando rugosidades sobre las cucharas que idealmente deben estar perfectamente pulidas Se procedió con una explicación acerca del efecto que genera de la cavitación, ocasionando que la vida útil de nuestra turbina disminuya ya que genera porosidades, grietas, quiebres en las cucharas de la turbina Se dio una explicación 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 están sostenido las cucharas. Una vez identificado el tipo de esfuerzo fue posible fundamentar por qué 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 útil de la turbina Nos indicó que en Bolivia es el tipo de turbina más utilizada especialmente por el oriente Se procedió con una breve explicación a cerca de la forma de las cucharas, principalmente sobre el porqué de la entalladura

ω

Este tipo de entalladura se utiliza para que el chorro de fluido golpee simultáneamente a 3 cucharas de la turbina pelton a la vez esto es conveniente para aumentar la vida útil de la turbina ya que si el chorro impactaría 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 usáramos la entalladura de tipo

ω

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Fig. 5.7. Cucharas de la turbina pelton Se dio una explicación 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 mecánica)

Fig. 5.8. Tobera distribuidora de la turbina pelton Se dio una explicación de supuestos casos que pueden ocurrir si la turbina trabajara sin carga alguna, esto ocasiona que la velocidad angular de la turbina aumente, también genera vibraciones en el rotor que dañan los rodamientos de los cojinetes que soportan el eje de la turbina Para evitar los daños 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

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Fig. 5.9. Mecanismo de accionamiento del re direccionamiento de emergencia Se logró identificar varias falencias que tiene la turbina del banco de pruebas tales como: 

No cuenta con la entalladura

ω

   

-

No cuentan con un nervio prominente Se encuentra desbalanceada ocasionando vibraciones La superficie de las cucharas no se encuentra pulida La dirección 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 designó un grupo de trabajo para la experimentación en el banco de pruebas de la turbina pelton del laboratorio de máquinas hidráulicas de la siguiente manera:  Encargado de controlar la presión de salida en la tubería de salida de la bomba  Encargado de leer el caudal en [gal/min]

Fig. 5.10. Medidor de caudal del tubo de Venturi

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ANALISIS DEL BANCO DE PRUEBAS DE LATURBINA PELTON 





-

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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 medición de fuerza y vel. angular El grupo de trabajo tuvo éxito en la segunda lectura realizada

5.12.

REGISTRO DE DATOS Fluido de trabajo

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0,00302832 [m^3/s]

Caudal "Q" 48 [gal/min] Altura "H" 3,08 [m] Tabla 5.1. Datos para cálculo de potencia hidráulica Eje de turbina Fuerza "F" 24,35 [N] Brazo "d" 0,27 [m] Vel. Angular w 14,806 [rad/s] Tabla 5.2. Datos para cálculo de potencia en el eje de la turbina 5.13. CALCULOS 5.13.1. DETERMINAR LA POTENCIA HIDRÁULICA DEL FLUIDO DE TRABAJO - Determinamos la potencia hidráulica con la ayuda de la siguiente ecuación

Phidraulica=Q∗ρ∗g∗H

-

Remplazando datos para un fluido de trabajo agua

Phidraulica=0,00302832∗1000∗9,81∗3,08 Phidraulica=91,5 [ w ]

-

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

PEje deturbina= M t∗ω

-

Pero el momento torsor es igual a fuerza por distancia entonces

PEje deturbina=F∗d∗ω -

Remplazando datos tenemos:

PEje deturbina=24,35∗0,27∗14,806 PEje de turbina=97,342 [ w ]

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

ηtotal =ηvolumetrico∗ηHidraulico

Pero:

ηvolumetrico =1

Entonces

ηtotal =ηHidraulico

Y sabemos que para turbinas:

η Hidraulico= -

PEje deturbina P hidraulica

Remplazando valores tenemos:

η Hidraulico=

97,342 [ w ] 91,5 [ w ]

η Hidraulico=1,064 5.14.

RESULTADOS

TABLA DE RESULTADOS Phidraulica

91,50 0

[w]

PEje deturbina

97,34 2

[w]

η Hidraulico

1,064

Tabla 5.3. Resultados finales 5.15. CONCLUSIONES - Nuestro sistema viola la segunda ley de la termodinámica al generar una potencia en el eje mayor a la potencia suministrada (potencia hidráulica) - Uno o varios de nuestros equipos de medición se encuentran des calibrados y tienen un error de tipo sistemático

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La turbina tiene un rendimiento bajo ocasionado por la precaria manufactura de su construcción La potencia útil siempre es menor que la potencia suministrada Es posible el cálculo de la potencia mecánica e hidráulica con los instrumentos de laboratorio La turbina pelton es una turbina de bajo rendimiento generalmente

5.16. BIBLIOGRAFIA - Claudio Mataix; Mecánica de fluidos y maquinas hidráulica; Ediciones del Castillo; 1996; Madrid - Wikipedía; 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