Laboratorio de Turbomáquinas

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América) FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS

INFORME TÉCNICO DE LAS EXPERIENCIAS DEL LABORATORIO

TURBOMAQUINAS I

NOVIEMBRE 2018

PROFESOR DEL CURSO: Ph D Ing. Miguel Ángel Ormeño Valeriano ESTUDIANTE: Coria Vergara Jorge Luis CÓDIGO: 14130205

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ÍNDICE INFORME TECNICO EXPERIENCIA DE LABORATORIO N° 1 .................................................................... 1 EXPERIENCIA N° 1: PRICIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA FRANCIS................................. 3 INTRODUCCION ................................................................................................................................ 3 OBJETIVOS......................................................................................................................................... 3 MARCO TEÓRICO .............................................................................................................................. 3 RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA DEL LABORATORIO .................................................................... 4 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 5 EXPERIENCIA N° 2: CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA CENTRÍFUGA HUMBOLTD ................... 6 INTRODUCCION ................................................................................................................................ 6 OBJETIVOS......................................................................................................................................... 6 MARCO TEÓRICO .............................................................................................................................. 7 DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA .................................................................................................... 9 RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA .................................................................................................. 11 CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 13 RECOMENDACIONES ...................................................................................................................... 13 EXPERIENCIA N° 3: CALCULO DE LA COLUMNA DE SUCCION POSITIVA NETA- CSPN, NPSH REQUERIDO, NPSH DISPONIBLE Y CAVITACION EN BOMBAS ............................................................. 14 RESULTADOS ................................................................................................................................... 14 REFERENCIAS .................................................................................................................................. 16

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EXPERIENCIA N° 1: PRICIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA FRANCIS INTRODUCCION Para esta experiencia se ha utilizado el equipo HM 150.20. Este equipo sirve para demostrar el principio de funcionamiento de una turbina Francis. Se recomienda utilizar el HM 150 Modulo Básico para Ensayos sobre Mecánica de Fluidos, con el HM 150 se puede establecer un circuito cerrado. OBJETIVOS  Interpretar el funcionamiento de la turbina Francis  Determinar la potencia y la eficiencia de la turbina Francis bajo distintas condiciones de operación tanto caudal y dirección de las paletas directrices. MARCO TEÓRICO  TURBINAS FRANCIS: Se trata de una turbomáquina de reacción y de flujo mixto desarrollada por James B. Francis. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea la más ampliamente usada en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.  PARTES DE UNA TURBIA FRANCIS: Cámara espiral: Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete. La forma en espiral o caracol se debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada punto de la misma. La sección transversal de la misma puede ser rectangular o circular, siendo esta última la más utilizada. Distribuidor: Constituido por álabes móviles directores, cuya misión es dirigir convenientemente el agua hacia los álabes del rodete (fijos) y regular el caudal admitido, modificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a las variaciones de carga de la red eléctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la máquina

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Rueda o rodete: En esta parte ocurre el intercambio de energía entre la máquina y el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodete es una suma de energía cinética, energía de presión y energía potencial. La turbina convierte esta energía en energía mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico dónde se realiza la conversión final en energía eléctrica. RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA

F1

F2

rpm

4.2 3.1 2.5 2.2 2 1 0.3

1.6 1.1 0.7 0.6 0.5 0.2 0

100 300 445 990 11232 1680 1930

Par M 0.065 0.05 0.045 0.04 0.0375 0.02 0.0075

Datos obtenidos de la experiencia y calculados según la guía práctica: “CARACTERISTICAS DE LA BOMBA CENTRIFUGA HUMBOLDT”

rpm vs Par M 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 100

300

445

990

11232

1680

1930

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n(rpm)

F(n)

H(bar)

Par M(Nm) Pour(W)

Phyd(W)

n(%)

1230

15

0.05

0.0375

4.838

16

30.2

1498

1.5

0.05

0.0375

5.8824

16.9

34.8

1009

2.1

0.05

0.0525

5.5471

16.85

32.92

n(rpm) vs n(%) 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 1230

1498

1009

CONCLUSIONES  En esta experiencia se tuvo en cuenta las curvas características de la turbina menos las curvas de la potencia. Debido a un mal estado del alabe directriz de la turbina.  Al comparar las gráficas obtenidas en laboratorio con el manual brindado, nos damos cuenta q las curvas no son parecidas, esto se debe a que existe un alabe distribuidor en mal estado.  La posición de los alabes distribuidor debía de ser regulado por la palanca de regulación, En este caso no se indica una buena regulación por el error de un alabe distribuidor y por lo tanto las no se podrá tener buena curva características de la turbina. RECOMENDACIONES  Tener los implementos adecuados y de haber tenido conocimientos previos en funcionamiento de una turbina Francis.

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EXPERIENCIA N° 2: CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA CENTRÍFUGA HUMBOLTD

INTRODUCCION En el presente informe aprenderemos los procedimientos para el manipulamiento de una bomba Humboldt, para los cuales obtendremos datos en el laboratorio de energética de la escuela Ingeniería Mecánica de Fluidos, esta experiencia es vital importancia ya que nos permite tener una visión de manera práctica del uso funcionamiento y comportamiento de los parámetros físicos de una bomba como ya antes lo habríamos estudiado en clase. Fue una experiencia importante porque aprendimos a ver los instrumentos, manipula y leer los datos que estas nos daban al ser utilizados.

OBJETIVOS  Obtención y procesamiento de los datos de ensayos.  Obtener las curvas características experimentales de una bomba centrífuga.  Evaluación de resultados y comparación con las características del manual de operaciones.

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MARCO TEÓRICO

 CURVA ALTURA – CAUDAL H-Q:

Es importante analizar la CURVA DE COMPORTAMIENTO de una bomba centrifuga. Esta curva obtenida en laboratorio de pruebas la proporciona el fabricante.

 OTRAS CURVAS CARACTERISTICAS

Además de la curva característica altura-caudal (H-Q), se grafican con frecuencia otras curvas características como: -

Potencia hidráulica en función del caudal (N-Q)

-

Rendimiento en función del caudal (ƞ-Q)

-

NPSHR en función de caudal (NPSHR-Q)

 ECUACIONES: Caudal (Q): Es el volumen de fluido manejado por unidad de tiempo. El caudal puede expresar como el producto de la velocidad del fluido por el área transversal del ducto por el cual fluye:

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Donde: Q –Caudal. v – velocidad del fluido. A – Área transversal de la tubería. V – Volumen. T – tiempo. Altura de la bomba(H) Donde:

Ps - Presión en la brida de entrada Pd - Presión en la brida de salida Hm - Altura manométrica (Distancia entre centro de los manómetros de entrada y salida) Cs - Velocidad del líquido en la tubería succión Potencia hidráulica de la bomba (N): Es la energía requerida para transportar un fluido por unidad de tiempo:

Donde: N – potencia hidráulica. H – altura total o carga total de la bomba. - peso específico del líquido. Rendimiento de la bomba (ƞ): Es la relación entre la potencia hidráulica de la bomba y la potencia mecánica de la misma.

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Por lo tanto, la fórmula para calcular la potencia mecánica o de freno de la bomba resulta entonces.

Donde: Ƞ - rendimiento de la bomba. Nm – potencia mecánica de la bomba. Nh – potencia hidráulica de la bomba.

DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA 1. Primero reconocemos los instrumentos que utilizaremos para esta experiencia el sistema de tuberías, la bomba, el medidor de agua tacómetro digital el tablero eléctrico y los manómetros:

2. Conectamos la bomba a la fuente de energía y prendemos el tablero electrónico, como observamos en la siguiente imagen:

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3. Ya instalada la bomba se proceden a realizar las mediciones necesarias tales como la diferencia de cotas, las presiones etc.

4. Para poder obtener los datos que necesitamos apuntamos el voltaje del tablero de energía y el caudal en el medidor de agua, lo tomamos de esta forma anotamos el número que aparece en el medidor, por 1 min tomamos el siguiente número, lo restamos y obtenemos el caudal.

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RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA Hallamos el Caudal: t=1min Experiencia

V1 (Lt)

V2 (Lt)

Q (Lt/min)

H (m)

1

114

133

19

0.15

2

213

226

13

0.15

3

255

262

7

0.15

Hallamos la Altura de la Bomba:

Ps (pulgHg)

Ps (mH2O)

Pd (PSI)

Pd (mH2O)

-5

-1.7265

14.08

9.8996

-5

-1.7265

21.13

14.8565

-4.8

-1.65744

28

19.6868

Hr (m) 11.7761 16.7330 21.4942

Hallamos las Potencias:

Q(m3/s)

Nh(kW)

Nh(HP)

0.00031667

0.03656

0.04972

0.00021667

0.03554

0.04834

0.00011667

0.02458

0.03344

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GRÁFICOS OBTENIDOS

20.0000 15.0000 10.0000 5.0000 0.0000 0

5

10

15

CAUDAL (Q)

20

Curva (Q-Hr): Observamos que a mayor caudal es menor la altura.

0.06000

POTENCIA HIDRAULICA HP ( NH)

ALTURA REAL (HR)

25.0000

0.05000 0.04000 0.03000 0.02000 0.01000 0.00000 0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

CAUDAL (Q)

Curva (Q-Nh): Observamos que a mayor Caudal mayor la Potencia Hidráulica

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CONCLUSIONES  De la obtención de datos podemos destacar: Con más experiencias

apreciaríamos mejor las curvas. La presión de succión es negativa debido a que es menor que la presión atmosférica. La correcta manipulación de las llaves para manipular el caudal.  Al comparar las curvas obtenidas (Q-Hr) y (Q-Nh) con las curvas teóricas,

observamos que se cumple la tendencia disminución y aumento respectivamente. Faltarían más puntos para que se observe el gráfico curvo en (Q-Hr) y el grafico recto en (Q-Nh).  En la curva (H-Q) se llega a la conclusión que la altura decrece con el caudal y

en la curva (Q-Nh) la potencia hidráulica aumenta con el caudal, lo cual nos da una referencian de que caudal usar para cierta Altura y Potencia Hidráulica.

RECOMENDACIONES  Se recomienda la participación de todos los alumnos al momento de observar las medidas para evitar errores de visualización.  Se recomienda haber comprendido previamente los temas de turbomáquinas dictados en clases para el mejor entendimiento de la experiencia en el laboratorio de energética.

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EXPERIENCIA N° 3: CALCULO DE LA COLUMNA DE SUCCION POSITIVA NETACSPN, NPSH REQUERIDO, NPSH DISPONIBLE Y CAVITACION EN BOMBAS

RESULTADOS I.

¿Explique que es el fenómeno de cavitación? Existen diversas formas de explicar el concepto de cavitación, ya sea desde el punto de vista ingenieril o del punto de vista físico. La cavitación es la formación de bolsas o burbujas de vapor de agua en un fluido líquido, las cuales se forman debido a la disminución rápida de la presión en ciertas regiones, un caso sencillo para explicar este concepto es al llenar una jeringa por aspiración, si la aspiración es demasiado intensa, observaremos una burbuja de gas en la jeringa.

II.

¿Por qué es importante el estudio de la cavitación dentro de las bombas centrifugas? La cavitación reduce la eficiencia de las máquinas hidráulicas (aumento del desgaste en el rodete y costos de mantenimiento), su presencia en obras de ingeniería suele reconocerse debido a la existencia de ruidos y vibraciones, en el caso de laboratorios se requiere usar tuberías transparentes y con instrumentos de medición. Los instrumentos de medición nos pueden brindar la variación de la tendencia de la concentración del vapor de agua en diversos puntos de la estructura hidráulica.

III.    

¿Cómo se puede aumentar el NPSHd? Revisando las características de la instalación de la bomba. Aumentando la presión sobre el agua que se bombea. Disminuyendo la temperatura para reducir la presión de vapor. Dependiendo del eje de la bomba: Si el eje está por debajo se debe disminuir la altura de aspiración y la perdida de carga que se produce en el tramo de aspiración. Si el eje está por encima entonces solo se debe disminuir la perdida de carga en el tramo de aspiración.

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IV.

¿Cómo se puede reducir el NPSHr?  Disminuyendo el caudal  Disminuye el número de revoluciones del motor.  Revisando las características de la bomba. Es necesario mencionar que, si la NPSHr es mantenida en intervalos mínimos, aumenta la capacidad de aspiración.

V.

Realice un esquema grafico del banco de bombas.

VI.

CONCLUSIONES

 Se observó, que la cavitación ocurrió debido al aumento de la presión en el conducto horizontal, y este ocurrió a su vez debido al aumento del caudal gracias al cierre de la válvula de ingreso al tanque de agua.  Al abrir la válvula de succión de forma brusca, observaríamos cavitación en el conducto de succión (conducto vertical).  Durante el desarrollo de esta experiencia hemos indagado sobre las características de los parámetros relacionados con la cavitación, lo cual nos permite entender el fenómeno de la cavitación.

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REFERENCIAS 

Manual_HM15_20s- V0.1_TurbinaFrancis



https://www.scribd.com/document/219256031/Informe-Turbina-Francis



Características de la bomba centrifuga Humboldt – Ph D Ing. Miguel Ángel Ormeño Valeriano



CALCULO DE LA COLUMNA DE SUCCION POSITIVA NETA- CSPN, NPSH REQUERIDO, NPSH DISPONIBLE Y CAVITACION EN BOMBAS - Ph D Ing. Miguel Ángel Ormeño Valeriano Apuntes de la clase de Turbomáquinas - Ph D Ing. Miguel Ángel Ormeño Valeriano

 

Cengel, Y., & Cimbala, J. (2006). Mécanica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones. México D.F: McGrawHill.



Carnicer, E., & Mainar, C. (2004). Bombas Centrífugas. España: Paraninfo.

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