Maquinas Hidraulicas

 

 

MAQUINAS HIDRAULICAS

GUÍAS DE PRÁCTICAS. Para información complementaria consultar la tesis “ELABORACION E IMPLEMENTACIÓN DE LAS GUÍAS DE PRÀCTICAS PARA LOS LABORATORIOS DE MECANICA DE FLUIDOS, MAQUINAS TERMICAS, MAQUINAS HIDRÁULICAS, TERMODINÁMICA, TRANSFERENCIA DE CALOR, AUTOMATISMOS, METROLOGIA, FUNDICION, TRATAMIENTOS TERMICOS, Y CNC.” Autora: Gabriela Venegas Riera.

 

INDICACIONES Después de 10 minutos de atraso no se s e puede ingresar al laboratorio.   Al ingresar al laboratorio se deben apagar los celulares y los dispositivos reproductores de audio.   Revisar al inicio de cada práctica cuidadosamente el equipo que utilizarse, al detectarse alguna irregularidad o desperfecto deberá de notificarlo con el instructor.

 

Los estudiantes deben antes esperar al profesor o instructor la con práctica para laderevisión de conexiones y montaje de iniciar la toma de datos. de Esto el objetivo protegerla integridad del equipo, ya que todo instrumento que presente una avería al final de la práctica debe ser reparado o restituido por los integrantes int egrantes del grupo que realizan la práctica.   Durante todas las prácticas desarrolladas deberá de mantener una apropiada limpieza y orden en el lugar de trabajo.   Considerar todas las disposiciones de seguridad a continuación.

 

NORMAS DE SEGURIDAD 1.   No introducir ni consumir alimentos o bebidas en el laboratorio. laboratorio. No fumar. 2.  Operar un instrumento o aparato solamente cuando sepa cómo hacerlo, de otra manera solicitar la ayuda del profesor, del ayudante o del técnico del laboratorio, para adquirir la destreza necesaria. 3.  Una vez concluido el uso de un aparato o instrumento, seguir el procedimiento adecuado para apagarlo, desconectarlo, guardarlo y entregarlo al responsable de su custodia. 4.  Al concluir una práctica, levantar todos los instrumentos, equipos y accesorios utilizados, verificar que todas las tomas de agua, gas, aire u otras en el lugar de trabajo estén bien cerradas y dejar limpias y secas las mesas de trabajo y el piso del laboratorio.

ESQUEMA DEL INFORME DE LABORATORIO Los informes de Laboratorio deben ser claros y concisos de acuerdo con la siguiente estructura: 1.  Tema. 2.  Objetivos. 3.  Marco teórico. (un máx. de 3 planas) 4.  5.  6.  7. 

Procedimiento de la práctica. Cálculos / Gráficas/ Esquemas. Análisis de resultados. Conclusiones.: Las conclusiones deben estar relacionadas con: a.  Análisis de las graficas graficas y de los datos registrados. registrados.  b.  Porque se cumplieron los objetivos de la practica (si se cumplieron). c.  Existe correspondencia entre los valores numéricos de las magnitudes físicas medidas con los valores reales de las mismas. Argumente su respuesta 8.  Bibliografía. Los datos tomados de libros o sitios de d e internet de manera literal deben poseer el respectivo pie de página. 9.  Anexos (Cuestionario resuelto). 

2

 

 

GUIAS DE PRÁCTICA

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS  

LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

PRACTICA TIEMPO Nº ESTIMADO 1

30 min

TEMA

ASIGNATURA

DETERMINACIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA  

Máquinas Hidráulicas

1.  OBJETIVOS -  Determinar las curvas características (H-Q) ;(Pw–Q) y ( -Q) de una bomba, mediante válvula de control a la descarga. GA   -  Comparar la Curva (H –Q) obtenida en la prueba, con la l a entregada por el fabricante. -  Obtener la ecuación de las curvas características (H-Q) y (-Q); mediante el ajuste de curvas por el método de los mínimos cuadrados.

2.  METODO - 

Manejo del equipo y del software de control para determinar los datos necesarios y realizar la determinación de las curvas características de una bomba centrífuga.

3.  EQUIPO Y MATERIALES Banco de pruebas para bombas centrifugas. -  Software de Control.

- 

4.  MARCO TEORICO TE ORICO El estudio de las Bombas Centrífugas reviste gran importancia en la formación del Ingeniero Mecánico, debido a que en la mayoría de los procesos industriales donde se transportan fluidos, interviene este tipo de máquina hidráulica. Por tal razón, es indispensable que el estudiante pueda constatar y manejar los parámetros de funcionamiento de las bombas centrifugas; a través del manejo de las curvas características de operación; tales como: Curva motriz; Potencia; Eficiencia y NPSH. 

4.1 CURVAS CARACTERÍSTICAS CARACTE RÍSTICAS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

  CURVA IDEAL ALTURA - CAUDAL Las curvar características de operación, son de gran utilidad en las turbomáquinas, entre todas estas, la más trascendental en las bombas centrífugas es la H = f (Q), o curva altura - caudal,  por ser estos dos parámetros H y Q los más significativos en el trabajo de una u na bomba. bo mba. De la ecuación de Euler:

(1.1)  4

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Como se trata de poner la carga en función del caudal solamente, para un impulsor determinado con un radio (2) girando a una velocidad = cte., esto es, con una u2  = cte., solo hará falta expresar a cu2  en función de Q en la fórmula de Euler, a través de cantidades medibles. Para un impulsor determinado  2  y  A2 están definidas y por lo tanto la ecuación s la forma explícita de la curva característica ideal altura - caudal, se puede poner po ner bajo la forma sencilla:

(1.2) La ecuación ecuación 1.2 representa representa una recta recta con “ c”  como   como ordenada en el origen y con “ a”   como  pendiente. Según el valor de  2 la cotangente puede ser positiva, negativa o cero, dando lugar a las tres formas de la característica presentada en la figura

Fig. 4.1 Triángulo de velocidades- salida 2 <

90°

2 =

90°

2 >

90°

Alabes curvados hacia hacia atrás condición para un buen rendimiento, rendimiento, aunque con  baja transferencia energética; Alabes rectos rectos el rendimiento es bajo bajo pero con una una transferencia energética energética importante. Alabes son curvados hacia delante, produciendo una c2 muy alta, un muy  mal rendimiento aunque la transferencia energética es muy alta.

Fig. 4.2 Curva teórico motriz de una bomba centrífuga 5

 

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4.2  CURVA MOTRIZ REAL (H-Q) La curva característica de una bomba centrífuga es una ecuación de la forma, H= f (Q), que relaciona el caudal con la altura manométrica. En la curva de comportamiento real, hay que considerar diferentes tipos de pérdidas, obteniéndose las alturas manométricas H relativas a cada uno de los caudales Q. En consecuencia, la ecuación real es una función parabólica, en lugar de una función lineal de las curvas teóricas, lo que se ajusta a la realidad:

 H = H t,z  - H c t,z  - H r  r   H tt,z,z =Número de álabes  H r = Fricción  H c = Choques internos   Fig. 1.3 Curva real motriz de una bomba ce centrífuga ntrífuga

Fig. 4.3 Curvas de la Ecuación de las bombas centrífugas

(1.3)

Por lo que:  H = c + bQ + aQ 2

La curva real ha de obtenerse obtenerse por vía experimental en un “ banco de ensayos” , y ésta será la que el fabricante suministre al usuario. Para obtener el modelo matemático, se toma una serie de puntos para luego ajustar la función mediante el método de los “ mínimos cuadrados” .

4.3  CURVAS CARACTERÍSTICAS Mediante un análisis puramente teórico no es posible obtener la ecuación de la bomba; se determina por vía experimental en un banco de ensayos, y eesta sta será la que el fabricante de la  bomba suministre al usuario. usuario. H

 max

P(KW) n(%)

(m ft)     )      Q      (       P    =     P

 

H =  =H    (  H (   Q  Q )        )      Q      (      n    =    n

Pe(KW)

Pe=Pe(Q)

NPSH(KW)

NPSH=NPSH R (Q)

Q ( m3 , GPM )

Fig. 4.4 Curvas características reales de una bomba centrífuga

6

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS 5. DESARROLLO

5.1 PREPARACION Y AJUSTE DEL EQUIPO 

  El Banco de –Bombas mediante permite un proceso automatizado de manejo de para datosPrueba ( sensores interfaceCentrífugas, – software FN2002), probar las bombas en

diferentes condiciones de operación como: Prueba de una Bomba, Prueba de dos Bombas iguales acopladas en Paralelo y en Serie, Prueba de Cavitación y Prueba de una Bomba a Velocidad Variable; y al mismo tiempo, optimizar el proceso de obtención de las curvas características tales como: Curva motriz; Potencia; Eficiencia y NPSH; NPSH; las mismas mismas que  posibilitan un análisis real de funcionamiento de las Bombas Centrífugas, utilizando el método de regulación de válvula a la descarga

Fig. 5.1 Banco para pruebas de Bombas centrífugas. 

5.2 PROCEDIMIENTO  

Energizar el banco para pruebas de bombas centrífugas.

 

Cargar el software FN 2002 y seleccionar la pantalla de trabajo para la prueba N° 1

 

Registrar datos de placa de bombas centrífugas (Qmax, Hmax, P mot, RPM, A, V)

 

Verificar la posición de las válvulas de paso (esféricas) para prueba Nº 1.

 

Accionar modo de prueba manual o automático (según asigne el instructor)

7

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Activar inicio de prueba y verificar que las válvulas de control de la succión y la descarga se hayan abierto completamente completamente

 

De acuerdo al modo de prueba; inicie la regulación de la válvula de control de la descarga en porcentajes o aleatoriamente (según asigne el instructor).

 

Seleccionar tabla de resultados result ados para leer los valores medidos y calculados en los puntos de regulación establecidos.

 

Registrar valores de las diferentes magnitudes medidas (QW, Hs, Hd, v, A)

 

Seleccionar   grafico  grafico, para observar las curvas características obtenidas en la prueba.

 

Una vez finalizada la regulación retorne al punto de máxima apertura de la válvula.

6. CÁLCULOS Y RESULTADO RESULTADOSS NOMENCLATURA SIMBOLOG SIMBOLOGIA IA UNIDAD Altura teórica de Euler m Hu Constantes a,c,d,e Altura o cabeza dinámica Total m Ht Presión Atmosférica Pa Pa Caudal m3/s Qw Amperaje A I Altura de pérdidas por fricción m Hr Factor de fricción f Presión de descarga Altura de succión Potencia Hidráulica Potencia al eje Potencia Eléctrica Torque Eficiencia Voltaje Velocidad Angular

Hd Hs Pw Pp Pe T η  U ω 

m m W W W  N-m % V rad/s

6.1 Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser tabulados bajo la siguiente estructura: 8

 

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Cabeza Total

Potencia Hidráulica

 H T 

  Hd     Hs  



Qw  H T      g

Pw

1000

Potencia al eje

    w Pp T 

Torque

T  C 

 TOT    

Eficiencia Total

 I 

M  

   

W  N-m

U 

Pw

W

 

Pp

%

6.2 Realizar el ajuste de las curvas mediante el empleo del  METODO DE MINIMOS CUADRADOS .

7. ACTIVIDADES DEL ALUMNO ALUMNO

7.1  Llenar la siguiente tabla con los resultados r esultados del cálculo : Cabeza

Potencia

Potencia

Total

hidráulica

al eje

Torque TOT   

7.2  Realizar el ajuste de la curva por medio de la aplicación del método de mínimos cuadrados . 7.3  Graficar las curvas ajustadas.

9

 

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8.  CONCLUSIONES

9.  CUESTIONARIO

1.  ¿Cuál es la función de una bomba bo mba centrífuga? 2.  ¿Cómo se determinan las características de una bomba centrífuga? ¿Cuál de ellas es la más importante y por qué? 3.  Clasificación de las bombas centrífugas y una breve descripción de cada tipo. tip o.

INFORME a.  Como marco teórico se debe abordar y profundizar los siguientes temas: 1.  Principios fundamentales de las bombas centrífugas. 2.  Curvas características. características. 3.  Aplicaciones de las bombas centrífugas.

10

 

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PRACTICA TIEMPO Nº ESTIMADO 2

30 min

TEMA

ASIGNATURA

LA CAVITACION EN BOMBAS CENTRIFUGAS

Máquinas Hidráulicas

1.  OBJETIVOS Entender el concepto físico del fenómeno de la cavitación. -  Conocer las acciones preventivas y materiales empleados en las bombas. -  Desarrollar el cálculo de la cavitación en un sistema sist ema de bombeo.  - 

2.  METODO - 

Operación del banco de pruebas para bombas centrífugas para determinar la cavitación  por medio del cálculo respectivo r espectivo de este fenómeno empleando los valores indicados i ndicados  por el software de control.

3.  EQUIPO Y MATERIALES Banco de pruebas para bombas centrifugas. -  Software de Control.

- 

4.  MARCO TEORICO TE ORICO 4.1 Cavitación La cavitación, ocurre en el momento en que un liquido es sometido a una presión (P 1) igual o menor que su presión de vaporización (Pv) instantes después es regresado regresado a una presión mayor (P2),burbujas a la presión de vapor de este. el intervalo de estos dos se forman  pequeños de estado gaseosos, las En cuales al ser comprimidas por p orsucesos la l a presión mayor (P2), dejan un espacio ocasionando que las pequeñas partes en estado liquido se aceleren y choquen unas con otras. El fenómeno consiste consiste en un cambio rápido y explosivo explosivo de fase líquida a vapor. Si el liquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste hierve y forma burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita aplastándose  bruscamente las burbujas. Cuando el colapso colapso o imploción de las burbujas se da cerca o en contacto contacto de una pared sólida, las fuerzas que ejerce el líquido al empujar las cavidades crean presiones muy grandes (hasta de 1000 atm) y localizadas que causan deterioro en la superficie, pues acompañan al fenómeno, fuertes vibraciones y constantes golpeteos. 11

 

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4.2 NSPHD Y NPSHR de un sistema de bombeo b ombeo La altura de aspiración hace referencia a la presión (presión negativa) existente en el lado de aspiración de la bomba. La presión se puede medir desde la línea de centros de la parte hidráulica de la bomba hacia la superficie del agua en el lado de aspiración de la bomba. Para evitar cavitaciones (el fenómeno de formación de burbujas de vapor dentro de un líquido en movimiento, en las zonas en las que la presión del líquido caiga por debajo de su presión de vapor) es importante comparar la NPSH (Altura Neta de Aspiración Positiva) necesaria con la  NPSH disponible.

CONDICIÓN PARA QUE LA BOMBA NO CAVITE  NPSH  D 

  NPSH  R  

 Ha = altura de aspiración m mínima ínima antes de que empiec empiecee la cavitación cavitación

 

 ALTURA NETA DE ENTRADA DISPONIBLE (NSPH  (NSPH  d  )

La altura, o energía, bruta disponible que tiene el flujo a la entrada de la bomba será la de la SLL ( p o /   ) menos la altura de aspiración Ha y menos la perdida de de carga  Hra  en la tubería de aspiración. Como el líquido a bombear tiene una determinada presión de vapor Ps, la energía bruta anterior sólo es utilizable hasta dicha presión Ps, a partir de la cual aparece la cavitación, por lo que se define la altura neta disponible a la entrada de la bomba NPSHd de la forma:

Que representa una familia de parábolas, al ser r a * Q 2 , y que no es más que la curva característica de la instalación que sólo afecta al tubo de aspiración, siendo independiente del tipo de bomba instalada.

Fig. 4.1 Altura neta disponible 12

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

 ALTURA NETA DE ENTRADA REQUERIDA (NSPH  (NSPH  R )

La bomba necesita que el líquido a aspirar disponga de un mínimo de energía que le permita hacer el recorrido del sistema sin que aparezca cavitación; esta presión mínima, cuyo límite es  Ps, es la que se tiene a la entrada del rodete, en el momento en que éste comienza a comunicar al líquido la presión P1. Si se supone que los puntos de aspiración y descarga están al mismo nivel y teniendo en cuenta que Ps es la presión mínima que se puede tener en el punto1, la  altura bruta a la entrada de la bomba es:

 La altura neta neta requerida a la entrada del ro rodete dete es:

Es conveniente que el NPSHr sea lo menor posible, (w1  0) para que la longitud del tubo de aspiración sea mayor, mientras que el NPSHd tiene que ser lo mayor posible.

Fig.4.2 NPSHr

4.4 Altura de aspiración (Ha) Para determinar la altura de aspiración en una impulsión, fijamos el caudal máximo previsto Qmax (que es con el que más riesgo de cavitación existe) sobre el eje de caudales del gráfico suministrado por el fabricante de la bomba. De las infinitas curvas NPSHd que pueden obtenerse en una instalación (dependiendo de la altura de aspiración  Ha escogida), una ha de  pasar por A. 13

 

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Fig. 4.3 Altura de aspiración máxima.

   Po Ps   Ha   H ramax          

 NPSHr   NPSHd   

 Donde despejamos despejamos Ha:  Ha 

Po  Ps

 

 

   H ra max  NPSH r 

 

Que sería la máxima máxima altura de aspiración, y eso ya con cavitación. Para asegurarnos asegurarnos de que ésta no se produzca es aconsejable disminuir dicha altura en 0.5 m:  Ha 

Po  Ps

 

 

 H ramax  NPSH    r   0.5  

La altura de aspiración no superará los 6.5m aunque puede resultar mucho más pequeña, incluso negativa a veces. 5. DESARROLLO

5.1 PREPARACION Y AJUSTE DEL EQUIPO  

El Banco para Prueba de Bombas Centrífugas, mediante un proceso automatizado de manejo de datos ( sensores – interface – software FN2002), permite probar las bombas en diferentes condiciones de operación como: Prueba de una Bomba, Prueba de dos Bombas iguales acopladas en Paralelo y en Serie, Prueba de Cavitación y Prueba de una Bomba a Velocidad Variable; y al mismo tiempo, optimizar el proceso de obtención de las curvas características tales como: Curva motriz; Potencia; Eficiencia y NPSH; NPSH; las mismas mismas que  posibilitan un análisis real de funcionamiento de las Bombas Centrífugas, utilizando el método de regulación de válvula a la descarga

14

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS  

LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Fig. 5.1 Banco para pruebas de Bombas centrífugas. 

5.2 PROCEDIMIENTO   Energizar el banco para pruebas de bombas centrífugas.  

Cargar el software FN 2002 y seleccionar la pantalla de trabajo para la prueba N° 2

 

Registrar datos de placa de bombas centrífugas (Qmax, Hmax, P mot, RPM, A, V)

 

Verificar la posición de las válvulas de paso (esféricas) para prueba Nº 2.

 

Accionar modo de prueba manual o automático (según asigne el instructor)

 

Activar inicio de prueba y verificar que las válvulas de control de la succión y la descarga se hayan abierto completamente completamente

 

De acuerdo al modo de prueba; inicie la regulación de la válvula de control de la descarga en porcentajes o aleatoriamente (según asigne el instructor).

 

Seleccionar tabla de resultados result ados para leer los valores medidos y calculados en los puntos de regulación establecidos.

 

Registrar valores de las diferentes magnitudes medidas (Q, Hs, Hd,)

 

Seleccionar   grafico  grafico, para observar las curvas características obtenidas en la prueba. 15

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS    

LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Una vez finalizada la regulación retorne al punto de máxima apertura de la válvula.

6. CÁLCULOS Y RESULTADO RESULTADOSS NOMENCLATURA Carga Velocidad Caudal  Número de Reynolds Coeficiente de fricción Presión de descarga Presión de succión Pérdidas por fricción Altura de aspiración

SIMBOLO SIMBOLOGIA GIA UNIDAD  H  H 2O   m m/s V m3/s Q Re F Pa Pd Pa Hest m HT  m Ha

Altura neta de entrada disponible Altura neta de entrada requerida

NPSHD 

m

NPSHR 

m

6.1 Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser tabulados bajo la siguiente estructura: Carga

 H  H 2O

V   

Velocidad

 R E   

 Numero de Reynolds Coeficiente de fricción

1  f 

  T (º C ) Q  A

m

 

V  D v

 

m/s  

   2.51        2 log   R E   f o 3,7 D     

  pd   ps              

 H est   H geo  

 H T   H    est   H r Q

Pérdidas por fricción Altura de aspiración

Psistema

   Patm   Pd   Pman

Presión de descarga Presión de succión



2

 

 Ha  Po  Ps    H ra  max  NPSH    r   0.5     16

Pa m m m

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS   Altura neta de entrada disponible

LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

 NPSH D 

Altura neta de entrada requerida

 p o  p s    H a  H ra    

  f (Q)    NPSHr   

m m

Algunas constantes necesarias son: Constante Coeficiente de fricción inicial Coeficiente de rugosidad Diámetro de la tubería

Valor

f 0    0.025      0.00026 

7. ACTIVIDADES D DEL EL ALUMNO 7.1  Llenar la siguiente tabla con los resultados r esultados del cálculo :  H  H 2O  

V 

Q

Pd Hest HT  Ha NPSHD  NPSHR  CAVITACION

8.  CONCLUSIONES 

9.  CUESTIONARIO 1.  Indique algunas medidas para evitar o disminuir la cavitación. 2.  ¿Cuáles son los efectos de la cavitación? 17

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

3.  Determinación de la cavitación en bombas centrífugas.

INFORME a.  Como marco teórico se debe abordar y profundizar los siguientes temas: 1.  Efectos de la cavitación. 2.   NPSH requerido y de diseño. 3.  Condición para verificar la existencia de cavitación.

18

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS   PRACTICA Nº 3

LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

TIEMPO ESTIMADO

TEMA

ASIGNATURA

35 min

CURVAS CARACTERISTICAS Y EFICIENCIA VOLUMÉTRICA DE UNA BOMBA DE ENGRANES

Máquinas Hidráulicas

1.  OBJETIVOS -  Determinar el comportamiento de una bomba de engranes por medio de sus curvas características.

2.  METODO - 

Uso de la Bomba de Engranes FM52 para obtener las curvas características de funcionamiento así como su eficiencia volumétrica mediante un rango de velocidades y presiones de salida.

3.  EQUIPO Y MATERIALES FM52 Bomba de engranes. -  Software de control del equipo.

- 

4.  MARCO TEORICO 4.1 Bombas de engranes Para sistemas simples con un nivel de presión relativamente bajo (140 -180 bar / 14-18 MPa) la bomba de engranajes es la más usada. La bomba de engranajes es una bomba muy simple, fiable, económica y poco sensible a la suciedad. La bomba es movida en la dirección indicada. Mientras los engranajes giran y los dientes en el lado de succión se acercan al punto de engrane de las ruedas, se crea un vacío y el aceite fluye hacia el espacio entre los flancos de los dientes y la pared de la carcasa. El aceite en las cámaras es transportado hacia el lado de presión de la bomba. Allí los dientes engranan y el aceite es forzado a salir desde el espacio entre dientes hacia el puerto de descarga de la  bomba. El engrane entre dientes evita que el aceite fluya del lado de d e presión al lado de succión de la bomba. Así el aceite es llevado del lado de succión al lado de presión a lo largo de la  pared del alojamiento de los engranajes. La presión en el lado de presión está determinada por la resistencia en el sistema. La resistencia más importante es la carga sobre el motor hidráulico ó sobre el cilindro. Para  prevenir la cavitación, la presión en el lado de succión de la bomba no deberá exceder los 0.1 0.2 bar por debajo de la presión atmosférica (presión absoluta mínima 0.8 bar). 19

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

4.2 Tipos de bombas de engranes

  Bombas de engranes externos._ Conforme los dientes de los engranes se separan en el lado el líquido llena el espacio, entre ellos. Éste se conduce en trayectoria circular hacia afuera y es exprimido al engranar nuevamente los dientes. Los engranes pueden tener dientes simples, dobles, o de involuta. Algunos diseños tienen agujeros de flujo radiales en el engrane loco, que van de la corona y del fondo de los dientes a la  perforación interna. Éstos permiten que el líquido se comunique de un diente al siguiente, evitando la formación de presiones excesivas que pudiesen sobrecargar las chumaceras y causar una operación ruidosa. (Fig. 4.1)

Fig. 4.1 Bomba de engranes externos

  Bombas de engranes internos._  Estas tienen un rotor con dientes cortados internamente y que encajan en un engrane loco, cortado externamente. Puede usarse una partición en forma de luna creciente para evitar que el líquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba. (Fig. 4.2) 4 .2)

Fig. 4.2 Bomba de engranes internos

20

 

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5. DESARROLLO

5.1  PREPARACION Y AJUSTE DEL EQUIPO  

Llenar el reservorio de la Bomba de engranes hasta el 60% de su capacidad y procurar que la llave de paso en la base de la misma se mantenga cerrada luego del ingreso del agua.

 

Verificar que la unidad de servicio este conectada de manera correcta al autotransformador y que éste se halle conectado a la red de 110 V.

 

Asegurarse que la válvula de aguja esté abierta abi erta completamente. completamente.

Fig. 5.1Bomba de Engranes

5.2 PROCEDIMIENTO  

Ingresar al software del dispositivo FM52 GEAR PUMP  en el menú de ARMFIELD CAPTURE SOFTWARE.

 

Presionar “PUMP ON” para encender la bomba y ajuste su velocidad al 80% en la casilla de control PUMP SETTING.

 

Permita que la turbina alcance una velocidad constante e inspeccionar que la casilla de control de control de fflujo lujo aumen aumente te su valor desde cero hasta valores valores estable estables. s. Presion Presionar ar el el botón y tomar una muestra.

 

Lentamente cerrar la válvula de aguja hasta alcanzar un pequeño cambio en la presión de salida y la lectura del medidor de flujo. Tomar una muestra nuevamente mediante el  botón

 

.

Continuar cerrando la válvula de aguja en pequeños incrementos y tomar muestras en cada uno de los cierres. cierres. 21

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS    

LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Cuando la válvula de aguja esté completamente cerrada, tomar la última muestra mediante el bo botón

.

 

Realizar el proceso inverso, es decir, abrir la válvula de aguja en pequeños incrementos tomando muestras en cada uno de las aperturas.

 

Reducir la velocidad de la bomba b omba a 0% y apagar el equipo pulsando PUMP ON nuevamente.

 

Para la exportación de datos, se guardan el archivo de los resultados que luego debe ser abierto con el programa EXCEL donde se podrán contar con los valores obtenidos durante la práctica para su posterior manejo.

6. CÁLCULOS Y RESULTADO RESULTADOSS Algunos de las constantes necesarias para este ejercicio son:

CONSTANTE Área de ingreso

SIMBOLOG SIMBOLOGIA IA Ao

MEDIDA 52.36

UNIDAD mm

Área de salida Desplazamiento Desplazam iento de la  bomba

A1 

52.36

mm

V

6.25 x 10 -3 

l/rev

 Nivel del agua

Ho

Densidad del agua

Altura del fluido en el reservorio 1.005

 

ρ

m gr/cm3  

Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser tabulados bajo la siguiente estructura: Potencia de entrada

W

Potencia de salida

W

Cabeza de salida

m

Velocidad de ingreso

m/s

Velocidad de salida

m/s

Altura total

m 22

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Eficiencia Global

%

Eficiencia Volumétrica

%

7. ACTIVIDADES D DEL EL ALU ALUMNO MNO 7.1  Llenar la siguiente tabla con los resultados obtenidos.

Q (l/m)

Q (m3 /min)

n (rpm)

H (m)

P (W)

P1   (W)

Eo (%)

Ev (%)

7.2  Realizar un gráfico presión de salida vs eficiencia global vs eficiencia volumétrica vs potencia de entrada donde se puedan observar las curvas características de una bomba de engranes.

8.  CONCLUSIONES

9.  CUESTIONARIO 1.  ¿Cuáles son las características las bombas de engranes? 2.  ¿Por qué las bombas de engranes se consideran maquinas de desplazamiento giratorio  positivo? 3.  Clasificación y características de las bombas de desplazamiento positivo. 23

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

INFORME a.  Como marco teórico se debe abordar y profundizar los siguientes temas: 1.  Definición, partes constitutivas de una bomba de engranes. 2.  Curvas características teórica y real de las bombas de engranes.

24

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS   PRACTICA Nº 4

LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

TIEMPO ESTIMADO

TEMA

ASIGNATURA

35 min

CURVAS CARACTERISTICAS – DIAGRAMA DIAGR AMA P-V Y EFICIENCIA VOLUMÉTRICA DE UNA BOMBA DE PISTON

Máquinas Hidráulicas

1.  OBJETIVOS -  Determinar el comportamiento de una bomba de pistón por medio de sus curvas características. -  Graficar el diagrama P-V. -  Calcular la eficiencia volumétrica de una bomba de pistón.

2.  METODO - 

Uso de la Bomba de Pistón FM53 para obtener las curvas características de funcionamiento así como un diagrama P-V y su eficiencia volumétrica mediante un rango de velocidades y presiones de salida.

3.  EQUIPO Y MATERIALES FM53 Bomba de Pistón. -  Software de control del equipo.

- 

4.  MARCO TEORICO 4.1 Bombas de Pistón En las bombas de pistón, él líquido es desalojado de la cámara de trabajo por el movimiento alternativo del émbolo mediante un mecanismo biela manivela o son fin corona. En las  bombas de pistón más usuales existen válvulas de aspiración y de impulsión que regulan el movimiento del líquido a través de la cámara de trabajo que mientras se está llenando, la válvula de aspiración permanece abierta y la de impulsión cerrada, invirtiéndose la posición de las válvulas durante el desalojo o impulsión del líquido; estas válvulas, en general, son de acción, es decir, sólo se abren por la acción del gradiente de presiones, y se cierran por su  propio peso o por la acción de algún mecanismo con muelle. muelle.

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4.2 Tipos de bombas de engranes Según el número de cámaras de trabajo se dividen en bombas de simple efecto, z = 1, y de doble efecto, z = 2.

  Bomba de simple efecto: El líquido se impulsa únicamente durante media vuelta de la manivela, por cuanto, en la segunda media vuelta, el líquido se aspira, existiendo en consecuencia una gran irregularidad en el suministro.

Fig. 4.1 Bomba de simple efecto

  Bomba de doble efecto: Para la bomba de doble efecto, Fig 4.2, el suministro durante una vuelta se reduce por dos veces a cero, y también, por dos veces, alcanza el valor máximo, siendo su irregularidad menor que para el caso de simple efecto, pero aún así es demasiado grande, por cuanto la presión del líquido junto al émbolo varía fuertemente debido a la corriente irregular en las tuberías.

Fig. 4.2 Bomba de doble efecto

Durante el movimiento acelerado del émbolo, y en consecuencia, del líquido en la tubería de aspiración, tiene lugar una caída de presión junto al émbolo que puede provocar cavitación, e incluso, separación del líquido de la superficie del émbolo, consumiéndose una potencia suplementaria en el aumento a umento periódico p eriódico de las l as pérdidas p érdidas de carga por rozamiento del líquido contenido en las tuberías de aspiración e impulsión. Las bombas de émbolo pueden crear presiones de miles de atmósferas , siendo de entre todas las bombas existentes, las que poseen mayor impulsión; normalmente funcionan con números de revoluciones bajos, del orden de 300 a 500 rpm, ya que si las revoluciones son más altas, se  puede llegar a alterar el funcionamiento normal de las válvulas de aspiración e impulsión, 26

 

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debido a esta marcha lenta, sus dimensiones resultan bastante mayores que las de una  bomba centrífuga que funcione funcione en las mismas condiciones de caudal y altura manométrica.

5. DESARROLLO 1.1  PREPARACION Y AJUSTE DEL EQUIPO  

Llenar el reservorio de la Bomba de engranes hasta el 60% de su capacidad y procurar que la llave de paso en la base de la misma se mantenga cerrada luego del ingreso del agua.

 

Verificar que la unidad de servicio este conectada de manera correcta al autotransformador y que éste se halle conectado a la red de 110 V.

 

Asegurarse que la válvula de aguja esté cerrada y la válvula de carga esté abierta completamente.

Fig. 5.1Bomba de pistón.

5.2 PROCEDIMIENTO  

Ingresar al software del dispositivo FM53 PLUNGER PUMP  en el menú de ARMFIELD CAPTURE SOFTWARE, seleccionar el EJERCICIO A. 

 

Presionar “PUMP ON” para encender la bomba y elevar la velocidad al máximo de manera gradual mediante las flechas en la casilla de control MOTOR SPEED.

 

Presionar el botón RESET en el diagrama principal para la presión del cilindro y la  presión de salida y asegurarse que los valores mostrados sean los de d e los máximos valores obtenidos.

 

Pulsa Pulsarr el el botón botón  botón .

y tomar tomar una una mues muestra tra.. Abrir Abrir un unaa nueva nueva hoja hoja de datos datos media mediante nte el 27

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Cerrar la válvula de carga para aumentar la presión de salida a aproximadamente 100 kPa.  Nuevamente tomar una muestra mediante mediante

.

 

Cerrar la válvula de carga en intervalos de 100 kPa hasta alcanzar los 400 kPa, abrir una nueva hoja de datos y tomar una muestra en cada intervalo.

 

Repetir el proceso anterior con un ajuste de la velocidad del motor de 50 %, para ello abrir la válvula de carga completamente.

 

Ajustar la velocidad del motor al 100% y repetir el proceso anterior con la válvula de dámper de pulsación abierta.

 

Reducir la velocidad del motor a 0% y apagar el equipo pulsando PUMP ON nuevamente.

 

Para la exportación de datos, se guardan el archivo de los resultados que luego debe ser abierto con el programa EXCEL donde se podrán contar con los valores obtenidos durante la práctica para su posterior manejo.

 

Abrir un nuevo experimento mediante el menú ARCHIVO, esta vez seleccionar el ejercicio B: P-V DIAGRAM.

 

Repetir el proceso anterior de muestreo y cierre de la válvula de carga así como el guaradar los datos registrados.

 

Abrir un nuevo experimento mediante el menú ARCHIVO, esta vez seleccionar el ejercicio C: VOLUMETRI EFFICIENCY.

 

Aumentar la velocidad del motor al 100%, presionar el botón RESET en el diagrama  principal para la presión del cilindro y la presión de salida y asegurarse que l os valores v alores mostrados sean los de los máximos valores obtenidos.

 

 

Pulsa Pulsarr el el botón botón  botón .

y tomar tomar una una mues muestra tra.. Abrir Abrir un unaa nueva nueva hoja hoja de datos datos media mediante nte el

Ajustar la velocidad del motor al 90%, pulsar RESET en la presión del cilindro y la  presión de salida. Pulsar el botón datos.

y tomar una muestra. Abrir una nueva hoja de

 

Repetir el paso anterior hasta una velocidad del motor del 20%.

 

Abrir Abrir una nueva nueva hoja hoja ddee ddato atoss medi mediante ante el botón botón

28

.

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Ajustar la velocidad del motor nuevamente al 100% y cerrar la válvula de carga para aumentar la presión de salida a aproximadamente de 200 kPa. Nuevamente tomar una muestra me mediante

.

 

Repetir el muestreo con la reducción de velocidad del motor hasta el 20%.

 

Cerrar la válvula de carga hasta una presión aproximada de 300 kPa y repetir el muestreo desde una velocidad del motor de 100% hasta el 20%. Abrir una nueva hoja de datos en cada muestra.

 

Cerrar la válvula de carga hasta una presión aproximada de 400 kPa y repetir el muestreo desde una velocidad del motor de 100% hasta el 20%. Abrir una nueva hoja de datos en cada muestra.

 

Abrir la válvula de carga completamente y reducir la velocidad del motor a 0% y apagar el equipo pulsando PUMP ON nuevamente.

 

Para la exportación de datos, se guardan el archivo de los resultados que luego debe ser abierto con el programa EXCEL donde se podrán contar con los valores obtenidos durante la práctica para su posterior manejo.

6. CÁLCULOS Y RESULTADO RESULTADOSS Algunos de las constantes necesarias para este ejercicio son:

CONSTANTE

SIMBOLOGIA MEDIDA UNIDAD

Radio del cilindro

r

16

mm

15

mm

Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser tabulados bajo la siguiente estructura:

NOMENCLATURA

SIMBOLOG SIMBOLOGIA IA UNIDAD

Velocidad del motor

%

Velocidad de la bomba

n

spm

Desplazamiento del pistón

s

mm

Volumen del cilindro

V

cm3 

Presión de salida

Po

kPa

Presión del cilindro

Pc

kPa

29

 

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Torque Trabajo ideal

T

 N.m

Wideal 

W cm3 

Volumen total (caudalímetro) Vtotal  Las formulas formulas a emplearse se detallan a continuación:

Área

m2 

Volumen teórico

l/min

Volumen Promedio

l/min

Eficiencia Volumétrica

%

7. ACTIVIDADES D DEL EL ALU ALUMNO MNO 7.1  Llenar la siguiente tabla con los resultados r esultados obtenidos.

(%)

n (spm)

s (mm)

V (cm3)

Po (kPa)

Pc (kPa)

T (N.m)

Wideal (W)

7.2  Realizar un gráfico VS TIEMPO de: a.  Desplazamiento del pistón.  b.  Presión de salida. c.  Presión del cilindro. 7.3  Para una velocidad del motor del 100% y 50% graficar: a.  El flujo con y sin el damper de pulsación con la válvula de carga totalmente abierta.  b.  Presión máxima de salida. 7.4  Elaborar una gráfica de la presión del cilindro vs el volumen  y la velocidad de la bomba vs la eficiencia volumétrica.

30

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS  

LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS 8.  CONCLUSIONES

9.  CUESTIONARIO 1.  ¿Cuál es la función de un dámper de d e pulsación en un circuito hidráulico? 2.  ¿Por qué las bombas de pistón se consideran maquinas reciprocas reciprocas de desplazamiento desplazamiento  positivo? 3.  Clasificación y características características de las bombas de pistón.

INFORME a.  Como marco teórico se debe abordar y profundizar los siguientes temas: 1.  Definición, partes constitutivas de una bomba de pistón. 2.  Curvas características teórica y real de las bombas de pistón. 3.  Eficiencia.

31

 

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PRACTICA Nº

TIEMPO ESTIMADO

TEMA

ASIGNATURA

5

45 min

CURVAS CARACTERISTICAS DE UNA TURBINA PELTON

Máquinas Hidráulicas

1.  OBJETIVOS -  Determinar el comportamiento de la T. Peltón por medio de sus curvas características. características.

2.  METODO - 

Determinación de la eficiencia de la turbina Pelton mediante el control de parámetros como caudal, potencia, entre otros.

3.  EQUIPO Y MATERIALES Unidad de servicio de turbinas FM6X. -  Turbina Pelton FM62. -  Software de control del equipo.

- 

4.  MARCO TEORICO TE ORICO 4.1 Turbina Pelton Las turbinas Peltón, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción; La turbina Pelton es el ejemplo más claro de una maquina de impulso. Son turbinas de chorro libre cuya utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m 3/s aproximadamente). Por razones hidroneumáticas, y por sencillez de construcción, son de buen rendimiento para amplios márgenes de caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo). Por ello se colocan  pocas unidades en cada central que requiere requiere turbinas de estas características. Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada, la cual nos servirá de referencia para hacer las descripciones necesarias.

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Fig. 4.1 Turbina Peltón

4.2 Energía Transferida a una turbina. Las turbinas son clasificadas en dos tipos generales: impulso y reacción. En ambos casos el fluido pasa a través de un corredor que desvía el flujo. El impulso del fluido en la dirección tangencial es cambiado y por lo tanto una fuerza tangencial sobre el corredor se produce, el corredor entonces rota y genera un trabajo útil mientras el fluido sale con energía reducida.

4.3 Potencias

  Potencia del flujo a la entrada del inyector:   Para unos valores de Q y H concretos, la potencia del flujo al entrar en el inyector es: P E       Q  H   (4.1) Que es independiente lógicamente del valor de u/c1 en consecuencia, en un diagrama P-(u/c:), su representación representación sería una u na recta paralela al eje de abscisas (fig. 4.2).   Potencia del flujo a la salida del inyector: Para los mismos valores de Q y H, la  potencia del flujo a la salida del inyector es: P1   .Q.(c 12  / 2 g )   (tob).P E   (4.2)   Potencia  Pi  recibida por el rodete (teórica y real): En la turbina Peltón no hay  pérdidas volumétricas  (Q = Q r ). La potencia recibida por el rodete, o potencia interior en el eje Pi , sería la potencia de entrada ( .Q H  . )   multiplicada por el

. . h   rendimiento hidráulico  h : Pi   . Q H  Si consideramos para  h   el valor teórico, es decir sin rozamientos internos

(C 1  1 y  K w  1) , obtenemos la potencia Pi  teórica; y con razonamientos internos (C 1  1 y  k w  1) , obtenemos la potencia Pi  real. La potencia Pi  real se anularía para q ue ocurría con el rendimiento. u/ c1   0,8 , en lugar de para u/c 1  = 1; igual que

  Potencia efectiva Pe   y rendimiento global  : La potencia efectiva, potencia al freno y/o potencia exterior en el eje, es igual a la interior Pi  (real), menos la perdida a causa de los rozamientos externos, o mecánicos. Se mide en un banco ba nco de ensayos: 33

 

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Pe    M .  

Y el rendimiento global sería: 

Pe

 

P E 



 M . 

  (4.3)

 .Q H  .

La potencia exterior Pe  se anula cuando u/c 1   0,75 (fig. 4.2). Si la turbina, ya instalada, quedara en un momento dado funcionando sin carga, tendería a embalarse; lo que ocurriría si no fuera porque el sistema de regulación se encarga de mantener sensiblemente constante la velocidad de giro. Si fallara la regulación, u aumentaría; pero cuando en teoría llegara al doble de su valor, no podría seguir aumentando pues el chorro ya no alcanzaría a las cucharas. En realidad, bastaría un aumento del 60% (u / c1  0,75:  0  ,46 / 0,75  0,6)  para que el chorro no llegue ll egue a las cucharas.

Fig. 4.2 Potencias en condiciones de diseño

  Torque en el Eje (Par motor motor)) Puesto que P   M .  , el par motor  M   puede obtenerse dividiendo la potencia P, cualquiera de las antes analizadas, por la velocidad angular    (o viceversa, conocido el par motor y la velocidad angular puede pu ede calcularse la potencia). Así pues (u   r . ),    M  

P

 



r  u

.P  

(4.4)

, Mi correspondiente a la potencia interior en el eje P, sería:  M 

P

 



r  u

. Pi  

r  u

  Q  H   h  

En la que, según tomemos el rendimiento hidráulico  h  teórico (C1 =1 y k W  = 1) o el  h  real (C 1  < 1 y k W   < 1), obtendremos el par motor interior M correspondiente: 34

 

LABORATORIO DE INGENIERIAS    Mi  r    c1  Q

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  u   (1cos 2 ) . 1     (4.5)   c1 

Que, para un caudal Q  y una altura  H   concretos, resulta ser una función lineal de u/c1. El máximo valor del par motor interno Al se tiene cuando u/c 1  = 0 (rodete frenado), y el par motor nulo se tiene cuando u/c1 = 1 (teórico) y cuando u/c 1     0,8 (real). En cuanto al par motor externo M, medido en el banco de ensayos, es también al principio (hasta u/c 1      0,5) una función lineal. Pero con valores mayores disminuye cada vez más  pronunciadamente, anulándose para u/c 1  = 0,7 ÷ 0,8, según la carga. Esto se debe a que con u/c 1  mayores que el u * /c 1  de diseño, el chorro no completa su acción sobre las cucharas, y, además, el revés de las mismas choca con el agua y la dispersa dentro de la envolvente; aparte de que las pérdidas mecánicas aumentan con la velocidad de giro del rodete.

Fig. 4.3 Torque en ccondiciones ondiciones de dise diseño ño 

5. DESARROLLO 5.2  PREPARACION Y AJUSTE DEL EQUIPO  

Llenar el reservorio de la Unidad de servicio de Turbinas hasta el 60% de su capacidad y  procurar que la llave de paso en la base de la misma se mantenga cerrada luego del ingreso del agua.

 

Verificar que la unidad de servicio este conectada de manera correcta al autotransformador y que éste se halle conectado a la red de 110 V.

 

Asegurarse que la válvula de aguja esté abierta abi erta completamente. completamente.

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Fig. 5.1 Turbina Pelton

5.2 PROCEDIMIENTO  

Ingrese al software del dispositivo FM6X TURBINE SYSTEM  y seleccionar el accesorio FM62 PELTON TURBINE.

Fig.5.2 Partes de la unidad de servicio de Turbinas   

Verificar que la fuerza de frenado marque cero, caso contrario debe ser encerada por medio de click en el botón botó n ZERO.

 

Presione “PUMP ON” para encender la bomba y ajuste su velocidad al 100% en la casilla de control.

 

Permita que la turbina alcance una velocidad constante e inspeccionar que la casilla de control de flujo esté marcando valores estables.

36

 

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 

Ingrese al controlador PID y ajuste a la presión máxima (300 kPa) mediante la selección de AUTOMATIC, de esta manera se mantendrá una presión constante en el sistema.

 

Ajuste el muestreo a modo AUTOMATICO y CONTINUO.

 

Presione el botón para iniciar el muestreo. Cada 5 muestras se cerrará cerrará la apertura de la válvula de aguja que permite el ingreso de caudal a las cucharas de la turbina, obteniendo un total de 20 muestras. PORCENTAJE DE APERTURA VUELTAS A REDUCIR 100 Ninguna 75 1.5 50 1.5 25 1.5 Tabla 5.1 Porcentaje de Apertura vs numero de vueltas de la manija.

 

Para la exportación de datos, se guardan el archivo de los resultados que luego debe ser abierto con el programa EXCEL donde se podrán contar con los valores obtenidos durante la práctica para su posterior manejo.

6. CÁLCULOS Y RESULTADO RESULTADOSS NOMENCLATURA Brazo Potencia de turbina Potencia Hidráulica Velocidad de giro Velocidad angular

SIMBOLO SIMBOLOGIA GIA UNIDAD m r W Pb W Ph rpm V rad/s ω  m3/s Q l/min  N F m H % η   N-m T

Caudal Fuerza Altura Eficiencia Torque

Algunos de las constantes necesarias para este ejercicio son:

CONSTANTE MEDIDA UNIDAD Brazo

0.0 0.045 45

37

m

 

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser tabulados bajo la siguiente estructura: Torque

N-m

Potencia de turbina

W

Potencia hidráulica

W

Velocidad angular

rad/s

Eficiencia

%

7. ACTIVIDADES D DEL EL ALUMNO

7.1  Llenar la siguiente tabla con los resultados r esultados obtenidos.

Apertur a del inyector (%)

F (N)

Q (l/m)

Q (m3 /min)

N (rpm)

 

ω

(rad/s)

M Pb (N.m) (W)

Ph (W)

η

(%)

7.2  Realizar un gráfico velocidad vs eficiencia vs potencia de turbina vs torque  donde se  puedan observar las curvas características características de una turbina Pelton.

8.  CONCLUSIONES

38

 

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9.  CUESTIONARIO 1.  ¿Por qué el rendimiento volumétrico de una turbina Pelton P elton es 1? 2.  ¿Cuál es el procedimiento para poner en marcha una turbina Pelton? 3.  Realice un cuadro sinóptico de las diferencias y aplicaciones de las turbinas de impulso y de reacción.

INFORME a.  Como marco teórico se debe abordar y profundizar los siguientes temas: 1.  Definición, partes constitutivas de la turbina Pelton. 2.  Curvas características teórica y real de la turbina.

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PRACTICA Nº

TIEMPO ESTIMADO

TEMA

ASIGNATURA

6

45 min

CURVAS CARACTERISTICAS DE UNA TURBINA DE REACCCION

Máquinas Hidráulicas

1.  OBJETIVOS -  Determinar el comportamiento de la Turbina de Reacción por medio de sus curvas características.

2.  METODO - 

Determinación de la eficiencia de la turbina de reacción mediante el control de  parámetros como caudal, potencia, entre entre otros.

3.  EQUIPO Y MATERIALES Unidad de servicio de turbinas FM6X. -  Turbina de Reacción FM61. -  Software de control del equipo.

- 

4.  MARCO TEORICO 4.1 Turbinas de Reacción Constituidas por la tubería forzada, la cámara espiral, el distribuidor, el rodete y el tubo de aspiración o descarga. Se consideran como turbinas de reacción, aquellas en las que cada una de las láminas de fluido que se forman, después de pasar el agua a través de las palas fijas y directrices, no se proyectan hacia los álabes del rodete de manera frontal, sino que, más bien, se trata de un deslizamiento sobre los mismos, de tal modo que el sentido de giro del rodete no coincide con la dirección de entrada y salida del agua. El agua, en su recorrido entre los álabes del rodete cambia de dirección, velocidad y presión. Todo ello, provoca una reacción en el rodete, dando origen a la potencia producida en la turbina, cuyo valor, paradójicamente está en función de la carga perdida por el líquido en su desplazamiento. Como ejemplos de turbinas de reacción, están las Francis y Kaplan. Tratándose de turbinas grandes, las de reacción suelen ser de mayor rendimiento que las de acción, ocurriendo lo contrario en el caso de turbinas pequeñas. Ahora bien, estableciendo la comparación para una misma potencia e igual altura de salto, una turbina de reacción puede girar a mayor velocidad específica que una de acción, proporcionando mayor rendimiento la  primera..  primera 40

 

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Se dan definiciones y cálculos complejos, relacionados con los conceptos de acción y reacción, especialmente para este último. Así, y dependiendo del tipo de turbina, se exponen distintas teorías basadas; bien en la circulación del fluido a través de un conducto, limitado por superficies curvas con secciones de entrada y salida diferentes, caso de turbinas Francis lentas y normales; o en el desplazamiento de d e las alas de un avión, para turbinas Francis extrarrápidas, Kaplan y de hélice. Se puede resumir en que en las turbinas de reacción el agua llena por completo los conductos que forman los álabes, originándose variaciones de presión, de tal modo que esta, a la entrada del rodete, es mayor que la presión atmosférica, ocurriendo lo contrario a la salida, debido a la actuación del tubo de aspiración en el que, en su recorrido final, el agua alcanza el valor de la  presión atmosférica. atmosférica. Razón de los nombres de turbinas de presión y de sobrepresión sobrepresión..

Fig. 4.1 Turbina de Reacción

4.2 Energía Transferida a una turbina. Las turbinas son clasificadas en dos tipos generales: impulso y reacción. En ambos casos el fluido pasa a través de un corredor que desvía el flujo. El impulso del fluido en la dirección tangencial es cambiado y por lo tanto una fuerza tangencial sobre el corredor se produce, el corredor entonces rota y genera un trabajo útil mientras el fluido sale con energía reducida.

4.3 Potencias

  Potencia del flujo a la entrada del inyector:   Para unos valores de Q y H concretos, la potencia del flujo al entrar en el inyector es: P E       Q  H   (4.1) Que es independiente lógicamente del valor de u/c1 en consecuencia, en un diagrama P-(u/c:), su representación representación sería una recta paralela al eje de abscisas (fig. 4.2).   Potencia del flujo a la salida del inyector: Para los mismos valores de Q y H, la  potencia del flujo a la salida del inyector es: P1   .Q.(c 12  / 2 g )   (tob).P E   (4.2)   Potencia  Pi  recibida por el rodete (teórica y real): En la turbina Peltón no hay  pérdidas volumétricas  (Q = Q r ). La potencia recibida por el rodete, o potencia

41

 

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interior en el eje Pi , sería la potencia de entrada ( .Q H  . )   multiplicada por el

. . h   rendimiento hidráulico  h : Pi   . Q H  Si consideramos para  h   el valor teórico, es decir sin rozamientos internos

(C   1 y  K   1) , obtenemos la potencia P  teórica; y con razonamientos internos 1

i

w

(C 1  1 y  k w  1) , obtenemos la potencia Pi  real. La potencia Pi  real se anularía para u/ c1   0,8 , en lugar de para u/c 1  = 1; igual que q ue ocurría con el rendimiento.

  Potencia efectiva Pe   y rendimiento global  : La potencia efectiva, potencia al freno y/o potencia exterior en el eje, es igual a la interior Pi  (real), menos la perdida a causa de los rozamientos externos, o mecánicos. Se mide en un banco ba nco de ensayos: Pe    M .   Y el rendimiento global sería: Pe



 M . 

.   (4.3)   P E    .Q H 

La potencia exterior Pe  se anula cuando u/c 1   0,75 (fig. 4.2). Si la turbina, ya instalada, quedara en un momento dado funcionando sin carga, tendería a embalarse; lo que ocurriría si no fuera porque el sistema de regulación se encarga de mantener sensiblemente constante la velocidad de giro. Si fallara la regulación, u aumentaría; pero cuando en teoría llegara al doble de su valor, no podría seguir aumentando pues el chorro ya no alcanzaría a las cucharas. En realidad, bastaría un aumento del 60% (u / c1  0,75:  0  ,46 / 0,75  0,6)  para que el chorro no llegue ll egue a las cucharas.

Fig. 4.2 Potencias en condiciones de diseño

42

 

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  Torque en el Eje (Par motor motor)) Puesto que P   M .  , el par motor M  puede  puede obtenerse dividiendo la potencia P, cualquiera de las antes analizadas, por la velocidad angular     (o viceversa, conocido el par motor y la velocidad angular puede calcularse la potencia). Así pues (u    r . ),    M  

P

 



r  u

.P  

(4.4)

, Mi correspondiente a la potencia interior en el eje P, sería:  M 

P

 



r  u

. Pi  

r  u

  Q  H   h  

En la que, según tomemos el rendimiento hidráulico  h  teórico (C1 =1 y k W  = 1) o el  h  real (C 1  < 1 y k W   < 1), obtendremos el par motor interior M correspondiente:  Mi  r    c1  Q

  u   (1cos 2 ) . 1     (4.5)  c1   

Que, para un caudal Q  y una altura  H   concretos, resulta ser una función lineal de u/c1. El máximo valor del par motor interno Al se tiene cuando u/c 1  = 0 (rodete frenado), y el par motor nulo se tiene cuando u/c1 = 1 (teórico) y cuando u/c 1     0,8 (real). En cuanto al par motor externo M, medido en el banco de ensayos, es también al principio (hasta u/c 1      0,5) una función lineal. Pero con valores mayores disminuye cada vez más  pronunciadamente, anulándose para u/c 1  = 0,7 ÷ 0,8, según la carga. Esto se debe a que con u/c 1  mayores que el u * /c 1  de diseño, el chorro no completa su acción sobre las cucharas, y, además, el revés de las mismas choca con el agua y la dispersa dentro de la envolvente; aparte de que las pérdidas mecánicas aumentan con la velocidad de giro del rodete.

Fig. 4.3 Torque en condiciones de diseño  

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5. DESARROLLO 1.1  PREPARACION Y AJUSTE DEL EQUIPO  

Llenar el reservorio de la Unidad de servicio de Turbinas hasta el 60% de su capacidad y  procurar que la llave de paso en la base de la misma se mantenga cerrada luego del ingreso del agua.

 

Verificar que la unidad de servicio este conectada de manera correcta al autotransformador y que éste se halle conectado a la red de 110 V.

 

Asegurarse que la válvula de aguja esté abierta abi erta completamente. completamente.

Fig. 5.1 Turbina de Reacción

5.2 PROCEDIMIENTO  

Ingrese al software del dispositivo FM6X TURBINE SYSTEM  y seleccionar el accesorio FM61 REACTION TURBINE.

Fig.5.1 Partes de la unidad de servicio de Turbinas  44

 

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 

Verificar que la fuerza de frenado marque cero, caso contrario debe ser encerada por medio de click en el botón botó n ZERO.

 

Presione “PUMP ON” para encender la bomba y ajuste su velocidad al 100% en la casilla de control.

 

Permita que la turbina alcance una velocidad constante e inspeccionar que la casilla de control de flujo esté marcando valores estables.

 

Ingrese al controlador PID y ajuste a la presión máxima (300 kPa) mediante la selección de AUTOMATIC, de esta manera se mantendrá una presión constante en el sistema.

 

Ajuste el muestreo a modo AUTOMATICO y CONTINUO.

 

Presione el botón

 

Para la exportación de datos, se guardan el archivo de los resultados que luego debe ser

para iniciar el muestreo, obteniendo un total de 20 muestras.

abierto la conpráctica el programa EXCEL manejo donde .se podrán contar con los valores obtenidos durante para su posterior

6. CÁLCULOS Y RESULTADO RESULTADOSS NOMENCLATURA Brazo Potencia de turbina Potencia Hidráulica Velocidad de giro Velocidad angular

SIMBOLO SIMBOLOGIA GIA UNIDAD m r W Pb W Ph rpm V rad/s ω  3

Caudal

Q

Fuerza Altura Eficiencia Torque

F H η  T

m /s l/min  N m %  N-m

Algunos de las constantes necesarias para este ejercicio son:

CONSTANTE MEDIDA UNIDAD Brazo

0.0 0.045 45

45

m

 

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Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser tabulados bajo la siguiente estructura: Torque

N-m

Potencia de turbina

W

Potencia hidráulica

W

Velocidad angular

rad/s

Eficiencia

%

7. ACTIVIDADES D DEL EL ALUMNO

7.1  Llenar la siguiente tabla con los resultados r esultados obtenidos. F (N)

Q (l/m)

Q (m /min) 3

 N (rpm)

  (rad/s) ω

M (N.m)

Pb (W)

Ph (W)

η

(%)

7.2  Realizar un gráfico velocidad vs eficiencia vs potencia de turbina vs torque  donde se  puedan observar las curvas características características de una turbina de reacción.

8.  CONCLUSIONES

9.  CUESTIONARIO 1.  ¿Cuáles son las características del rodete de una turbina de reacción? r eacción? 2.  A la salida del fluido del rodete hacia el tubo de descarga, interesa que el fluido salga sin rotación. Explique el por qué de d e esta condición. 46

 

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3.  ¿Por qué en las turbias de reacción Kaplan la eficiencia disminuye conforme aumenta la velocidad de la turbina?

INFORME a.  Como marco teórico se debe abordar y profundizar los siguientes temas: 1.  Definición, partes constitutivas de la turbina de reacción. r eacción. 2.  Curvas características teórica y real de la turbina.

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