Tesina Cavitacion Turbinas Fransis

 

Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Mecánica y Energía Escuela Profesional de Energía

Tesina:

Cavitación en Turbinas Francis Integrantes de grupo: García León, Gabriel Alonso 1127210086 Gómez García, Ubaldo Alexander 1227210057 Fernández Zárate, Miryam Johana 1117210069 Alvarado C Chhu uisaca Jose h Curso:

Máquinas Hidráulicas Bellavista – Callao

 

2017 INDICE Pg. INTRODUCCIÓN…………………………………………………..

5.

RESUMEN………………………………………………………….

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I.CAPITULO I: PLANTEMAIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Descripción de de la rreealidad pprroblemática……………………… 1.2. Formulación del problema…………………………………….

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1.2.1. Problema general 1.2.2. Problemas específicos 1.3. Objetivos de la investigación 1.3.1. Objetivo general 1.3.2. Objetivos específicos 1.4 Justificación

II. CAPITULO II: MARCO TEORICO…………………………... 10 2.1 Antecedentes de la investigación 2.2. Bases teóricas 2.2.1. Etapas de la cavitación………………………….…

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2.2.2. 2.2 .2. Tip Tipos os de cav cavita itació ción…… n…………… ……………… ……………. …….……. ……. 2.2.3. Tipos ddee burbujas………………………………....

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2.2.4. 2.2. 4. Coef Coeficien iciente te de cavi cavitaci tación……… ón……………………… ………………… … 2.2.5. Altura de aspiración……………………………...

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2.2.6. 2.2 .6. Est Estad adoo libre de cav cavita itació ción…… n…………… ……………… …………… …… 2.2.7. Contenido ddee aire………………………………………

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2.3. Definiciones conceptuales 2.3. 2.3.1. 1. Ca Cavi vita taci ción ón…… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ……....

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2.3.2. Turbina………………………….………………………. 2.3.3. Turbina Francis………………………….………………. 2.3.4. Rodete……………………………………………………

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2.3.5. Presión de vapor………………………….……………… 2.3.6. Resistencia de fracción………………………….………… 2.3.7. Núcleos de cavitación………………………….…………

III. METODOLOGIA………………………………………………..

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3.1. Metodología aplicada 3.1.1. Tipo 3.1.2. Diseño 3.1.3. Enfoque 3.2. Técnicas de recolección de datos…………………………….. 18 3.2. Técnicas de análisis de datos

IV. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS……………

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4.1. Resultados 4.2. Conclusiones Conclusiones……………………………………………………….. ………………………………………………………..

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4.3. Recomendaciones…………………………………………………… 36 V. REFERENCIAS…………………………………………… REFERENCIAS……………………………………………………… …………

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ÍNDICE DE GRÁFICOS Figura 1……………………………………………………………………… 11 Figura 2 ……………………………………………………………………… 14 Figura 3 ……………………………………………………………………… 20 Figura 4 ……………………………………………………………………… Figura 5 ……………………………………………………………………… 21 Figura 6 ……………………………………………………………………… Figura 7 ………………………………………………………………………220 Figura 8 ……………………………………………………………………… 23 Figura 9 ……………………………………………………………………… 25 Figura 10 ………………………………………………………………………26 Figura 11 ………………………………………………………………………28 Figura 12 ………………………………………………………………………29 Figura 13 ………………………………………………………………………30 Figura 14 ………………………………………………………………………33

INDICE DE TABLAS Tabla 1……………………………………………………………………… 19 Tabla 2……………………………………………………………………… 22

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Tabla 3……………………………………………………………………… 34 Tabla 4……………………………………………………………………… 35

INTRODUCCIÓN El pres presen ente te es estu tudi dioo engl englob obaa prob proble lemá mátic ticas as re rela laci cion onad adas as a la lass máqu máquin inas as hidráulicas: la cavitación; describiendo su desarrollo, características y efectos. El  propósito de la investigación es precisamente delimitar las características de la cavitación, para que al ser comprendidas, puedan posteriormente ser identificadas de manera práctica en la manipulación de maquinaria hidráulica. La inv invest estiga igació ciónn de desar sarrol rollad ladaa cue cuenta nta con cu cuatr atroo ca capít pítulo ulos. s. En el prime primero ro se detallan el planteamiento y formulación del problema de investigación. Luego, en el segundo capítulo se precisan los antecedentes históricos en sentido de la investigación y las bases teóricas del proyecto. El tercer capítulo consiste en la explicac expl icación ión de los lineamien lineamientos tos meto metodoló dológico gicoss apli aplicado cadoss en la producció producciónn de la tesina. Finalmente, el cuarto capítulo contiene los resultados obtenidos en el desarrollo de la investigación, y las conclusiones obtenidas. obtenidas.

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RESUMEN La pres presen ente te in inve vest stig igac ació iónn de desc scri ribe be las las ca cara ract cter erís ístic ticas as,, co conc ncep epto toss y  propiedades del fenómeno conocido como cavitación el cual se produce en las maquinas hidráulicas, cómo estudiantes de la carrera de ingeniería es necesario abordar este tema desde un aspecto teórico y descriptivo para alcanzar una mayor claridad en futuras prácticas de la vida profesional y tenerlo en cuenta como posible factor del deterioro en las maquinarias hidráu hid ráulic licas. as. En la pre presen sente te inv invest estiga igació ciónn se busca busca de descr scribi ibirr de manera manera teór teóric icaa el or orig igen en y de desa sarr rrol ollo lo de este este fe fenó nóme meno no de la ca cavi vita taci ción ón específicamente en las turbinas Francis. Para ello se opto por realizar un estudio a nivel descriptivo y cualitativo en el que se describió con claridad el fenómeno señalado.

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CAPITULO I PLANTEAMIENTO PLANTEAMI ENTO DEL PROBLEMA

1.1. Desc Descripc ripción ión del pro problem blemaa La cavitación es un fenómeno característico y muy significativo en la mecánica de los fluidos y en el conocimiento de la marcha eficiente de las máquinas hidráulicas. En las últimas décadas el avance de la tecnología ha permitido que se desarrollen equipos con mayores velocidades específicas, lo cual a su vez ha redundado en mayores riesgos de problemas de succión, entre otros. Precisamente, la cavitación es uno de aquellos fenómenos que se suscitan ante las condiciones ya mencionadas y debe ser tomado en cuenta para el diseño y correcta manipulación de una gran diversidad de máquinas a través de las cuales hay fluidos circulantes. Bajo determinadas circunstancias, “la cavitación puede disminuir la potencia suministrada y el rendimiento de las turbinas, […] puede producir vibraciones, ruido, inestabilidad de la máquina y la erosión de materiales.” (Gallego, 2006) Desde el punto de vista de utilización, si la cavitación es inevitable, se debe saber sab er si un det determ ermina inado do dis diseño eño de máquin máquinas as pue puede de funcio funcionar nar dentro dentro de  patrones aceptables, aceptables, aunque con alguna algunass restricciones segurame seguramente. nte. A menudo, la operac operación ión co conn alg alguna una cavita cavitació ciónn se tolera tolera a ne neces cesida idades des operac operacion ionale aless (Kaye, 1999). La cavitación y la eficiencia están relacionadas de forma directa, esto es, mientras se optimizan parámetros relacionados con la eficiencia de la turbina, como por ejemplo el perfil de los alabes, la cavitación aumenta. (Gallego, 2008). Las excitaciones debidas a la cavitación generalmente son de banda ancha y ocurren a altas frecuencias, dependiendo del tipo y del punto de funcionamiento de la máquina. Cabe mencionar que este fenómeno puede suscitarse en turbinas Francis de todo tipo de rodete. Por lo tanto, por todo lo

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ya presentado, en este capítulo se rec reconoce onoce este fenómeno, fenómeno, su mecánica mecánica y sus características.

1.2. Formulación del problema 1. 1.2. 2.1. 1. Pr Prob oble lema ma gen gener eral al En función del planteamiento expuesto, se puede formular la siguiente inte interr rrog ogan ante te:: ¿C ¿Cuá uále less so sonn la lass ca cara ract cter erís ístic ticas as de la lass et etap apas as de la cavitación en la turbina hidráulica Francis?

1.2.2. 1.2 .2. Pr Probl oblem emas as espec específi íficos cos a) ¿Cuá ¿Cuáles les son llas as cara caracterí cterística sticass de los tipo tiposs de cavi cavitació taciónn en la turbina turbina hidráulica Francis?  b) ¿Cuáles son las características de las etapas de la cavitación en la turbina hidráulica Francis? c) ¿C ¿Cuá uále less so sonn las las cara caract cter erís ísti tica cass de los los ef efec ecto toss de la ca cavi vita taci ción ón en la turbina hidráulica Francis?

1.3. Objetivos de la investigación 1.3.1. Objetivo general: Describir las características de la cavitación en la turbina hidráulica del tipo Francis Francis de rodete ráp rápida. ida.

1.3.2. Objetivos específicos: a) Ide Identi ntific ficar ar las ca carac racter terísti ística cass de los tipos de cavitac cavitación ión en la turbina turbina hidráulica del tipo Francis de rodete rápido.  b) Reconoce Reconocerr las etapas de la cavitación en la turbina hidráulica del tipo Francis de rodete rápido. c) Des Describi cribirr los efec efectos tos de la ccavita avitación ción en llaa turbina turbina hidráulica hidráulica del del tipo Francis de rodete rápido.

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1.4. Justificac Justificación ión Como parte del ejercicio profesional, es necesario abordar este campo de investigación dado a que es un problema común en las maquinarias hidráulicas en general; es así que el conocimiento de sus procesos es útil para el buen empleo y mantenimiento de las mismas. La presente investigación busca reconocer la realidad del comportamiento de este fenómeno, la identificación de las características sus etapas, sus efectos e implicancias.

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CAPITULO II MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes C. Vizmanos, E. Egusquiza y E. Jou (2003), hicieron un trabajo experimental a  plena carga en la Central hidroeléctrica de Serós ya que observaban la erosión de los álabes en las turbinas Francis presentes en la planta. El objetivo fue analizar las vibraciones a altas frecuencias para acabar seleccionando aquellas cond condic icio ione ness oper operat ativ ivas as de la má máqu quin inaa libr libres es de ca cavi vita taci ción ón y as asíí po pode der  r  minimizar los gastos por mantenimiento. Se concluyó que en condiciones de  plena carga es es donde más se exacerba la actividad cavita cavitativa. tiva. Gonzalo de Luis C., Gallego A., Herrero M. (2001) concluyeron que puede ocurrir en cualquier punto de la máquina donde la presión baje hasta un determinado valor (presión de saturación), aunque hay una serie de zonas  propicias donde es más fácil su aparición, como aquellas donde hay una aceleración súbita cerca de una superficie curva. Enciso J.L  (2015) explicó que al producirse la cavitación en turbinas es el resultado de una reducción en la presión del líquido cuando se acelera al trasla tra sladar darse se a lo lar largo go de sup superf erfici icies es curvas curvas.. Los flu flujos jos ca cavit vitant antes es pueden pueden erosionar las superficies sólidas al colapsar las burbujas y al aumentar la  presión por encima de la presión de saturación del fluido. También hace que disminuyan el rendimiento, el caudal y la potencia de la turbina, causa ruidos y vibraciones en las turbinas y en la estructura que la rodea”

2.2 Bases teóricas

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La vaporización puede darse en líquidos en reposo o en movimiento. En este último caso la vaporización se produce por la disminución de la presión y aumento de la velocidad del fluido; a esto se le llama cavitación (Balcázar, 2013).

2.2.1. Etapas de la cavitación a) Fo Forma rmació ción n de bur burbuj bujas: as: En esta primera etapa ocurre una transición de una fase líquida a una fa fase se ga gase seos osa. a. “E “Ell flui fluido do pr pres esen enta ta si siem empr pree […] […] pa part rtíc ícul ulas as en suspensión,, suciedades u otros, los cuales dan lugar a discontinuidades suspensión y a superficies cóncavas que inducen a la formación de burbujas” (Balcázar, 2013).

b) Implo Implosió sión n de de b burb urbuja ujas: s: Las burbujas, ya aumentadas en tamaño son dirigidas a una zona de mayor presión y estalla. Este aumento de tamaño disminuye aún más la  presión. Así, en tanto que la presión de la corriente es mayor a la tensión del vapor, después de pasar por la sección más estrecha, se  produce la condensa condensación ción y luego el colapso (Balcázar, 2013); al explot exp lotar ar vio violen lentam tamen ente te se conden condensa sann rápida rápidamen mente, te, pudien pudiendo do as asíí martillar la pared sólida de la turbina dado a su elevada temperatura y  presión (Gallego, 2008). Mencionando a Balcázar (2013), se sabe además adem ás que la “tensión “tensión superficial superficial acel acelera era la implosión implosión y aumenta aumenta los efectos de la presión” y que las burbujas no necesariamente puedan colapsar en la superficie de la turbina.

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Figura N°1

2.2.2. Tipos de cavitación Según Balcázar (2013), se puede clasificar teniendo en cuenta tres criterios:

a) Segú Según n la forma forma d dee pro produci ducirse rse llaa cav cavitaci itación: ón: -

Cavitación de vapor: debido a la disminución local de la presión en el líquido. Éste tipo a su vez podría ser “hidrodinámica, creada por  depre de presio siones nes loc locale aless ca causa usadas das por la aceler aceleraci ación ón del fluido fluido,, o acústica, debido a ondas de presión, conocidas también como ondas de choque, transmitidas en el fluido”.

-

Cavitación gaseosa: ocasionada por la inserción externa de energía en ciertos puntos del líquido.

b) Seg Según ún el gra grado do de desa desarro rrollo llo:: -

Cavitación incipiente: etapa inicial en que las burbujas empiezan a hacerse visibles.

-

Cavitación desarrollada: etapa en la que se produce un número elev levado ado de burbu urbuja jass tal tal qu quee pod odrí ríaan mod odif ific icaar el camp ampo hidrodinámico.

-

Supercavitación: “cuando se tiene una superficie sólida sumergida, la cavi cavita taci ción ón se exti extien ende de oc ocup upan ando do en su to tota tali lida dadd di dich chaa superficie”.

-

Cavitación separada: cuando la cavitación está por desaparecer.  

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c) Segú Según n su mani manifesta festación ción macroscó macroscópica: pica: -

Cavitación de burbujas aisladas: cuando la cantidad de burbujas es abundante.

-

Cavitación de lámina: cuando se forman las burbujas de manera consecutiva.

-

Cavitaci Cavit ación ón de estría estría:: cua cuando ndo la nuc nuclea leació ciónn de las bur burbuj bujas as se  produce en forma forma linear.

De acuerdo con Gallego (2006) estas variedades de cavitación se deben a “las variaciones del punto de funcionamiento de las turbinas, tanto de salto como de caudal”.

2.2.3. Tipos de burbujas Según Balcázar (2013), existen dos tipos de burbujas que se pueden  producir en este fenómeno:

a) Bu Burb rbuj ujas as de va vapo por. r. Cuando las burbujas se forman en el interior de la turbina debido a que la presión estática del ambiente es menor que la presión del vapor del líquido.

b) Bu Burb rbuj ujas as de ga gass Formadas por la presencia de gases disueltos en el líquido, cuando éste se ha hall llaa en un unaa zona zona de dent ntro ro en la qu quee pr pres esen enta ta ma mayo yorr pr pres esió iónn comparado a la presión estática del ambiente.

2.2.4. Coeficiente de cavitación Un alto alto val valor or del del coe coefic ficien iente te de ca cavit vitaci ación ón o Thoma Thoma σ   significa una reducción en la erosión producida por la cavitación.

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σ 

 H b h s h v

=

−

−

 H 

Donde:   H b = presión atmosférica en metros de columna de agua   hs = altura de aspiración, sumergencia o cabeza de succión.   hv = altura de vapor para el agua (depende de la temperatura de agua)   H = salto neto o ca cabeza beza de diseño Para hallar la sumergencia se tendrá en cuenta a qué altura sobre el nive ni vell de dell ma marr esta estará rá inst instal alad adaa la tu turb rbin ina. a. Pa Para ra de dete term rmin inar ar es esee coeficiente, generalmente se relacionan los valores de la potencia (W), el salto neto (H) y el caudal (Q). Por lo cual, el coeficiente varía constantemente. De acuerdo a Gallego (2006), el coeficiente de cavitación se puede hallar de manera experimental en el laboratorio, empleando modelos a una escala reducida de las turbinas que se desean estudiar. Para hacerlo, se debe tomar en consideración el coeficiente de cavitación desarrollada (σ), cuando el rendimiento cae a un 3%. Otros valores a considerar son el coeficiente σ de cavitación incipiente o el coeficiente σ de cavitación crítica.

2.2.5. Altura de aaspiración spiración La altura de aspiración es la “distancia vertical entre el eje de la máquina y el pelo de agua, aguas debajo de la máquina” [lado de baja  presión del rotor] (Marchagiani, 2006). Si el eje se encuentra por  encima del pelo de agua, la altura de aspiración será positiva.

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Figura N°2

2.2.6. Estado libr libree de ccavitación avitación  Es la capacidad de una turbina de operar durante 25 000 horas con  pérdidas de 2,27 kg del metal del rodete, 0,91 kg sobre las partes no rotantes, como máximo y no más de 0,23 kg de metal en cualquiera área 2

 particular de 930 cm cm  (Suescún, 2008).

2.2.7 Contenido de aaire ire Si el líquido contiene un altas cantidades de gas disuelto, entonces el fenómeno fenó meno de la cavitación cavitación es favore favorecido cido,, aunque puede puede demorar demorar su comienzo debido a la resistencia a la tracción del agua; por otro lado, un alto porcentaje de aire presente disminuye la velocidad del colapso de las burbujas (Balcázar, 2013).

2.3 Definiciones conceptuales 2.3.1. Cavitación

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De acue acuerd rdoo a Sues Suescú cúnn (201 (2011) 1),, se le de deno nomi mina na ca cavi vita taci ción ón a la “formación de vacíos dentro de un cuerpo en movimiento líquido (o alrededor de un cuerpo moviéndose dentro del líquido)” dada a la disminución de la presión de vapor, adhiriéndose las partículas del líquido hacia los límites de la trayectoria de su paso. Así mismo Balcázar (2013) en su tesis explica que la cavitación es “la formación y posterior colapso de burbujas de gas en el seno de un líquido”; dicho gas podría ser vapor del mismo líquido o un gas diferente disuelto en el medio líquido.

2.3.2. Turbina Máquina que transforma la energía hidráulica en energía mecánica, actua ac tualme lmente nte emp emplea leados dos com comoo gen genera erador dores es elé eléctr ctrico icos. s. (Suesc (Suescún, ún, 2008)

2.3.3. Turbina Francis Turbinas en las que cuenta con un caracol, también denominado cámara espiral, por donde fluye el agua de la tubería de presión. (Suescún, 2008)

2.3.4. Rodete Pieza esencial de la turbina, con la que se puede obtener la energía mecánica. Está formada por un núcleo central que cuenta con un número establecido de álabes, (12 a 21); es una pieza única soldada, no tiene uniones. (Pérez y Renedo, 2009)

2.2.3.5. Presión de vvapor apor

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Presión que ejerce el vapor del líquido o gas disuelto que aumenta o disminuye de acuerdo a la temperatura empleada. (Balcázar, 2013).

2.3.6. Resistencia a la T Tracción racción De acuerdo a Marchegiani (2006) resistencia a la tracción “es la facultad de un líquido de soportar el esfuerzo de tracción”, es decir, el esfuerzo de ser estirado y desgarrado.   2.3.7 Núcleos de ccavitación avitación Son burbujas de gases aglutinadas en la superficie de materiales sólidos (impurezas) presentes en los líquidos, los cuales al someterse a bajas presiones se expanden de modo que el líquido que lo rodea comience a crecer hasta hacerse visible la burbuja. (Marchagiani, 2006).

CAPITULO III METODOLOGIA

3.1 Metodología Aplicada La presen presente te inv inves estig tigac ación ión se encua encuadra dra bás básica icame mente nte en la tipolo tipología gía de Hern He rnán ánde dezz Samp Sampie ieri ri (201 (2010) 0),, de debi bido do a qu quee es el re refe fere rent ntee te teór óric icoo re repr pres esen enta tati tivo vo en cuan cuanto to a inve invest stig igac ació iónn cien cientí tífic ficaa y re resp spon onde de a lo loss lineamientos requeridos en la estructura del trabajo.

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 3.1.1. Tipo de investigación La investigación que se realizo es del tipo descriptiva. Esta clase de invest inv estiga igacio ciones nes bus busca ca espec especific ificar ar los ras rasgos gos más import important antes, es, características y propiedades que se presentan en el fenómeno a estudiar. El propósito de la investigación descriptiva es, como su nombre lo indica, recoger la mayor información posible de manera independiente o conglomerada sobre las definiciones o variables a las que se está refiriendo, esto es su objetivo puntual.

3.1.2. Diseño de la investigación La investigación se realizo bajo un diseño no experimental, es decir, sin la manipulación deliberada de variables, en los que solo se observan los fenómenos a acontecer en su ambiente natural para analizarse o inspecciona inspeccionarse rse posteriormente.

3.1.3. Enfoque Esta investigación se desarrolló con un enfoque cualitativo, esto es, utiliza la recolección sin algún tipo de cálculo numérico para hallar o afinar las interrogantes de investigación en el proceso de análisis (Hernández, Fernández y Baptista, 2010). En el presente caso no se está realizando una aplicación numérica del fenómeno si no solo se deta detalla lla los principales rasg rasgos os característicos, característicos,  por lo cual se necesita hacerlo por la estructura cualitativa ya mencionada.

3.2 Técnica de recolección de datos Se util utiliz izóó la té técn cnic icaa de dell fich fichaj ajee debi debido do a qu quee se empl emplea earo ronn te tesi siss ya aprobadas sobre el tema como fuentes de información.

3.3 Técnica de análisis de datos

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Una vez obtenida la información se hizo un contraste con los resultados de las diferentes tesis e investigaciones encontradas.

CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

4.1. Resultados 4.1.1.Principales 4.1.1. Principales tipos y caracterís características ticas de cavitació cavitación n que se dan en las turbinas Francis

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En el añ añoo 200 2004, 4, la es escue cuela la Pol Polité itécni cnica ca Fed Federa erall de Lausan Lausanne ne (Suiza (Suiza), ), logró logró determinar y clasificar experimentalmente en bancos de ensayos de laboratorio 5 tipos de cavitación que presentan las turbinas Francis Rápidas (Gallego, 2006). Para ello, se dividió estos 5 tipos de cavitación en dos grupos: Las que dependen y las que no dependen del coeficiente de Thoma (ver ( ver tabla N°1).

TIPOS DE CAVITACION CON DEPENDENCIA DEL COEFICIENTE DE THOMA(σ ) Depende de (σ )  No Depende(σ )

Traveling bubble cavitation Leading edge cavitation Draft tube swirl Inter blade vortex cavitation Von Karman vortex-shedding

Tabla N°1 (Autoría propia) El detalle de sus características y el resultado de su estudio se expresan a continuación en la presente investigación:

a) Trav Travelin elingg bubble bubble cav cavitatio itation n (Cavi (Cavitació tación n de burbuja burbuja)) Este tipo de cavitación aparece con mayor frecuencia hacia la salida del rodete ubicado generalmente en el extradós de los álabes (ver fig. 3); depende del correcto funcionamiento que describe la máquina; esto será vital e influyente de manera directa para este tipo de cavitación.

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Figura N°3

Se caracteriza caracteriza por tomar la forma de esferas que se van pegan pegando do a los álabes de succión del rodete, muy cerca al borde de salida; la cantidad de burbujas va incrementándose conforme la máquina opera en condiciones de sobrecarga, este tipo de cavitación genera demasiado ruido.

b) Lead Leading ing edge edge cavit cavitation ation (Ca (Cavitac vitación ión en la car caraa de succ succión) ión) Denominada por la Central Hidroeléctrica de Quebec, Canadá, como Extradós Intel Cavitation (Cavitación de entrada extradós). Esta forma de cavitación se genera en la cara de succión del álabe (ver fig. 4).

Figura N°4

Señala la E.P.F.L. que este tipo de cavitación se caracteriza por la formación de una cavidad fija en la cara de succión de los álabes que posee el rodete, este tipo de cavitación se da siempre y cuando la turbina opera a cabezas mayores a las de diseño.

c) Draft tube swirl (Tur (Turbulen bulencia cia en el tub tuboo de salida salida)) Este tipo de cavitación es conocida como “Cavitación de antorcha” llamada así gracias a la forma que presenta, se genera debido a la componente tangencial de velocidad en el fluido en movimiento de descarga en el rodete (ver Fig.5).

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Figura N°5

Se caracteriza por que el vórtice gira en la dirección que rota el rodete y en sent sentid idoo opue opuest stoo ca cada da vez vez que que la tu turb rbin inaa op oper eraa a so sobr bree ca carg rga, a, la pr prin inci cipa pall característica de este tipo de cavitación es que generan un gran aumento en el nivel de vibraciones.

d) Inte Interr blade vor vortex tex cavi cavitatio tation n (Cavitac (Cavitación ión entre vó vórtice rticess de álabe) Este tipo de cavitación se caracteriza por generase en el borde de salida del álabe, apareciendo a cargas parciales de funcionamiento con cabezas muy altas.

Figura N°6

e) Von Kar Karman man vort vortex-s ex-shedd hedding ing (Cav (Cavitaci itación ón por des despren prendimie dimiento nto de vórtices de Von Karman) Se caracteriza por aparecer en el borde de la salida del álabe.

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Figura N°7

UBICACIÓN DE LOS TIPOS DE CAVITACION EN LA TURBINA FRANCIS DE RODETE RAPIDO Ubicación en la Tipos de cavitación turbina Leading edgebubble cavitation (Cavitación en la cara de succión) Traveling cavitation (Cavitación de burbuja) Draft tube swirl (Turbulencia en el tubo de salida) Inter blade vortex cavitation (Cavitación entre vortices de alabe) Von Karman vortex-shedding

12 3 4

(Cavitación por desprendimiento de vórtices de Von Karman)

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Tabla N°2 (Autoría propia)

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Figura N°8

4.1.2.Etapas de la cavitación El fen fenóme ómeno no de cavita cavitació ciónn se llevar llevaraa a cab caboo en 2 etapas etapas ca carac racter teríst ística icass ya mencionadas: mencionada s: Formación de burbujas e implosión de burbujas. a) Eta Etapa pa de fform ormaci ación ón d dee bu burbu rbujas jas

Ariel Ari el R. Mar Marche chegia giani ni (Oc (Octub tubre, re, 200 2006) 6) det determ erminó inó ex exper perime imenta ntalme lmente nte en el laboratorio de máquinas hidráulicas de la Universidad Nacional de Comache, y en su publicación “Cavitación” afirmó que la formación de burbujas en las turbinas hidráulicas se pueden suscitar de dos maneras: 

Cavitación por flujo

Al termino de su experimentación se determinó que la cavitación se genera en tuberías donde la presión estática del flujo logra alcanzar valores cercanos a la  presión de vapor del flujo mismo en movimiento, como se suscitaría en la garganta de un tubo venturi; en el caso de las turbinas Francis el movimiento de sus álabes a mayor velocidad genera una menor presión alrededor de los mismos,

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alcanzando una presión vapor; el fluido se vaporiza dando lugar a la formación de  burbujas, generándose generándose a la ssalida alida del rodete. 

Cavitación por ondas

Recreando y manipulando deliberadamente las variables, se señaló que este tipo de cavitación se da cuando se produce la reflexión de una onda en los líquidos, originadas por ondas de presión o expansión causadas por explosiones y otras  perturbaciones como en el caso del golpe de ariete (boquillas y válvulas son  potenciales fuentes de cavitación), cavitación), las regiones donde el flujo cambia su dirección o vel veloci ocida dad. d. Por eje ejempl mplo: o: boq boquil uillas las y vá válvu lvulas las son po poten tencia ciales les fuente fuentess de cavitación ya que causan aceleración y desaceleración del flujo líquido, estos rá rápi pido doss camb cambio ioss en la dire direcc cció iónn de dell fluj flujoo pued pueden en ca caus usar ar la se sepa para raci ción ón o turbulencia del flujo. Hielshche Hiels hcherr - Tec Tecnolog nología ía de Ultras Ultrasonido onidoss (2015 (2015), ), laborator laboratorio io de ultrasoni ultrasonidos, dos, realizó experimentos sobre los efectos de la cavitación generadas por ondas de  presión señalando que: La reflexión de una onda en un medio líquido genera ciclos fluctuantes de alta presión y baja presión, cuyo ritmo dependerá de la frecuencia de propagación de la onda generada. Cabe señalar que durante la etapa de baja presión, se da la formación de burbujas de vacío o ambientes de baja  presión en el fluido, siendo así que cuando estas burbujas llegan al límite máximo de volumen debido a que ya no pueden absorber más energía, estas burbujas de vapor regresaran a su estado líquido de manera súbita aplastándose bruscame bruscamente nte a este proceso se le denomina el colapso de la burbuja. b) Eta Etapa pa d dee Im Implo plosió sión n de bur burbu bujas jas

Ocurre cuando las burbujas de vapor regresan a estado líquido de una manera  brusca. Markku Ylonen (Octubre,2015) en su tesis de grado “Cavitation Erosion Characterization Of Francis Turbine Runner Blade Material” experimentó en túnel de cavitación PREVERO ( Prevención contra la erosión) ubicado en el laboratorio de LEGI (Laboratorio de flujos geofísicos e industriales), Francia, y realizó diferentes pruebas analizando la implosión de las burbujas y la erosión producida

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en la turbina Francis unidad G-2 dada de baja procedente de la central de Imatra en Finlandia.

Fig. N° (9) -Turbina Francis G2 dañada por efectos cavitantes,  pertenecientes a la central hidroeléctrica hidroeléctrica de Imantra-Finlandia.

Medi Me dian ante te si simu mula lado dore ress y expe experi rien enci cias as re real aliz izad adas as en el tú túne nell de ca cavi vita taci ción ón PREVERO determinó que el colapso de la burbuja de cavitación tiene 2 etapas: 

Etapa de formación del chorro reentrante

El chorro reentrante se forma a partir del líquido circundante cuando una burbuja de cavitación cae de forma no simétrica. La burbuja comienza a colapsar desde un cierto punto y desde este punto; el colapso se desarrollara con la velocidad más alta, el chorro del líquido se direcciona hacia el centro de la burbuja penetrando la  burbuja; esto significa que la interfaz de la burbuja-líquido gana una mayor  aceleración hacia el centro. La razón por la cual la burbuja colapsa hacia la frontera, es decir en el límite del material, es compleja. La asimetría de la burbuja  provoca diferencias en la interface burbuja-líquido, lo que conduce a fuerzas no simétricas dirigidas hacia el centro de la burbuja. A medida que se desarrolla la forma de la burbuja, los efectos no simétricos aumentan lo que conduce a la deformación acelerada de las burbujas.

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Markku Ylonen recreando el escenario en el túnel de cavitación de PREVERO obtuvo la siguiente gráfica utilizando un programa de simulación del fenómeno del chorro reentrante (Ver fig. 10).

Desarrollo del chorro reentrante en la burbuja en el paso del tiempo. tiempo. Fig. N° (10)  Desarrollo

a: t*=2 t*=2.1509 .1509ss , b: t*=2.16400s t*=2.16400s , c: t*=2 t*=2.180 .18074s, 74s,d: d: t*=2.19429 t*=2.19429s.La s.Lass flechas en las figuras representan el flujo liquido, la velocidad aumenta al aumentar la longitud de las flechas, donde:  Rmax  Es el radio má ximo que alcanzo la burbuja . =

Z   Es la distancia desde el elcentr centro o de la burbuja al lí mite . =

El chorro reentrante visualizada en la figura N° obtenida por la simulación,  presenta las definiciones dichas anteriormente sobre esta primera etapa, Markku Ylonen señalo luego del modelamiento experimental que: “A medida que se forma el chorro reentrante, la burbuja se reduce a una burbuja de anillo”. El impacto de este anillo en la pared genera un flujo circulante conduciendo a un anillo de burbuja con vorticidad en sus extremos. ||28

 

Cabee señala Cab señalarr que las pri primer meras as observ observaci acion ones es a es este te compor comportam tamien iento to fueron fueron realizadas por Ples-set y Chapman en 1949, quienes fueron los primeros en estudiar el colapso de la burbuja cerca de una pared con métodos numéricos. Debido a la complejidad refere referente nte a la comprobación comprobación numérica de la form formación ación del chorro reentrante y la deformación asimétrica de la burbuja se trataran como un hecho hecho dado, dado, ya qu quee la pre presen sente te invest investiga igació ciónn es ne netam tament entee de car carác ácter  ter  descriptivo y este tipo de estudio queda fuera del alcance de la investigación. investigación. 

Etapa de colapso del anillo de burbuja

La siguiente etapa en el colapso de la burbuja es la formación y el colapso de un anillo de estancamiento. A medida que el chorro reentrante penetra en la burbuja,  permanece una cavidad en forma de anillo. El anillo de cavidad tiene una alta vorticidad resultante del chorro reentrante inicial. La cavidad del anillo se contrae causando una onda de presión de alta amplitud. El pico de presión de colapso del anillo de burbujas próximo al colapso que se genera en el límite del material  puede ser mayor mayor o menor que eell del chorro reentra reentrante. nte. Los simuladores enlazados al túnel de cavitación de PREVERO determinaron en 4 mues mu estr tras as dist distin inta tass como como actú actúaa el anil anillo lo de co cola laps psoo so sobr bree el lí lími mite te de lo loss materiales, en este caso la figura a es el material del cual esta construida la turbina Francis del G2 dada de baja de la central de Inmatra.

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Fig. N ° (11) Colapso de la burbuja estática cerda de una pared con cuatro valores diferentes de elasticidad, la pared se encuentra en un nivel de referencia indicado como Z  0 en nivel  =

indicado en cada figura.

La figura muestra la evolución de una burbuja la cual se derrumba cerca de una  pared de diferentes tipos de material, el crecimiento de la burbuja no mostró ninguna diferencia en el comportamiento entre los diferentes tipos de elasticidades del material. Los parámetros de elasticidad m y K presentan la masa por unidad de área área y la cons consta tant ntee de elas elasti tici cida dadd del del ár área ea de dell

mate materi rial al pu pues esto to a pr prue ueba ba,,

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respectivamente, los valores más bajos para ambos parámetros representan mayor  elasticidad. Para alta elasticidad, el chorro reentrante puede dirigirse lejos de la superficie y para la elasticidad media la burbuja puede obtener una forma de reloj de arena. Esto también fue observado por Kalse Boer et al (1989) ( 1989) en su estudio de colapsos de burbujas. Chahine y Genoux (1990) demostraron que el colapso de una burbuja en forma de anil anillo lo prov provoc ocaa un pico pico de pres presió iónn ma mayo yorr qu quee el de un unaa bu burb rbuj ujaa es esfé féri rica ca equivalente. A medida que el anillo de burbujas que queda termina de colapsar, se forma una segunda onda de presión, el primer pico de presión es causado por el impacto de chorro reentrante y el segundo es causado por la onda de presión de colapso del anillo de burbuja; la figura N° (12) muestra los valores de presión modelados para diferentes presiones que se ejercen de manera continua en la burbuja ya formada.

Figura N° (12)

En la figura, el primer pico de presiones la reentrante de impacto del chorro y la segunda es la onda de presión del momento de colapso del anillo de burbuja,

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luego lue go las demás demás osc oscila ilacio cione ness que pue puede denn ser observ observad adas as son ca causa usadas das po por  r   propagación de ondas de te tensión. nsión.

4.1.3.Efectos 4.1.3. Efectos y característica característicass de la cavitación en la turbina Francis Gallego Betancur (2006) señaló en su investigación “CARACTERIZACIÓN DE UNA TURBINA DEL TIPO FRANCIS UTILIZADA POR UNA EMPRESA LOCAL DE GENERACIÓN DE ENERGÍA” que los principales efectos que  produce la cavitación cavitación en estas turbinas son: -

Caída del rendimiento de la maquina hidráulica.

-

Erosión en los alabes de la Turbina.

-

Presencia de ruido y vibraciones.

a) Caí Caída da de dell rend rendimi imient entoo por ef efect ectos os de ca cavit vitaci ación ón Gallego señala en su proyecto de investigación que la erosión causada en la entrada y salida de los álabes genera deformaciones en la superficie inicial que estos mantenían, generando lo siguiente: -

Pérdidas de choque a la entrada del rodete de la turbina, las cuales se generan si la velocidad relativa del agua al abandonar lo álabes guías son cambiadas de manera abrupta en magnitud o dirección, o en ambas cuando esta entra al rodete.

-

Pérdidas por fricción del fluido en la carcasa, ocurre a través de los álabes guías y de los  pasajes del rodete.

-

Pérdidas de la energía cinética debido a la velocidad absoluta del agua en la descarga del rodete de la turbina.

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que aumenta la cavitación, Fig. N° (13) - Nos muestra como se reduce el rendimiento a medida que es decir a medida que disminuye el coeficiente de toma .

Como menciona gallego en los resultados de su investigación estas son las causas que  producen la caída del rendimiento de las turbinas, mas explicándolo de manera de detalla  por el estudiante con los conocimientos adquiridos en a lo largo del tema agregaremos que: Si bien es cierto la erosión en la entrada y salida de los álabes genera un cambio en las superficies de estos al darse tal cambio la entrada del flujo que viene direccionada por los álabes de Fink al llegar a los álabes de entrada del rodete no encuentran la superficie lisa que mantenían en un inicio haciendo que la velocidad absoluta entre con un ángulo menor  a 90°,citando al Claudio Mataix (1986) todo flujo que entre con un ángulo menor a 90° causaría cavitación en las turbinas, de igual forma sucedería a la salida del rodete generándose las torchas. Markku Ylonen (Octubre, 2015) señaló en su investigación realizada en el túnel de cavitación PREVERO que si la erosión por cavitación tiene una profundidad mayor a 0.5m 0.5mm m se tien tienee el ries riesgo go de qu quee al cont contin inua uarr la er eros osió iónn comi comien ence ce a af afec ecta tar  r  significativamente el campo de flujo en la sección de prueba.  b) Erosión en los álabes de la turbina Markku Ylonen (Octubre, 2015) presentó que la erosión de la cavitación se puede dividir  en cuatro períodos diferentes: -

El período de incubación o picadura.

-

El período de aceleración.

-

El período de desaceleración

-

El período de estado estacionario. La erosión de la cavitación en una superficie virgen comienza por la formación de fosas causadas por deformación plástica. A medida que la superficie se cubre con fosas, el material comienza a fallar, ya que algunos impactos sobrepasan la tensión de rotura del material, causando aceleración en la pérdida total de masa. A medida que se forma la superficie erosionada, los pozos más profundos empiezan a afectar la dinámica de las  burbujas, desacelerando la pérdida total de masa. ||33

 



Período de incubación o picadura El período de incubación o picadura es el período en el que una superficie virgen inicial está está su sujeta jeta a la ero erosió siónn po porr cav cavita itació ciónn que cub cubre re la sup superf erfici iciee con def deform ormaci acione oness inelásticas. El estudio del período de incubación proporciona información sobre el comportamiento del material y permite crear modelos de erosión en etapas posteriores de la cavitación es aquí donde se formaran las fosas dejadas por el colapso de las burbujas. El análisis de los ensayos de picaduras se basa en el conteo de fosas, para lo cual existen varios métodos, como profilometría de contacto, profilometría óptica, profilometría láser, interferometría óptica y microscopía electrónica de barrido.



Periodo de aceleración El periodo de aceleración se da después de que la superficie empieza a cubrirse con fosas, al empezar este periodo se inician la formación de grietas microscópicas en la superficie del material, experimentando tensiones equivalentes o mayores al de una superficie virgen, en las turbinas las grietas más grandes empiezan a formarse en los límites de los

álabes originando la ruptura del material, la transición del periodo de incubación al  periodo de aceleración no es abrupta ya que algunos fallos materiales ocurren incluso antes de que la superficie este totalmente cubierta de fosas, así mismo el periodo de aceleración continúa hasta que la tasa de pérdida de volumen y masa del material alcanza un valor máximo. 

Periodo de desaceleración Durante el período de aceleración, la tasa de pérdida de masa no aumenta infinitamente. A medida que persiste la cavitación, se forman cráteres más profundos en la superficie. Estos cráteres profundos pueden atrapar gas o líquido y este nuevo medio entre la superficie supe rficie del mater material ial y los colapsos de burbu burbujas jas empiez empiezaa a dismin disminuir uir los picos de

 presión esto hace que la velocidad velocidad de erosión se des desacelere. acelere.



Periodo de estado estacionario Después de haberse producido una desaceleración suficiente de la tasa de erosión, la velocidad comienza a acercarse a un valor constante o casi-constante es este punto el límite en el que termina el período de desaceleración y comienza el período de estado estacionario. Durante la erosión en estado estacionario, todos los procesos mencionados coexisten en un equilibrio, siempre y cuando el campo de flujo permanezca constante y la geometría de la superficie del material no cambie de manera drástica.

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Fig. N° (14) - Nos muestra la curva de erosión y velocidad de erosión siguiendo la norma  ASTM G32 (Método de prueba estándar para la erosión de la cavitación utilizando u un n aparato vibratorio). La curva (a) es para la pérdida de volumen y la curva (b) es para la tasa de  pérdida de volumen. 

Presencia de ruido y vibraciones La implosión de las burbujas causan ondas de presión las cuales pueden disiparse en la corriente del flujo o pueden chocar contra una superficie; al chocar estas ondas de presión en un mismo punto del material este tendera a debilitarse estructuralmente y dar inicio a la erosión, ocasionando pequeñas fosas o picaduras sobre la superficie; este fenómeno va acompañado de ruido y vibraciones producidas por el colapso de las burbujas y las fallas en el material. El grado de deterioro de estas máquinas hidráulicas se puede ver reflejado en la amplitud de las vibraciones, ya que si sus niveles son excesivos serían peligrosas para la operación de las máquinas y estarían limitadas por algunas normas vigentes. Estas normas no serán mencionadas ya que quedan fuera del alcance de la investigación.

a. Conc Conclusio lusiones nes 

Mediante el desarrollo de la investigación se logró el fin de identificar los principales tipos de cavitación que se desarrollan en las turbinas hidráulicas del tipo Francis de rodete rápido señalando las características de cada una de ellas (ver tabla N°3)

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CARACTERICAS DE LA CAVITACION SEGÚN SU TIPO Y GRADO DEPENDE  DE σ 

TIPOS DE CAVITACIÓN

Traveling bubble

SI

cavitation Leading edge cavitation Draft tube swirl  NO Inter blade vortex

CARACTERÍSTICAS

-

Tienen Forma de esferas

-

Se genera cerca al borde del de salida.

-

Genera gran ruido. Es una cavidad fija.

-

Se genera en la cara de succión (Extradós)de

-

los alabes del rodete. Tiene forma de antorcha.

-

Gira en dirección del rodete.

-

Genera grandes vibraciones. Se genera en el borde de salida (Intradós) del alabe del rodete.

cavitation Von Karman vortex-

-

Turbinas cabezas altas. -Se da Se en genera en loscon vórtices a lamuy salida del

shedding

alabe.

Tabla N°3 (Autoría propia) 

Respondiendo al segundo objetivo propuesto se logró identificar y describir dos etapas de cavitación siendo: -

La formación de burbujas Donde se mencionó el cambio de fase del líquido a vapor.

-

La implosión de la burbuja  La cual se dividió di vidió en dos sub-etapas:  Etapa de formación del chorro reentrante 

Etapa de colapso del anillo de burbuja

En estas dos últimas secciones mencionadas, se discutió el colapso de burbujas cerc cercaa de una una pare paredd rígi rígida da y se intr introd oduc ucen en los los ef efec ecto toss de una una pare paredd de deformación causados por el chorro reentrante, comprendiendo el posterior   proceso de formación del del anillo de colapso debido a las altas altas presiones ejercidas en el concluyéndose así con el fenómeno de la cavitación.

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

Más que mencionar los efectos que produce el fenómeno de cavitación en las turbinas Francis, se pudo describir de manera minuciosa cómo es que se produce cada uno de estos efectos y detallando de manera satisfactoria y de fácil compresión cómo se van desarr des arroll olland andoo estos estos efe efecto ctoss que son per perjud judici iciale aless par paraa la turbin turbina. a. A con contin tinuac uación ión  presentamos el siguiente organigrama las conclusiones que responden a nuestro tercer  objetivo trazado.

Tabla N°4 (Autoría propia)

b. Recomendac Recomendaciones iones

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De acuerdo con Martínez, María (2007) los ensayos de cavitación en turbinas es importante ya que ayuda a determinar el tipo de cavitación más propenso a presentarse en la turbina, ya que, como es conocido, la cavitación puede arruinar partes fundamentales de la misma. Ésta medición a su vez, puede determinarse por tres métodos: por un cambio en el rendimiento de la turbina, por observación o por la detección de ruidos y vibraciones. Por otro lado, Castaño (2013) menciona que es necesario mantener un control y vigilancia a las turbinas Francis empleadas en centrales hidroeléctricas con el fin de encontrar posibles fallas o programar el mantenimiento debido y así asegurar su confiabilidad y ciclo de funcionamiento.

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