Turbina Pelton

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE INGENIERIA MECÁNICA II MN 463

TURBINA PELTON Profesor Grupo

:

Ing. Cesar Ugarte :

Periodo Académico :

2 2009 – I

2009

UNI – FIM

Laboratorio de Ingeniería Mecánica II MN 463-D

INTRODUCCIÓN El interés actual en buscar nuevas fuentes de energía, ya que el petróleo es una fuente agotable, ha incentivado la búsqueda de nuevas formas para producir energía. Sin embargo, desde hace mucho tiempo, la energía eléctrica se presenta como una manera limpia de satisfacer nuestras necesidades energéticas. Para la generación de energía eléctrica se pueden emplear las Centrales Hidroeléctricas, que aprovechan una sustancia tan “común” como el agua, inagotable si es que es bien aprovechada (conservándola limpia) y no produce contaminación por sí misma. Esto llevó a concebir la idea de una rueda provista de alabes en su periferia que lograse captar la energía que proviene de un chorro de agua en un tubería a alta presión. Esta máquina sería capaz de absorber la energía cinética del flujo y convertirla en energía mecánica, es decir recibir la energía en forma giratoria y entregarla de la misma forma o viceversa. A estas máquinas se les llamó TURBINAS. Una máquina que emplea agua para su funcionamiento es la TURBINA HIDRÁULICA, entre estas son las más conocidas: La Turbina FRANCIS, KAPLAN y PELTON. En el presente informe nos dedicaremos justamente en calcular la potencia que desarrollan estas Turbomáquinas; en especial la Turbina Pelton por ello utilizaremos métodos apropiados como la del freno de cinta Prony para evaluar la efectividad de la Turbina durante su funcionamiento y evitar desgastes en la misma.

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OBJETIVOS •

Analizar la variación de las distintas eficiencias involucradas en la operación de una turbina Pelton, con respecto a la velocidad de giro de su eje, así como su comportamiento para diferentes alturas.

•

Determinar la curva de pérdidas en el generador.

FUNDAMENTO TEÓRICO TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS Son máquinas hidráulicas rotativas que se emplean actualmente en la transferencia de energía entre el agua y un rotor (o viceversa) provisto de alabes. También son llamados Turbomáquinas de fluido incompresibles por la naturaleza del fluido de trabajo. TURBINA HIDRÁULICA Transforma la energía mecánica. Son Turbomáquinas que transfieren la energía cometida en el agua a un rotor provisto de alabes, mientras el flujo pasa a través de estos. CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS Según la dirección que sigue el agua por el rotor. Radiales: El paso del agua por el rotor se efectúa en dirección radial. Turbina FRANCIS. Axiales: El paso del agua entre los alabes se hace en dirección del eje de la máquina. Turbinas KAPLAN y PELTON. Tangenciales: El ataque del agua al rotor es de forma tangencial. Turbina PELTON. Según como aprovecha la energía del agua De Impulso: Si la turbina aprovecha solamente la energía cinética del agua. Turbina PELTON De reacción: Si la turbina aprovecha la energía estática del agua y la dinámica. Turbinas KAPLAN Y FRANCIS.

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CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS Normalmente las condiciones hidráulicas de un proyecto fijan solamente dos de tres parámetros característicos: Altura de Caída (H), Caudal (Q), y Potencia (P). Conocidos los parámetros H y P o H y Q se puede seleccionar un tipo determinado de turbinas a través del conocimiento de los parámetros característicos de diseño y/o selección como son: la velocidad específica (Ns) o la cifra de rotación ( υ). N P Ns = 5 / 4 H

Q N ( )1 / 2 π υ= (2 gH ) 5 / 4

TURBINA PELTON Las turbinas Pelton como ya se dijo son turbinas hidráulicas de impulso, es accionada por un chorro de agua que impacta a alta velocidad contra las cucharas y abandona estas sin velocidad, por lo tanto a la entrada y salida de la máquina no hay variación de presión (presión atmosférica). Los alabes o cucharas están montadas en un rodete, el cual comunica un par mecánico a un eje. Las Turbinas Pelton son empleadas para grandes alturas y bajos caudales, ya que se les considera turbinas de admisión parcial, esto es debido a que las cucharas de la rueda no están en contacto con el agua permanentemente, ya que para cada giro, el agua impacta sólo una vez y por un tiempo muy pequeño en cada cuchara.

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CARACTERÍSTICAS La alimentación se efectúa a través de las toberas que transforman la energía estática del agua en dinámica. El fluido sale en forma de chorro libre de las toberas, las cuales encuentran colocada al final de la tubería de presión. Las toberas están provistas de una aguja de cierre para regular el caudal. El álabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua, produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección. Por ser el ataque del agua en sentido tangencial a la rueda se la denomina también turbina "tangencial" por tener el fluido un recorrido axial a su paso por el álabe, se clasifica también entre las máquinas de tipo axial. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad específica es pues baja entre 10 y 60 en el sistema métrico. La turbina Pelton, por la sencillez de su construcción y por razones de tipo hidrodinámico es la que tiene la máxima eficiencia entre todos los motores hidráulicos. Otra de sus cualidades es que permite el acoplamiento directo con los generadores electrónicos de alta velocidad, ya que puede proyectarse para elevadas velocidades tangenciales del rodete.

Fig. 1. Diagrama esquemático de una rueda Pelton El chorro que emerge de la tobera choca simétricamente contra el divisor y se distribuye por igual entre las dos mitades de la cazoleta hemisférica, como se ve en la figura. La línea de centro de la cazoleta no se puede fabricar exactamente como un vértice matemático, en parte debido a dificultades de fabricación y en parte porque el chorro que

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choca contra el vértice arrastra invariablemente partículas de arena u otros materiales abrasivos que tienden a desgastarlo. El ángulo de entrada está por tanto entre 1° y 3° , pero se supone siempre que es cero en todos los cálculos. Teóricamente, si la cazoleta fuera exactamente hemisférica, desviaría el chorro un ángulo de 180°. En este caso, la velocidad relativa del chorro al salir de la cazoleta, tendría opuesta dirección a la velocidad relativa del chorro que entra. Esto no se puede obtener en la practica puesto que el chorro al salir de la cazoleta golpearía la parte posterior de, la siguiente cazoleta y causaría salpicaduras e interferencia de manera que la eficiencia total de la turbina descendería a un valor bastante bajo. Por tanto, la deflexión angular del chorro en la cazoleta se limita en la práctica a aproximadamente. 165° ó 170°, y por tanto la Cazoleta es ligeramente menor que un hemisfério.

CLASES De eje Horizontal El número de entradas son de una a dos por resultar complicada la instalación en plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección. La ventaja de este tipo de turbina es la fácil inspección y reparación de la rueda, los inyectores sin necesidad de desmontarlos. Permite también este tipo de turbinas instalar turbinas gemelas para un sólo generador colocado entre ambos. De eje Vertical El sistema de alimentación (toberas y agujas) se encuentra en un plano horizontal, lo que permite aumentar el número de chorros por rueda de cuatro a seis. El caudal puede ser mayor así como la potencia por unidad.

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Otra ventaja de esta turbina es que el eje Turbina-Generador se acorta, se reduce las excavaciones, se puede disminuir el diámetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. En conclusión se reduce el peso de la turbina. La desventaja de este modelo de turbina es que se hace más difícil la inspección y reparación. PARTES PRINCIPALES El rodete Esta constituido por un disco de acero con alabes periféricos en forma de doble cuchara. Estos pueden estar fundidos en una sola pieza o individualmente, sujetándose al disco por medio de bulones. Se prefiere la fundición en una sola pieza para Turbinas que utilizan grandes velocidades específicas para lograr mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rápido. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la erosión. El número de alabes esta alrededor de los 17 a 26 por rueda, para altas velocidades es menor el número de alabes y viceversa. El inyector Esta constituido por una tobera convergente, con aguja de cierre cónica; La posición de esta última determina el grado de apertura de la tobera y en consecuencia el gasto o caudal. El material del inyector debe ser tal que resista la acción abrasiva y corrosión del agua. En la figura se muestra un croquis de la turbina en conjunto para poder apreciar la distribución de los componentes fundamentales.

Un chorro de agua convenientemente

dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvía sin choque, cediendo toda su energía cinética, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina. La regulación se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tubería. Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.

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1.

R

odete 2.

C

uchara 3.

A

guja 4.

T

obera 5.

C

onducto de entrada 6.

M

ecanismo de regulación 7.

C

ámara de salida

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Rodete y cuchara de una turbina Penton

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Turbina Penton y alternador

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EQUIPOS BANCO DE PRUEBAS PARA LA TURBINA PELTON Características técnicas del banco: Turbina Pelton Marca

:

Armifield Hydraulic Engineiring England.

Tipo

:

Pelton MK2

Serie

:

2061

Altura Nominal

:

53m (175 pies)

Velocidad Nominal

:

1160 rpm

Potencia Nominal

:

5 HP

Motobomba Motor

:

Newman Motor INC.

Tipo

:

215 DD 181 BB

Serie

:

P 424701

Potencia

:

7.5 HP

Velocidad

:

3600 rpm

Bomba

:

Sigmund Pump LTD.

Tipo

:

N-NL3

Serie

:

147304

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Manómetro Rango

:

Aproximación :

0 – 100 PSI 2 PSI

Tacómetro Digital Rango

:

0 – 2500 rpm

Aprox

:

50 rpm

Marca

:

Wyers triangular de 90°

Rango

:

0-30cm

Vertedero

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PROCEDIMIENTO 1. Encendemos la bomba y regulamos la boquilla de emisión de agua a una presión determinada (20, 30 y 40psi). 2. Medimos la altura en el linímetro para calcular el caudal. 3. Medimos la fuerza en el dinamómetro cuando no hay carga. 4. Medimos la velocidad angular con ayuda del tacómetro cuando no hay carga. 5. Aplicamos carga al sistema (focos). 6. Medimos la fuerza y la velocidad angular en cada variación de carga. 7. Repetimos el procedimiento para las diferentes presiones. 8.

CÁLCULOS Y RESULTADOS DATOS DE LABORATORIO De la experiencia de laboratorio se tomaron los siguientes datos: Longitud de brazo en el dinamómetro L = 8.255 cm. Prueba 1: h = 107 mm. Pent = 20 psi Nº DE FOCOS 1 2 3 4 5 6 7

F (KG) 2.8 3.1 3.5 3.8 4.1 4.1 4.4

N(RPM) 930 918 908 898 893 891 885

ALTURA DEL LINIMETRO (mm) 107 107 107 107 107 107 107

F (KG) 4.1 4.9 5.6 6.3 6.8 7.2 7.6

N (RPM) 1123 1102 1080 1061 1042 1024 1016

ALTURA DEL LINIMETRO (mm) 109 109 109 109 109 109 109

Prueba 2: h = 109 mm. Pent = 30 psi Nº DE FOCOS 1 2 3 4 5 6 7

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Prueba 3: h = 105 mm. Pent = 40 psi Nº DE FOCOS 1 2 3 4 5 6 7

F (KG) 5 6 6.8 7.6 8.3 8.8 9.2

N (RPM) 1263 1233 1195 1173 1149 1128 1103

ALTURA DEL LINIMETRO (mm) 105 105 105 105 105 105 105

PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS a) Potencia Hidráulica (PH) PH = ρgQH ……….(1) Donde:

ρ:

densidad del agua.

g:

aceleración de la gravedad.

H:

altura simulada o altura útil.

Q:

caudal P VT2 H= + γ 2g

Donde

VT:

velocidad de entrada a la boquilla.

VT = Donde

Ae:

Q Ae

área de entrada a la boquilla (Φ=3”) 5 2

Q = Cdx (1.416 xh ) Donde

Cd:

coeficiente de descarga (0.68)

h:

altura medida en el linímetro (en metros)

b) Potencia del Rodete (HPr)

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H Pr = ρQU (Vch − U )(1 + k cos( β ) ………….(2) Donde:

U:

velocidad tangencial.

Vch:

velocidad del chorro.

K = 0.9 β = 10º Vch = 0.975 2 gH U = wrp Donde:

w:

velocidad angular.

rp=5.6875” c) Potencia al Freno (BHP) BHP = Fd * R * w ……….(3)

Donde:

Fd:

fuerza medida en el dinamómetro.

R = 3” d) Eficiencia Mecánica (ηm)

ηm =

BHP ……..(4) H Pr

e) Eficiencia Hidráulica (ηh)

ηh =

H Pr ……….(5) PH

f) Eficiencia Total (ηT)

ηT =

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BHP ……….(6) PH

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Con ayuda de una Hoja de Cálculo en Microsoft Excel®, calculamos cada uno de estos parámetros: Prueba 1: PH(W) 605.4900 Foco 1 2 3 4 5 6 7

N(RPM) 930 918 908 898 893 891 885

F(N) 27.47 30.41 34.34 37.28 40.22 40.22 43.16

Q(m3/s) 0.0036 T(Nm) 2.27 2.51 2.83 3.08 3.32 3.32 3.56

Vt(m/s) 0.7907

BHP(W) 220.83 241.33 269.51 289.38 310.49 309.80 330.23

ηm 0.593 0.627 0.683 0.716 0.759 0.754 0.793

Vch(m/s) 17.9589 ηT 0.365 0.399 0.445 0.478 0.513 0.512 0.545

H(m) 17.1162 ηh 0.615 0.635 0.652 0.668 0.675 0.678 0.687

U(m/s) 14.0689 13.8873 13.7361 13.5848 13.5091 13.4789 13.3881

HPr 372.2686 384.6136 394.5586 404.1923 408.8923 410.7506 416.2506

Prueba 2: PH(W) 905.4800

Foco 1 2 3 4 5 6 7

N(RPM) 1123 1102 1080 1061 1042 1024 1016

F(N) 40.22 48.07 54.94 61.80 66.71 70.63 74.56

Q(m3/s) 0.0038

T(Nm) 3.32 3.97 4.53 5.10 5.51 5.83 6.15

Vt(m/s) 0.8282

BHP(W) 390.46 457.92 512.89 566.85 600.88 625.24 654.82

ηm 0.722 0.805 0.860 0.917 0.939 0.949 0.982

Vch(m/s) 21.4591

ηT 0.431 0.506 0.566 0.626 0.664 0.691 0.723

H(m) 24.4383

ηh 0.598 0.628 0.658 0.683 0.706 0.727 0.736

U(m/s) 16.9885 16.6709 16.3380 16.0506 15.7632 15.4909 15.3699

HPr 541.0939 568.7074 596.0934 618.4748 639.6791 658.6815 666.7878

Prueba 3: PH(W) 1042.3711 Foco 1 2 3 4 5 6 7

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N(RPM) 1263 1233 1195 1173 1149 1128 1103

F(N) 49.05 58.86 66.71 74.56 81.42 86.33 90.25

Q(m3/s) 0.0034 T(Nm) 4.05 4.86 5.51 6.15 6.72 7.13 7.45

Vt(m/s) 0.7543

BHP(W) 535.54 627.38 689.11 756.01 808.75 841.80 860.55

ηm 0.861 0.947 0.971 1.029 1.063 1.077 1.068

Vch(m/s) 24.1257 ηT 0.514 0.602 0.661 0.725 0.776 0.808 0.826

H(m) 30.8893 ηh 0.597 0.635 0.681 0.705 0.730 0.750 0.773

U(m/s) 19.1064 18.6526 18.0777 17.7449 17.3819 17.0642 16.6860

HPr 622.2724 662.4203 709.4371 734.6972 760.6143 781.8885 805.5072

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GRÁFICAS Prueba 1

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Prueba 2

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Prueba 3:

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OBSERVACIONES •

Se observó que el banco de pruebas de la Turbina Pelton solo se puede utilizar para cierto rango de potencias, ya que, para valores fuera de este rango los valores obtenidos presentan mucho error.

•

La turbina Pelton se encuentra en un estado aceptable de utilización, a diferencia de varios equipos de laboratorio, claro que su uso es puramente académico.

•

El dinamómetro tiene que estar alineado para tomar los valores de fuerza en forma correcta.

CONCLUSIONES •

Las gráficas tanto de potencia como de eficiencia en teoría tienen una tendencia parabólica hacia abajo. Nuestras gráficas presentan la parte de caída de las curvas teóricas.

•

En las gráficas obtenidas para 30 y 40psi se observa que para una misma velocidad de giro hay valores de carga diferentes, esto es debido a que los datos tomados estaban fuera del rango aceptable de utilización de la turbina.

•

Las gráficas para 30 y 40psi demuestran que para una mayor altura de caída de agua, la turbina es más eficiente.

•

La eficiencia total máxima de la Turbina Pelton para los datos tomados va en aumento conforme aumentamos al altura y se mantiene en un rango aceptable, peo la eficiencia mecánica vemos que sobrepasa el 100%, lo cual indicaría una falla en la toma de datos o cálculos.

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BIBLIOGRAFÍA 1. Polo, E., TURBOMAQUINAS HIDRÁULICAS, Primera Edición, Ed. Limusa, S.A., México 1, D.F. 1975. 2. Rauch, Alfred INSTALACIONES DE FUERZA MOTRIZ HIDRÁULICA, Primera edición, Ed. José Montiesó, Barcelona. 1956.

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