Francis Flujo Variable 2

7/25/2019 Francis Flujo Variable 2

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LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICASTURBINA PELTON CON FLUJO VARIABLE

GUSTAVO ANDRES SALOM VILLAMIZAR 1120530

ANDRES CAMILO BAEZ ALARCON 1120468

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERFACULTAD DE INGENIERA

SAN JOSE DE C!CUTA2014


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LABORATORIO MAQUINAS HIDRAULICAS

TURBINA PELTON CON FLUJO VARIABLE

GUSTAVO ANDRES SALOM VILLAMIZAR 1120530

ANDRES CAMILO BAEZ ALARCON 1120468

PEDRO ANTONIO PEREZ ANA"A

INGENIERO

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERFACULTAD DE INGENIERA

SAN JOSE DE C!CUTA2014


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UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERDEPARTAMENTO DE FLUIDOS " T#RMICAS

LABORATORIO DE FLUIDOS " MAQUINAS HIDR$ULICAS

P%&'()'& TURBINA PELTON CON FLUJOVARIABLE

INTRODUCCION

La energa potencial del agua se transforma en energa de presin y en energacintica. Tal energa puede transformarse en trabajo cuando el agua golpea un

objeto tal que la direccin del flujo del agua cambie y el objeto se mueva comoresultado de la accin del agua. La magnitud de la velocidad del agua se reducedebido a la friccin que se presenta por el flujo del agua a travs de la superficie delobjeto y la energa entregada por el agua se transforma tambin en trabajo til.

Si se utiliza una mquina adecuada! la energa e"istente en el agua que fluye o enel agua almacenada en un nivel apropiado! puede convertirse en potenciamecnica! que puede utilizarse para muc#as aplicaciones o usos. $stas mquinasse denominaron ruedas #idrulicas. Las mquinas #idrulicas que accionangeneradores elctricos se conocen como turbinas #idrulicas! de las cuales laturbina %rancis #ace parte. & continuacin conoceremos un poco ms sobre sta

turbina en particular! sus caractersticas! aplicaciones! entre otras.

1 OBJETIVOS

1*1 OBJETIVO GENERAL

'onocer el funcionamiento de las turbinas.

(eterminar la altura )*t+! caudal ),+! potencia consumida )-+ potencia #idrulica)-#+ y el rendimiento )n+.


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1*2 OBJETIVOS ESPECFICOS

'onocer los principios de operacin de la turbina -elton.

&nalizar las variables que determinan el desempe/o de una turbina.

0raficar la potencia mecnica! potencia #idrulica y la eficiencia contra lasdiferentes revoluciones.

MARCO TEORICO

TURBINA FRANCIS

La turbina francis es en la actualidad! la turbina #idrulica tpica de reaccin de flujo

radial. Lleva ste nombre en #onor al ingeniero 1ames 2ic#ano %rancis! de origeningls y que emigr a los 3stados 4nidos! donde fue encargado de realizarproyectos #idrulicos utilizando turbinas centrpetas! esto es con recorrido radial delagua de afuera #acia adentro! para un debido aprovec#amiento de la accincentrpeta.

Las turbinas %rancis sonturbinas #idrulicasque se pueden dise/ar para unamplio rango de saltos y caudales! siendo capaces de operar en rangos de
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica


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desnivel que van de los dos metros #asta varios cientos de metros. 3sto! juntocon su alta eficiencia! #a #ec#o que este tipo de turbina sea el ms ampliamenteusado en el mundo! principalmente para laproduccin de energaelctricaencentrales #idroelctricas.

Las Turbinas %rancis son conocidas como turbinas de sobrepresin por servariable la presin en las zonas del rodete! o de admisin total ya que ste seencuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. Tambinse conocen como turbinas radiales5a"iales y turbinas de reaccin! conceptos quese ampliarn en su momento.

3l campo de aplicacin es muy e"tenso! dado el avance tecnolgico conseguidoen la construccin de este tipo de turbinas. -ueden emplearse en saltos dedistintas alturas dentro de una amplia gama de caudales )entre 6 y 677 m89sapro"imadamente+.

'onsideraremos la siguiente clasificacin! en funcin de la velocidad especficadel rodete! cuyo nmero de revoluciones por minuto depende de lascaractersticas del salto.

Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o

ms).

Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20

m).

Turbinas Francis rpidas y extrarrpidas. Apropiadas a saltos de pequea

altura (in!eriores a 20 m).

PARTES DE LA TURBINA FRANCIS

C+,&%& -./)%&

Tiene como funcin distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete. La

forma en espiral o caracol se debe a que la velocidad media del fluido debe

permanecer constante en cada punto de la misma. La seccin transversal de la

misma puede ser rectangular o circular! siendo esta ltima la ms utilizada.

P%-).(%))%
http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctrica


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3st compuesto por labes fijos que tienen una funcin netamente estructural!

para mantener la estructura de la caja espiral y conferirle rigidez transversal! que

adems poseen una forma #idrodinmica para minimizar las prdidas #idrulicas.

D).(%))%3s un rgano constituido por labesmviles directores! cuya misin es dirigir

convenientemente el agua #acia los labes del rodete)fijos+ y regular el caudal

admitido! modificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se

ajuste en lo posible a las variaciones de carga de la red elctrica! a la vez de

direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la mquina. 3ste recibe el

nombre de distribuidor %in:.

R(% %-(-

3s el corazn de la turbina! ya que aqu tiene lugar el intercambio de energa entre

la mquina y el fluido. 3n forma general! la energa del fluido al momento de pasar

por el rodete es una suma de energa cintica! energa de presiny energa

potencial. La turbina convierte esta energa en energa mecnicaque se

manifiesta en el giro del rodete. 3l rodete a su vez transmite esta energa por

medio de un eje a un generador elctricodnde se realiza la conversin final

en energa elctrica. 3l rotor puede tener diversas formas dependiendo del

nmero especfico de revoluciones para el cual est dise/ada la mquina! que a

su vez depende del salto #idrulico y del caudal de dise/o.

T - &./)%&')

3s la salida de la turbina. Su funcin es darle continuidad al flujo y recuperar el

salto perdido en las instalaciones que estn por encima del nivel de agua a la

salida. 3n general se construye en forma dedifusor! para generar un efecto de

aspiracin! el cual recupera parte de la energa que no fuera entregada al rotor en

su ausencia.

APLICACIONES

Las grandes turbinas %rancis se dise/an de forma individual para cada

emplazamiento! a efectos de lograr la m"ima eficiencia posible! #abitualmente
http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labehttp://es.wikipedia.org/wiki/Rodetehttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Distribuidor_Fink&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_en_un_fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Difusorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Difusorhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labehttp://es.wikipedia.org/wiki/Rodetehttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Distribuidor_Fink&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_en_un_fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Difusor


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ms del ;7


8/37

+o es la me$or opcin para utili&ar !rente a grandes *ariaciones de caudal%

por lo que se debe tratar de mantener un !lu$o de caudal constante pre*isto%

antes de la instalacin

3* APARATOS A UTILIZAR

4>?(&( 4>?@3AS&L (3 &''?B>&C?3>TB D %A3>&(B )*C 8E=+. CB(4LB &4F?L?&A -&A& L& B-3A&'?G> (3 T4A2?>&S )*C 8E=.86+. T4A2?>& -3LTB> )*C 8E=.8H+ 2LB,43 (3 &-&A&TBS (3 C3(?'?G> (3L CB(4LB 2IS?'B )*C 8E=.H7+.

4* PROCEDIMIENTOS

Contar la turbina sobre el mdulo de alimentacin *C 8E=.86.

&justar la vlvula de aguja segn lo deseado. 'errar la vlvula de estrangulacin y conectar la bomba. &celerar la bomba

#asta que alcance el pleno nmero de revoluciones. &brir la vlvula de estrangulacin lentamente y acelerar la turbina #asta que

alcance el nmero de revoluciones m"imo.


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'ontrolar y! en caso necesario! ajustar el caudal de agua de refrigeracin. 'on el dispositivo de freno se debe ajustar y anotar! comenzando con el

valor ms alto! el par de giro y! de esta manera! el nmero de revolucionesdeseado.

Leer y anotar el nmero de revoluciones! la corriente volumtrica y lapresin de admisin.

5* CALCULO*

3n base a los datos de medicin se calcula la potencia mecnica entregada! lapotencia #idrulica suministrada y el grado de efectividad. Se utilizan las siguientesecuaciones de valores numricosJ

5*1 POTENCIA MEC$NICA*

Pmec=M O Pmec=M 2

60xn

'on -mec en KA3@BL4'?B>3SJ n en rpmTBA,43J C en >.m

5*2 POTENCIA HIDR$ULICA

3s la potencia que entrega el fluido a la turbina

Phid=10

6 Q P

1

-#id potencia #idrulica )K+

, caudal )L9min+-H presin relativa


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5*3 EFICIENCIA GRADO DE EFECTIVIDAD

nturb=PmecPh

TABLA DE DATOS

-ara

n1

8777 rpm

P%-.) --.'&%9& :&%;

P%-.) -.'') :&%;

T%,);

7!7E 6!EE 6!EE HM67!7E H!NN 6!EM HHE7!7= 7!OE 6!EM O87!7= 7!66 6!E= M=7!7= 57!7H 6!=; H;

-ara n2 6=77 rpm

P%-.) --.'&%9& :&%;

P%-.) -.'') :&%;

T%,);

7!7E 6!EE 6!ME HMH7!7E H!O8 6!E7 H677!7= H!76 6!EH ;77!7= 7!6H 6!E8 M=7!7= 57!76 6!EH HE

-ara n3 6777 rpm


11/37

P%-.) --.'&%9& :&%;

P%-.) -.'') :&%;

T%,);

7!7E 6!=O 6!8= HMH7!7= H!O= 6!=H H677!7= H!7 6!=M OO

7!7= 7!= 6!E= 8;7!7= 57!76 6!E8 H8

-ara n4 H=77 rpm

P%-.) --.'&%9& :&%;

P%-.) -.'') :&%;

T%,);

7!7= 6!=7 6!HN H8O7!7= H!N; 6!M8 HHN

7!7= H!H6 6!EH ;87!7M 7!6N 6!N8 M77!7= 57!7H 6!NH E

-ara n5 H777 rpm

P%-.) --.'&%9& :&%;

P%-.) -.'') :&%;

T%,);

7!7= 6!=8 6!H7 H8;

7!7= H!O6 6!6; H677!7= H!7O 6!M; ;87!7M 7!HO 6!N8 M67!76 57!7M 6!NM 6H

ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS

'on la tabla de datos calculamos la potencia mecnica )K+! -otencia #idrulica y

3ficiencia )


12/37

Q1=142

l

min1m

3

1000l 60min

1h =8.52m3/h

Presin en la entrada

1 =26,6m

2,66 10m

Presin en la salida

1 =0,6m

0,06 10m

Altura total de la bomba (m)

H=0,6m+26,6m=27,2m

Potencia hidrulica (W)

Ph=9810 N

m32.36x 10

3m3

s 27,2m=629,72w

Potencia Mecnica (W)

Pmec=2.66N .m30002

60=835,66w

Eiciencia de la bomba (!)

bom=835,66w

629,72w100=132,70

Caudal (Q)


13/37

Q2=116

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =6,96m3/h


1 =17,7m

1,77 10m

Presin en la salida

1 =0,6m

0,06 10m


H=17,7m+0,6m=18,3m


Ph=9810 Nm31,93x10

3

m

3

s 18,3m=346,47w


Pmec=2,64N .m30002

60=829,38w


bom=

829,38w

346,47w100

=239,38

Caudal (Q)


14/37

Q3=83

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =4,98m3/h


1 =8.6m

0,86 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=8,6m+0,5m=9,1m


Ph=9810 N

m31,38x10

3m3

s 9,1m=123,19w


Pmec=2,62N .m30002

60=829,38 w


bom=829,38w

123,19w100=673,25

Caudal (Q)


15/37

Q4=45

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =2,7m3/h


1 =2,2m

0,22 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=2,2m+0,5m=2,7m


Ph=9810 N

m37,5x10

4m3

s2,7m=19,86 w


Pmec=2.65N .m30002

60=832,52w


bom=832,52w

19,86w100=4191,

Caudal (Q)


16/37

Q5=19

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =1,14m3/h


1 =0,1m

0,01 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,1m+0,5m=0,6m


Ph=9810 N

m33,16x 10

4m3

s0,6 m=1,86w


Pmec=2,59N .m30002

60=813,67w


bom= 1,86w813,67w

100=0,22

Para n = "#00 rpm

Caudal (Q)


17/37

Q1=141

l

min1m

3

1000l 60min

1h =8.46m3/h


1 =26,0m

2,60 10m

Presin en la salida

1 =0,6m

0,06 10m


H=26,0m+0,6m=26,6m


Ph=9810 N

m32.35x 10

3m3

s

26,6m=613.22w


Pmec=2.46N .m25002

60=644,02w


bom=613,22w

644,02w100=95,21

Caudal (Q)


18/37

Q2=120

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =7,2m3/h


1 =18,3m

1,83 10m

Presin en la salida

1 =0,6m

0,06bar10m


H=18,3m+0,6m=18,9m


Ph=9810 N

m32x10

3m3

s18,9m=370,82w


Pmec=2,60N .m25002

60=680,67w


bom=370.82w

680,67w100=54,47

Caudal (Q)


19/37

Q3=90

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =5,4m3/h


1 =10,2m

1,02 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=10,2m+0,5m=10,7m


Ph=9810 N

m31,5x10

3m3

s 10,7m=157,45w


Pmec=2,61N .m25002

60=683,29w


bom=157,45w

683,29w100=23,04

Caudal (Q)


20/37

Q4=45

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =2,7m3/h


1 =2,1m

0,21 10m

Presin en la salida

1 =0.5m

0.05 10m


H=2,1m+0.5m=2,6m


Ph=9810 Nm37,5x10

4

m

3

s 2,6m=19,13w


Pmec=2.63N .m25002

60=688,53w


bom=

19,13w

688,53w100

=2,77

Caudal (Q)


21/37

Q5=16

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =0,96m3/h


1 =0,2m

0,02 10m

Presin en la salida

1 =0.5m

0.05 10m


H=0,2m+0.5m=0,7m


Ph=9810 Nm32,66x 10

4

m

3

s 0,7 m=1,82w


Pmec=2.61N .m25002

60=683,29w


bom= 1,82w

683,29w100=0,26

Para n = "000 rpm


22/37

Caudal (Q)

Q1=141

l

min1m

3

1000l 60min

1h =8.46m3/h


1 =25,8m

2,58 10m

Presin en la salida

1 =0,6m

0,06 10m


H=25,8m+0,6m=26,4 m


Ph=9810 Nm32.35x 10

3

m

3

s 26,4m=608,61w


Pmec=2.35N .m20002

60=492,18w


bom=

608,61w

492,18w100

=123,65

Caudal (Q)


23/37

Q2=120

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =7,2m3/h


1 =18,5m

1,85 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,065 10m


H=0,6m+18,5m=19,1m


Ph=9810 N

m32x10

3m3

s19,1m=374,74 w


Pmec=2.51N .m20002

60=525,69w


bom=374,74w

525,69w100=71,28

Caudal (Q)


24/37

Q3=88

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =5,28m3/h


1 =10,0m

1,0 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+10,0m=10,5m


Ph=9810 N

m31,46x 10

3m3

s 10,5m=150,38w


Pmec=2.54N .m20002

60=531,97w


bom=150,38w531,97w

100=28,26

Caudal (Q)


25/37

Q4=39

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =2,34 m3/h


1 =5,0m

0,5 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+5,0m=5,5m


Ph=9810 N

m36,5x 10

4m3

s5,5m=35,07 w


Pmec=2.65N .m30002

60=555,01w


bom= 35,07w

555,01w100=6,32

Caudal (Q)


26/37

Q5=13

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =0,78m3/h


1 =0,2m

0.02 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+0,2m=0,7m


Ph=9810 N

m32.16x 10

4m3

s0,7 m=1,48w


Pmec=2.63N .m20002

60=550,82w


bom= 1,48w

550,82w100=0,26

Para n = $#00 rpm

Caudal (Q)


27/37

Q1=138

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =8.28m3/h


1 =25,0m

2,50 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+25,0m=25,5m


Ph=9810 N

m32.3x 10

3m3

s 25,5m=575,35w


Pmec=2.17N .m15002

60=340,86w


bom=575,35w340,86w

100=168,79

Caudal (Q)


28/37

Q2=117

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =7,02m3/h


1 =17,9m

1,79 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+17,9m=18,4m


Ph=9810 N

m31,95x10

3m3

s 18,4m=351,98w


Pmec=2.43N .m15002

60=381,70 w


bom=351,98w381,70w

100=92,21

Caudal (Q)


29/37

Q3=93

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =5,58m3/h


1 =11,2m

1,12 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+11,2m=11,7 m


Ph=9810 N

m31,55x10

3m3

s 11,7m=177,90w


Pmec=2.61N .m15002

60=409,97w


bom=177,90w

409,97w100=43,39

Caudal (Q)


30/37

Q4=40

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =2,4m3/h


1 =1,7m

0,17 10m

Presin en la salida

1 =0,4m

0,04 10m


H=0,4 m+1,7m=2,1m


Ph=9810 N

m36,66x 10

4m3

s2,1m=13,72w


Pmec=2.73N .m15002

60=428,82w


bom= 13,72w

428,82w100=3,19

Caudal (Q)


31/37

Q5=6

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =0,36m3/h


1 =0,1m

0,01 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+0,1m=0,6m


Ph=9810 Nm31x10

4

m

3

s 0,6m=0,59 w


Pmec=2.71N .m15002

60=425,68w


bom=

0,59w

425,68w100

=0,13

Para n = $000 rpm

Caudal (Q)


32/37

Q1=139

l

min1m

3

1000l 60min

1h =8.34m3/h


1 =25,3m

2,53 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+25,3m=25,8m


Ph=9810 N

m32.31x10

3m3

s25,8m=584,66w


Pmec=2.10N .m10002

60=219,91w


bom=584.66w

219,91w100=265,86

Caudal (Q)


33/37

Q2=120

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =7,2m3/h


1 =18,2m

1,82 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+18,2m=18,7m


Ph=9810 N

m32x10

3m3

s

18,7 m=366,89w


Pmec=2.29N .m10002

60=239,80 w


bom=366,89w

239,80w100=152,99

Caudal (Q)


34/37

Q3=93

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =5,76m3/h


1 =18,0m

1,08 10m

Presin en la salida

1 =0,5m

0,05 10m


H=0,5m+18,0m=18,5m


Ph=9810 Nm31,6x 10

3

m

3

s 18,5m=290,37w


Pmec=2.49N .m10002

60=260,75w


bom=

290,37w

260,75w100

=111,36

Caudal (Q)


35/37

Q4=42

l

min1m

3

1000l 60min

1h =2.52m3/h


1 =1,8m

0,18bar10m

Presin en la salida

1 =0,4m

0,04 10m


H=0,4 m+1,8m=2,2m


Ph=9810 N

m37x 10

4m3

s2,2m=15,10w


P mec=2.73N .m10002

60=285,88w


bom= 15,10w285,88w

100=5,28

Caudal (Q)


36/37

Q5=21

l

min1m

3

1000 l 60min

1h =1,26m3/h


1 =0,4m

0,04 10m

Presin en la salida

1 =0,2m

0,02 10m


H=0,4 m+0,2m=0,6m


Ph=9810 N

m33,5x 10

4m3

s0,6m=2,06w


Pmec=2.74N .m10002

60=286,93w


bom= 2,06w

286,93w100=0,71


37/37

'lculo tipo velocidad

n11=

nD2

H

=

300012

28,0976

=565,96 rpm

'lculo tipo flujo volumetrico

Q11=

Q

D22

H=

2,37103

122

28,0976=4,4610

4m3

s

'lculo tipo potencia

P11=

P

D22

H3=

995,88

12228,09763

=6,69W

Francis Flujo Variable 2

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