TECNOLGICO DE COSTA RICAESCUELA DE INGENIERIA ELECTROMECNICAIngeniera en Mantenimiento IndustrialLaboratorio de Turbo Mquinas

Informe. Turbinas Pelton

Profesor:Oscar Eduardo Monge Ruiz

Estudiante:Cristhian Alfredo Oviedo Prez201255979

Grupo: 03

2015-05-07I Semestre

Informe Turbinas Pelton

CEAB

Carrera evaluada y acreditada por: Canadian Engineering Accreditation Board Bureau canadien daccrditation des programmes dingnierie

1. Objetivo

Observar el funcionamiento de una turbina Pelton. Trazar las curvas de eficiencia en funcin al caudal.

2. IntroduccinLa turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908) quin buscando oro en California, concibi la idea de una rueda de cucharas perifricas que aprovechara la energa cintica de un chorro de agua. La turbina de impuso o de accin tiene la peculiaridad de aprovechar solamente la energa cintica del fluido; no existe pues gradiente de presin entre la entrada y la salida de la mquina. El grado de reaccin es cero.

Figura 1. Diseo de la turbina Pelton.Consta de una rueda motriz o rodete, con una serie de palas en forma de concha o cuchara que reciben el impulso de los chorros de agua lanzados por una o ms toberas a las que llega el agua por una tubera. En el interior de la tobera se encuentra una pieza especial o aguja, cuya forma es de punta de lanza, desplegando la aguja hacia adelante o hacia atrs puede regularse el caudal de chorro de agua que sale por la tobera.Su aplicacin se encuentra en aquellos casos donde la ponderacin de la carga es importante respecto al caudal. El gasto vara entre el 10 y 60 % en el SI, por razones de rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial.

Figura 2. Curva de eficiencia de las turbinas PeltonPartes constitutivas de la turbina Pelton. Rodete o rueda (10): Est constituido por un disco de acero con labes perifricos en forma de doble cuchara. Estos pueden estar fundidos con el disco en una sola pieza o individualmente, sujetndose despus al disco por medio de bulones. El labe (11) tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua, producindose una desviacin simtrica en direccin axial, buscando un equilibrio dinmico de la mquina en esa direccin. Inyector (2): en forma de tobera convergente, con aguja de cierre cnica, que cumple las funciones de alimentador, regulador de gasto y de convertidor de la energa del agua en energa cintica para ser aprovechado por la turbina. Punzn o punta de lanza (4): La posicin de la aguja determina el grado de apertura de la tobera y en consecuencia el gasto. El movimiento de la aguja se logra por medio de un servomotor ligado al gobernador del grupo turbina-generador. La potencia exigida queda as regulada por el gasto

Figura 3. Componentes de un Turbina Pelton.

Segn el objetivo, la idea de esta experiencia es encontrar la relacin entre el caudal en una turbina Pelton y su eficiencia. Por lo tanto, para la estimacin del caudal que pasa por la turbina se va a utilizar el mtodo del reduccin de dimetro de un orificio calibrado, es decir, obtendremos la presin diferencial (presin dinmica en la tubera y por medio de la siguiente ecuacin se calcula el caudal:

Donde:Q: Caudal [m3/s]C: Coeficiente de descargaA: rea transversal de la tubera [m2]Pd: Presin dinmica del fluido [Pa]: Densidad del fluido [kg/m3]

Luego, para el clculo de la eficiencia es necesario conocer la potencia de entrada y salida. Para calcular la potencia de entrada (energa hidrulica) se utiliza la presin esttica en la entrada de la turbina y el caudal calculado anteriormente. Se utiliza la siguiente ecuacin:

Donde:Pent: Potencia de entrada [W]Q: Caudal [m3/s] : Densidad del fluido trasegado [kg/ m3]hT: Carga de presin en la turbina [m]

Despus, para calcular la potencia de salida, al ser potencia mecnica, se calcula con la siguiente ecuacin:

Donde:Psal: Potencia de salida [W]T: Torque [Nm]: Velocidad angular [rad/s]Finalmente, para calcular la eficiencia de la turbina Francis, se usa la siguiente ecuacin:

Donde:: Eficiencia [%]Pent: Potencia hidrulica de entrada [W]Psal: Potencia mecnica de salida [W]

3. Equipo utilizado Sistema automatizado de bombeo:En el laboratorio se tiene un sistema automatizado de bombeo, del cual se utiliz el panel de control y dos bombas centrfugas en serie.

Figura 4. Sistema automatizado de bombeo.Tabla 1. Datos de la bomba centrifuga.Parmetro Valor

MarcaBuffalo Forge Company

Modelo709 CRE

Size4x3

Head44

G.P.M.300

RPM1750

Dimetro del Impulsor8

Fuente: Escuela de Electromecnica, Laboratorio de turbo mquinas

Tabla 2. Datos del motor elctrico.ParmetroValor

MarcaSiemens

Tensin220/440 V

Amperaje20,0/10,0 A

Frecuencia60 Hz

Potencia5 595 W

Efic. Nominal89,50%

Armazn213 T

ServicioContinuo

F.S.1,25

Peso62 kg

Fuente: Escuela de Electromecnica, Laboratorio de turbo mquinas

Turbina PeltonSolo se conoce que el dimetro de entrada de la turbina es de 50mm.

Figura 5.Turbina Pelton Generador elctrico. Tabla 3. Alternado SincrnicoParmetroValor

Potencia Real7,5 kW

Potencia Reactiva9,38 Kva

RPM1800

Fases3

Frecuencia60 Hz

Voltaje200-240 V

Amperaje26-22,5 A

SerialS52-1GJ

ModeloH17-36-033

Fuente: Escuela de Electromecnica, Laboratorio de turbo mquinas Tacmetro. Sensor de presin diferencial.

Figura 6. Sensor de presin diferencian en mmH2O Orificio calibrado

Figura 7. Orificio Calibrado Tanque de agua. Sistema disipador de potencia.

4. Procedimiento

1. Conecte las salidas del orificio a un manmetro diferencial.2. Conecte los cables de control y de potencia del motor N 1 y N 2 al panel N 2.3. Conecte los cables de potencia y excitacin del dinammetro al panel de control No.3.4. Ponga a funcionar las bombas en serie y el la posicin de menor velocidad 1300 rpm.5. Cercirese de que la manilla del inyector est totalmente girada CMR6. Ponga una carga al dinammetro de 800W/fase (en el carrito de resistencias) y ponga la excitacin de 20%7. Entonces mida: velocidad, torque, cada de presin en el orificio calibrado y presin esttica a la entrada de la turbina.8. Repita el paso 7 para las posiciones 1400,1500 y 1630 rpm.9. Con la bomba funcionando en la posicin 1630 gire la manilla de inyector 3 vueltas a favor de las manecillas del reloj (FMR), entonces repita paso 7.10. Repita el paso 9 con 6, 9, 12, 15 VFMR (Vueltas a favor de las manecillas del reloj).

5. Datos experimentales Tabla 4. Datos tericos para el laboratorio.ConstanteValoresUnidad

Coeficiente de Descarga0,615

Densidad Agua1000kg/m3

Gravedad9,8m/s2

tuberia D interno124,6mm

d orificio calibrado55,88mm

Area del orifico calibrado 0,002452464m^2

d/D0,44847512

Dimetro nominal de succin50mm

Dimetro interno de succin51,029mm

Fuente: Escuela de Electromecnica, Laboratorio de turbo mquinas

Tabla 5. Datos experimentales de velocidad, torque y diferentes cargas a diferentes velocidades de la bomba (Simulando mayor Carga en el embalse)PosicinTorqueVelocidadPresin diferencialPresin Esttica

(Nm)(0,01)(rpm)(1)(inH2O)(0,1)(Bar)(0,05)

13004,0485830,71,50

14004,5194936,01,70

15004,80103138,52,00

16305,12117848,62,50

Fuente: Escuela de Electromecnica, Laboratorio de turbo mquinas

Tabla 6. Datos experimentales de velocidad, torque y diferentes cargas a diferentes velocidades del agua en el inyector.AlabesTorqueVelocidadPresin diferencialPresin Esttica

(Nm)(0,01)(rpm)(1)(inH2O)(0,1)(Bar)(0,05)

CMR5,12117848,62,50

3 VFMR5,04121139,22,60

6 VFMR5,02120329,52,70

9 VFMR4,56121116,72,90

12 VFMR4,5511434,83,15

15 VFMR0,7046,92,13,30

Fuente: Escuela de Electromecnica, Laboratorio de turbo mquinas

6. Resultados experimentales

Tabla 7. Conversin de presiones de trabajo para cambios en la carga HidrostticaPresin EstticaPresin diferencialPresin diferencial

(mH2O)(mH2O)(Pa)

15,30,779787641,844

17,340,91448961,12

20,40,97799583,42

25,51,2344412097,512

Fuente: Hoja de clculo, C. Oviedo

Tabla 8.Clculo de caudales, potencias y eficiencia para cambios en la carga HidrostticaQ m3/sPotencia en la turbina (W)Potencia Mecnica producida por la turbina (W)n %

0,005896467884,1163362,9921841,057064

0,0063851921085,048448,199541,306868

0,0066031791320,107518,2371239,257192

0,0074189221853,989631,6025434,067228

Fuente: Hoja de clculo, C. Oviedo

Tabla 9. Conversin de presiones de trabajo para cargas a diferentes velocidades del agua en el inyector.Presin EstticaPresin diferencialPresin diferencial

(mH2O)(mH2O)(Pa)

25,51,2344412097,512

26,520,995689757,664

27,540,74937343,14

29,580,424184156,964

32,130,121921194,816

33,660,05334522,732

Fuente: Hoja de clculo, C. Oviedo

Tabla 10. Clculo de caudales, potencias y eficiencia para cambios en la Velocidad en el inyector.Q m3/sPotencia en la turbina (W)Potencia Mecnica producida por la turbina (W)n %

0,0074189221853,989631,6025434,067228

0,0066629371731,671639,1507436,909485

0,0057800781559,997632,4088840,539114

0,0043489151260,681578,2792445,87039

0,002331542734,1421544,6107974,183298

0,00154217508,71263,43794960,6758137

Fuente: Hoja de clculo, C. Oviedo

Grfica 1. Curva de eficiencia vs caudal para cambios en la carga Hidrosttica

Grfica 2. Curva de eficiencia a diferentes velocidades del agua en el inyector

7. Conclusiones1. Se observa como el dato de torque, el cual es un dato ajeno a los datos experimentales del laboratorio. Ya que son de una prctica anterior, producen errores en los clculos. 2. Las eficiencias en ambas condiciones de operacin de la turbina, son bajos comparados a las eficiencias que son comunes en las Pelton. Esto debido a datos no dependientes de las condiciones de operacin de la turbina (torque), fluctuaciones en las mediciones de velocidad y deterior de la turbina Pelton.3. La eficiencia crece en los primero dos aumentos de caudal, cuando se aumenta la carga Hidrosttica en la entrada a la turbina Pelton, despus de este punto la eficiencia decrece lentamente sin un margen mayor al 5% como lo define la teora. 4. La mayor eficiencia producida por la turbina Pelton al variar la carga de entrada a la turbina, se logra la alcanzar un caudal de 0,006 m3/s, donde se dan los valores medios de potencia y carga.5. La grafica de eficiencia vs caudal, cuando se varia la velocidad del caudal en el inyector nos proporciona una mayor anlisis de la eficiencia de la turbina ya que se puede observar el un caudal mximo y una casi cero. En esta se observa que la mayor eficiencia se encuentra en un valor medio de caudal de 0,002 m3/s, que corresponde a las 12 VFMR.6. Se debe de notar que en esta curva se encuentras grandes variaciones de eficiencia con respecto a cada una de ellas, las cual no debera variar en un porcentaje grande despus de alcanzar su valor nominal, esto se puede explicar con los comportamientos no decrecientes al disminuir el caudal y su velocidad, y de lo estipulado en el inciso 1 y 2.

8. Bibliografa

Garro, A. (2013). Guia de Laboratorio de Mecnica de Fluidos. Cartago: Escuela de Ingeniera Electromecnca.Mott, R. (2006). Mecnica de Fluidos. Mxico: Pearson Education.Vargas, J. R. (s.f.). Instructivo Laboratorio de Turbomquinas Turbinas Pelton. Cartago, Costa Rica: Tecnolgico de Costa Rica.