UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE SISTEMAS DE TRANSPORTE Y APROVECHAMIENTO FLUIDA

PRACTICA N° 6TURBINAS PELTON, KAPLAN Y FRANCIS

TURBINAS HIDRUÁLICAS

A través de la historia el hombre ha concentrado gran parte de la investigación al aprovechamiento y producción de energía. En esta búsqueda qué el hombre aún no termina, y que se hace cada vez más necesaria, se han desarrollado las turbo máquinas, que se dividen en bombas y turbinas, estas últimas producen energía al extraerla de fluidos, transformándola en una forma de energía mecánica.

Las turbinas se han utilizado durante siglos para convertir la energía mecánica libre disponible de ríos y el viento en trabajo mecánico útil, por lo general mediante un eje rotatorio. La parte giratoria de una bomba se llama impulsor o rotor, y la parte rotatoria de una hidroturbina se llama rotor o rodete.

Figura 1: Turbinas que dominan el campo de las centrales hidroeléctricas.

Las turbinas tipo Kaplan se pueden utilizar para un amplio rango de caudales y saltos de pequeña altura, las tipo Francis se usan para caudales bajos y saltos de gran altura. Una caída alta requiere una turbina tipo Pelton. Si la caída es intermedia se escoge una turbina de reacción tipo Francis. Para caídas bajas se utiliza un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan.

Como se puede apreciar en las imágenes el número específico de revoluciones, de menor a mayor es: Pelton- Francis- Kaplan.

TURBINA KAPLANVELOCIDAD ESPECÍFICA 113

RPM RPM

TURBINA FRANCISVELOCIDAD ESPECÍFICA 70 RPM

TURBINA FRANCIS VELOCIDAD ESPECÍFICA 30 RPM

TURBINA PELTONVELOCIDAD ESPECIFICA 5.0

RPM

Figura 2. Intervalo de aplicación de las turbinas Pelton, Francis y Kaplan.

CALCULOS HIDRAULICOS

1) Calculo hidráulico:

a) Salto hidráulico

El salto hidráulico neto es la energía que por kg. De agua se pone a disposición de la turbina, esta energía se podrá calcular como la diferencia de energías entre la entrada a la turbina y la salida de ésta.

La velocidad del agua se calcula de manera sencilla a través de la expresión:

El segundo término de la expresión del salto puede simplificarse bastante ya que el término de energía potencial es despreciable. La explicación a esto es: El término Z2 (cota) puede despreciarse ya que Z1 está tomada con referencia Z2 (salida de la turbina).

Así pues la ecuación del salto hidráulico que utilizaremos será:

En las turbinas puesto que descarga al ambiente, el salto hidráulico queda definido por SP-1.

b) Potencia Hidráulica

Con el salto hidráulico de la turbina es muy fácil obtener la potencia hidráulica de esta a través de una sencilla expresión:

2) Cálculos Mecánico

a) Potencia mecánica

Para conocer la potencia suministrada por la turbina se aplica la ecuación:

Donde el par viene dado por:

Siendo F la fuerza medida por la célula de carga y r el radio efectivo de freno. Y la velocidad angular:

Por lo que la potencia mecánica queda de la forma:

b) Rendimiento hidráulico de la turbina

El rendimiento hidráulico de la turbina nos da una medida de la eficiencia con la que se transforma la energía hidráulica en mecánica. El rendimiento hidráulico se calcula con la siguiente expresión:

Con estos parámetros se pueden realizar las curvas características de las turbinas. Tienen el siguiente aspecto:

Ejemplo:

1. TEMAS DE CONSULTA Partes de la turbina y clasificación. Turbina Francis, Pelton y Kaplan:

Funcionamiento Diferencias ventajas y desventajas

2. IMPLEMENTOS Turbina Francis Turbina Kaplan Turbin Pelton

3. PROCEDIMIENTO

PARTE 1:

Para comparar los valores ofrecidos por el software con las expresiones estudiadas en la teoría (cálculos hidráulicos y mecánicos), podemos escribir de nuevo las formulas explicadas en la teoría sustituyendo algunos

elementos por el nombre del sensor que nos da la medida en el software para así facilitar los cálculos. Con ayuda del auxiliar identifique cada una de las variables obtenidas por los sensores del sistema que serán usadas en las ecuaciones vistas anteriormente.PARTE 2:

Cálculos Salto hidráulico, Potencia hidráulica, potencia mecánica y rendimiento hidráulico de la turbina.

PARTE 3:

Determinación de las curvas de potencia N(n), Par M(n) y rendimiento (n) de la turbina

1. Encender el computador e iniciar el programa TFC, TKC o TPC (turbine computer controlled).

2. Asegurar que el banco de la práctica este encendido y girar los alabes totalmente a la derecha (si lo requiere).

3. Aflojar totalmente el freno de banda y asegurarse que la banda no esté tensionada.

4. Asegurarse que la válvula reguladora de caudal este totalmente abierta5. Seleccionar la opción start en el programa y a continuación save data. 6. Establecer como tiempo periódico 3600 segundos, para tomar los tiempos

manualmente.7. Acceder a la opción start saved y guardar el archivo correspondiente.8. Establecer un caudal del 70%. 9. Seleccionar la opción take data10. Ir aumentando la tensión del freno (ajustar). 11. Repetir procedimiento tomando datos para diferentes valores de tensión

hasta frenar totalmente la turbina. (tomar entre 6 – 10 datos)12.Analizar las gráficas creadas por el programa TFC

NOTA: Para todos los cálculos se realiza el mismo procedimiento.

PREGUNTAS.

1. Grafique las curvas características que definen una turbina.- Par – Velocidad de giro- Potencia- Velocidad de giro- Caudal- Velocidad de giro- Potencia- Eficiencia

2. La eficiencia varía con el caudal, dibuje una gráfica donde se muestre la eficiencia de las tres turbinas.

3. Compare las gráficas obtenidas: ¿Cuál turbina es más eficiente para un rango de altos

caudales? ¿Cuál turbina es más eficiente para saltos de gran altura? ¿Si la caída es intermedia que tipo de turbina es recomendada?

4. Grafique el límites de aplicación de las turbinas vistas de acuerdo con la carga y ns. (para la Francis incluir el cambio de forma que va teniendo el rodete, conforme va cambiando la velocidad específica y para la Kaplan como cambia el número de alabes al cambiar la velocidad especifica es decir al cambiar la carga)

4. BIBLIOGRAFÍA

[1] ÇENGEL, Yunus A. y CIMBALA, John M. Mecánica de fluidos, fundamentos y aplicaciones. México: McGraw-Hill, 2006.

[2] POTTER, Merle C. y WIGGERT, David C. Mecánica de fluidos. 2 ed. México: Prentice Hall, 1998.

[3] MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall, 1996.[4] Manuales Edibon turbinas Francis, Kaplan y Peltón.