Informe De Turbina Pelton[1] 2110
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
TURBINAS PELTON UNI - FIM LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA II GRUPO N° 4 INTEGRANTES: Cusihuallpa Vera, William
20155007C
Moncca Flores, Jose Brian
20120226K
Roman Cordova, Dennis
20120022F
Solórzano Chuquimantari, Joubert Denhan
20121133F
2015-2
LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA
UNI-FIM
INDICE
1. INTRODUCCIÓN
2
2. OBJETIVOS
3
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
4
4. PROCEDIMIENTO
10
5. HOJA DE DATOS
13
6. CALCULOS Y RESULTADOS
14
7. OBSERVACIONES
22
8. CONCLUSIONES
22
9. RECOMENDACIONES
23
10. BIBLIOGRAFÍA
23
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LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA
1.
UNI-FIM
INTRODUCCIÓN
El presente informe tiene la finalidad de contrastar el funcionamiento de la turbina Pelton con los conocimientos teóricos, para lo cual se realizaron tres ensayos en un módulo educativo de Turbina Pelton. En el primer ensayo se trabaja con una altura hidráulica y caudal constante, mientras se varía la cantidad de focos encendidos (cargas), se mide la fuerza (mediante el dinamómetro) y la velocidad angular del eje (con un tacómetro, en RPM). El segundo ensayo se realiza el mismo procedimiento que en el primer ensayo, pero con una mayor altura simulada. En el tercer ensayo variamos el caudal en la isión del fluido, manteniendo la altura constante, con el fin de obtener la velocidad angular del eje constante, se toman como datos la fuerza y el caudal (mediante un limnímetro). Este último ensayo es la simulación del funcionamiento de una central hidroeléctrica. Luego de obtener los datos se analizaron a través de cálculos y gráficas, los cuales se muestran en el informe. Finalmente anotamos las principales observaciones, conclusiones y recomendaciones obtenidas de la experiencia.
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LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA
2.
UNI-FIM
OBJETIVOS
Conocer los principios de operación de las turbinas Pelton.
Determinar los valores de las diferentes potencias presentes en las turbinas Pelton relacionados con las diferente RPM presentes durante el funcionamiento de la turbina.
Trazar curvas características de la Turbina Pelton, con los datos experimentales obtenidos.
Determinar los puntos de mayor eficiencia hidráulica, mecánica y total de la turbina Pelton.
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LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA
3.
UNI-FIM
FUNDAMENTO TEÓRICO
Una turbina es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo (en forma de movimiento de rotación) la energía presente en una masa de fluido. Las turbinas hidráulicas transfieren la energía cometida en el agua a un rotor provisto de álabes, 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.
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 ( ). ( )
√ (
)
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UNI-FIM
TURBINA PELTON La turbina PELTON debe su nombre al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (18291908), quien en busca de oro en California concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovecharan la energía cinética del agua que venía de una tubería y actuaba tangencialmente sobre la rueda. Por fin en 1880 patentó una turbina con palas periféricas de muy particular diseño, de tal manera que el chorro proveniente de la tubería golpea el centro de cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al máximo el empuje del agua.
Fig. 1. Modelo de turbina Pelton
Las Turbinas Pelton son:
De presión, por ser ésta constante en el rodete (= a la atmosférica). De chorro libre, está a la presión atmosférica De isión parcial, el líquido ataca sólo una parte del rodete Tangenciales, el líquido ataca tangencialmente al rodete De acción, el agua y el rodete tienen el mismo sentido
Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s), es la más eficiente en esos casos.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La energía potencial gravitatoria del agua, se convierte, prácticamente sin perdidas, en energía cinética, al salir el agua a través del inyector en forma de chorros, a una velocidad que corresponde a toda la altura del salto útil, se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los alabes, y así obteniéndose el trabajo mecánico deseado. Las formas cóncavas que los alabes muestran, hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo este, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los alabes, De este modo el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica. La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera o inyector, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por esta, PÁGINA 5
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al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones del mismo, por disminución o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador. La arista que divide al alabe en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo.
Fig. 2. Detalle de la pala o álabe
Las dimensiones del álabe son proporcionales a los diámetros del chorro que impacta sobre él; el chorro a su vez está en función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El diámetro de chorro (do) está entre el 5% y el 12% del diámetro de la rueda (Dp). En la siguiente figura se muestra a detalle la forma del álabe y sus variables correspondientes.
Fig. 3. Dimensiones del álabe
Fig. 4. Componentes de la turbina Pelton
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REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD Para mantener constante la velocidad de la turbina, el caudal inyectado tiene que adaptarse en cada instante al valor de la carga, por lo que la posición del inyector tiene que ajustarse mediante un regulador que actúa según la velocidad de la turbina y en el caso más general, en forma automática, Fig. 5. Si se supone que la turbina se ha acelerado, el regulador (7) levantará la válvula (1) y el aceite a presión entrará en el cilindro grande haciendo bajar el embolo (8), con lo que la palanca (2) bajará y el deflector (6) cortará al chorro desviando una parte del mismo. El punzón (5) que es retenido por la palanca (2), no avanza solidariamente con ésta, debido al huelgo de la hendidura (3), sino que es empujado lentamente por el agua a presión que pasa por un orificio estrecho, señalado en la figura y que actúa sobre el émbolo (4). El punzón en su avance llega a encontrarse con el tope inferior de la hendidura (3) que le impide seguir cerrando la salida del inyector. Si sobreviene una carga brusca, el émbolo (8) actuará en sentido contrario, tirando rápidamente la aguja (5) hacia atrás y llevando, simultáneamente, el deflector a su posición primitiva. Cuando se utilizan grandes caudales de agua y se emplea un solo inyector, las cazoletas resultan muy grandes y pesadas; también se encuentra el inconveniente de que toda la fuerza tangencial se ejerce en un solo punto de la rueda, lo que representa un desequilibrio dinámico. En consecuencia, conviene hacer el montaje de dos o más inyectores cuando el caudal lo requiera, por lo que las cazoletas estarán menos cargadas y, por lo tanto, serán más pequeñas. El par motor se distribuye más uniformemente sobre la periferia de la rueda, aumenta el número específico de revoluciones y a igualdad de diámetro del rodete, la turbina adquiere una velocidad angular mayor.
Fig. 5. Regulador simple
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CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS PELTON Las turbinas PELTON se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven, por lo tanto existen dos clasificaciones: EJE HORIZONTAL Y EJE VERTICAL.
POSICIÓN HORIZONTAL En esta posición solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como máximo, debido a la complicada instalación, la ventaja es la facilidad del mantenimiento de la rueda sin necesidad de desmontar la turbina.
Fig. 6. PELTON de 1 chorro eje horizontal.
Fig. 7. PELTON de 2 chorros eje horizontal.
POSICIÓN VERTICAL En esta posición se facilita la distribución de alimentación en un plano horizontal y con esto es posible aumentar el número de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por cada inyector. Se debe hacer referencia que en la posición vertical, se hace más difícil y, por ende, más caro su mantenimiento, lo cual nos lleva a que esta posición es más conveniente para aquellos lugares en donde se tengan aguas limpias y que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los álabes.
Fig. 8. Detalle de una turbina PELTON de eje vertical.
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UNI-FIM
Fig. 9. PELTON en la posición de eje en vertical.
Factores que pueden afectar la eficiencia en las turbinas
Fricción en la carcasa. Fricción y turbulencia en las superficies guías. Turbulencia según el agua que ingresa al rodete. Fricción en la estructura del rodete. Porosidad en los álabes y mal acabo de estos.
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4. I.
II.
UNI-FIM
PROCEDIMIENTO
Precauciones antes de encender el equipo: a. La aguja o punzón debe estar en posición totalmente abierta. b. Debe regularse el cero del limnímetro. Encendemos la bomba y abrimos la válvula de salida de la bomba; seleccionamos una altura hidráulica que será constante durante cada ensayo mediante la aguja inyectora.
Fig. 10. Módulo de turbina Pelton
III.
Seleccionamos una altura hidráulica (primer ensayo a 24 PSI), procedemos a medir la altura en el limnímetro para obtener el caudal.
Fig. 11. Limnímetro y manómetro (mide el salto hidráulico simulado)
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IV.
Medimos la fuerza en el dinamómetro y la velocidad angular (con el tacómetro) cuando no hay carga.
Fig. 12. Dinamómetro
V.
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Fig. 13. Tacómetro
Luego procedemos aplicar cargas al sistema (focos) y anotar la fuerza y la velocidad angular.
Fig. 14. Cargas aplicadas
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VI.
UNI-FIM
Para el segundo ensayo, repetimos el procedimiento 3 y 4, variando la altura hidráulica a 44 PSI.
Fig. 15. Medida del manómetro para el 2do ensayo.
VII.
Para el tercer ensayo, se procede a variar el caudal para mantener la velocidad angular (RPM) del eje constante (simulando lo que se realiza en una central hidroeléctrica con el fin de obtener una frecuencia constante) para diferentes cargas aplicadas. Anotaremos la fuerza en el dinamómetro y la altura en el limnímetro.
Fig. 16. Realizando los ensayos en el módulo de turbina Pelton
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5.
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HOJA DE DATOS
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LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA
6.
UNI-FIM
CALCULOS Y RESULTADOS
DEFINICIONES PARA CÁLCULOS
1. Potencia hidráulica (HPh) La potencia hidráulica es la potencia del flujo a la entrada, la potencia de que dispone el fluido para ceder a la turbomáquina. Se realizan los cálculos con las siguientes expresiones: El caudal (mediante el vertedero) : ( ) La potencia hidráulica : Dónde: : Lectura del limnímetro (m) : Peso específico del agua (kg/m3) : Altura útil (m)
2. Potencia del Rodete (HPr) La potencia a la entrada del rodete es algo menor que la de entrada, ya que hay una cierta pérdida de potencia relacionada con la tubería forzada y el inyector. Calculamos: La velocidad del chorro
:
La velocidad tangencial
:
(
√
La potencia del rodete : Dónde: , constante de diseño de alabes , coeficiente de descarga
(
)
) (
)(
)
D = 11.375” = 288.925 mm N : Revoluciones por minuto (RPM) : Densidad g : Aceleración de la gravedad 3. Potencia al Freno (BHP) Corresponde a la potencia exterior al eje, y es menor que la potencia interior al eje, dadas las pérdidas mecánicas. Las turbinas Pelton no suelen diseñarse para potencias al freno muy elevadas, normalmente hasta unos 100.000 CV.
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Calculamos: El torque La velocidad angular La potencia al eje Dónde: : Fuerza de fricción (kgf) : Velocidad angular b = 8 cm
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: : :
4. Eficiencia Mecánica
5. Eficiencia Hidráulica
6.
Eficiencia Total
7. Gráficos teóricos de la turbina Pelton
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I.
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PRIMER ENSAYO CÁLCULOS
Salto Caudal b Carga (#Focos) 1 2 4 6 8 11 17
24 PSI 0.109 m Fuerza (Kgf) 3.00 3.60 4.20 4.60 4.80 4.80 4.75
16.87 mH20 0.0056 m3/s 8 cm RPM 1017.0 994.8 973.8 967.5 959.5 957.2 989.4
c (m/s) 17.83 w (rad/s) 106.50 104.18 101.98 101.32 100.48 100.24 103.61
u (m/s) 15.39 15.05 14.74 14.64 14.52 14.48 14.97
HPh (HP) 1.232 Torque (J) 2.35 2.83 3.30 3.61 3.77 3.77 3.73
HPr (HP)
BHP (HP)
0.528 0.587 0.640 0.656 0.675 0.681 0.601
0.336 0.395 0.451 0.490 0.507 0.506 0.518
Eficiencia Eficiencia Eficiencia Mecánica Hidráulica Total 0.64 0.43 0.27 0.67 0.48 0.32 0.70 0.52 0.37 0.75 0.53 0.40 0.75 0.55 0.41 0.74 0.55 0.41 0.86 0.49 0.42
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GRÁFICOS
Potencia vs. RPM 0.80 Potencia (HP)
0.70 0.60 0.50 0.40
HPr (HP)
0.30
BHP (HP)
0.20 0.10 0.00 940
960
980 RPM
1,000
1,020
Eficiencia
Eficiencia vs. RPM 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
Eficiencia Mecánica Eficiencia Hidráulica Eficiencia Total
940
960
980 RPM
1,000
1,020
Torque (J)
Torque vs. RPM 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Torque (J)
940
960
980 RPM
1,000
1,020
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II.
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SEGUNDO ENSAYO CÁLCULOS
Salto Caudal b Carga (#Focos) 1 2 4 6 8 10 12 14 17
44 PSI 0.099 m Fuerza (Kgf) 4.9 5.8 6.9 7.8 8.4 8.8 9.0 9.1 9.0
30.93 mH20 0.0044 m3/s 8 cm RPM 1280 1230 1202 1173 1125 1104 1090 1088 1098
c (m/s) 24.14 w (rad/s) 134.04 128.81 125.87 122.84 117.81 115.61 114.14 113.94 114.98
u (m/s) 19.37 18.61 18.19 17.75 17.02 16.71 16.49 16.46 16.61
HPh (HP) 1.776 Torque (J) 3.85 4.55 5.42 6.12 6.59 6.91 7.06 7.14 7.06
HPr (HP)
BHP (HP)
1.021 1.136 1.196 1.253 1.338 1.372 1.393 1.396 1.381
0.691 0.786 0.914 1.008 1.041 1.070 1.081 1.091 1.089
Eficiencia Eficiencia Eficiencia Mecánica Hidráulica Total 0.68 0.57 0.39 0.69 0.64 0.44 0.76 0.67 0.51 0.80 0.71 0.57 0.78 0.75 0.59 0.78 0.77 0.60 0.78 0.78 0.61 0.78 0.79 0.61 0.79 0.78 0.61
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GRÁFICOS
Potencia vs. RPM 1.60
Potencia (HP)
1.40 1.20 1.00
HPr (HP)
0.80
BHP (HP)
0.60 0.40 0.20 0.00 1,050
1,100
1,150
1,200
1,250
1,300
RPM
Eficiencia
Eficiencia vs. RPM 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 1,050
Eficiencia Mecánica Eficiencia Hidráulica Eficiencia Total
1,100
1,150
1,200
1,250
1,300
RPM
Torque( J)
Torque vs. RPM 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 1,050
Torque (J)
1,100
1,150
1,200
1,250
1,300
RPM
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III.
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TERCER ENSAYO CÁLCULOS
Salto 44 PSI 30.93 mH20 Brazo 8 cm RPM Aprox. Constante Carga Fuerza Caudal RPM (#Focos) (Kgf) (mm) 0 2.1 1088 68 2 3.8 1096 79 5 5.3 1089 85 8 6.6 1097 92 11 7.4 1090 95 14 8.2 1089 97 17 8.5 1095 99
c (m/s) 24.14 Caudal (m3/s) 0.0017 0.0025 0.0030 0.0036 0.0039 0.0041 0.0044
w Torque u (m/s) (rad/s) (J) 113.94 16.46 1.65 114.77 16.58 2.98 114.04 16.48 4.16 114.88 16.60 5.18 114.14 16.49 5.81 114.04 16.48 6.44 114.67 16.57 6.67
HPh (HP) 0.695 1.010 1.213 1.479 1.602 1.688 1.776
HPr (HP) 0.546 0.787 0.952 1.151 1.256 1.325 1.385
BHP (HP) 0.25 0.46 0.64 0.80 0.89 0.98 1.03
Eficiencia Eficiencia Eficiencia Mecánica Hidráulica Total 0.46 0.79 0.36 0.58 0.78 0.45 0.67 0.79 0.52 0.69 0.78 0.54 0.71 0.78 0.55 0.74 0.79 0.58 0.74 0.78 0.58
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GRÁFICOS
Potencia (HP)
Potencia vs. Caudal 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0000
HPh (HP) HPr (HP) BHP (HP)
0.0010
0.0020 0.0030 Caudal (m3/s)
0.0040
0.0050
Eficiencia
Eficiencia vs. Caudal 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0000
Eficiencia Mecánica Eficiencia Hidráulica Eficiencia Total
0.0010
0.0020 0.0030 Caudal (m3/s)
0.0040
0.0050
Torque vs. Caudal 8.0 7.0 Torque (J)
6.0 5.0 Torque (J)
4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0000
0.0010
0.0020 0.0030 Caudal (m3/s)
0.0040
0.0050
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7.
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OBSERVACIONES
Las gráficas de potencia y de eficiencia versus las RPM del eje de la turbina en teoría tienen una tendencia parabólica hacia abajo. Las gráficas obtenidas de la experiencia presentan la parte de caída de las curvas teóricas.
En el primer ensayo, cuando la turbina estaba con una carga de entre 8 y 14 focos, la fuerza en el dinamómetro (torque) y las RPM del eje permanecieron aproximadamente en un valor constante, mas cuando se puso la máxima carga (17 focos), la fuerza casi no vario pero las RPM subieron, además se pudo apreciar que la luminosidad de los focos bajo considerablemente. Esto nos dio como resultado que en nuestras graficas exista un punto que no sigue la tendencia de los demás.
Para los dos primeros ensayos (donde se mantuvo el caudal constante) se llega a una carga luego de la cual a pesar de continuar aumentando carga, la fuerza en el dinamómetro (torque) y las RPM del eje permanecen aproximadamente en un mismo valor. Apreciamos a que a estas cargas, la potencia al freno es la máxima.
En el tercer ensayo, donde se busca obtener una misma velocidad angular en el eje, se puede apreciar que la eficiencia hidráulica es la misma para diferentes caudales, esto es debe a que tanto la potencia hidráulica como la potencia del rodete dependen del caudal.
Sabemos que una turbina Pelton es altamente eficiente, pero en los ensayos realizados la eficiencia es relativamente baja; esto puede ser debido a diversos factores tales como la fricción del inyector, la forma de los álabes, las transmisiones y otros que fueron mencionados en el fundamento teórico.
8.
CONCLUSIONES
Para un mismo caudal, se demuestra que a mayor carga, menor será la velocidad angular del eje de la turbina (RPM), por lo que la relación entre los RPM y el torque es inversamente proporcional.
Para un mayor salto hidráulico, mayor será la velocidad angular del eje de la turbina (RPM). Además que la eficiencia de la turbina se incrementa.
Para mantener la velocidad angular constante (RPM) del eje, si se incrementa la carga se necesita incrementar el caudal de isión a la turbina.
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La potencia hidráulica, la potencia del rodete, la potencia al freno y el torque tienen una relación aproximadamente lineal y directamente proporcional con el caudal.
La eficiencia total de la turbina mejora a mayor carga, teniendo el caudal constante.
La eficiencia total de la turbina mejora al aumentar el caudal.
9.
RECOMENDACIONES
Es importante esperar unos minutos antes de la toma de datos para dejar que el sistema se estabilice y no tomar algún dato erróneo.
Se recomendaría trabajar con tres distintas alturas hidráulicas para poder realizar un mejor comparativo entre las gráficas de cada una. Y poder hacer un análisis de que tanto aumenta la potencia y eficiencia de la turbina.
Sería conveniente tener la posibilidad de contar con más focos para simular una mayor carga, y apreciar si para una mayor altura hidráulica sucede lo mismo que nos sucedió con el primer ensayo. Así mismo nos serviría en el tercer ensayo, para ver hasta qué punto mejora la eficiencia total al incrementar la carga.
Sería recomendable tomar más datos con mayor carga (más focos) para que el tramo ascendente de la tendencia parabólica se pueda apreciar.
10. BIBLIOGRAFÍA
MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANCA II - Turbinas Hidráulicas, Universidad Nacional de Ingeniería – Faculta de Ingeniería Mecánica, Perú.
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y OPERACIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERAR ELECTRICIDAD, Universidad Pontificia Bolivariana, Colombia, 2008.
SISTEMAS ENERGETICOS – Turbinas Hidráulicas, Universidad de Cantabria, España.
TURBINAS HIDRÁULICAS, Pedro Fernández Diez, http://es.pfernandezdiez.es/.
MÁQUINAS DE FLUIDOS – Turbinas Pelton, María Pilar González Marcos, Universidad del País Vasco, España, 2009.
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1. INTRODUCCIÓN
2
2. OBJETIVOS
3
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
4
4. PROCEDIMIENTO
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5. HOJA DE DATOS
13
6. CALCULOS Y RESULTADOS
14
7. OBSERVACIONES
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8. CONCLUSIONES
22
9. RECOMENDACIONES
23
10. BIBLIOGRAFÍA
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INTRODUCCIÓN
El presente informe tiene la finalidad de contrastar el funcionamiento de la turbina Pelton con los conocimientos teóricos, para lo cual se realizaron tres ensayos en un módulo educativo de Turbina Pelton. En el primer ensayo se trabaja con una altura hidráulica y caudal constante, mientras se varía la cantidad de focos encendidos (cargas), se mide la fuerza (mediante el dinamómetro) y la velocidad angular del eje (con un tacómetro, en RPM). El segundo ensayo se realiza el mismo procedimiento que en el primer ensayo, pero con una mayor altura simulada. En el tercer ensayo variamos el caudal en la isión del fluido, manteniendo la altura constante, con el fin de obtener la velocidad angular del eje constante, se toman como datos la fuerza y el caudal (mediante un limnímetro). Este último ensayo es la simulación del funcionamiento de una central hidroeléctrica. Luego de obtener los datos se analizaron a través de cálculos y gráficas, los cuales se muestran en el informe. Finalmente anotamos las principales observaciones, conclusiones y recomendaciones obtenidas de la experiencia.
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OBJETIVOS
Conocer los principios de operación de las turbinas Pelton.
Determinar los valores de las diferentes potencias presentes en las turbinas Pelton relacionados con las diferente RPM presentes durante el funcionamiento de la turbina.
Trazar curvas características de la Turbina Pelton, con los datos experimentales obtenidos.
Determinar los puntos de mayor eficiencia hidráulica, mecánica y total de la turbina Pelton.
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FUNDAMENTO TEÓRICO
Una turbina es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo (en forma de movimiento de rotación) la energía presente en una masa de fluido. Las turbinas hidráulicas transfieren la energía cometida en el agua a un rotor provisto de álabes, 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.
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 ( ). ( )
√ (
)
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TURBINA PELTON La turbina PELTON debe su nombre al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (18291908), quien en busca de oro en California concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovecharan la energía cinética del agua que venía de una tubería y actuaba tangencialmente sobre la rueda. Por fin en 1880 patentó una turbina con palas periféricas de muy particular diseño, de tal manera que el chorro proveniente de la tubería golpea el centro de cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al máximo el empuje del agua.
Fig. 1. Modelo de turbina Pelton
Las Turbinas Pelton son:
De presión, por ser ésta constante en el rodete (= a la atmosférica). De chorro libre, está a la presión atmosférica De isión parcial, el líquido ataca sólo una parte del rodete Tangenciales, el líquido ataca tangencialmente al rodete De acción, el agua y el rodete tienen el mismo sentido
Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s), es la más eficiente en esos casos.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La energía potencial gravitatoria del agua, se convierte, prácticamente sin perdidas, en energía cinética, al salir el agua a través del inyector en forma de chorros, a una velocidad que corresponde a toda la altura del salto útil, se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los alabes, y así obteniéndose el trabajo mecánico deseado. Las formas cóncavas que los alabes muestran, hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo este, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los alabes, De este modo el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica. La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera o inyector, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por esta, PÁGINA 5
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al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones del mismo, por disminución o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador. La arista que divide al alabe en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo.
Fig. 2. Detalle de la pala o álabe
Las dimensiones del álabe son proporcionales a los diámetros del chorro que impacta sobre él; el chorro a su vez está en función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El diámetro de chorro (do) está entre el 5% y el 12% del diámetro de la rueda (Dp). En la siguiente figura se muestra a detalle la forma del álabe y sus variables correspondientes.
Fig. 3. Dimensiones del álabe
Fig. 4. Componentes de la turbina Pelton
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REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD Para mantener constante la velocidad de la turbina, el caudal inyectado tiene que adaptarse en cada instante al valor de la carga, por lo que la posición del inyector tiene que ajustarse mediante un regulador que actúa según la velocidad de la turbina y en el caso más general, en forma automática, Fig. 5. Si se supone que la turbina se ha acelerado, el regulador (7) levantará la válvula (1) y el aceite a presión entrará en el cilindro grande haciendo bajar el embolo (8), con lo que la palanca (2) bajará y el deflector (6) cortará al chorro desviando una parte del mismo. El punzón (5) que es retenido por la palanca (2), no avanza solidariamente con ésta, debido al huelgo de la hendidura (3), sino que es empujado lentamente por el agua a presión que pasa por un orificio estrecho, señalado en la figura y que actúa sobre el émbolo (4). El punzón en su avance llega a encontrarse con el tope inferior de la hendidura (3) que le impide seguir cerrando la salida del inyector. Si sobreviene una carga brusca, el émbolo (8) actuará en sentido contrario, tirando rápidamente la aguja (5) hacia atrás y llevando, simultáneamente, el deflector a su posición primitiva. Cuando se utilizan grandes caudales de agua y se emplea un solo inyector, las cazoletas resultan muy grandes y pesadas; también se encuentra el inconveniente de que toda la fuerza tangencial se ejerce en un solo punto de la rueda, lo que representa un desequilibrio dinámico. En consecuencia, conviene hacer el montaje de dos o más inyectores cuando el caudal lo requiera, por lo que las cazoletas estarán menos cargadas y, por lo tanto, serán más pequeñas. El par motor se distribuye más uniformemente sobre la periferia de la rueda, aumenta el número específico de revoluciones y a igualdad de diámetro del rodete, la turbina adquiere una velocidad angular mayor.
Fig. 5. Regulador simple
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CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS PELTON Las turbinas PELTON se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven, por lo tanto existen dos clasificaciones: EJE HORIZONTAL Y EJE VERTICAL.
POSICIÓN HORIZONTAL En esta posición solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como máximo, debido a la complicada instalación, la ventaja es la facilidad del mantenimiento de la rueda sin necesidad de desmontar la turbina.
Fig. 6. PELTON de 1 chorro eje horizontal.
Fig. 7. PELTON de 2 chorros eje horizontal.
POSICIÓN VERTICAL En esta posición se facilita la distribución de alimentación en un plano horizontal y con esto es posible aumentar el número de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por cada inyector. Se debe hacer referencia que en la posición vertical, se hace más difícil y, por ende, más caro su mantenimiento, lo cual nos lleva a que esta posición es más conveniente para aquellos lugares en donde se tengan aguas limpias y que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los álabes.
Fig. 8. Detalle de una turbina PELTON de eje vertical.
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Fig. 9. PELTON en la posición de eje en vertical.
Factores que pueden afectar la eficiencia en las turbinas
Fricción en la carcasa. Fricción y turbulencia en las superficies guías. Turbulencia según el agua que ingresa al rodete. Fricción en la estructura del rodete. Porosidad en los álabes y mal acabo de estos.
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4. I.
II.
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PROCEDIMIENTO
Precauciones antes de encender el equipo: a. La aguja o punzón debe estar en posición totalmente abierta. b. Debe regularse el cero del limnímetro. Encendemos la bomba y abrimos la válvula de salida de la bomba; seleccionamos una altura hidráulica que será constante durante cada ensayo mediante la aguja inyectora.
Fig. 10. Módulo de turbina Pelton
III.
Seleccionamos una altura hidráulica (primer ensayo a 24 PSI), procedemos a medir la altura en el limnímetro para obtener el caudal.
Fig. 11. Limnímetro y manómetro (mide el salto hidráulico simulado)
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IV.
Medimos la fuerza en el dinamómetro y la velocidad angular (con el tacómetro) cuando no hay carga.
Fig. 12. Dinamómetro
V.
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Fig. 13. Tacómetro
Luego procedemos aplicar cargas al sistema (focos) y anotar la fuerza y la velocidad angular.
Fig. 14. Cargas aplicadas
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VI.
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Para el segundo ensayo, repetimos el procedimiento 3 y 4, variando la altura hidráulica a 44 PSI.
Fig. 15. Medida del manómetro para el 2do ensayo.
VII.
Para el tercer ensayo, se procede a variar el caudal para mantener la velocidad angular (RPM) del eje constante (simulando lo que se realiza en una central hidroeléctrica con el fin de obtener una frecuencia constante) para diferentes cargas aplicadas. Anotaremos la fuerza en el dinamómetro y la altura en el limnímetro.
Fig. 16. Realizando los ensayos en el módulo de turbina Pelton
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HOJA DE DATOS
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6.
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CALCULOS Y RESULTADOS
DEFINICIONES PARA CÁLCULOS
1. Potencia hidráulica (HPh) La potencia hidráulica es la potencia del flujo a la entrada, la potencia de que dispone el fluido para ceder a la turbomáquina. Se realizan los cálculos con las siguientes expresiones: El caudal (mediante el vertedero) : ( ) La potencia hidráulica : Dónde: : Lectura del limnímetro (m) : Peso específico del agua (kg/m3) : Altura útil (m)
2. Potencia del Rodete (HPr) La potencia a la entrada del rodete es algo menor que la de entrada, ya que hay una cierta pérdida de potencia relacionada con la tubería forzada y el inyector. Calculamos: La velocidad del chorro
:
La velocidad tangencial
:
(
√
La potencia del rodete : Dónde: , constante de diseño de alabes , coeficiente de descarga
(
)
) (
)(
)
D = 11.375” = 288.925 mm N : Revoluciones por minuto (RPM) : Densidad g : Aceleración de la gravedad 3. Potencia al Freno (BHP) Corresponde a la potencia exterior al eje, y es menor que la potencia interior al eje, dadas las pérdidas mecánicas. Las turbinas Pelton no suelen diseñarse para potencias al freno muy elevadas, normalmente hasta unos 100.000 CV.
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Calculamos: El torque La velocidad angular La potencia al eje Dónde: : Fuerza de fricción (kgf) : Velocidad angular b = 8 cm
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: : :
4. Eficiencia Mecánica
5. Eficiencia Hidráulica
6.
Eficiencia Total
7. Gráficos teóricos de la turbina Pelton
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I.
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PRIMER ENSAYO CÁLCULOS
Salto Caudal b Carga (#Focos) 1 2 4 6 8 11 17
24 PSI 0.109 m Fuerza (Kgf) 3.00 3.60 4.20 4.60 4.80 4.80 4.75
16.87 mH20 0.0056 m3/s 8 cm RPM 1017.0 994.8 973.8 967.5 959.5 957.2 989.4
c (m/s) 17.83 w (rad/s) 106.50 104.18 101.98 101.32 100.48 100.24 103.61
u (m/s) 15.39 15.05 14.74 14.64 14.52 14.48 14.97
HPh (HP) 1.232 Torque (J) 2.35 2.83 3.30 3.61 3.77 3.77 3.73
HPr (HP)
BHP (HP)
0.528 0.587 0.640 0.656 0.675 0.681 0.601
0.336 0.395 0.451 0.490 0.507 0.506 0.518
Eficiencia Eficiencia Eficiencia Mecánica Hidráulica Total 0.64 0.43 0.27 0.67 0.48 0.32 0.70 0.52 0.37 0.75 0.53 0.40 0.75 0.55 0.41 0.74 0.55 0.41 0.86 0.49 0.42
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GRÁFICOS
Potencia vs. RPM 0.80 Potencia (HP)
0.70 0.60 0.50 0.40
HPr (HP)
0.30
BHP (HP)
0.20 0.10 0.00 940
960
980 RPM
1,000
1,020
Eficiencia
Eficiencia vs. RPM 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
Eficiencia Mecánica Eficiencia Hidráulica Eficiencia Total
940
960
980 RPM
1,000
1,020
Torque (J)
Torque vs. RPM 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Torque (J)
940
960
980 RPM
1,000
1,020
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II.
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SEGUNDO ENSAYO CÁLCULOS
Salto Caudal b Carga (#Focos) 1 2 4 6 8 10 12 14 17
44 PSI 0.099 m Fuerza (Kgf) 4.9 5.8 6.9 7.8 8.4 8.8 9.0 9.1 9.0
30.93 mH20 0.0044 m3/s 8 cm RPM 1280 1230 1202 1173 1125 1104 1090 1088 1098
c (m/s) 24.14 w (rad/s) 134.04 128.81 125.87 122.84 117.81 115.61 114.14 113.94 114.98
u (m/s) 19.37 18.61 18.19 17.75 17.02 16.71 16.49 16.46 16.61
HPh (HP) 1.776 Torque (J) 3.85 4.55 5.42 6.12 6.59 6.91 7.06 7.14 7.06
HPr (HP)
BHP (HP)
1.021 1.136 1.196 1.253 1.338 1.372 1.393 1.396 1.381
0.691 0.786 0.914 1.008 1.041 1.070 1.081 1.091 1.089
Eficiencia Eficiencia Eficiencia Mecánica Hidráulica Total 0.68 0.57 0.39 0.69 0.64 0.44 0.76 0.67 0.51 0.80 0.71 0.57 0.78 0.75 0.59 0.78 0.77 0.60 0.78 0.78 0.61 0.78 0.79 0.61 0.79 0.78 0.61
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GRÁFICOS
Potencia vs. RPM 1.60
Potencia (HP)
1.40 1.20 1.00
HPr (HP)
0.80
BHP (HP)
0.60 0.40 0.20 0.00 1,050
1,100
1,150
1,200
1,250
1,300
RPM
Eficiencia
Eficiencia vs. RPM 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 1,050
Eficiencia Mecánica Eficiencia Hidráulica Eficiencia Total
1,100
1,150
1,200
1,250
1,300
RPM
Torque( J)
Torque vs. RPM 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 1,050
Torque (J)
1,100
1,150
1,200
1,250
1,300
RPM
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III.
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TERCER ENSAYO CÁLCULOS
Salto 44 PSI 30.93 mH20 Brazo 8 cm RPM Aprox. Constante Carga Fuerza Caudal RPM (#Focos) (Kgf) (mm) 0 2.1 1088 68 2 3.8 1096 79 5 5.3 1089 85 8 6.6 1097 92 11 7.4 1090 95 14 8.2 1089 97 17 8.5 1095 99
c (m/s) 24.14 Caudal (m3/s) 0.0017 0.0025 0.0030 0.0036 0.0039 0.0041 0.0044
w Torque u (m/s) (rad/s) (J) 113.94 16.46 1.65 114.77 16.58 2.98 114.04 16.48 4.16 114.88 16.60 5.18 114.14 16.49 5.81 114.04 16.48 6.44 114.67 16.57 6.67
HPh (HP) 0.695 1.010 1.213 1.479 1.602 1.688 1.776
HPr (HP) 0.546 0.787 0.952 1.151 1.256 1.325 1.385
BHP (HP) 0.25 0.46 0.64 0.80 0.89 0.98 1.03
Eficiencia Eficiencia Eficiencia Mecánica Hidráulica Total 0.46 0.79 0.36 0.58 0.78 0.45 0.67 0.79 0.52 0.69 0.78 0.54 0.71 0.78 0.55 0.74 0.79 0.58 0.74 0.78 0.58
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GRÁFICOS
Potencia (HP)
Potencia vs. Caudal 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0000
HPh (HP) HPr (HP) BHP (HP)
0.0010
0.0020 0.0030 Caudal (m3/s)
0.0040
0.0050
Eficiencia
Eficiencia vs. Caudal 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0000
Eficiencia Mecánica Eficiencia Hidráulica Eficiencia Total
0.0010
0.0020 0.0030 Caudal (m3/s)
0.0040
0.0050
Torque vs. Caudal 8.0 7.0 Torque (J)
6.0 5.0 Torque (J)
4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0000
0.0010
0.0020 0.0030 Caudal (m3/s)
0.0040
0.0050
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7.
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OBSERVACIONES
Las gráficas de potencia y de eficiencia versus las RPM del eje de la turbina en teoría tienen una tendencia parabólica hacia abajo. Las gráficas obtenidas de la experiencia presentan la parte de caída de las curvas teóricas.
En el primer ensayo, cuando la turbina estaba con una carga de entre 8 y 14 focos, la fuerza en el dinamómetro (torque) y las RPM del eje permanecieron aproximadamente en un valor constante, mas cuando se puso la máxima carga (17 focos), la fuerza casi no vario pero las RPM subieron, además se pudo apreciar que la luminosidad de los focos bajo considerablemente. Esto nos dio como resultado que en nuestras graficas exista un punto que no sigue la tendencia de los demás.
Para los dos primeros ensayos (donde se mantuvo el caudal constante) se llega a una carga luego de la cual a pesar de continuar aumentando carga, la fuerza en el dinamómetro (torque) y las RPM del eje permanecen aproximadamente en un mismo valor. Apreciamos a que a estas cargas, la potencia al freno es la máxima.
En el tercer ensayo, donde se busca obtener una misma velocidad angular en el eje, se puede apreciar que la eficiencia hidráulica es la misma para diferentes caudales, esto es debe a que tanto la potencia hidráulica como la potencia del rodete dependen del caudal.
Sabemos que una turbina Pelton es altamente eficiente, pero en los ensayos realizados la eficiencia es relativamente baja; esto puede ser debido a diversos factores tales como la fricción del inyector, la forma de los álabes, las transmisiones y otros que fueron mencionados en el fundamento teórico.
8.
CONCLUSIONES
Para un mismo caudal, se demuestra que a mayor carga, menor será la velocidad angular del eje de la turbina (RPM), por lo que la relación entre los RPM y el torque es inversamente proporcional.
Para un mayor salto hidráulico, mayor será la velocidad angular del eje de la turbina (RPM). Además que la eficiencia de la turbina se incrementa.
Para mantener la velocidad angular constante (RPM) del eje, si se incrementa la carga se necesita incrementar el caudal de isión a la turbina.
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La potencia hidráulica, la potencia del rodete, la potencia al freno y el torque tienen una relación aproximadamente lineal y directamente proporcional con el caudal.
La eficiencia total de la turbina mejora a mayor carga, teniendo el caudal constante.
La eficiencia total de la turbina mejora al aumentar el caudal.
9.
RECOMENDACIONES
Es importante esperar unos minutos antes de la toma de datos para dejar que el sistema se estabilice y no tomar algún dato erróneo.
Se recomendaría trabajar con tres distintas alturas hidráulicas para poder realizar un mejor comparativo entre las gráficas de cada una. Y poder hacer un análisis de que tanto aumenta la potencia y eficiencia de la turbina.
Sería conveniente tener la posibilidad de contar con más focos para simular una mayor carga, y apreciar si para una mayor altura hidráulica sucede lo mismo que nos sucedió con el primer ensayo. Así mismo nos serviría en el tercer ensayo, para ver hasta qué punto mejora la eficiencia total al incrementar la carga.
Sería recomendable tomar más datos con mayor carga (más focos) para que el tramo ascendente de la tendencia parabólica se pueda apreciar.
10. BIBLIOGRAFÍA
MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANCA II - Turbinas Hidráulicas, Universidad Nacional de Ingeniería – Faculta de Ingeniería Mecánica, Perú.
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y OPERACIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERAR ELECTRICIDAD, Universidad Pontificia Bolivariana, Colombia, 2008.
SISTEMAS ENERGETICOS – Turbinas Hidráulicas, Universidad de Cantabria, España.
TURBINAS HIDRÁULICAS, Pedro Fernández Diez, http://es.pfernandezdiez.es/.
MÁQUINAS DE FLUIDOS – Turbinas Pelton, María Pilar González Marcos, Universidad del País Vasco, España, 2009.
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