Informe Turbina Francis 2x484k

“Año de la consolidación del Mar de Grau” El enlace

Universidad Nacional de Ingeniería FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Informe N°2

TURBINA FRANCIS CURSO

:

LABORATORIO ING. MECANICA II

PROFESOR

:

Ing. SINCHI FRANCISCO

SECCION

:

G

INTEGRANTES : APELLIDOS Y NOMBRES

CÓDIGO

BARRETO LARA DAVID

20165503C

CAICHIHUA VERGARA JORDY ROBISON

20111119K

CASTRO CAMARENA DIEGO AQUILES

20144528G

FERIA MORENO EDSON

20102558E

FECHA EN LA QUE SE REALIZO EL ENSAYO:

12/09/2017

FECHA EN LA QUE SE ENTREGA EL INFORME:

19/09/2017

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

FACULTAD DE INGENIERÍA

CONTENIDO Pág. 1.

RESUMEN TÉCNICO…………………………………………………………………………….………………..3

2.

OBJETIVOS……………………………………………………………………………………….….…….…….…..4

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………………………………………………………..………....5

4.

EQUIPOS Y MATERIALES……………………………………………….…………………….………………11

5.

PROCEDIMIENTO……………………………………………………….………………….……………………12

6.

CÁLCULOS, RESULTADOS Y GRAFICAS …….…………………………………………………….……15

9.

CONCLUSIONES……………………………………………………….…………………………………......…24

8.

OBSERVACIONES………………………………………………….……………….……………………......…25

10. REFERENCIAS.……….………………………………………………………………….………………………..26

Página 2 de 26



1. RESUMEN TECNICO Una turbomáquina es una máquina que transfiere un cambio de energía desde o hacia un fluido que pasa por un elemento rotativo (en este caso rotor). La turbina Francis es el tipo de turbomáquina radial que aprovecha la energía del flujo que pasa a través de él para entregar otro tipo de energía mecánica que son el movimiento giratorio de su eje. En el presente laboratorio mediremos la eficiencia, torque de salida (medida a través de un sistema de freno instalada en el eje de salida de la turbina), y potencia en función de las revoluciones por minuto del eje de salida para determinar el grado de apertura de los álabes en el distribuidor de la turbina. Graficaremos cada valor de los cálculos anteriores obteniendo las gráficas respectivas que nos muestren los valores máximos y mínimos.

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2. OBJETIVOS  Encontrar las curvas de eficiencia, torque y potencia en función de las rpm del eje de salida para cada grado de apertura de los álabes de la turbina, encontrando los valores máximos.  Analizar la variación de la eficiencia de una turbina Francis, debido a la variación de la velocidad de giro de su eje (rpm), por el aumento de carga en él. Así mismo analizar dicha variación, para diferentes posiciones de los alabes del estator.  Conocer el proceso de funcionamiento de la turbina Francis y la potencia que entrega para determinado caudal por medio del sistema de freno instalado en el eje de salida del motor.  Conocer las partes de la turbina Francis y observar su forma de instalación en un sistema.

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3. FUNDAMENTO TEORICO 3.1. DEFINICIÓN La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción, que se emplea para caudales y alturas medias. Las primeras turbinas conocidas fueron turbinas del tipo chorro, no empezando a emplearse las de reacción hasta principios del siglo XIX. En el año 1833 inventó el francés Fourneyron la turbina que lleva su nombre, construyéndola de manera que el rodete de movía siempre sumergido en el agua, gracias al principio de reacción que por primera vez, se utilizaba. Algo más tarde, se conoció también la aplicación del tubo de aspiración, empleado simultáneamente por los ingenieros Jonval y Henschel en sus turbinas. Un desarrollo más completo recibieron las turbinas de reacción con la invención del americano Francis, en el año 1849. Si bien, de momento su turbina no mereció mucha atención en Europa, fue en cambio pronto apreciada en su país y ventajosamente perfeccionada, alcanzando el gran renombre de que goza actualmente en todas partes. Atendiendo, finalmente, a la posición del eje, que en las turbinas Francis puede colocarse como convenga, y considerando que este tipo de máquinas se puede emplear para los mayores caudales y para saltos desde 0,50m hasta 120m, funcionando siempre del modo más ventajoso. En esta figura se visualiza de mejor manera una turbina Francis.

Figura 1 Turbina Francis

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3.2. PARTES DE LA TURBINA FRANCIS En la figura 2.1, está representada en semicorte axial una turbina para un salto de 179 m. Se puede apreciar el rodete o parte móvil de turbina, constituido por un cierto número de paletas o álabes que oscila entre 16 y 21, y depende del tipo de construcción. El agua procedente de la tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a él. La parte por la que entra el agua en la turbina se denomina cámara de descarga. El agua, después de pasar por el rodete, impulsando a éste y haciéndolo girar, sale por un tubo denominado tubo de aspiración. Para regular el caudal de agua que entra en el rodete se utilizan unas paletas directrices situadas en forma circular, y cuyo conjunto de denomina distribuidor (2.4 en la figura). Cada una de las paletas directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posición de cerrado, en cuyo caso no entra agua en el rodete, y tienen sus caras casi paralelas en la posición de abierto, en cuyo caso el caudal de agua recibido por el rodete es máximo. El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil (2.5 en la figura), al que están unidas todas las paletas directrices, y este anillo móvil, a su vez está accionado por el regulador de velocidad de la turbina. Esto se puede apreciar en la figura 2.2, una turbina Francis vista desde abajo; donde (1) es el rodete de la turbina, unido al eje (2) de la misma. Las paletas del distribuidor están representadas por (3), y (4) expresa los pivotes sobre los que giran dichas paletas; en la figura, las paletas del distribuidor están casi totalmente abiertas.

Figura 2.1 Semicorte axial de una turbina

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La turbina Francis representada anteriormente es de eje vertical; también se construyen turbinas Francis de eje horizontal, tal como la representada en la figura 2.2. Otro ejemplo de turbina Francis vertical es la figura 2.3.

Figura 2.2 cámara de carga La forma de rodete y el perfil de los álabes dependen de las características de salto y caudal. Se puede ver en la figura 2.4 un rodete de turbina Francis de velocidad normal y en la figura 2.5, un rodete de turbina Francis extra rápida. En las centrales hidráulicas con saltos de pequeña y mediana altura, la turbina Francis se monta con la cámara de descarga abierta. En las figuras 2.3 y 2.5 se representan esquemáticamente dos turbinas Francis, de eje vertical y de eje horizontal, respectivamente, montadas en cámara abierta. En este tipo de cámara el agua llega libremente hasta la turbina, quedando ésta sumergida en el agua, tal como puede apreciarse con ambas figuras.

Figura 2.3 Tubo de aspiración

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Para saltos de gran altura no es posible la instalación de cámara abierta, pues ésta quedaría sometida a grandes presiones. En estos casos, se emplean cámaras de descarga cerradas y para saltos aún mayores (300 m y más) cámaras de descarga en espiral(fig.2.6)

Figura 2.4 Distribuidor

Figura 2.5 Anillo móvil

Figura 2.6 Cámaras de cargas en espiral

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3.3. VENTAJAS DE UNA TURBINA FRANCIS Para la elección de una turbina Francis de eje horizontal o de eje vertical, se tienen en cuenta diversos criterios. La turbina Francis de eje horizontal presenta las siguientes ventajas:

 Separación completa de la turbina y el generador.  Disposición ventajosa de la sala de máquinas ya que la turbina y el generador están situados al mismo nivel.

 Fácil montaje.  Facilidad de reparaciones en la turbina y en el generador.  Costo reducido de la turbina y el generador. Respecto a la turbina de eje horizontal, la turbina Francis de eje vertical presenta los siguientes inconvenientes:

 La turbina y el generador ya no son completamente independientes puesto que ambas máquinas han de estar soportadas por un cojinete axial común.

 Al estar superpuestas la turbina y el generador, se precisa construir una sala de máquinas de, por lo menos, dos plantas.

 El montaje es más difícil.  Los dispositivos de engrase (sobre todo del cojinete axial) son más complicados.

 El costo es superior en aproximadamente, un 20 % a igualdad las demás condiciones. En resumen, que la tendencia moderna es construir turbinas Francis de eje horizontal. Sin embargo, como las primeras turbinas Francis eran de eje vertical, las casas constructoras tienen mayor experiencia en la construcción de turbinas de este tipo, por lo que todavía se realizan muchas instalaciones con turbinas Francis de eje vertical. Sobre todo, es interesante el empleo de estas turbinas cuando, por razones de espacio disponible, conviene reducir la superficie de la sala de máquinas, todo lo que sea posible.

3.4. MANERAS DE INSTALAR LAS TURBINAS FRANCIS 3.4.1. Turbinas de eje vertical en cámara abierta La disposición se puede ver en la figura 1.3, que puede considerarse como el tipo normal de esta primera clase de turbinas. 3.4.2. Turbinas de eje horizontal en cámara abierta La disposición más usual en esta clase de instalaciones se representa en la figura 1.5. El tubo de aspiración comienza en un codo de hierro fundido, unido a la armazón de la turbina y que apoya por unas orejas en un marco de sustentación.

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3.4.3. Turbinas de eje horizontal con tubería de presión Como ejemplo de este sistema puede considerarse la representada en la figura 1.6. La tubería de presión se dispone bajo la bóveda que separa la sala de máquinas de la cámara de desagüe, a fin de ahorrar espacio y tener más libre la central, de manera que la entrada del agua suele tener lugar por la parte inferior de la turbina. La envoltura exterior suele tener forma de espiral, lo que ha dado lugar a que se designen estas turbinas por este nombre.

3.5. CAUSAS QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS Debido a que las turbinas trabajan en condiciones variables de altura, velocidad y potencia, es necesario estudiar el efecto que sobre el rendimiento producen las variaciones de aquellos elementos que en la práctica son difíciles de hacerlas constantes.  La altura de carga sobre la Turbina puede variar y con ella la Potencia desarrollada, pero puede regularse convenientemente la velocidad de modo que no se altera el rendimiento, permaneciendo constante la altura de la compuerta.  Pueden ser constantes la altura de carga y la velocidad y variarse la potencia moviendo las directrices o el punzón regulador.  Son muy corrientes las variaciones de la relación entre carga y velocidad, sobre todo en la Turbinas de poco salto. Así como la velocidad debe variarse entre límites muy próximos uno del otro, la altura de carga puede experimentar alteraciones del 50% y más aún.  Para una carga hidráulica y una abertura de directrices dadas puede variarse la velocidad regulando la potencia de la Turbina.

3.6. REGULACIÓN DE LA TURBINA FRANCIS El objeto que persigue la regulación es doble: debe estar dispuesta de tal forma que se acomode a funcionar a las condiciones variables que presenta todo salto ya que si disminuye el caudal y la Turbina conserva la misma sección de salida, pronto empezará a bajar el nivel de la cámara de agua disminuyendo así la potencia y por lo tanto se hace indispensable establecer una disposición que permita en tales casos disminuir la sección de paso de agua con lo que al menos se conservará constante la altura del salto. En segundo lugar la regulación es necesaria para acomodar la turbina a las distintas cargas en forma que se conserve lo más constante posible el número de revoluciones. Este segundo objeto es alcanzado casi siempre de la misma forma que el primero, es decir por la variación de la sección de salida del agua.

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4. EQUIPOS Y MATERIALES

1 Turbina Francis. Marca: Armfield MOTOBOMBA Hydraulic Engineering, England. Tipo: Motor: Neman Motor INC Ns 36 MK2 Casco: 2560/DD 2182 BB RPM: 3600BB

voltaje: 220v

Ciclo: 60

amperaje: 26A

Fase: 3

HP=10

Factor de servicio: 1.15 Bomba: SIGMUND PUMP LTD. Tipo: MN63 N° serie: 147305

MANOMETRO ASHCROFT

DINAMOMETRO SALTIN

Rango: 0-60PSI

Rango: 0-20Kg

Aprox: 1PSI

Aprox: 100g

TACOMETRO SMITH

REGLA MILIMETRADA

Rango: 0-2000RPM Aprox: 20RPM

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5. PROCEDIMIENTO

1. Llenar de agua el tanque de aforo hasta antes de sobrepasar el nivel inferior del vertedero triangular. Cuando llegue a ese nivel marcar el cero en el limnímetro. Luego podemos seguir llenado el tanque hasta una cantidad óptima para realizar sin problemas el proceso a estudiar.

2. Calibrar el dinamómetro

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3. Encender la Bomba.

4. Seleccionar una altura de funcionamiento girando la válvula de salida de la bomba. Esta altura está dada por la presión que se observa en el manómetro que se encuentra en la turbina.

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5. Variar la carga en el porta pesas del freno Prony, regulando la altura de funcionamiento a la inicial, ya que este debe ser constante para todas las mediciones. Refrigerar con agua constantemente la volante de salida que da al freno para evitar que se recaliente.

6. Tomar datos de velocidad, altura en el limnímetro y otros necesarios

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7. Cerrar la válvula de salida de la bomba. Variar el ángulo de los álabes de la turbina y seleccionar otra altura hidráulica. Realizar los pasos anteriores y recoger los datos para este nuevo ángulo.

6. CÁLCULOS, RESULTADOS Y GRAFICAS 6.1. FORMULAS A USAR a) CÁLCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA (HPa)

HPa 

Dónde:

QH E n

HPa = Potencia hidráulica (HP)

ɤ = Peso específico (1000 kg/m3) Q = Caudal (m3/s) HE = Altura efectiva (mH2O) N = Factor de conversión (76)

La altura efectiva la definimos mediante la fórmula de Bernoulli aplicada a la disposición que se tiene en el laboratorio: 2

2

P V 1 V 2 HE  Z    2g

5

Q 1,416h V   2 A D 4

2

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Dónde: Z = Altura geodésica D1 = Diámetro Q = Caudal P/ = Altura estática.

b) CÁLCULO DE LA POTENCIA AL EJE (BHP) En este caso se utilizó un freno Prony para simular la potencia al freno. La variación de la carga se realizaba mediante el aumento de pesas, midiéndose los pesos para la determinación de la fuerza de fricción presente en la volante. Así tenemos que:

BHP  T   T  f R



f  F W

Dónde: BHP = Potencia al freno (W) T = Torque (N.m)  = Velocidad angular del eje (rad/s) f = Fuerza de fricción (N) R = Radio de la volante W = Peso que se agrega a la báscula (N) F = Fuerza medida con el dinamómetro (N)

c) CÁLCULO DE LA EFICIENCIA TOTAL (T)

t 

BHP HPa

BHP : Potencia al eje HPa: Potencia del agua

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6.2. DATOS RECOPILADOS EXPERIENCIA N° 1: Condición: Alabes totalmente abiertos.

PTO

W

N

F

H

Pman

(kg) (rpm) (kgf) (cm) (PSI)

0

0

1195

0.2

19.5

5

1

0.5

1040

1

19.5

5

2

1

906

1.8

19.5

5

3

2

743

3.6

19.5

5

4

4

403

7.2

19.5

5

5

5

260

8.8

19.5

5

EXPERIENCIA N° 2: Condición: Alabes parcialmente abiertos

PTO

EXPERIENCIA N° 3:

W

N

F

H

Pman


0

0

1430

0

16.5

6

1

0.5

1340

0.8

16.5

6

2

1

1130

1,7

16.5

6

3

2

980

3.6

16.5

6

4

4

940

7.7

16.5

6

5

6

710

10.2 16.5

6

6

6.5

548

11

16.5

6

Condición: Alabes casi cerrados

PTO

W

N

F

H

Pman


0

0

1

0.5

2

1430

0

16.4

10

1370 0.75 16.5

10

1

1310

1.5

16.6

10

3

2

1125

3.6

16.7

9

4

4

785

7

16.8

8

5

6

400

10.2 16.9

7.5

6

6.5

230

11.8

7.5

17

Página 17 de 26



Condición: Datos de la turbina Francis. DATOS D1 (m)

0.152

D2 (m)

0.25

6.3. RESULTADOS a) Caudales y Potencia Hidráulica (Q, HPa) EXPERIENCIA N° 1: Condición: Alabes totalmente abiertos

0

Pman Z Q V1 V2 Hef HPa (Pa) (m) (m^3/s) (m/s) (m/s) (m) (hp) 34473.8 1.015 0.024 1.310 0.484 4.605 1.441

1

34473.8 1.015

0.024

1.310 0.484 4.605 1.441

2

34473.8 1.015

0.024

1.310 0.484 4.605 1.441

3

34473.8 1.015

0.024

1.310 0.484 4.605 1.441

4

34473.8 1.015

0.024

1.310 0.484 4.605 1.441

5

34473.8 1.015

0.024

1.310 0.484 4.605 1.441

PTO


PTO

Pman (Pa)

Z (m)

Q V1 V2 (m^3/s) (m/s) (m/s)

Hef (m)

Hpa (hp)

0

41368.5 1.045

0.016

0.863 0.319 5.295 1.091

1

41368.5 1.045

0.016

0.863 0.319 5.295 1.091

2

41368.5 1.045

0.016

0.863 0.319 5.295 1.091

3

41368.5 1.045

0.016

0.863 0.319 5.295 1.091

4

41368.5 1.045

0.016

0.863 0.319 5.295 1.091

5

41368.5 1.045

0.016

0.863 0.319 5.295 1.091

6

41368.5 1.045

0.016

0.863 0.319 5.295 1.091

Página 18 de 26



EXPERIENCIA N° 3: Condición: Alabes casi cerrados

PTO

Pman (Pa)

Z (m)

Q V1 V2 (m^3/s) (m/s) (m/s)

Hef (m)

Hpa (hp)

0

68947.6 1.046

0.015

0.850 0.314 8.106 1.645

1

68947.6 1.045

0.016

0.863 0.319 8.106 1.670

2

68947.6 1.044

0.016

0.876 0.324 8.106 1.696

3

62052.8 1.043

0.016

0.889 0.329 7.403 1.572

4

55158.1 1.042

0.016

0.903 0.334 6.700 1.444

5

51710.7 1.041

0.017

0.916 0.339 6.349 1.389

6

51710.7 1.04

0.017

0.930 0.344 6.349 1.410

b) Potencia al eje (BHP) y Eficiencia EXPERIENCIA N° 1: Condición: Alabes totalmente abiertos

PTO

T (kgf.m)

BHP (hp)

ƞT %

0

0.030

0.050

3.475

1

0.076

0.109

7.560

2

0.122

0.152

10.538

3

0.243

0.249

17.283

4

0.486

0.270

18.749

5

0.578

0.207

14.364


PTO

T (kgf.m)

BHP (hp)

ƞT %

0

0.000

0.000

0.000

1

0.046

0.084

7.718

2

0.106

0.166

15.186

3

0.243

0.328

30.102

4

0.562

0.728

66.770

5

0.638

0.625

57.248

6

0.684

0.516

47.342 Página 19 de 26




PTO

T BHP (kgf.m) (hp)

ƞT %

0

0.000

0.000 0.000

1

0.038

0.072 4.295

2

0.076

0.137 8.090

3

0.243

0.377 23.981

4

0.456

0.493 34.152

5

0.638

0.352 25.333

6

0.806

0.255 18.112

6.4. GRÁFICAS 6.4.1. BHP, T vs RPM EXPERIENCIA N° 1: Condición: Alabes totalmente abiertos

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Página 21 de 26



6.4.2. ȠT vs RPM EXPERIENCIA N° 1: Condición: Alabes totalmente abiertos


Página 22 de 26




Página 23 de 26



7. CONCLUSIONES  Al analizar las gráficas de BHP y torque vs RPM para las posiciones 1 y 3, se observa lo siguiente: o

La tendencia de la potencia al freno es cuadrática cóncava hacia abajo y la tendencia del torque es lineal tal como se espera de las formulaciones teóricas.

o

En el caso 1 la potencia máxima corresponde a los 400 rpm con un valor de 0.27 BHP y en el caso 3 se obtienen una potencia máxima de 0.493 BHP para 785 RPM.

o

Con respecto al torque, se observa que cuando la velocidad del eje es menor, el eje soporta mayores cargas, esto era de esperarse ya que cuando se le entrega mayor potencia al eje este tendrá mayor resistencia.

o

La turbina en vacío trabaja con una velocidad de giro de 1400 RPM.

 Al analizar las gráficas de eficiencia vs RPM para las posiciones 1 y 3, se observa lo siguiente: o

La eficiencia total tiene una tendencia cuadrática con respecto al número de RPM y se alcanzan valores máximos en alrededor de 400 rpm para la experiencia 1 y 780 para la experiencia 3.

o

Las eficiencias totales más bajas se obtienen cuando la turbina está totalmente abierta (18% como máximo) mientras que las eficiencias más altas son obtenidas cunado los alabes están semiabiertos (66.7% como máximo).

 Para la posición 2, las tendencias se distorsionan considerablemente de lo esperado teóricamente, debido principalmente al punto correspondiente a 940 rpm quien está fuera de tendencia, esto puede deberse a errores de procedimiento al momento de tomar las mediciones o fallas en el procedimiento de ensayo.

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8. OBSERVACIONES  Las mediciones de la velocidad del eje de la turbina registrada por el tacómetro son muy inestables por lo que se recomienda para experiencias posteriores medir varias veces y promediar estas mediciones.  Siempre verificar el estado de las baterías del tacómetro, ya que cuando la batería esta baja sus mediciones oscilan de manera apreciable, afectando los cálculos.  El agua estancada produce una disminución en la potencia, en los cálculos efectuados se ha considerado a la sustancia de trabajo como agua pura.  Para evitar el sobrecalentamiento de la volante y la cinta del freno se debe echar agua para refrigerar.  Es importante agregar agua a la polea, de modo que el coeficiente de fricción no se vea afectado y no se produzca demasiado deslizamiento y también para que no se sobrecaliente la faja del freno Prony y así prolongar su vida util.

Página 25 de 26



9. REFERENCIAS  ROBERT L. MOTT, Mecánica de Fluidos Aplicada.  Potter C, Merle WIGGER T C, David Mecánica de fluidos. Ed Pretince hall. México 1998.  MANUAL DE LABORATORIO INGENIERIA MECANICA II, FIM, UNI

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