Turbina Francis 574u4q

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS Y TURBOMÁQUINAS 1.

Número y Título de la Práctica: PRÁCTICA Nº3, TURBINA FRANCIS

2.

Grupo:

3.

Objetivos: 3.1 Conocer los principios de operación de la turbina Francis y su aplicación. 3.2

4.

Determinar las curvas características del equipo para determinar su funcionamiento óptimo.

Resumen:

El presente documento está dirigido a la práctica de turbina Francis, documento desarrollado para determinar las curvas características y analizar el rendimiento bajo varios parámetros.

La práctica consiste en regular el caudal del fluido mediante los álabes directrices en tres pasos con la válvula totalmente abierta, al 50 % y al 25% generando una cargar adicional medida en el dinamómetro del equipo, se toma velocidades, altura y presión a la entrada, el fluido es impulsado por una bomba centrífuga. Se calculará las potencias y el rendimiento

5.

Abstract:

This document is intended for Francis turbine practice, document curves developed to determine and analyze the performance characteristics under various parameters.

Página 1 de 12

Practice is to regulate fluid flow through the guide vanes in three steps with the valve fully open, 50% and 25% leading to an additional load measured on the dynamometer computer, speeds, high and pressure is taken to the input the fluid is driven by a centrifugal pump. Powers and performance measured

6.

Cálculos:

Datos Obtenidos

Apertura Apertura Válvula de del ingreso distribuidor

TA

25%

h [cm] 9,2 9,4 9,6 9,8 9,9 10 10,1 10,2

h

Q

[m]

[m3/s]

0,092 0,094 0,096 0,098 0,099 0,1 0,101 0,102

0,00554753 0,00585396 0,00617032 0,00649673 0,00666374 0,00683329 0,00700541 0,0071801

Pe

W1

W2

[Psi] 28 26 24 23 22 22 21 21

[kg] 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

[kg] 0 0,1 0,15 0,15 0,25 0,3 0,4 0,5

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V

[rp 38 37 35 33 32 30 28 25

TA

TA

50%

100%

10,3 10,4 10,4

0,103 0,104 0,104

0,00735738 0,00753726 0,00753726

20 20 19

2,25 2,5 2,75

0,6 0,7 0,75

24 21 18

10,4 9,4 9,6 9,7 9,9 10 10,1 10,2 10,3 10,4 10,4 10,5

0,104 0,094 0,096 0,097 0,099 0,1 0,101 0,102 0,103 0,104 0,104 0,105

0,00753726 0,00585396 0,00617032 0,00633227 0,00666374 0,00683329 0,00700541 0,0071801 0,00735738 0,00753726 0,00753726 0,00771975

19 26 25 24 23 22 21 20,5 20 20 18 18

3 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75

0,85 0,05 0,15 0,3 0,4 0,5 0,6 0,65 0,75 0,9 1 1,1

17 38 37 35 35 33 32 30 28 26 24 21

9,5 9,6 9,7 9,9 10,1 10,3 10,4 10,5 10,5 10,5 10,6 10,6

0,095 0,096 0,097 0,099 0,101 0,103 0,104 0,105 0,105 0,105 0,106 0,106

0,00601089 0,00617032 0,00633227 0,00666374 0,00700541 0,00735738 0,00753726 0,00771975 0,00771975 0,00771975 0,00790487 0,00790487

26 24 24 22 22 20 20 19 19 18 18 18

0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3

0,2 0,3 0,35 0,45 0,5 0,6 0,65 0,8 0,9 1 1,2 1,35

38 37 36 35 34 32 30 28 26 24 22 21

Ejemplo de Cálculo

Caudal:

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Q=

5

() 8 θ ∗C d∗tan ∗√ 2 g∗h 2 [m3 / s ] 15 2

()

5

(2) 8 90 Q= ∗0,565∗tan ∗ √2∗9,8∗0,092 [ m 3/ s ] 15 2

( )

Q=0,005547 [m3/ s] Velocidad de entrada:

Q Ae

Ve=

π∗D 2 π∗0,031752 Ae= = =0.0007917304 m 2 4 4

Ve=

0,005547 =7,006172m/ s 0,0007917304

Altura neta:

Pe Ve2 Hn= + + Ze−Zs[mca] γ 2g 2

Hn=

193103 7,0062 + −0,1 [ mca ] =22,13 mca 9786 2∗9,8

Potencia de entrada:

Pa=

γ∗Q∗H n [CV ] 75

Pa=

1000∗0,005547∗22,13 [CV ] 75

Pa=1,63673[CV ] Potencia útil:

Pu=0,001396∗Wn∗d∗N [CV ] Pu=0,001396∗0,25∗0,11∗3880[CV ] Pu=0,1489[CV ] Rendimiento:

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η=

Pu ∗100[ ] Pa

η=

0.149 ∗100 [ ] 1,63

η=9,14[ ] Datos calculados:

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Gráficas: 1. Trazar curvas de velocidad en función de caudal para aperturas constantes del distribuidor.

25%

50%

100%

FIG.1

2. Trazar curvas de la relación entre carga neta y velocidad para aperturas constantes del distribuidor.

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25%

50%

100%

FIG.2

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3. Potencia útil en función de la velocidad para aperturas determinadas del distribuidor

25%

50%

100%

FIG.3

4. Rendimiento en función de la velocidad para aperturas determinadas del distribuidor

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25%

50%

100%

FIG.4

5. Analizar el rendimiento de la unidad y analizar cada una de las diferentes curvas logradas. Analizando FIG.1

Podemos observar que para las aperturas del distribuidor 25%, 50% y 100% las curvas que proporcionan son muy semejantes, todas van disminuyendo la velocidad angular según aumenta ligeramente el caudal, esto se debe a que al aumentar la carga en la turbina Francis debido al freno, el caudal proporcionado por la bomba centrifuga aumenta, y las RPM disminuyen.

Analizando FIG.2

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Podemos observar que para las aperturas del distribuidor 25%, 50% y 100% las curvas son mucho más cercanas que las anteriores, las RPM se encuentran en función de la carga neta, es decir si se incrementa la carga neta en la turbina, las RMP disminuirán, es lógico pensar esto, ya que la energía cinética rotacional se gasta en el aumento de la carga neta.

Analizando FIG.3

Podemos observar que para las aperturas del distribuidor 25%, 50% y 100% las gráficas presentadas son muy parecidas, solo la diferencia en la gráfica de apertura del 25% alcanza una potencia útil mayor, y como obtenemos la potencia útil en función de las RPM, para aumentar la potencia útil de la turbina, se debe reducir las RPM y en sentido contrario, para aumentar las RPM se reduce la potencia útil, esta es la relación que se obtiene al graficar los datos proporcionados en la práctica.

Analizando FIG.3

Es lógico pensar que las gráficas del rendimiento seria proporcionales a las de la potencia útil, ya que la potencia útil es la que se puede aprovechar, y en las gráficas de apertura del distribuidor de 25%, 50% y 100%, presentan un comportamiento semejante al anterior, la gráfica del 25% presenta el más alto rendimiento, y conforme aumentamos las RPM, el rendimiento disminuye con un comportamiento de la curva de la fig.4.

7.



Conclusiones:

Danny Vera 7.1 La eficiencia de la turbina está entre valores de 9% y menores a 32% lo cual indica que están fuera del rango de valores en la que la turbina Francis trabaja en punto óptimo. 7.2 El rendimiento máximo de la turbina luego de analizar las curvas características se determina un 33,7 % que se da en apertura de válvula del 25 % con un caudal de 0,0072[m3/s] con una velocidad de 2400 RPM

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

7.3 Tanto la Potencia como el rendimiento aumentan conforme los álabes directrices de la turbina se abren y permiten circular mayor Caudal, razón por la cual la turbina trabaja en mejor rendimiento con caudales grandes. 7.4 Se concluye que el diseño hidrodinámico de la turbina evita que existan grandes cantidades de pérdidas por lo que se trabajaría con altos rendimientos, en este caso no se obtiene altos rendimientos por lo que el caudal con el que se trabajo es pequeño. 7.5 Uno de los inconvenientes observados al realizar las pruebas fue que el freno o la banda del disco que actuaba como carga del disco que tiene el dispositivo tiende a calentarse demasiado ocasionando dificultades para el desarrollo David García 7.6 Se concluye que la turbina Francis analizada en el laboratorio presenta la potencia útil máxima para todas las aperturas del distribuidor en un intervalo de 1700-2700 RPMs, es decir que dentro de este intervalo de RPMs sería el óptimo para el funcionamiento de la turbina. 7.7 La carga neta aplicada a la turbina con las RPMs, sigue una curva muy ajustada a una recta, y de esta manera se puede obtener la carga neta óptima para la turbina una vez ya seleccionada las RPMs. 7.8 Un parámetro muy importante de las turbina es la apertura del distribuidor, en nuestro caso, ya que este si influye sobre el valor máximo del rendimiento y potencia útil.

8.

Recomendaciones:



Danny Vera 8.1 Se recomienda calibrar u obtener mejores dinamómetros para el funcionamiento del equipo, los datos obtenidos serán más precisos 8.2 Cambiar la banda del freno ya que existieron problemas en la toma de datos, además de su recalentamiento. 8.3 Podría ser recomendable implementar un sencillo sistema de enfriamiento en el disco giratorio donde se aplica la carga para evitar alta temperaturas



David García

8.4

Se recomienda establecer un nuevo sistema de frenado, con un mayor rango de carga, ya que el presente en el laboratorio limita la carga que se le puede aplicar a la turbina.

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8.5

8.6

9.

Es recomendable realizar un estudio más profundo sobre el anillo que se forma en la evacuación del fluido en la turbina Francis. Se recomienda realilas graficas teóricas para compararlas con las prácticas.

Referencias:

9.1 https://es.idoub.com/doc/72810871/Practica-Turbina-

Francis#idoub 9.2 http://es.slideshare.net/AlejandroOsoriodx/39232896-turbinafrancis 9.3 http://ramaucsa.wordpress.com/2011/01/14/turbinas-francis-i/

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