1 Laboratorio de Ingenieria Mecanica II(TURBINA PELTON)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA INFORME N° 01-2013-I TEMA "TURBINA PELTON" EJECUTANTE CRUZ DIAS David M

20100025J

JULCAPARI ROJAS Ivan Mauricio

20072555C

ASPILCUETA BOHORQUEZ Michael

20040234G

ZURITA YANARICO Ronald

20091079I

CHINGUEL BARRIOS Alejandro

20107527K

NESTARES MUCHA Ruben

20090137E

RAMOS CASAVILCA Richard

20091061B

VALDERRAMA Cesar

19731229C

SECCION "B" SOLICITANTE Ing.LASTRA ESPINOZA Luis Antonio FECHA DE PRESENTACION 18-04-2013 LIMA PERU


TURBINA PELTON

INDICE RESUMEN .............................................................................................................................................................3

OBJETIVO .............................................................................................................................................................4

INTRODUCCION TEORICA ............................................................................................................................4

METODOLOGIA .................................................................................................................................................12

DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS ...............................................................................................................13

PROCEDIMIENTO Y OBTENCION DE DATOS .....................................................................................18

CALCULOS Y RESULTADOS ........................................................................................................................21

GRAFICAS DE LOS RESULTADOS .............................................................................................................24

ANALISIS DE LOS RESULTADOS .............................................................................................................28

CONCLUSIONES ............................................................................................................................................29

RECOMENDACIONES ..................................................................................................................................29

BIBLIOGRAFIA ...............................................................................................................................................30

ANEXO ...............................................................................................................................................................31

LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA II

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TURBINA PELTON

INDICE RESUMEN .............................................................................................................................................................3

OBJETIVO .............................................................................................................................................................4

INTRODUCCION TEORICA ............................................................................................................................4

METODOLOGIA .................................................................................................................................................12

DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS ...............................................................................................................13

PROCEDIMIENTO Y OBTENCION DE DATOS .....................................................................................18

CALCULOS Y RESULTADOS ........................................................................................................................21

GRAFICAS DE LOS RESULTADOS .............................................................................................................24

ANALISIS DE LOS RESULTADOS .............................................................................................................28

CONCLUSIONES ............................................................................................................................................29

RECOMENDACIONES ..................................................................................................................................29

BIBLIOGRAFIA ...............................................................................................................................................30

ANEXO ...............................................................................................................................................................31


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TURBINA PELTON

INFORME 1. RESUMEN

El presente informe de laboratorio tiene como unos de sus objetivos analizar la variación de eficiencia en la turbina Pelton debido a la variación de la velocidad angular por parte de la carga de frenado aplicada a este, por medio m edio de utilización de focos como carga y medidos con el dinamómetro. Para empezar verificamos que los instrumentos de medición y los equipos funcionen correctamente así como también ver que los focos (carga de frenado) fr enado) estén en OFF antes de iniciar el experimento. Luego debemos colocar luego todos los instrumentos de medición donde corresponden y tenerlos listos para ser utilizados una vez iniciada la experiencia, estos deben estar funcionando con normalidad. El nivel del agua debe coincidir con el vértice del vertedero (o cresta) antes de realizar la experiencia, luego encendemos la bomba la cual llevara el agua hacia la turbina, para esto se debe trabajar con una altura de funcionamiento constante para luego variar la carga de frenado y medir los otros parámetros (rpm, H, w, etc). El reconocimiento de las partes y sus esquemas será de mucha utilidad para poder analizar en el ámbito laboral y eso por su puesto es tratado en este informe Los detalles del procedimiento, los cálculos y los resultados se muestran en el desarrollo del informe.


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TURBINA PELTON

2. OBJETIVO o

Conocer en forma objetiva el funcionamiento de una Turbina Pelton.

o

Para diferentes caudales observar la variación en los diferentes parámetros.

o

Analizar la variación de las diferentes eficiencias de la turbina Pelton a fin de proporcionar conocimiento sobre cuando sera mayor y cuando será menor la eficiencia.

3. INTRODUCCION TEORICA

TURBINAS PELTON Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser esta constante en la zona del rodete, de chorro libre de impulsión o de admisión parcial por ser atacada por el agua solo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y de turbinas de acción.


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TURBINA PELTON

FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA PELTON

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La energía potencial gravitatoria del agua embalsada energía de presión, 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 mas o menos el orificio de salida de la tobera o inyector, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por esta, al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del numero 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 laminas 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.


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TURBINA PELTON

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TURBINA PELTON

ACCESORIOS DE LAS TURBINAS

El elemento principal de toda turbina hidráulica es el rodete mismo. Sin embargo, el rodete por si mismo no puede hacer mucho, requiere de accesorios, ya sea para la distribución, direccionamiento, control, etc. RODETE Consta de una rueda con alabes (cucharas) en su alrededor a las que actúa el chorro inyector. El tamaño y numera de alabes dependen de las características de la instalación y las velocidad especifica ns. Cuanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor será el diámetro del chorro. Las dimensiones de los alabes vienen ligadas directamente por el diámetro del chorro.

DISTRIBUIDOR DE LA TURBINA Esta constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de los dichos equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete. INYECTOR Consta de una tobera y una válvula de aguja diseñada para reducir hasta los valores deseados del caudal, transforma la energía de presión en energía cinética. Las perdidas de carga se produceb por friccion del fluido con la superficie de la LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA II

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TURBINA PELTON

tubería de conducción forzada. Las perdidas de carga dependen de la naturaleza de las paredes internas de dicha conducción, del caudal, de la sección y de la longitud de las mismas. A mayor caudal o menor sección(aumento de la velocidad del fluido) aumentan las perdidas de carga. A mayor longitud de tubería mayor son dichas perdidas. Si el caudal se hace cero la perdida de carga desaparece.

CARCASA DE LA TURBINA Es la envoltura metálica que cubre el inyector, rodete y otros elementos mecánicos de la turbina. Su misión es para controlar la salpicadura y pulverización del agua, después de incidir sobre los alabes. CAMARA DE DESCARGA Se entiende como tal la zona por donde el agua cae libremente hacia el desague, después de haber movido al rodete. También se conoce como tubería de descarga. EJE DE LA TURBINA Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del generador. El numero de cojinetes instalados así como su función, radial o radial-axial, depende de las características de cada grupo.


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TURBINA PELTON

ESQUEMA DE UNA TURBINA PELTON Y SUS PARTES

CARCASA EJE DE LA TURBINA RODETE

ALABE O CUCHARA CAMARA DE DESCARGA


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TURBINA PELTON

CUANDO SE UTILIZA UNA TURBINA PELTON


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TURBINA PELTON

MUESTRA DE UNA TURBINA PELTON CON 6 INYECTORES (MAXIMO)


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TURBINA PELTON

4. METODOLOGIA

Para determinar la altura útil, es necesario utilizar una buena metodología que no nos envié a un error mayor del 5%. La altura útil nos dará por la presión de entrada al inyector que en nuestro caso será constante. Para la medición del caudal Es probable que algunas veces no exista información para hacer un estudio de hidrología, entonces nos veremos forzado ha recolectar nuestros propios datos a partir de mediciones instantáneas del caudal. Los métodos para el caudal pueden ser: Método de la solución de la sal Método del recipiente Método del área velocidad Método de la sección de control y regla graduada Método del vertedero de pared delgada En nuestro laboratorio utilizamos el método del vertedero de pared delgada. Un vertedero es una estructura similar al de un muro de baja altura ubicado a lo ancho de un rio o canal. Existen tres tipos de vertederos de uso mas frecuente, pero en nuestro caso utilizamos el vertedero triangular, en material metal, que mide descargas pequeñas con mayor precisión que los otros tipos. Los vertederos triangulares tienen también un amplio rango de ángulos de vértice, el mas usado es a 90°, y la que nosotros hemos utilizado.


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TURBINA PELTON

5. DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS

TURBINA PELTON

Marca Armfield Hydraulic Engineering, England. Tipo Pelton simple MK2 Serie 2061 – 61 Altura 175 pies <> 53m Velocidad max 1160rpm Potencia 5BHP


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TURBINA PELTON

MOTOBOMBA

MOTOR Motor trifásico Meuman Tipo 215DD1881 BB n° P424701 Potencia 7.5HP Velocidad 3600rpm Factor de servicio 1.15 BOMBA Bomba Sigmund pumps Ltd. Tipo N - NL3 Serie 147304


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TURBINA PELTON

MANOMETROS

Chalinco Rango 0 – 40mH2O Aproximacion 1mH2O TACOMETRO


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TURBINA PELTON

Smith Rango 0 – 2500rpm Aproximación 50rpm DINAMOMETRO

Rebure Rango 0- 100kg Aproximación 1kg REGLA METALICA

Longitud maxima 30cm


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TURBINA PELTON

VERTEDERO

Weirs triangular Escala 0 – 30cm Aproximación 1mm Cd 0.6 

= 90°


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TURBINA PELTON

6. PROCEDIMIENTO Y OBTENCION DE DATOS

Precauciones antes de encender el equipo La aguja debe estar en posición totalmente abierta Debe verificarse también el cero del linnimetro Encender la bomba

Abrir la válvula a la salida de la bomba y seleccionar una altura hidráulica que será constante durante todo el ensayo


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TURBINA PELTON

Para dicha altura tomar datos de presión y la altura del linnimetro Medimos la fuerza en el dinamómetro cuando no hay carga.

Aplicamos carga al sistema (focos).

Anote los datos rpm , lo que marca el dinamómetro,.


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TURBINA PELTON

Repetir lo anterior para varias cargas


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TURBINA PELTON

7. CALCULOS Y RESULTADOS

POTENCIA DE AGUA

           

  

             POTENCIA DEL RODETE

                                     Numero

rpm

HPr

1

1267

1.3438105

2

1212

1.5638081

1159

1.7519058

4

1149

1.7847654

5

1094

1.9505664

1082

1.9833841

7

1077

1.9967033

8

1080

1.9887368


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TURBINA PELTON

POTENCIA AL FRENO

     Numero

rpm

T

F

w

BHP

1

1267

0.28

3.5

132.68024

0.4888219

2

1212

0.416

5.2

126.92064

0.6947235

1159

0.504

6.3

121.37048

0.8048779

4

1149

0.544

6.8

120.32328

0.8612614

5

1094

0.648

8.1

114.56368

0.9768061

1082

0.664

8.3

113.30704

0.9899457

7

1077

0.672

8.4

112.78344

0.997243

8

1080

0.672

8.4

113.0976

1.0000209

EFICIENCIA MECANICA  



 

Numero

rpm

 m

1

1267

0.3637581

2

1212

0.4442511

1159

0.4594299

4

1149

0.4825628

5

1094

0.5007808

1082

0.4991195

7

1077

0.4994448

8

1080

0.5028422


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TURBINA PELTON

EFICIENCIA HIDRAULICA

 

 



Numero

rpm

 u

1

1267

0.5037498

2

1212

0.5862195

1159

0.6567311

4

1149

0.6690491

5

1094

0.7312023

1082

0.7435046

7

1077

0.7484975

8

1080

0.7455111

EFICIENCIA TOTAL 



 

Numero

rpm

 t

1

1267

0.183243

2

1212

0.2604287

1159

0.3017219

4

1149

0.3228582

5

1094

0.366172

1082

0.3710976

7

1077

0.3738332

8

1080

0.3748745


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TURBINA PELTON

8. GRAFICAS DE LOS RESULTADOS

Grafico BHP vs RPM

BHP vs rpm 1.2 1 0.8

P H0.6 B 0.4 0.2 0 1050

1100

1150

1200

1250

1300

1250

1300

rpm

Grafico HPr vs RPM

HPr vs rpm 2.5

2

1.5

r P H

1

0.5

0 1050

1100

1150

1200

rpm


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TURBINA PELTON

Grafico T vs RPM T vs rpm 0.8 0.7 0.6 0.5

T0.4 0.3 0.2 0.1 0 1050

1100

1150

1200

1250

1300

1200

1250

1300

rpm

Grafico nm vs RPM nm vs rpm 0.6 0.5 0.4

m0.3 n 0.2 0.1 0 1050

1100

1150

rpm


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TURBINA PELTON

Grafico nh vs RPM nu vs rpm 0.8 0.7 0.6 0.5

n0.4 u 0.3 0.2 0.1 0 1050

1100

1150

1200

1250

1300

1200

1250

1300

rpm

Grafico nt vs RPM nt vs rpm 0.4 0.35 0.3 0.25

t 0.2 n 0.15 0.1 0.05 0 1050

1100

1150

rpm


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TURBINA PELTON

Grafico nu vs U/C1

nu VS U/C1 0.84 0.82 0.8 0.78

un

0.76 0.74 0.72 0.7 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

U/C1


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TURBINA PELTON

9. ANALISIS DE LOS RESULTADOS Las gráficas “BHP vs RPM”, “HPr vs RPM”, “T vs RPM”, “nm vs RPM”, “nh vs RPM” , “nt vs RPM” muestran la tendencia mas o menos esperada(aunque no se nota

mucho). La grafica nu vs U/C1 representa la dependencia del rendimiento hidráulico teorico con u/c, y condiciones de diseño. En comparación con las turbinas, la turbina Pelton presenta altas eficiencias pero aun así el rendimiento de nuestra experiencia es algo bajo, pues esto depende mucho del rozamiento del inyector , accesorios instalados entes del inyector, la forma de la cuchara, las transmisiones. El máximo rendimiento o eficiencia de la turbina

74.84975%<>75%

que nos

representa la eficiencia útil, y la mínima eficiencia de la turbina fue de %<>18%que nos representa la eficiencia total.

18.3243

Cuando la velocidad tangencial (U) se aproxima al valor de la velocidad del chorro (C1), la potencia y la eficiencia disminuyen como lo verificamos en el ultimo grafico que se asemeja mas a una parábola. En la turbina Pelton, el punto de máximo rendimiento no se corresponde con la apertura completa del inyector, si la velocidad es grande, el rendimiento disminuye debido a que parte del agua pasa por la turbina, escapándose del rodete sin producir ningún trabajo. La medición de la presión en el manómetro (Presión de trabajo) y la altura en el limnímetro son importantes para la determinación de los parámetros fundamentales de funcionamiento de la turbina.


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA 10.

TURBINA PELTON

CONCLUSIONES

La carcasa de la turbina Pelton nos protege de las salpicaduras que nos pueda acometer en el transcurso de la experiencia y es vital tanto para la maquina (embalamiento) y para el personal que realicen el experimento. De acuerdo a al incremento de carga la velocidad medida con el tacómetro (rpm) disminuía. Las perdidas de transmisión de potencia (fricion, )impidió elevar la eficiencia ya que se trabajo con una maquina altamente eficiente, se debe considerar que para maquinas o turbinas Pelton mas grandes las eficiencias son del 98%y que en nuestro caso llegamos a un máximo de 75% lo cual nos explica que se deben de tomas aun mas consideraciones, pero si las eficiencias serian menores a los 50%

11.

RECOMENDACIONES

Durante la experiencia al menos un integrante del grupo debe verificar que la altura del vertedero no debe cambiar y deberá mantenerse constante durante toda la experiencia. Por motivos de seguridad no debería acercarse mucho a las tuberías que conducen el flujo de agua ya que constantemente se ha deteriorado y la justificación de esta es pues la gotera que cae sobre el suelo. Antes de iniciar el laboratorio tener ya conocimiento del funcionamiento del tacómetro ya que es uno de los principales instrumentos de colección de datos. Para alcanzar mejores resultados es necesario utilizar vertederos de pared delgada y así evita que el sedimento se acumule tras ellos. Es necesario ubicar el vertedero en un punto donde la corriente sea uniforme y este libre de remolinos y la cresta deberá ser suficientemente alta como para permitir que el agua caiga libremente dejando un espacio bajo el chorro.


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TURBINA PELTON

Las desventajas de los vertederos es que si la cresta es ancha o profunda y/o si la velocidad de aproximación es muy alta, la descarga también será subestimada. Se recomienda una mayor toma de datos para evaluar mejor la variación de la potencia con respecto a la velocidad de giro de la turbina. Se recomienda la calibración del manómetro a la entrada de la turbina, con la finalidad de tomar datos más exactos. Se recomienda esperar unos minutos antes de la toma de datos para dejar que el sistema se estabilice. Se recomienda el uso adecuado de un tacómetro digital para la toma de datos con el fin de tomar datos más exactos. Se recomienda tomar más datos con valores de carga más altos (más focos) para que el tramo ascendente de la tendencia parabólica se pueda apreciar. 12.

BIBLIOGRAFIA

SIFUENTES J. Fluidos II (Teoría) IRWING H. SHAMES. Mecánica de Fluidos CLAUDIO MATAIX, Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas, Turbinas de acción: turbinas Pelton. MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANCA II –UNI FIM, Turbinas Hidráulicas.


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TURBINA PELTON

13. ANEXO

IMÁGENE DE UNA TURBINA PELTON EN UNA INSTALACION DE LA INDUSTRIA

CUANDO SE DEBE USAR UNA TURBINA PELTON


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1 Laboratorio de Ingenieria Mecanica II(TURBINA PELTON)

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