Escuela Superior Politécnica del Litoral Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción Guía de Laboratorio de Mecánica de Fluidos II
PRC!IC" # $"% CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE UNA TURBINA FRANCIS
&'(E!I)&S% ♦
Determinar las características de operación de una Turbina Francis .
F*+,"ME+!&S !E-RIC&S% La turbina Francis es una turbina hidráulica de REACCIÓ. !e llama así por"ue la presión a la entrada del rodete de la turbina es superior superior a la presión del mismo. El rodete está inundado # la la salida de la turbina se encuentra en el ni$el a%uas aba&o. Los componentes básicos de una turbina Francis son'
cuerpo e)terior de la turbina. Ca.a espiral/0 (ue es el cuerpo
,istribuidor/0 La ca&a espiral # el distribuidor diri%en el a%ua al rodete con un mínimo de p*rdidas # tras+orman parte de la ener%ía de presión ,no toda- como sucede en las turbinas de acción en ener%ía ener%ía cin*tica. El distribuidor es de alabes orientales orientales si se "uiere reducir el caudal de a%ua cuando la car%a de la turbina disminu#e- o de alabes +i&os si no interesa re%ular el caudal.
a%ua # entre%a potencia mecánica mecánica a un e&e. Rodete/0 (ue %ira al impacto del a%ua
salida del rodete para Codo de entrada o aspiración/0 El cual crea una depresión a la salida recuperar la ener%ía cin*tica del a%ua a la salida del rodete por medio de un salto de presión ma#or en el mismo. / se recupera además la ener%ía %eod*sica haciendo "ue el a%ua cai%a a tra$*s de *l- e$itando una inundación de la turbina.
Las características de una Turbina Francis se e$al0an mediante las cur$as características de la misma- sobre la base de los si%uientes parámetros'
Caudal 123/0 (ue es el $olumen de a%ua por unidad de tiempo utili1ado para mo$er la turbina.
A la cual %ira la turbina durante su operación en
)elocidad de rotación 1+3/0 re$oluciones por minuto.
Potencia 4ecánica 1P3/0 (ue desarrolla # entre%a la turbina en su e&e- i%ual al producto del Tor"ue ,T # la $elocidad an%ular ,2' P
=
E5iciencia !otal 1E5ic3/0
ω
⋅
T
=
5 π N
⋅
T
34
,6
(ue relaciona la potencia mecánica ,7 con la potencia
hidráulica entre%ada a la turbina ,7e' Efic
P =
Pe
,5
La potencia 6idráulica está dada por la ener%ía "ue posee el lí"uido al salir del in#ector # es i%ual a' P e
=
ρ gQH t
,8
donde' 9t : cabe1a total a la entrada de la turbina ; : densidad del a%ua % : aceleración de la %ra$edad ( : caudal El cabe1al total a la entrada de la turbina ,9 t es la combinación de ener%ía cin*tica # potencial del a%ua "ue hace traba&o sobre el rodete' H t = H ,ent . +
V
5
5 ⋅ g
,<
donde' 9,ent : cabe1al estático =5>5% : cabe1al cin*tico
,ESCRIPCI-+ ,EL '"+C&% La turbina Francis del laboratorio opera en un circuito cerrado. El +lu&o pro$eniente de la descar%a de la bomba alimenta a la turbina por medio de alabes directores "ue re%ula el %asto. La
bomba es mane&ada por un motor de $elocidad $ariable para satis+acer las necesidades de caudal # cabe1al re"ueridas por la turbina. El caudal es medido por medio de un $ertedero en ?=@ con una escala colocada en una pared lateral del tan"ue. La $elocidad de la turbina se la mide por medio de un tacómetro. El cabe1al de entrada a la turbina es medido por medio de un manómetro tipo ourdon colocado a la entrada. La car%a es aplicada a la turbina por medio de un +reno mecánico ,+reno 7ron#.
PR&CE,IMIE+!& E7PERIME+!"L% 6 Antes de arrancar la turbina ase%0rese "ue las lecturas de la +uer1a aplicada al +reno # el medidor de caudal est*n enceradas. Ase%urarse "ue la $ál$ula de descar%a de la bomba est* completamente abierta # los álabes directores completamente cerrados. 5 7render el motor de la bomba e incrementar su $elocidad hasta conse%uir "ue el cabe1al de entrada sea de 6B metros. 8 7ara una abertura del 644 de los álabes directores' a Apli"ue car%a al e&e de salida cerrando el +reno mecánico. Tome lecturas de caudal$elocidad de rotación # +uer1a. b Aplicar más car%a cerrando un poco más el +reno ,"ue la lectura en el dinamómetro suba dos puntos. A&ustar el cabe1al de entrada para "ue se manten%a en 6B metros para lo cual se puede re%ular la $ál$ula o la $elocidad de rotación del motor. Repetir la lectura de caudal- $elocidad # +uer1a. Repetir para di+erentes car%as hasta detener totalmente el e&e con el +reno. < Repetir el paso 8 para una abertura de B4 # 5B de los álabes directores.
,"!&S 8 CLC*L&S% Diámetro de la tubería de entrada : 4.48 m. 7ara cada posición de car%a aplicada al e&e- calcular en el si%uiente orden' 6. Potencia 4ecánica% ediante la ecuación 6- donde para este sistema'
! 9 :/; ?t 143% ediante la ecuación <- donde' 9,ent mG- = m>sG
8. Potencia ?idráulica> Pe 1@3% ediante la ecuación 8- donde m ,H%>s- 9 t ,m- % ,m>s5 <. E5iciencia total> E5ic 1A3% ediante la ecuación 5.
GRFIC&S% ♦
En una misma %rá+ica- para cada posición de los álabes directores- %ra+icar ( $s. . En otras %rá+icas ,o si estima con$eniente- en una misma %rá+ica trace 7 $s # E+ic $s. . 7ara las cur$as de E+ic. $s. debe necesariamente reali1ar el me&or a&uste a los datos e)perimentales#a sea a mano o utili1ando un a&uste de tendencia cuadrática mediante al%0n so+tare.
♦
En el %rá+ico ?E+ic. $s. @- tra1ar hori1ontales # trans+erir los $alores de ?@ para cada ?E+ic@ constante al %rá+ico ?( $s. @ # bos"ue&e las cur$as sua$i1adas de isoe+iciencia para la turbina ,use 6o.as de papel 4ili4etrado . ota' !i utili1ó el a&uste de tendencia cuadrática en las cur$as de E+ic $s. entonces sería mucho más +ácil determinar analíticamente la intersección de *stas con las líneas hori1ontales.
PRC!IC" # $'% CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE UNA TURBINA PELTON
&'(E!I)&% ♦
Determinar las características de operación de una Turbina 7elton
F*+,"ME+!&S !E&RIC&S% Las turbinas 7elton son turbinas hidráulicas de ACCIÓ de +lu&o tan%encial #- son prácticamentelas 0nicas "ue se constru#en actualmente de esta clase. !e denomina turbina de ACCIÓ pues en ella toda la ener%ía de presión de un +lu&o de a%ua se trans+orma en ener%ía cin*tica "ue hace traba&o sobre el rodete- conser$ándose la presión de entrada i%ual a la de salida. El rodete posee en su peri+eria los alabes o cucharas "ue son los receptores del chorro de a%ua. Los componentes básicos de una turbina 7elton son'
Inyector/0 Es el distribuidor de la turbina. Trans+orma la ener%ía de presión de +luido de ener%ía cin*tica. La $elocidad del chorro a la salida del in#ector puede lle%ar hasta 6B4 m>se% en turbinas %randes. Consta de tobera # $ál$ula de a%u&a.
!obera/0 (ue es el e)tremo del in#ector- donde se estran%ula el +lu&o.
)álBula de agu.a/0 !e despla1a lon%itudinalmente. A0n cuando la bo"uilla # la a%u&a son de acero mu# duro- deben rempla1arse cuando #a no se produ1ca un cierre estanco pues se deteriora por abrasión.
Rodete/0 Cuerpo de la turbina. labes o cuc6aras
Freno de turbina/0 7uede hacerse mediante chorros de a%ua pe"ueJos sobre el dorso de los alabes.
E.e o árbol/0 El cual $a acoplado al rodete # es portador de la potencia mecánica "ue reali1a un traba&o en contra de una car%a.
Las características de una turbina 7elton se e$al0an mediante las cur$as características de la misma sobre la base de los parámetros si%uientes'
Caudal 123/0 (ue es el $olumen de a%ua por unidad de tiempo utili1ado para mo$er la turbina.
)elocidad de rotación 1+3/0 A la cual %ira la turbina durante su operación ,en R7
Potencia 4ecánica 1P3/0 (ue es a"uella "ue desarrollo # entrada la turbina en su e&ei%ual al producto del tor"ue ,T por la $elocidad an%ular ,2' π
7 : 2 KT : 5 34 T
,6
E5iciencia total de la turbina 1E5ic3/0 (ue relaciona la potencia mecánica ,7 con la potencia hidráulica entre%ada a la turbina ,7e' Efic
P =
P e
,5
donde la potencia hidráulica está dada por la ener%ía "ue posee el lí"uido al salir del in#ector # es i%ual a'
7e : ρ gQH t
,8
donde' 9t: Cabe1al total a la entrada de la turbina ,salida del in#ector ; : densidad del a%ua % : aceleración de la %ra$edad ( : caudal
Cabe=al total a la entrada de la turbina 1?t3/0 Es la combinación de ener%ía cin*tica # potencial del a%ua "ue hará traba&o sobre el rodete' Ht = H(ent ) +
V2 2⋅g
,<
donde' 9,ent : cabe1al estático =5>5% : cabe1al cin*tico
,ESCRIPCI-+ ,EL '"+C&% La turbina 7elton del Laboratorio opera en un circuito cerrado. El +lu&o pro$eniente de la descar%a de la bomba alimenta a la turbina por medio de un in#ector "ue re%ula el %asto. La bomba es mane&ada por un motor de $elocidad $ariable para satis+acer las necesidades de caudal # cabe1al re"ueridas por la turbina.
El caudal es medido por medio de un $ertedero en ?=@ con una escala colocada en una pared lateral del tan"ue. La $elocidad de la turbina se la mide por medio de un tacómetro. El cabe1al
de entrada a la turbina es medido por medio de un manómetro tipo ourdon colocado a la entrada. La car%a es aplicada a la turbina por medio de un +reno mecánico ,+reno 7ron#.
PR&CE,IMIE+!& E7PERIME+!"L% 6 Antes de arrancar la turbina ase%0rese "ue las lecturas de la +uer1a aplicada al +reno # el medidor de caudal est*n enceradas. 5 7renda el motor de la bomba e incremente su $elocidad hasta conse%uir "ue el cabe1al de entrada sea de 6B metros. 8 7ara una apertura de 644 del in#ector' a Apli"ue car%a al e&e de salida cerrando el +reno mecánico. Tome lecturas de caudal$elocidad # +uer1a. b Aplicar más car%a ,"ue la lectura en el dinamómetro suba dos puntos # repetir la lectura de $elocidad # +uer1a. El caudal se mantendrá constante- pero se debe tratar de mantener el cabe1al de entrada de 6B metros.
Repetir para di+erentes car%as hasta detener
totalmente el e&e con el +reno. c Repetir el paso 8 para una apertura de B- B4 # 5B del in#ector.
,"!&S 8 CLC*L&S% Diámetro de la tubería de entrada' D: 4.48 m. Aceleración de la %ra$edad' %: M.6 ms N5. 7ara cada posición de car%a aplicada al e&e ,# en cada posición del in#ector- calcular en el si%uiente orden' 6. Potencia 4ecánica> P1@3/0 ediante la ecuación 6- donde para este sistema'
! 9 :/;< F donde' T: tor"ue ,Km F: Fuer1a en el dinamómetro , 5. Cabe=al total> ? t143/0 ediante la ecuación <- donde' 9,ent mG- = m>sG 8. Potencia ?idráulica> Pe1@3/0 ediante la ecuación 8- donde m H%.>sGO 9t mGO % m>s5G <. E5iciencia total> E5ic1A3/0 ediante la ecuación 5.
GRFIC&S%
♦
En una misma %rá+ica- para cada posición del in#ector- %ra+icar ( $s. . En otras %rá+icas ,o si estima con$eniente- en una misma %rá+ica trace 7 $s # E+ic $s. . 7ara las cur$as de E+ic. $s. debe necesariamente reali1ar el me&or a&uste a los datos e)perimentales#a sea a mano o utili1ando un a&uste de tendencia cuadrática mediante al%0n so+tare.
♦
En el %rá+ico ?E+ic. $s. @- tra1ar hori1ontales # trans+erir los $alores de ?@ para cada ?E+ic@ constante al %rá+ico ?( $s. @ # bos"ue&e las cur$as sua$i1adas de isoe+iciencia para la turbina ,use 6o.as de papel 4ili4etrado . ota' !i utili1ó el a&uste de tendencia cuadrática en las cur$as de E+ic $s. entonces sería mucho más +ácil determinar analíticamente la intersección de *stas con las líneas hori1ontales.
,ISC*SI-+ 8 C&+CL*SI&+ES Analice "u* $alores alcan1an los parámetros característicos de las turbinas usadas en esta práctica ,7otencia mecánica- Cabe1al de Entrada- Caudal- 7otencia 9idráulica en las condiciones óptimas de +uncionamiento ,tanto para la Francis como la 7elton. PEn "u* condiciones de apertura del in#ector ,turbina 7elton o posición de álabes directores ,turbina Francis haría traba&ar Qd. estas turbinas ba&o ciertas condiciones de car%a E)pli"ue. P7ara "u* es 0til el %rá+ico de isoe+iciencia P7or "u* es una $enta&a tener picos má)imos achatados en E+ic. $s - encontró esta característica en las cur$as producidas en la práctica
PREG*+!"S ,E I+)ES!IG"CI-+% 6 PCuáles son los ran%os operati$os ,caudal # cabe1al de presión para turbinas tipo SaplanFrancis # 7elton D* e&emplos de centrales hidroel*ctricas en el Ecuador ,#a
sea en
+uncionamiento o en pro#ecto donde se utilicen estos tipos de turbinas ,al menos 8 plantas "ue utilicen turbinas tipo 7elton- 8 para la tipo Francis # al menos 6 planta "ue utilice la del tipo Saplan. Tabule cada planta se%0n el tipo # n0mero de turbinas- "u* cabe1al # caudal mane&a cada turbina. En base a estos datos recolectados estime la potencia hidráulica "ue %eneraría la planta. PDebería *sta ser cercana a la potencia nominal de la central P7or "u* 5 PCuál es el parámetro más importante para la selección del tipo de turbina "ue se empleará en un pro#ecto # de "u* +actores depende este parámetro PCuál es el $alor de este parámetro para las turbinas empleadas en esta práctica 8 7ara la turbina Francis- Pcómo puede %enerali1arse estos resultados para turbinas %eom*tricamente similares < PCuál es la +unción del cono di+usor en una turbina Francis
5) PEn "u* consiste el +enómeno de la ca$itación # cómo la e$itaría en la instalación de
una turbina
