INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA “CULHUACAN”
Lab. De Maquinas Hidráulicas
PRACTICA 2: Turbina Pelton
“
”
NOMBRE DE LOS ALUMNOS:
-HERRERA REYES ELIAS -ROMAN DIAZ PAOLI -SIERRA MORALES SONIA -VAZQUEZ RAMIRES CESAR AUGUSTO -ZAMUDIO SANCHEZ EDUARDO
NOMBRE DEL PROFESOR:
- Luciano Andrés Galicia Rosas
GRUPO: 7MM1
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Objetivo:
Observar y analizar el comportamiento de una turbina Pelton funcionando en distintas condiciones de operación y calcular la potencia que desarrolla al freno , su carga hidráulica de trabajo , el rendimiento y graficar las curvas características en pruebas a velocidad constante y variable.
MARCO TEORICO
Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%.
Cazoletas.- En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencia; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, Fig III.2, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros. El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al
2
cauce inferior. Inyector.- El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica.
El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire. Con el fin de asegurar una buena regulación, conviene diseñar el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo. La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática mediante un servomotor. Tiene además otro sistema de regulación por desviación del chorro, que consiste en una superficie metálica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil. De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubería, por cuanto el caudal que circula por ésta continua siendo el mismo, Fig III.5.
3
Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el eje de salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo diámetro se denomina diámetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo de la turbina, sin interferir el giro del rodete. Cuando el número de inyectores es dos, la turbina puede ser también de eje horizontal, disponiéndose los chorros según dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton, inclinadas un mismo ángulo 30º, saliendo el agua de las cucharas sin interferir al rodete, Fig III.5.
≅
Para un número superior de inyectores, Fig III.4, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser horizontal, sería imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las cucharas. Un chorro bien diseñado no debe tener un diámetro d superior a 27 cm, por lo que para establecer el número de inyectores hay que partir de la condición de que su diámetro no sea superior a este límite, teniendo en cuenta a su vez, el límite superior impuesto por la velocidad específica por chorro, en función del salto.
4
El hecho de sustituir un número de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un mayor número de inyectores de dimensiones más pequeñas, permite construir turbinas de mayor diámetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos límites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, así como la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto más frecuentes cuanto mayor sea el número de chorros. REGULACIÓN.- 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 se ajusta mediante un regulador que actúa según la velocidad de la turbina y en el caso más general, en forma automática, Fig III.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 émbolo 8, con lo que la palanca 2 bajará y el deflector 6 cortará al chorro desviando una parte del mismo. El punzón 5 que estaba retenido por la palanca 2 no avanza solidariamente con ésta, debido al huelgo de la hendidura a 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 de la aguja 5 hacia atrás y llevando, simultáneamente, el deflector a su posición primitiva. Cuando se utilizan grandes caudales de agua y se emplee 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 en z y a igualdad de diámetro del rodete la turbina adquiere una velocidad angular mayor.
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DIAGRAMA UNIFILAR
I.
MÉTODO DE OPERACIÓN A) PRUEBA A VELOCIDAD VARIABLE 1. Verifique que el nivel del agua coincida con el vértice de la muesca V del vertedor 2. Verifique que la válvula de la bomba este cerrada y el freno de la turbina libre. 3. Proceda de igual forma, con la válvula de aguja de la turbina 4. Ajuste la lectura a cero del diámetro 5. Ponga a funcionar la bomba. 6. Abra la válvula de la bomba completamente de manera lenta. 7. Abrir totalmente la válvula de aguja 8. Variar la velocidad angular como se indica en el cuadro de datos por medio del freno de disco, sostenga la velocidad si es necesario. 9. Al alcanzar la velocidad indicada, tomar las siguientes lecturas:
n, velocidad (RPM) 3
Q, gasto o caudal (M /s)
P/γ presión de descarga (m.c.a)
F, Fuerza en el dinamómetro (N)
10. Efectuar la operación 8 y 9, para cada una de las lecturas del cuadro de datos 11. Anotadas todas las lecturas, libere el freno. 12. Cierre la válvula de aguja de la turbina 13. Cierre la válvula de la bomba. 14. Apague la bomba.
6
B) PRUEBA A VELOCIDAD CONSTANTE Proceda de la forma indicada desde el inciso 1 hasta el 6, de la prueba de velocidad variable. 7. Abrir la válvula de aguja de la turbina como se indica en el cuadro de datos. 8. Establecer la velocidad angular de la turbina en 1000 rpm, por medio del freno del disco, sostenga si es necesario (si en las primeras aberturas de la válvula de aguja no se alcanza la velocidad indicada. Continúe con la siguiente) 9. Anotadas las lecturas afloje el freno del disco. 10. Cierre la válvula de la turbina. 11. Cierre la válvula de la bomba. 12. apague la bomba, y muestre su cuadro de datos al profesor.
I.
CUADRO DE DATOS
CUADRO DE DATOS A PRUEBA A VELOCIDAD VARIABLE Concepto Número de vueltas de válvula Velocidad n(RPM) Presión de descarga de la bomba
lectura 4 5 6 7 ABIERTA COMPLETAMENTE
1
2
3
8
9
10
0
400
600
700
800
900
1000
1200
1400
1600
38
38
38
38
38
38
38
39
39
39
10
11
11
11
11
11
11
10
10.5
13
5
90
85
81
80
68
62
58
40
11
P/γesp
(m.c.a) Caudal Q b=Q t(m^3/s Fuerza F (N)
7
CUADRO DE DATOS B PRUEBA A VELOCIDAD CONSTANTE Concepto Número de vueltas de válvula Velocidad n(RPM) Presión de descarga de la bomba
Lecturas 5 6
1
2
3
4
7
8
9
10
1 1/2
2
2 1/2
3
3 1/2
4
4 1/2
5
5 1/2
6
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
49
49
45
44
43
41
40
39
39
39
6
7
7.5
8.5
9
9.5
10
10.5
10.5
10.5
26
30
39
50
55
57
61
63
63
63
P/γesp
(m.c.a) Caudal Q b=Q t(m^3/s) h= Fuerza F (N)
Ssff
CÁLCULOS RESULTADOS DE PRUEBA A VELOCIDAD VARIABLE
a) Carga de velocidad sobre la turbina
1.- Q=0.001814
2.- Q=0.001814
8
3.- Q=0.002156
;
4.- Q=0.002534
5.- Q=0.003402
;
6.- Q=0.003894 7.- Q=0.004427 8.- Q=0.012 9.- Q=0.012 10.- Q=0.012
b) Carga efectiva sobre la turbina
donde:
c)
Par, T = Fr
d) Velocidad angular m; de la turbina
e) Potencia hidráulica Nh, sobre la turbina Nh = γ Q H m
( ) 9
f)
Potencia mecánica generada por la turbina Nm
( ) g) Rendimiento total de la turbina η
RESULTADOS DE PRUEBA A VELOCIDAD CONSTANTE
a) Carga de velocidad sobre la turbina
;
b) Carga efectiva sobre la turbina
donde:
;
10
c)
Par, T = Fr
d) Velocidad angular m; de la turbina
e) Potencia hidráulica Nh, sobre la turbina Nh = γ Q H m
( )
f)
Potencia mecánica generada por la turbina Nm
( ) g) Rendimiento total de la turbina η
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Vertedero triangular
El disco y el tacómetro ,tomando datos…
Tablero de control 12
GRAFICA DE RESULTADOS
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CONCLUSIONES
En esta practica aprendimos el funcionamiento de una turbina pelton, por medio de los resultados obtenidos en la practica se graficaron las curvas características de la turbina, durante el proceso de la practica se reafirmaron los conocimientos adquiridos teóricamente. Se cumplió con el objetivo y los resultados obtenidos en Zamudio Sanchez Eduardo la practica son satisfactorios Se puede observar que la turbina presenta mayor rendimiento mecánico con 4.091 RPM , esto se debe a que a estas revoluciones se presenta un torque relativamente alto y una velocidad tangencial de modulo mediano esto no resulta un BHP alto y un HPr mediano, por eso solo se obtiene un rendimiento del 84.9%. Es decir que si se desea mayor rendimiento mecánico las RPM deberían de ser mayores (pero hasta un limite para no afectar el rendimiento hidráulico) para obtener un BHP mucho mas alto y lograr disminuir el HPr. BIBLIOGRAFIA -Título: Mecánica de Fluidos y maquinas hidráulicas Autor: Claudio Mataix Editorial: Oxford University http://books.google.com.mx/books/about/Aut%C3%B3matas_programables_y_sistemas_de_a u.html?id=5jp3bforBB8C&redir_esc=y - http://www.prepa9.unam.mx/academia/cienciavirtual/sensores.htm
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