INSTITUTO INSTITUTO POL ITECNICO ITECNICO NACIONAL E.S.I.M.E. E.S.I.M.E. CULH UA CA N
Laboratorio de ingeniería hidráulica Materia: Maquinas Hidráulicas Practica 1: TURBINA PELTON Grupo: 7MV3 Alumnos: Julio Misael Cabrera Ortiz Edgar Hernández Damián Luis Núñez Pineda Perezfana Martínez Roberto Manuel Daniel Alejandro de la Puente Chávez Carlos Alberto Reyes García
MARCO TEORICO Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora, de flujo transversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de doscientos metros. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.
La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia entre el eje de la rueda y el centro del chorro de agua se denomina diámetro Pelton. El agua acciona sobre las cucharas intercambiando energía con la rueda en virtud de su cambio de cantidad de movimiento, que es casi de 180°. Obsérvese en la figura anexa un corte de una pala en el diámetro Pelton; el chorro de agua impacta sobre la pala en el medio, es dividido en dos, los cuales salen de la pala en sentido casi opuesto al que entraron, pero jamás puede salir el chorro de agua en dirección de 180° ya que si fuese así el chorro golpearía a la pala sucesiva y habría un efecto frenante. La sección de entrada del fluido a la cuchara se denomina 1, así como 2 a la sección de salida. El estudio analítico de la interacción agua-pala puede ser sumamente complicado debido al desplazamiento relativo entre la pala y el chorro de agua. Por otro lado se simplifica el estudio de las turbinas Pelton a la sección cilíndrica del diámetro Faubert.
Así la energía convertida por unidad de masa de agua está dada por la ley de Euler de las turbomáquinas:
Dónde:
es la energía específica convertida. y es la velocidad tangencial de la cuchara en los puntos donde el agua llega y sale de la misma respectivamente. y son, respectivamente, las proyecciones de la velocidad absoluta del fluido sobre la velocidad tangencial de la cuchara en los puntos de llegada y salida de la misma.
Como la velocidad tangencial de rotación de la rueda Pelton es la misma en todos los puntos del diámetro Pelton (recuérdese la fórmula de la velocidad angular ) las velocidades y son iguales. Entonces la fórmula de Euler se puede simplificar:
La turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso, y es la más eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un salto de agua de gran altura. Dado que el agua no es un fluido compresible, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, al contrario que las turbinas que operan con fluidos compresibles.
Aplicaciones Existen turbinas Pelton de muy diversos tamaños. Hay turbinas de varias toneladas montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las turbinas Pelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en equipamientos domésticos. En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, se necesita menor caudal de agua para generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto, una presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal. Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes diámetros por rueda. Las grandes
instalaciones de encargo diseñan el par torsión y volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar.
Métodos de operación A) PRUEBA A VELOCIDAD VARIABLE
1.- VERIFIQUE QUE EL NIVEL DE AGUA COINCIDA CON EL VÉRTICE DE LA MUESTRA V DEL VERTEDOR 2.- VERIFIQUE QUE LA VÁLVULA DE LA BOMBA ESTÉ 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 0 DEL DINAMÓMETRO 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.- VARAR 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) Q GASTO O CAUDAL (M3/S) P/Y, 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 DEL DISCO
12.- CIERRE LA VÁLVULA DE AGUJA DE LA TURBINA 13.- CIERRE LA VÁLVULA DE LA BOMBA 14.- APAGUE LA BOMBA B) PRUEBA A VELOCIDAD CONSTANTE
PROCEDA DE LA FORMA INDICADA DESDE EL INCISO 1 HASTA EL 6 DE LA PRUEBA A 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 1000RPM, POR MEDIO DEL FRENO DEL DISCO, SOSTENGA SI ES NECESARIO (SI EN LAS PRIMERAS ABERTURAS DE LA VÁLVULA DE AGUJA NO SE ALCANZA L VELOCIDAD INDICADA CONTINUÉ 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 EL CUADRO DE DATOS A SU PROFESOR
CUADRO DE DATOS Cuadro de datos A Prueba a velocidad variable
LECTURAS
Concepto
NUMERO VUELTAS VALVULA VELOCIDAD N(RPM) PRESION DESCARGA DE BOMBA P/YESP(M.C.A) CAUDAL QB=QT(M3/S) FUERZA F (N)
DE DE
DE LA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
TA
TA
TA
TA
TA
TA
TA
TA
TA
TA
0
400
600
700
800
900
1000
1200
1400
1600
40
38
38
38
38
38
38
38
38
38
5.4
5.4
5.4
5.4
5
5
5
5
5
5
50
4500 4000 4000 3500 3450
3000
2500
2000
1250
CUADRO DE DATOS b PRUEBA A VELOCIDAD CONSTANTE Concepto
NUMERO DE VUELTAS DE VALVULA VELOCIDAD N(RPM) PRESION DE DESCARGA DE LA BOMBA P/YESP(M.C.A) CAUDAL QB=QT(M3/S) FUERZA F (N)
LECTURAS 1
2
3
4
5
6
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
0
49
48
47
46
44
42
41
40
39
5.4
5.4
5.4
5.4
5
5
5
5
5
5
0
650
1100 1500 1600 2200 2500
2600
2700
3000
EJEMPLO DEL CÁLCULO Efectué los cálculos para cada una de las lecturas para ambas pruebas de acuerdo a las siguientes relaciones y presente un ejemplo numérico de cada inciso: Nota: obtenga los resultados en las unidades que se indican entre paréntesis a) Carga de velocidad sobre la turbina: Nota: utilice el caudal promedio solo para la prueba con condiciones hidráulicas constantes. Para el caso de la prueba con condiciones variables, tome el valor que tomo para cada lectura.
(Pulg.) ( )
B) carga efectiva Hn, sobre la turbina:
(m)
c) Par T, generado por la turbina:
d) velocidad angular m; de la turbina:
E) potencia hidráulica Nh sobre la turbina;
F) potencia mecánica generada por la turbina Nm:
g) rendimiento total de la turbina :
Grafica de resultados ELABORE UN FORMATO DONDE PRESENTE CADA UNA DE LAS GRAFICAS DE COMPORTAMIENTO DE LA BOMBA QUE SE PIDEN QUE CONTENGA LOS SIGUIENTES DATOS: ELABORE EN EL FORMATO ANTERIOR LAS SIGUIENTES GRAFICAS
Prueba a velocidad variable 3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Prueba a velocidad constante 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
FOTOS DE LA PRÁCTICA:
CONCLUSIONES: SE PUDO OBSERVAR EL FUNCIONAMIENTO REAL DE LA TURBINA PELTON EN DIFERENCIA A LOS CALCULOS. LOGRAMOS ENTENDER QUE COMO MAQUINA HIDRAULICA PUEDE ALCANZAR GRAN EFICIENCIA. EL MANEJO DE LOS CAUDALES ES MUY PEQUEÑO EN COMPARACION CON OTRAS MAQUINAS, A ESTE TIPO DE TURBINA CUANDO LA VIMOS FNCIONANDO NOS SORPRENDIÓ LAS GRANDES VELOCIDADES QUE PUEDE LLEGAR A DESARROLLAR,
