1 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Departamento académico de ciencias de ingeniería
TEMA 3: MEDICION DE POTENCIA La importancia de un equipo se da por la capacidad de trabajo en la unidad de tiempo que pueda entregar.
La potencia desarrollada por la maquina no es la misma que se le da debido a las pérdidas que suscitan durante su funcionamiento, sin embargo existe, una potencia entregada al pistón por la sustancia de trabajo que es determinado mediante los llamados indicadores; conociéndose esta potencia como potencia indicada, para cuya determinación se pueden usar:
a) Indicadores tipo pistón b) Indicadores de diafragma equilibrado c) Indicadores ópticos d) Indicadores electrónicos
Los indicadores de tipo pistón se utilizan en máquinas alternativas de baja velocidad, tales como: turbinas a vapor, bombas, compresores compresores y motores de combustión interna.
Los indicadores de diafragma se usan para máquinas alternativas de alta velocidad.
Los indicadores ópticos han sido diseñados para 2000 rpm o más; de tal manera que los efectos de inercia pueden ser considerados despreciables.
Los indicadores electrónicos son útiles para un rango más amplio de velocidades, estando libre de los efectos de inercia.
Para un óptimo empleo de los l os indicadores debemos tener en cuenta lo siguiente:
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2 1. El volumen de los pasajes entre el cilindro y la cara inferior del elemento sensible debe mantenerse reducido. 2. La conexión del cilindro al indicador debe ser pequeño. 3. El indicador debe producir un área que sea posible determinarse con una precisión aceptable. 4. En el indicador se debe tener prefijado el ángulo de fase; tomando en consideración que cuando el pistón esta en un punto muerto el indicador debe encontrarse en un extremo de su carga. 5. El elemento sensible del indicador debe ser calibrado a las condiciones de su uso normal. 6. De emplearse un dispositivo reductor, este debe ser calibrado para su rango de reducción. 7. Para el sistema de reducción debe emplearse cuerdas especiales (pequeño estiramiento). 8. El papel donde se traza el diagrama debe estar asegurado con suficiente presión en el tambor. 9. En los motores de combustión interna, en particular, se presentan variaciones de ciclo a ciclo. De allí la necesidad de tomar un número suficiente de diagrama para obtener un promedio. 10. Debe tratar de evitarse la superposición de dos o más diagramas, por que confunde la toma de área con el planímetro. 11. El trazador de los diagramas debe mantenerse afilado.
Para medir potencia al freno se usan:
a) Dinamómetros mecánicos a fricción b) Dinamómetros hidráulicos c) Dinamómetros eléctricos d) Dinamómetros de aire e) Dinamómetros de transmisión
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3 RANGO DE APLICACIÓN DE LOS DINAMOMETROS DINAMOMETROS
RPM (máximo)
Potencia
Error probable
máxima (CV)
(%)
MECANICOS A FRICCION
a) De zapatas
2 000
10
1 – 5
b) De cinta
1 000
5
1
1 000
200
0.5 – 1
10 000
25 000
0.2 – 0.5
4 000
5 000
0.1 – 0.2
c) Alden
1 000
5 000
0.5 – 1
d) webb
3 000
200
1
e) De hélices
2 000
200
1 – 5
6 000
300
0.2 – 0.5
750 – 4 000
30 000
0.1 – 0.2
1 000
25
2
b) De torsión
1 000 – 3 000
50 000
1 – 5
c) Kenerson
1 500
100
2
c)
De
abrazaderas
de
maderas sobre cintas DE RESISTENCIA FLUIDA
a) Froude b) Westinghouse (tipo turbina)
ELECTRICOS
a) De corriente continua b)
Generador
eléctrico
de
transmisión DE TRANSMISION
a) Webber
1. DINAMOMETROS MECANICOS A FRICCIÓN Objetivo. Mediante un Freno de cinta (Prony) averiguar la potencia al eje que entrega
la turbina Pelton para diferentes cargas.
La potencia entregada por la turbina es absorbida por la fricción existente entre la faja y la volante. El efecto de fricción se controla por medio del cargado de pesas, aumentando ésta conforme se aumenta el cargado.
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4 Si deseamos medir potencias relativamente altas, debemos echar agua en la volante con la finalidad de producir enfriamiento de ésta, con la consiguiente evaporación del líquido.
El freno Prony presenta grandes dificultades para la disipación del calor y para mantener constante el par resistente, por ello su uso se limita para le medición de bajas potencias.
Veamos la representación esquemática:
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5 F: fuerza registrada en la balanza W: carga f: fuerza de fricción R: radio de la volante
Sabemos que la potencia al freno (al eje) P B es:
PB = f.R. PB = (F W).R. –
Donde: f = F – W
Turbina Pelton Esta turbina hidráulica es una turbomáquina donde la presión del agua no varía (presión atmosférica). Esta turbina es de admisión parcial dado que todas las paletas no están constantemente en contacto con el agua.
Por lo general, la turbina Pelton es recomendable para relativos grandes saltos y bajos caudales.
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6 2. DINAMOMETRO HIDRAULICO Objetivo. Medición de la potencia al freno, con el dinamómetro hidráulico Froude, en
la turbina a gas para diferentes cargas.
En el dinamómetro hidráulico el cambio de cantidad de movimiento del agua sustituye a la fricción entre sólidos.
Se componen de un rotor consistente en dos platos y de una envuelta o estator; en el freno, el rotor está provisto de cavidades con perfil de toberas, que le imprimen al agua un aumento de velocidad siendo el cambio de cantidad de movimiento, el que permite realizar el efecto contrario al giro del eje del motor. Las variaciones de carga se obtienen variando la separación entre los platos del rotor.
Durante su funcionamiento el agua llena las cavidades del freno y es lanzado al exterior, pasando previamente por el conjunto de toberas del rotor, realizando la acción de frenado.
La resistencia que el agua opone a la rotación del rotor reacciona sobre el estator produciendo un par igual al par motor, este par se mide por medio de una balanza aplicada en la extremidad del brazo que ll eva el estator.
Dado que tenemos una circulación continua de fluido, en el dinamómetro se le utiliza para potencia mucho mayores que l os dinamómetros de fricción mecánica. La potencia que absorbe el dinamómetro Froude varia aproximadamente con el cubo de la velocidad angular; está limitado por la resistencia mecánica de la instalación; por la cantidad de agua que puede circular.
Turbina a gas Estas turbinas se dividen en turbinas de combustión a volumen constante y a presión constante, la primera posee válvulas de aspiración y de escape en la cámara de combustión.
La turbina a volumen constante tiene teóricamente la ventaja de permitir, a igualdad de temperatura en el rotor, una temperatura máxima del ciclo en la cámara de
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7 combustión mucho más alta que en la turbina de combustión continua (presión constante) y por tanto un rendimiento térmico ideal más alto.
En la práctica, sin embargo, el sistema presenta muchos inconvenientes mecánicos debido a la presencia de las válvulas, así como inconvenientes aerodinámicos debido a las variaciones de flujo de gas a través de los chorros dirigidos sobre las paletas del rotor. Las turbinas a gas se caracterizan por trabajar a altas temperaturas y tener bajas eficiencias, se usa en plantas térmicas.
Órganos principales de la turbina a gas a) Compresor b) Cámara de combustión c) Sistema de alimentación del combustible d) La turbina e) Intercambiador de calor (calentamiento del aire dirigido a la cámara por los gases de escape) f) Motor de arranque y encendedor (bujía)
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8 En el caso de una turbina a gas a presión constante, trabaja siguiendo el ciclo Brayton: el aire entra al compresor, es comprimido adiabáticamente de 1 a 2, la combustión tiene lugar de 2 a 3 a presión constante, donde hay una entrega de calor por parte del combustible, de 3 a 4 se produce la expansión adiabática en los conductos de la turbina, a partir del punto 4 l os gases se descargarán al exterior.
3. DINAMOMETRO ELECTRICO Objetivo. Medir la potencia al freno con el dinamómetro eléctrico en la Bomba turbina,
para diferentes etapas.
El dinamómetro eléctrico de campo basculante o de cuna, consiste esencialmente en una maquinas corriente continua en derivación que puede funcionar indiferentemente como motor o como generador.
Como el dinamómetro hidráulico, el dinamómetro de campo basculante está montado sobre cojinetes de bolilla, de modo que la rotación del estator, que contiene el campo, solo está limitado por el brazo basculante. La fuerza que fue aplicada al extremo del brazo basculante equilibra el estator, se mide por medio de una balanza (o pesas). El dinamómetro de campo basculante en rigor no es un dinamómetro de absorción. La parte principal de la potencia de entrada es convertida en energía eléctrica, la que puede disiparse en un banco de resistencias (por ejemplo focos incandescentes).
Para generar energía eléctrica hay que cortar líneas de fuerza. Esto tiende a hacer girar el estator, además todos los rozamiento, tales como los de venteo y de fricción
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9 en los cojinetes tiene a producir el mismo efecto. Así la fuerza equilibrante es una función de la potencia de salida del generador más las pérdidas, suma que es igual a la potencia de entrada.
El dinamómetro de campo ofrece la ventaja sobre los demás tipos de dinamómetros de poder funcionar como motor, se utiliza, por lo tanto, para determinar la potencia de entrada absorbida por ventiladores, bombas, compresores, etc.
Además, es conveniente para el ensayo de motores de combustión interna, porque se le puede aprovechar para el arranque del motor y para determinar la potencia entregada por el motor de corriente continua.
PB = F.L. =
F: carga L: brazo : velocidad angular
V: voltaje I: amperaje : eficiencia del generador
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10 Turbina Francis Esta turbomáquina hidráulica motora, transforma la energía de fluido en energía mecánica.
La presión del agua varia en los alabes por lo que se les denominas turbinas de reacción, el rodete se encuentra totalmente inundado, siendo así de admisión total.
A la salida, esta turbina posee un tubo de aspiración el cual incremente la potencia entregada. La turbina Francis se prefiere para grandes caudales y bajos saltos.
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