Lab 07 Potencia - Velocidad

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

LAB. DE

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

1

INGENIERIA MECANICA I

INDICE

INTRODUCCION

pg.

2 OBJETIVOS FUNDAMENTO TEORICO MATERIALES Y pg. 13 PROCEDIMIENTO pg. 16 DATOS

pg. 26

DE

OBTENIDOS

pg.2 OBSERVACIONES pg. 2" BIBLIO#RAFIA

EQUIPÒS

LABORATORIO Y

!

pg. 3 pg. 4 UTILIZADOS

RESULTADOS CONCLUSIONES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

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INTRODUCCI$N En el presente informe realizaremos el laboratorio de medición de pote potenc ncia ia y velo veloci cida dad, d, nues nuestr tra a prim primer era a expe experi rien enci cia a se será rá la de calcular la potencia eléctrica, la potencia al eje y la potencia indicada en el compresor de baja presión, para lo cual tomaremos los datos convenientes, y con éstos la eciencia mecánica. En la seunda experiencia será la de calcular la potencia al eje !ue entrea la "urbina #rancis para diferentes caras mediante un freno de cinta $faja% para lo cual tomaremos datos de &'( )aciendo uso de un tacómetro tacómetro diital, diital, la potencia potencia )idráulica, )idráulica, as* como datos datos de cara cara de las pesas y las le*das por medio de lo !ue nos marcará la lectura del dinamómetro, de acuerdo a éstos datos )allaremos la eciencia total. +simismo proporcion ionaremos rácos !ue nos indi!uen el comportamiento de la potencia con respecto a alunos parámetros f*sicos.  para un mayor entendimiento entendimiento de los ensayos adjuntaremos adjuntaremos material ráco de los e!uipos as* como los es!uemas de instalación.


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-


OBJETIVOS os principales objetivos del presente laboratorio son/ 

0onocer los diferentes tipos de potencia !ue se pueden medir en una má!uina y las relaciones !ue se pueden denir entre ellas.



0onocer y aprender los métodos para poder calcular los diferentes tipos de potencia.



0onocer el funcionamiento de los diferentes e!uipos de medición



de potencia. eterminar la potencia indicada, potencia al eje y la potencia eléctrica del compresor de baja presión, as* como su eciencia mecánica.



Encontrar la potencia al eje $'otencia mecánica% !ue entrea la "urbina #rancis a partir de los datos !ue nos da el freno de cinta $'rony%.



Encontrar la potencia )idráulica !ue enera la "urbina #rancis a partir de datos de alturas, debido a la ca*da de aua.



+nalizar los diferentes valores de la velocidad anular del eje de la turbina al ser sometido a un frenado al arear peso a la cinta.


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


FUNDAMENTO TEORICO M%QUINA ROTATORIA E!uipo capaz de utilizar la rotación de un eje para producir, enerar, transformar, transmitir, intercambiar ener*a entre dos o más entes. 'or ejemplo turbinas, bombas, etc. a

importancia de un e!uipo se da por la capacidad de trabajo en la unidad de tiempo !ue pueda entrear $'otencia%. a potencia de una má!uina es fundamental, ya !ue se desarrolla, transmite y absorbe en má!uinas rotativas y otros dispositivos. +lunas má!uinas como turbinas, má!uinas de vapor y motores de combustión interna desarrollan potencia.

POTENCIA Es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es e!uivalente a la velocidad de cambio de ener*a en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, se3n !ueda denido por/ onde/


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• • •

' es la potencia E es la ener*a o trabajo y t es el tiempo

POTENCIA &TIL #recuencia con !ue se desarrolla o recibe trabajo 53til6.

POTENCIA AL FRENO Y POTENCIA EN EL EJE' a potencia de salida de las má!uinas de vapor se determinaba antes por medio de un freno. 'or lo tanto, la potencia entreada por las má!uinas de vapor se llamaba potencia al freno. El término )a persistido y se lo usa también en relación con los motores de combustión interna. a potencia entreada por las turbinas y los motores se llama potencia en el eje. "ambién se usa este término para indicar la potencia de entrada en el eje de compresores, ventiladores y bombas. ebe observarse !ue tanto la potencia al freno como la potencia en el eje denotan la potencia entreada por la má!uina al exterior en el caso de un motor o la potencia tomada del exterior por la má!uina cuando ésta consume potencia. a potencia entreada al eje de una turbina por el vapor o el as, por intermedio de las ruedas o paletas, se conoce como potencia interna. + causa de las pérdidas por fricción, parte de la potencia interna se pierde. 'or lo tanto, la potencia entreada por la turbina $potencia en el eje% es menor !ue la potencia interna. 7ay dos métodos básicos para medir la potencia de salida de los motores, se3n se basen en los instrumentos denominados dinamómetros de absorción, o en los llamados dinamómetros de transmisión. El tipo de absorción absorbe toda la potencia producida y, por lo tanto, su uso debe restrinirse a la predicción de los !ue una má!uina, turbina o motor )ará en circunstancias dadas. El tipo de transmisión, en cambio, es de valor para determinar la potencia realmente entreada en funcionamiento. os dinamómetros de absorción pueden ser clasicados de la manera siuiente/ a%

inamómetros mecánicos a fricción.


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b% c% c%

inamómetros )idráulicos. inamómetros de aire. inamómetros eléctricos

() D*+(,-,/0 ,+* ( 50**-+. a potencia entreada por la turbina es absorbida por la fricción existente entre la faja y el volante. El efecto de fricción la controlamos por medio del carado de pesas aumentando ésta, conforme se aumenta el carado. 9i deseamos medir potencias relativamente altas debemos de arear aua en la volante con la nalidad de producir el enfriamiento de ésta, con la consiuiente evaporación del l*!uido. El freno de faja presenta randes dicultades para la disipación del calor y para mantener constante el par resistente, por ello su uso se limita para la medición de bajas potencias. + continuación se muestra una variante del freno de prony/

7) D*+(,-,/0 8*90:;*. En el dinamómetro )idráulico la fricción de un :uido se sustituye por la fricción entre sólidos. 9e compone de un elemento rotativo en el interior de una caja parcialmente llena de aua. ado !ue puede )aber una circulación continua de :uido por el dinamómetro, el dinamómetro )idráulico puede ser construido para potencias muc)o mayores !ue el anterior.

) D*+(,-,/0 9 (*0.


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<


7ay muc)as variantes del dinamómetro de aire. 9e los llama frenos de aire o frenos de ventilador. a mayor parte de ellos se basan en la fricción entre el elemento rotativo y la atmósfera libre para absorber la potencia, aun!ue en alunos casos el elemento rotativo está parcialmente cerrado para aumentar su capacidad de absorción de potencia. a potencia absorbida a una velocidad dada no puede variarse sin )acer cambios mecánicos= además, la capacidad para absorber potencia es escasa, a3n a randes velocidades.

9) D*+(,-,/0 ;</0*. El dinamómetro de campo basculante consiste esencialmente en una má!uina de c.c. en derivación !ue puede funcionar indiferentemente como motor o como enerador. El dinamómetro de campo basculante en rior no es dinamómetro de absorción. a parte principal de la potencia de entrada es convertida en ener*a eléctrica la !ue puede disiparse en un banco de resistencias.

'ara )allar la potencia en nuestro experimento deducimos !ue la potencia es/ BHP =

T . RPM .2π 60

0omo el tor!ue &'( en este caso



r

9er*a el de fricción entonces/ #friccion> #f > ; ? # "> #f.r > $;@#%.r BHP =

(W − F ).r . RPM .2π 60

;

#



POTENCIA INDICADA' a potencia indicada está siendo entendida como la potencia entreada a la cara del pistón o por ella. 'ara el caso de compresores el motor es el !ue entrea potencia, en este caso al aire para comprimir este.


B

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Existe una potencia !ue entrea el pistón a la sustancia de trabajo, !ue es determinada mediante los llamados indicadores de diarama, estos son Cndicadores del tipo pistón.   

Cndicadores de diaframa de e!uilibrio. Cndicadores ópticos. Cndicadores electrónicos.

os indicadores del tipo pistón se utilizan en má!uinas alternativas de baja velocidad, tales como má!uinas a vapor, bombas, compresores y motores de combustión interna. os indicadores de diaframa se usan para má!uinas alternativas de alta velocidad. os indicadores ópticos )an sido diseDados para 2 rpm o más, de tal manera !ue los efectos de inercia puedan ser considerados despreciables. os indicadores electrónicos son 3tiles para un rano más amplio de velocidades estando libre de los efectos de inercia. a potencia desarrollada por la má!uina no es la misma !ue se le da debido a las pérdidas !ue se suscitan durante su funcionamiento. En la transmisión de la potencia una parte de ella se pierde inevitablemente a causa de la fricción. a p/+*( *+9*(9( es la potencia entreada a la cara del pistón o por ella.

' T(=:>,/0 9 ,(+

a presión media indicada $'mi% se obtiene con el indicador de diarama 'mi !ue es un instrumento prove*do de un soporte !ue nos reistra el ciclo termodinámico !ue9se suscita en escala reducida.

l

A


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9 > área del ciclo termodinámico G > constante del resorte  > lonitud del diarama 'mi >

P

. G P mi

=

SxK L



 el C7' $'otencia Cndicada%/ IHP =

P mi .Vd .n.RPM .2π 60.τ

onde/ H> numero de cilindros τ > 1 ó 2 dependiendo de los tiempos del motor.

F


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1


I+9*(90 9; /*p 9 p*/-+

POTENCIA POR FRICCION a potencia por fricción se )alla com3nmente por diferencia entre la potencia indicada y la potencia en el eje o entreada/ #7'> C7'@I7'


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iarama de cuerpo libre

W + f = D f = D − W

P B

=

f × R × ω

onde/ f

/ #uerza de fricción.

;/ 0ara.  / #uerza reistrada en el dinamómetro. & / &adio de la volante. 'I/ 'otencia al eje. / Aelocidad anular $radJs%

ω

TURBINA FRANCIS a turbina #rancis fue inventada por Kames I. #rancis a nales del silo LL. Es una turbina de reacción, radial, de admisión total y descara axial con tubo de aspiración.


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a turbina #rancis )a evolucionado muc)o en el curso de este silo, encontrando buena aplicación en aprovec)amientos )idráulicos de caracter*sticas muy variadas de cara y caudal, tal es as*, !ue existen dic)as turbinas con saltos de aua de - metros como también en saltos de 44 metros y a caudales !ue a veces alcanzan 2m-Js y otras de sólo 1m-Js. Esta versatilidad )a )ec)o !ue esta turbina sea la más eneralizada en el mundo )asta estos momentos. • • • • •

os óranos o componentes principales de la 0arcasa o caja espiral. istribuidor ó alabes directrices. &odete móvil o rotor. "ubo de aspiración. El rodete o parte móvil de la turbina, constituido por un cierto n3mero de paletas o álabes !ue, en este tipo de turbinas, tienen sus extremidades externas inferiores unidas por una corona !ue les envuelve= el n3mero de álabes oscila, por lo eneral entre 18 y 21 y depende del tipo de construcción. Este rodete se construye de c)apa de acero para las turbinas de pe!ueDa potencia y de fundición para las de potencia mediana y de acero colado para las de ran potencia. 'ara relar el caudal !ue entra en el rodete, se utilizan las paletas directrices situadas en forma circular, y cuyo conjunto se denomina distribuidor. 0ada una de las paletas directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma !ue llean a tocarse en la posición de cerrado, en cuyo caso el caudal recibido por el rodete es máximo. El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil a al !ue están unidas todas las paletas directrices, y este anillo móvil, a su vez esta accionada por el reulador de velocidad de la turbina. El aua después de pasar por el rodete, impulsando este y )aciéndolo irar, sale por un tubo !ue se denomina tubo de aspiración el cual cumple un doble propósito. a% Mtilizar la diferencia de niveles !ue existen entre el punto de salida de la turbina y el nivel aua a bajo, denominada altura estática de succión. b% &ecuperar por su forma diverente parte de la ener*a cinética !ue lleva el aua al salir de la turbina. a altura recuperada es denominada como altura dinámica de succión.

TURBINA FRANCIS


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1-


(arca

/ +&(#CE 7&+MC0 EHNCHEE&CHN 0o.

td. &CHN;OO 7+&"9, EHN+H. "ipo / Hs -8 (G2 'otenci / 2,4 I7' a Aelocid / 1 &'( ad "amaDo nominal del rodete Aelocidad especica +ltura neta Aelocidad de embalamiento

/ / / /

8P -8 &'( 2 pies 1B &'(

máximo iámetro de la volante iámetro de entrada

/ 12P / 8P

ACCESORIOS "a!u*metro / 9(C"7 / @2 (anómetro &'( (arca / / 2 &'( 07+C Error H0O inamómetro (áx. &ano m 72O (arca / / @19+"CH Error 1 m G Aertedero &ano / @2 (áx. Error / 1 Escala /  @- cm. (áx. #orma / "rianular α>FQ 0oeciente de / ,8 descara Error (áx. / ,1 mm (arca &ano



Tablero de control

MATERIALES DEL E?PERIMENTO


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1




Compresores

de

alta y baja presión



1 Etapa 2 Etapa (baja Presion) (Alta Presion) !mero de cilindros 2 1 Carrera 101"# 101"# mm mm Planímetro $i%metro interior 101"# &#"2 mm mm 'olmen de desplaamiento 1"#*& 0"*#+ litros litros + 'olmen merto 2,-5 cm 2.-2 cm+ Presión m%/ima 10"+ bar 1+". bar elación de elocidades" +31 +31 motorcompresor E4iciencia de la transmisión 0",. 0",. ano de elocidades +00500 +00500 P6 P6 2 termómetros (de 100 y 150 °C)





7ndicador de diarama tipo pistón



Tacómetro



$inamómetro

6anómetro inclinado de lí8ido (mm de 92:)

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PROCEDIMIENTO MEDICION DE POTENCIA DEL COMPRESOR DE BAJA PRESION 1. Encender el motor eléctrico. "omar lecturas de los valores de corriente y voltaje para cada compresor.

2. "odos los valores reistrados, se )acen cada tres minutos, en dos ocasiones. +l cavo de esos tres minutos se toman las lecturas en simultáneo. -. (antener la presión del tan!ue de aire a B atm, dejando abriendo o cerrando la válvula del tan!ue.


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1<


. (edir las alturas cuidadosamente.

4. "omar las medidas de temperatura para la entrada y salida del aire.

8. "omar las medidas del n3mero de &'( para los valores de corriente y voltaje dados. ecturas del &'( para el compresor de baja presión.


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MEDICION DE POTENCIA DE LA TURBINA FRANCIS 1.@ lenar el tan!ue para el funcionamiento de la turbina #rancis. 9e )an de llenar ambos compartimientos, primero la sección de descara del vertedero, lueo, atreves de este, la sección más amplia. "odo esto se realiza mientras la turbina está apaada.

2.@El eje de la turbina está conectado a un sistema faja@disco, !ue permite realizar mediciones de fuerza y &'(s. Mn

disco amarillo, esta ensamblado al mismo eje de la turbina.

-.@'ara medir la fuerza, se utiliza un dinamómetro !ue está unido a una cara variable. Esta cara será la !ue iremos cambiando cada .4R, donde tomaremos medición de la lectura del dinamómetro y el valor le*do en el "+SMC(E"&O de &'(.


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1F


El disco cuenta con una lámina metálica. 0ada vez !ue esta lámina pasa por el "+SMC(E"&O detenido, como se muestra, este reistra un valor.

El valor recomendado es el de la primera lectura, puesto !ue la usaremos con el disco en movimiento. Este será nuestro &'(. El dinamómetro indicara el valor de la fuerza a la !ue está sometida la faja por acción de las caras y efectos de fricción entre la faja y el disco. 'ara cada variación de peso se toman medidas del valor arrojado por el dinamómetro.

.@0ada .4R, se realiza mediciones de &'(s, lectura de dinamómetro y altura del nivel de aua en simultáneo, tanto de ascenso, como en descenso. Estas mediciones deben )acerse rápidas dado !ue, por causas de fricción, la velocidad del disco disminuirá con la cara



4.@Mna vez acabadas las lecturas, se apaa el e!uipo.

C%LCULOS MEDICI$N DE POTENCIA DEL COMPRESOR DE BAJA PRESI$N

2


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A

C

1

$volt s% 2-

am p 1

2

2-

1-. F atos obtenidos/

#

+&E+ d R rpm cmT2 4. F 4. B

H

122 4 122 4

2.1 2.B

n>HJ-

)

rpm

mm)2 O 1<.4

2-

B

1B

22.4

B-

B.----B.-----

C(;:;(+9 ;( p0*-+ *+9*(9( "abla datos H rpm 1224 1224 e/

P mi= ´ Y . K

y

Pmi =

+&E+ d cmT2 2.1 2.B S

L

. K

onde/ G>constante del resorte > <2'9CJ'MN 9>área del ciclo termodinámico >lonitud del diarama 9e obtiene/ 'mi>1.B<822bar

 $m% .4 .4

"1$Qc "2$Qc % %



+demás/ P I =

Pmi . A . L . N 1

onde/ +>Urea del pistón >onitud del pistón H>&'( (otor a dos tiempos −4

P I =

1.87622 x 2.1 x 10

P I =2.413 kpa

1

x 0.05 x 1225

22


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2-


MEDICI$N DE POTENCIA DE LA TURBINA FRANCIS

$onde3 W3

Cara (Pesas) D3 ;era en el dinamómetro f 3 ;era de 4ricción N3 'elocidad anlar

TA<=A $E $AT:>

1 2 3 4 5 6 7

@ g)

Dg )

NS:7*9 () RPM)

 S:7*9( ) ,, 2O)

NB((9 () RPM)

 B((9( ) ,, 2O)

N P0,. ) RPM)

 P0,.) ,, 2O)

 .4 1 1.4 2 2.4 -.4

1.14 1.B 2.4 -. .4.2 <.1

14 1 1-B2 1-14 118B 18B BB-

14 141 1F 14 141 14 141

1412 18 1-4 12B1 111 B4 <41

14 1F 14 1F 142 18 141

1B142 1-88 12FB 111 F48.4 B1<

14 14 1F.4 1F.4 141.4 1B 141


2

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Con los 4ormlas anteriores ?acemos na tabla con los resltados3

Q ,3) .24 .24 .2-F .2-F .21B .1FB .2F

1 2 3 4 " 6 G

5g) 1.14 1.1.4 1.F 2.2.< -.8

P @) 28.-4 <1.F 412.24 818.44 848.<4 84.8<-4.-

P(g:( @) 212.F< 212.F< 21F.11F 21F.11F 21B.F2 2B.F 2181.B<-

T .21 .2224 .22B .2F2..2B4 .-

Nracas Obtenidas/

5g)  -.4 2.4 2 1.4 1 .4  1B-

f$R%

142

1-88

12FB

111

F48.4

B1<

.


24

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P @) B < 8 4  - 2 1  1B-

'eje $;%

142

1-88

12FB

111

F48.4

B1<

.

P(g:( @) 22 214 21

'aua $;%

24 2 1F4 1B-

142

1-88

12FB

111 F48.4

B1<

.


28


T . .-4 ..24

V"

.2 .14 .1 .4  1B-

142

1-88

12FB

111

F48.4

B1<

.

C+;:*+ ! R,+9(*+ •

•

•

a potencia eléctrica es mayor a la potencia al eje, debido a !ue siempre existen perdidas mecánicas en el motor, de esto se concluye !ue la eciencia del motor nunca es del 1W. a potencia indicada es menor !ue la potencia al eje. 'or tal motivo la ener*a mecánica !ue se tiene !ue entrear al eje del compresor es mayor !ue la necesaria para la compresión, en el valor de las pérdidas mecánicas. a potencia mecánica de la "urbina #rancis puede ser determinada de una manera indirecta utilizando el freno 'rony, pero esto es solo aplicable a turbinas de pe!ueDas potencias.


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2<


•

•

•

•

•

•

•

+ medida !ue aumentamos cara las &'( disminuyen debido a !ue se produce mayor fricción entre la faja y el canal del rodete. e los rácos concluimos !ue con la disminución de las &'( la potencia al eje empieza a aumentar, alo parecido con esta potencia ocurre con la eficiencia V ". (ientras tanto la 'otencia del +ua no var*a muc)o, es decir tiene un e!uilibrio a lo laro del proceso + menor n3mero de revoluciones aumenta la potencia al Eje y el "or!ue, la potencia es una función del "or!ue !ue se aplica. En la medición de potencia usando el freno 'rony, se recomienda tomar las lecturas de los diferentes parámetros lueo de un tiempo prudencial, ya !ue la fuerza de rozamiento disminuye poco a poco las revoluciones de la volante. 0uando el dinamómetro con la correa XzapateanX se recomienda presionar lieramente el eje de la auja del dinamómetro con el dedo, a n de restaurar el réimen constante de funcionamiento. ebemos ir aDadiendo en forma ascendente, pero radual las pesas al dinamómetro, para evitar incremento brusco de la fuerza de fricción conllevando a ello el freno de la volante, !ue se detendr*a por la saturación. + mayor cantidad de pesas !ue se colocan se produce un mayor rozamiento y se enera más calor, es decir !ue se libera más trabajo por ende en al3n momento la má!uina se parara.

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Lab 07 Potencia - Velocidad

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