UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
EXPERIENCIA 2: TURBINA FRANCIS EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: ING. MANUEL TOLEDO LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA 2 – MN 463 A
UNIDAD EJECUTORA: GRUPO 2 CHANCATUMA HUAMAN JESUS EVANGELISTA CUBAS JOSE POMARROSA TORRES JUAN SALGUERO LUNA RUBEN
FECHA DE REALIZACION: 16 DE SETIEMBRE DEL 2013. FECHA DE ENTREGA: 23 DE SETIEMBRE DEL 2013.
2 RESUMEN TÉCNICO
Las actividades del presente informe de laboratorio fueron realizadas el 16 de Setiembre en horas de la tarde: 1 – 4 pm, en el Laboratorio N°05 de la Universidad Nacional de Ingeniería.
El grupo comenzó con una demostración del uso de la Turbina Francis realizada por el Ing. Manuel Toledo, la instrucción consistió en la toma de datos de la variación de las rpm del eje y de la fuerza en el dinamómetro, mientras se aumentaba la carga (es decir, cuando se ponían mas pesas), este ensayo se comenzó sin carga, a una presión estática de 5 psi y se fueron aumentando las pesas en 500 gramos, hasta llegar a los 4kg. Se realizaron dos ensayos: con los álabes directrices 100% abiertos y con los álabes directrices 50% abiertos.
Con la experiencia, se logró el aprendizaje del funcionamiento de una central hidroeléctrica, saber cuán importante es el conocimiento y la influencia de la variación de los álabes directrices (reguladores del área de ingreso del caudal al rodete) y la velocidad del eje, en la generación de potencia, para así obtener una mayor eficiencia total.
3 ÍNDICE
Página Introducción
4
Marco Teórico
5
Equipos utilizados
9
Procedimiento 1
12
Procedimiento 2
16
Comparación de resultados
20
Conclusiones
22
Bibliografía
23
Observaciones
24
4 INTRODUCCIÓN En la actualidad, los motores hidráulicos que se utilizan en centrales eléctricas, son las denominadas turbinas hidráulicas, cuyo principio de funcionamiento es el mismo que el de las ruedas hidráulicas; sin embargo, se diferencian en su construcción y en las mayores velocidades desarrolladas en las turbinas, de forma que su eficiencia es mucho más elevada, que el de las ruedas hidráulicas y además pueden construirse para potencias mayores.
Normalmente las condiciones hidráulicas de un proyecto fijan solamente dos de los tres parámetros característicos: salto neto, caudal y potencia. Casi siempre el salto neto es una premisa y le queda por definir al proyectista el caudal y la potencia, dejándose ésta última a criterio del fabricante de la máquina. Conocidos estos parámetros, se puede seleccionar un tipo determinado de turbina, a través del conocimiento de parámetro de diseño como son: el número específico de revolución de potencia (Ns) o la cifra de rotación.
La turbina Francis ha evolucionado mucho en la actualidad, encontrando una excelente aplicación en aprovechamientos hidráulicos de características muy variadas de carga y caudal, tal es así, que existen dichas turbinas con saltos de agua de 30 metros como también en saltos de 550 metros y con caudales que a veces alcanzan 200 m 3/seg y en otras ocasiones de sólo 10 m 3/seg. Esta versatilidad ha hecho que esta turbina sea la más generalizada en el mundo en estos momentos.
El objetivo del presente informe es conocer más de cerca el funcionamiento y la importancia de esta turbina en la simulación de una central hidroeléctrica, y saber realizar el cálculo de la potencia hidráulica, potencia al eje, eficiencia mecánica, eficiencia hidráulica y eficiencia total.
Esperamos que el presente informe sea de su agrado y sirva como un documento de referencia académica para la formación de los estudiantes de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería.
LOS AUTORES
5 MARCO TEORICO: TURBINA FRANCIS
La Turbina Francis fue inventada por James B. Francis a finales del siglo XIX, es una turbina de reacción, radial, de admisión total y descarga axial con tubo de aspiración.
Consideraremos la siguiente clasificación, en función de la velocidad específica del rodete, cuyo número de revoluciones por minuto depende de las características del salto:
Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más).
Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20m)
Turbinas Francis rápidas y extra rápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20m).
Los componentes principales de la turbina Francis son la carcasa (caja espiral), distribuidor (álabes directrices), rodete móvil (rotor) y el tubo de aspiración.
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO – TURBINA FRANCIS
6 El rodete o parte móvil de la turbina, constituido por un cierto número de paletas o álabes que, en este tipo de turbinas, tienen sus extremidades externas inferiores unidas por una corona que les envuelve; el número de álabes oscila, por lo general, entre 16 y 21 y depende del tipo de construcción.
Para regular el caudal de agua que entra en el rodete su utilizan las paletas directrices situadas en forma circular. Cada una de las paletas directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posición de cerrado, en cuyo caso el caudal de agua recibido por el rodete es máximo. El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil, al que están unidas todas las paletas directrices, y este anillo móvil a su vez está accionado por el regulador de velocidad de la turbina.
El agua después de pasar por el rodete, impulsando a ésta y haciéndolo girar, sale por un tubo que se denomina tubo d e aspiración el cual cumple un doble propósito:
Utilizar la diferencia de niveles que existe entre el punto de salida de la turbina y el nivel agua abajo, denominada altura estática de succión.
Recuperar, por su forma divergente, parte de la energía cinética que lleva el agua al salir de la turbina. La altura recuperada es denominada como altura dinámica de succión.
FORMAS DE LOS TUBOS DE ASPIRACIÓN. (a) Tipo cónico (b) Tipo campana (c) Tipo curvo
7 REGULACIÓN DE LA TURBINA FRANCIS El objeto que persigue la regulación es doble: debe estar dispuesta de tal forma que se acomode a funcionar a las condiciones variables que presenta todo salto ya que si disminuye el caudal y la turbina conserva la misma sección de salida, pronto empezará a bajar el nivel de la cámara de agua disminuyendo así la potencia y por lo tanto se hace indispensable establecer una disposición que permita en tales casos disminuir la sección de paso de agua con lo que al menos se conservará constante la altura del salto.
En segundo lugar la regulación es necesaria para acomodar la turbina a las distintas cargas en forma que se conserve lo más constante posible el número de revoluciones. Este segundo objeto es alcanzado casi siempre de la misma forma que el primero, es decir por la variación de la sección de salida del agua.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS FRANCIS Considerando los aspectos constructivos de los componentes de las turbinas Francis, se comprende con facilidad el funcionamiento de las mismas.
En la mayoría de los casos, la instalación de este tipo de turbinas, se realiza en centrales para cuya alimentación de agua se requiere la existencia de un embalse. Otra particularidad en la ubicación de estas turbinas, radica en que el conjunto esencial de las mismas, es decir, cámara espiral - distribuidor - rodete - tubo de aspiración, se encuentra, generalmente, a un nivel inferior respecto al nivel alcanzado por el agua en su salida hacia el cauce del río en dirección aguas abajo.
Podemos considerar, por lo tanto, la presencia de una columna de agua continua, entre los distintos niveles de los extremos mencionados, embalse - salida de agua, deduciendo que la turbina está totalmente llena de agua. Según otras disposiciones de instalación, especialmente en saltos de muy poca altura, podríamos interpretar que se halla sumergida, tal es el caso de no disponer de cámara espiral, encontrándose instalado el rodete en el interior de una cámara abierta, normalmente de hormigón, enlazada directamente con la zona de toma de agua o embalse.
8 La energía potencial gravitatoria del agua embalsada, se convierte en energía cinética en su recorrido hacia el distribuidor, donde, a la salida de éste, se dispone de energía en forma cinética y de presión, siendo, la velocidad de entrada del agua en el rodete, inferior a la que le correspondería por altura de salto, debido a los cambios bruscos de dirección en su recorrido.
FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA FRANCIS DE EJE VERTICAL
FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA FRANCIS DE EJE HORIZONTAL
9 EQUIPOS UTILIZADOS 1 Turbina Francis. Marca: Armfield Hydraulic Engineering, England. Tipo: Ns 36 MK2
1 Electrobomba
10 1 Manómetro
1 Freno Prony y 1 Dinamómetro
11 1 Tacómetro y 1 regla
1 Linímetro
Varias pesas
12 PROCEDIMIENTO 1 1. Se encendió la electrobomba, hasta llegar a una presión estática de 5 psi, se abrieron los álabes directrices a un 100%, generando una velocidad en el eje de 1305 rpm y marcando una fuerza en el dinamómetro de 0.3 kgf (se trabajó sin carga).
2. Se empezaron a poner pesas de 500 gramos, hasta llegar a los 4 kilogramos, en el freno Prony, variándose así las RPM y la fuerza del dinamómetro. Se recogieron los siguientes datos:
Fuerza en el Pesas dinamómetro Velocidad Linímetro (kg)
(kg)
(rpm)
h (cm)
0.0
0.3
1305
21.5
0.5
1.7
1270
21.9
1.0
2.3
1230
22.0
1.5
3.9
1180
22.5
2.0
4.2
1140
22.2
2.5
5.5
1170
23.0
3.0
5.9
1080
22.4
3.5
7.2
1050
22.5
4.0
7.4
1030
22.6
CALCULO DE LA POTENCIA HIDRAULICA PH = QHneto (watts)
Salto neto: H neto = (1.21 – h) + P (mca) +
Caudal: Q = 1.416 h 2.5 (m3/s)
V1 =
(m/s), si D1 = 15.2 cm = 0.152 m
(metros)
13
V2 =
Para 5 psi = 3.516 mca
(m/s), si D2 = 25 cm = 0.25 m
Realizando los cálculos se obtuvieron los siguientes resultados:
Pesas
h
Q
v1
v2
H neto
PH
(kg)
(cm)
(m3 /s)
(m/s)
(m/s)
(m)
(watts)
0.0
21.5
0.03035
1.673
0.618
4.634
1379.780
0.5
21.9
0.03178
1.751
0.647
4.642
1447.313
1.0
22.0
0.03215
1.772
0.655
4.644
1464.557
1.5
22.5
0.03400
1.874
0.693
4.656
1553.004
2.0
22.2
0.03288
1.812
0.670
4.649
1499.486
2.5
23.0
0.03592
1.980
0.732
4.669
1645.288
3.0
22.4
0.03363
1.853
0.685
4.653
1535.013
3.5
22.5
0.03400
1.874
0.693
4.656
1553.004
4.0
22.6
0.03438
1.895
0.700
4.658
1571.148
POTENCIA AL EJE
BHP =
(watts)
Torque transmitido: T = (Fuerza – Pesas) x 9.81 x R, si R = 16cm = 0.16 m.
Velocidad en el eje: N
EFICIENCIA TOTAL
%
=
x 100
BHP (watts)
PH (watts)
14 Realizando los cálculos se obtuvieron los siguientes resultados:
Pesas
Fuerza
N
T
BHP
(kg)
(kg)
(rpm)
(N)
(W)
(%)
0.0
0.3
1305
0.471
64.350
5
0.5
1.7
1270
1.884
250.497
17
1.0
2.3
1230
2.040
262.825
18
1.5
3.9
1180
3.767
465.491
30
2.0
4.2
1140
3.453
412.235
27
2.5
5.5
1170
4.709
576.932
35
3.0
5.9
1080
4.552
514.801
34
3.5
7.2
1050
5.808
638.570
41
4.0
7.4
1030
5.337
575.617
37
CONSTRUCCIÓN DE CURVAS Construimos la curva BHP vs RPM:
700.000 600.000 500.000 ) s t t 400.000 a w ( P 300.000 H B
BHP vs RPM Poly. (BHP vs RPM)
200.000 100.000 0.000 0
500
1000 RPM
1500
15 Construimos la curva T vs RPM:
7.000 6.000 5.000 ) n 4.000 o t w e N3.000 ( T
BHP vs RPM Poly. (BHP vs RPM)
2.000 1.000 0.000 0
500
1000
1500
RPM
Construimos la curva vs RPM:
45 40 35 30 25
%
20
BHP vs RPM
15
Poly. (BHP vs RPM)
10 5 0 0
500
1000 RPM
1500
16 PROCEDIMIENTO 2 1. Se encendió la electrobomba, hasta llegar a una presión estática de 5 psi, se abrieron los álabes directrices a un 50%, generando una velocidad en el
eje de 1194 rpm y
marcando una fuerza en el dinamómetro de 0.8 kgf (se trabajó sin carga).
2. Se empezaron a poner pesas de 500 gramos, hasta llegar a los 4 kilogramos, en el freno Prony, variándose así las RPM y la fuerza del dinamómetro. Se recogieron los siguientes datos:
Fuerza en el Pesas dinamómetro Velocidad Linímetro (kg)
(kg)
(rpm)
h (cm)
0.0
0.8
1194
16.5
0.5
1.8
1154
16.8
1.0
3.0
1010
17.1
1.5
3.9
915
17.2
2.0
4.1
1075
16.7
2.5
4.9
948
17.0
3.0
5.9
921
17.2
3.5
6.8
790
17.5
4.0
7.8
690
17.7
CALCULO DE LA POTENCIA HIDRAULICA PH = QHneto (watts)
Salto neto: H neto = (1.21 – h) + P (mca) +
Caudal: Q = 1.416 h 2.5 (m3/s)
V1 =
(m/s), si D1 = 15.2 cm = 0.152 m
(metros)
17
V2 =
Para 5 psi = 3.516 mca
(m/s), si D2 = 25 cm = 0.25 m
Realizando los cálculos se obtuvieron los siguientes resultados:
Pesas
h
Q
v1
v2
H neto
PH
(kg)
(cm)
(m3 /s)
(m/s)
(m/s)
(m)
(watts)
0
16.5
0.01566
0.863
0.319
4.594
705.713
0.5
16.8
0.01638
0.903
0.334
4.594
738.244
1
17.1
0.01712
0.944
0.349
4.594
771.697
1.5
17.2
0.01737
0.957
0.354
4.595
783.056
2
16.7
0.01614
0.889
0.329
4.594
727.298
2.5
17
0.01687
0.930
0.344
4.594
760.442
3
17.2
0.01737
0.957
0.354
4.595
783.056
3.5
17.5
0.01814
1.000
0.370
4.595
817.763
4
17.7
0.01866
1.029
0.380
4.596
841.433
POTENCIA AL EJE
BHP =
(watts)
Torque transmitido: T = (Fuerza – Pesas) x 9.81 x R, si R = 16cm = 0.16 m.
Velocidad en el eje: N
EFICIENCIA TOTAL
%
=
x 100
BHP (watts)
PH (watts)
18 Realizando los cálculos se obtuvieron los siguientes resultados:
Pesas
Fuerza
T
BHP
(kg)
(kg)
(N)
(W)
(%)
0
0.8
1.256
157.004
22
0.5
1.8
2.040
246.585
33
1
3
3.139
332.024
43
1.5
3.9
3.767
360.952
46
2
4.1
3.296
371.061
51
2.5
4.9
3.767
373.970
49
3
5.9
4.552
439.011
56
3.5
6.8
5.180
428.508
52
4
7.8
5.964
430.973
51
CONSTRUCCIÓN DE CURVAS Construimos la curva BHP vs RPM:
500.000 450.000 400.000 350.000 ) s 300.000 t t a w250.000 ( P H200.000 B
BHP VS RPM Poly. (BHP VS RPM)
150.000 100.000 50.000 0.000 0
500
1000 RPM
1500
19 Construimos la curva T vs RPM:
7.000 6.000 5.000 ) n 4.000 o t w e N3.000 ( T
BHP VS RPM Poly. (BHP VS RPM)
2.000 1.000 0.000 0
500
1000
1500
RPM
Construimos la curva vs RPM:
60
50
40 %
30
BHP VS RPM Poly. (BHP VS RPM)
20
10
0 0
500
1000 RPM
1500
20 COMPARACIÓN DE RESULTADOS
BHP vs RPM:
700.000 600.000 500.000 ) s t t 400.000 a w ( P 300.000 H B
100% ABIERTO 50% ABIERTO Poly. (100% ABIERTO)
200.000
Poly. (50% ABIERTO)
100.000 0.000 0
500
1000
1500
RPM
T vs RPM:
7.000 6.000 5.000 ) n o t 4.000 w e N3.000 ( T
100% ABIERTO 50% ABIERTO Poly. (100% ABIERTO)
2.000
Poly. (50% ABIERTO)
1.000 0.000 0
500
1000 RPM
1500
21 vs RPM:
60 50 ) 40 % ( A I C 30 N E I C I F E 20
100% ABIERTO 50% ABIERTO Poly. (100% ABIERTO) Poly. (50% ABIERTO)
10 0 0
500
1000 RPM
1500
22 CONCLUSIONES
Al analizar las gráficas de la BHP vs RPM para 2 diferentes posiciones se observa que la potencia al eje es máxima cuando los álabes directrices están abiertos al 100% y la reducción de la velocidad del eje es menor, esto era de esperarse ya que al estar abiertos al 100% se obtiene una mayor área y por ende, un mayor caudal que impulsará al rodete generando una mayor velocidad del eje.
Al comparar las curvas Torque vs RPM en 2 diferentes posiciones del estator, se observa que cuando la velocidad del eje es menor, el eje soporta mayores cargas, esto era de esperarse ya que cuando se le entrega mayor potencia al eje este tendrá mayor resistencia. En las curva se observa que el eje soporta una carga máxima cuando los álabes directrices están abiertos un 50%.
Al observar los valores de la eficiencia, cuando estuvieron los álabes directrices al 100% se obtuvo una eficiencia máxima de 41%, y cuando estaban abiertos a 50% se obtuvo una eficiencia máxima de 56%. Se obtuvo la eficiencia máxima cuando los álabes directrices están abiertos a un 50%. Con esto podemos decir que la turbina Francis tiene grandes pérdidas hidráulicas y mecánicas.
La comparación de las turbinas Pelton y Francis del laboratorio podemos concluir que la turbina Pelton se puede usar para grandes pérdidas caudales mientras que la turbina Francis se usará con bajas alturas y mayores caudales. Asimismo las pérdidas mecánicas e hidráulicas en la turbina Francis son muchos mayores que es la turbina Pelton.
23 BIBLIOGRAFÍA
Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas – Claudio Mataix
Manual de laboratorio de Ingeniería Mecánica – Profesores UNI
El manual del Ingeniero Mecánico – Seymour Doolittle
24 OBSERVACIONES
Siempre verificar el estado de las baterías del tacómetro, ya que cuando la batería esta baja sus mediciones oscilan de manera apreciable, afectando los cálculos.
Hay que estar atentos al freno Prony, evitar que se caliente la faja, echando periódicamente agua y así refrigerarlo.
Se colocó una placa con una cierta inclinación para evitar los efectos de cavitación y erosión.