UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE CIENCIAS TÉCNICAS CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE TURBINAS
MAQUINAS HIDRÁULICAS INTEGRANTES: DARIO ALEMÁN MARCELA CEVALLOS CARLOS JÁCOME DIANA MENA JHONY ULLOA 17/07/13
Tabla de contenido RESUMEN ............................................................................................................................. 3 Objetivo General ..................................................................................................................... 4 Objetivos Específicos ......................................................................................................... 4 MARCO TEORICO ............................................................................................................... 5 Turbina Pelton..................................................................................................................... 5 PARTES DE LA TURBINAS ............................................................................................ 6 Distribuidor ............................................................................................ ......................... 6 Rodete ............................................................................................................................. 6 Turbina Pelton FM62 .................................................................................................. ........ 7 Selección de materiales ....................................................................................................... 8 Características físicas de la rueda Pelton ............................................................................ 8 Funcionamiento .................................................................................................................. 9 Ensamblaje y Montaje ...................................................................................................... 10 Selección de la turbina ...................................................................................................... 11 DISEÑO DE LA PRÁCTICA .............................................................................................. 13 NOMENCLATURA Y FORMULAS .................................................................................. 14 EQUIPO ................................................................................................................................ 14 PROCEDIMIENTO ................................................................................................ .............. 15 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 17 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 17 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 18 ANEXOS .............................................................................................................................. 19
RESUMEN La turbina es un dispositivo mecánico (motor rotativo) capaz de convertir la energía mecánica en trabajo en la forma de movimiento de rotación (corriente de agua, vapor o gas). La turbina es el motor más eficiente que existe en comparación con motores de combustión interna o mecánicos. La aplicación inmediata del trabajo mecánico desarrollado en la turbina es la de hacer girar al rotor del generador de energía eléctrica, en el cual se realiza la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica. Todo ello, como consecuencia de estar rígidamente unidos; generalmente los ejes de ambas máquinas, turbina-generador, están formando un eje único con el que se obtiene sincronismo de giro entre las mismas, es decir que hay un idéntico número de revoluciones durante espacios de tiempo iguales. Particularmente, en determinadas máquinas en las que proporcionan pequeñas potencias y trabajan con poca altura de salto, se suele disponer de un multiplicador de velocidad instalado entre ambos ejes, con el fin de que las dimensiones de! generador sean reducidas. Una vez que una turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, es debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor; el cual distribuye de manera circular alrededor del rotor. Regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que está montado, ha de estar perfectamente equilibrado dinámica y estáticamente. El equipo de laboratorio nos permite entender el funcionamiento de la turbina Pelton puesto que mediante el software se simula una mayor altitud y mediante una perilla la cual se gira de ¼ en ¼ hasta que pare totalmente la turbina con esto podemos encontrar la curva del sistema y la curva de la turbina. El software también arroja en Excel datos tanto del sistema como de la turbina los cuales permiten realizar diferentes graficas y analizar el comportamiento del sistema y de la turbina.
Objetivo General
Realizar una práctica de turbinas hidráulicas, con el fin de ver, conocer y visualizar las partes fundamentales del equipo.
Objetivos Específicos
Observar las partes y accesorios de la turbina Pelton.
Conocer y comprender el funcionamiento del equipo.
Variar la velocidad y el sistema del equipo.
Analizar los resultados proyectados por el programa.
MARCO TEORICO Turbina Pelton Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbo máquina 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 i ncide 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.
PARTES DE LA TURBINAS Una instalación de turbina Pelton consta de los siguientes elementos:
Codo de entrada
Inyector
Tobera
Válvula de aguja
Servomotor
Regulador
Mando de Deflector
Deflector o pantalla deflectora
Rodete
Alabes o cucharas
Freno de turbina
Blindaje
Destructor de energía
Distribuidor Es el elemento de transición entre la tubería de presión y los inyectores. Está hecho por un inyector o varios inyectores que pueden llegar a ser hasta seis. El inyector consta de una tobera de sección circular provista de una aguja de regulación que se mueve axialmente, variando la sección de flujo. Si se requiere una operación rápida para dejar al rodete sin acción del chorro, se adiciona una placa deflectora, así la aguja se cierra en un tiempo más largo, reduciendo los efectos del golpe de ariete. En las turbinas pequeñas se puede prescindir de la aguja y operar con una o más toberas, con caudal constante.
Rodete Es de admisión parcial, depende del número de chorros o de inyectores. Está compuesto por un disco provisto de cucharas montadas en su periferia. Las cucharas pueden estar empernadas al disco, soldadas o fundidas convirtiéndose en una sola pieza con el disco. Esta turbina puede instalarse con el eje horizontal con 1 o 2 inyectores, y con el eje vertical con 3 a 6 inyectores.
Turbina Pelton FM62 La Unidad de servicio para turbinas FM6X proporciona el suministro de agua que necesitan las unidades de demostración FM60, FM61 y FM62. La unidad de servicio consta de una base de acero inoxidable sobre la que van montados un depósito de agua, una bomba trifásica compacta y un medidor de caudal electrónico. La bomba es controlada directamente desde la computadora usando el controlador de velocidad de la unidad de interfaz IFD7 (accesorio imprescindible). La gama FM6X de Unidades de Demostración opcionales:
Turbina de acción FM60
Turbina de reacción FM61
Turbina Pelton FM62
La turbina que se está probando se conecta al dinamómetro mediante una correa de transmisión dentada. Se aplica carga a la turbina usando un freno magnético, directamente desde la computadora. Una palanca conectada a una célula de carga evita la rotación de la carcasa externa del freno, permitiendo la medición directa de la fuerza de frenado y por tanto del par producido. El dinamómetro también incorpora un sensor óptico que mide la velocidad rotacional de la turbina.
La FM62 es una unidad de turbina Pelton a pequeña escala, diseñada para ser utilizada con la unidad de servicio FM6X. Una turbina Pelton utiliza la inercia transferida del impacto de un chorro de agua sobre sus paletas para generar electricidad.
Selección de materiales Se debe tener especial cuidado al escoger el material de fabricación adecuado en una turbina Pelton; este material debe resistir la fatiga, la corrosión y la erosión; la fundición de grafito laminar y acero, resisten perfectamente estas condiciones cuando son moderadas. Cuando las condiciones trabajo son más drásticas se recurre al acero aliado con níquel, en el orden de 0.7 a 1%, y con un 0.3% de molibdeno. Los aceros con 13% de cromo y los aceros austenoferríticos (Cr 20, Ni 8, Mo3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitación y abrasión.
Características físicas de la rueda Pelton La rueda Pelton está constituida por un disco de acero con álabes de doble cuchara ubicados en la periferia de la rueda. Estos álabes puedes estar fundidos con la misma rueda o unidos individualmente por medio de bulones o pernos. El Número de álabes suele ser de 17 a 26 por rueda, todo esto dependiendo de la velocidad específica; Cuando se necesita una velocidad alta el número de álabes es pequeño debido a que a mayor velocidad específica, mayor caudal lo que exige álabes más grandes y con esto caben menos en cada rueda. La forma de fabricación más común es por separado álabes y rueda ya que facilita su construcción y mantenimiento. Se funden en una sola pieza rueda y álabes cuando la rueda tiene un gran velocidad específica, con este proceso de fabricación se logra mayor rigidez, solidez uniformidad y montaje rápido.
Funcionamiento 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°. En 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 de frenado. 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 turbo máquinas:
Donde:
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 velocidades
y
) las
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.
Ensamblaje y Montaje La turbina se ensambla en un sólido chasis construido con perfiles estructurales que permite el ensamble con el generador en un solo bloque, haciendo un equipo portátil.
Selección de la turbina De acuerdo al esquema antes mostrado de una micro central, la potencia generada se obtiene de las siguientes formulas:
Donde: PE Es la potencia en los bornes del generador, kW. P es la potencia al eje de la turbina, kW. Q es el caudal de la turbina en m3/s. H es el salto neto en metros. ρ es la densidad del agua, 1000 kg/m3. η eficiencia de la turbina, adimensional. ηTR es la eficiencia de la transmisión, adimensional. ηG eficiencia del generador, adimensional. ηGR es la eficiencia del grupo de generación, adimensional. K es una constante, donde K es 1000 W/kW. g es la gravedad.
En relación a la determinación del salto neto, se puede proceder del siguiente modo: Turbinas de reacción:
–
Turbinas de acción:
–
Donde: Hb es el salto bruto, metros ΔHT es la altura de pérdidas en la tuberí a de presión, en metros Hm es la altura de montaje de la turbina en metros. En caso de que la turbina no accione un generador eléctrico, sino otra máquina operadora, como una bomba, un molino, etc., se deberá conocer la eficiencia, potencia y otros datos de dicha máquina, utilizándose las mismas formulas anteriores. Se puede realizar una selección rápida de la turbina para una M.C.H, utilizando el diagrama de la figura que se muestra abajo, en las que aparecen las diversas turbinas que se usan en la actualidad ubicadas por zonas de aplicación referidas al salto neto, caudal, potencia y una eficiencia promedio.
Asumiendo una eficiencia promedio se obtiene una relación lineal entre H y Q para una potencia constante P en coordenadas logarítmicas. El límite de estos diagramas en cuanto a potencia dependerá de la definición nacional o regional, de los rangos establecidos y de lo que se denomina una M.C.H como se muestra en el siguiente gráfico.
Tipo de turbinas
Reacción
Acción
axiales
diagonales
(Pelton)
Salto Neto H(m)
2-70
2-500
40-1.700
Diámetro exterior del rodete (m)
1-10,5
0,35-7,65
0,36-5,2
Potencia en el eje (MW)
Hasta 250
Hasta 750
Hasta 400
Figura .Saltos tamaños y potencias de los tipos actuales de turbinas
DISEÑO DE LA PRÁCTICA La FM62 (equipo de laboratorio) es una unidad de turbina Pelton a pequeña escala, diseñada para ser utilizada con la unidad de servicio FM6X. Una turbina Pelton utiliza la inercia transferida del impacto de un chorro de agua sobre sus paletas para generar electricidad. La FM62 forma parte de una serie de Unidades de Demostración opcionales, disponibles para su uso con la Unidad de Servicio para Turbinas FM6X. Unidades de demostración de turbinas: Turbina de acción FM60 Turbina de reacción FM61 Turbina Pelton FM62 La FM60 consta de un colector de entrada que suministra agua a una válvula de aguja que permite a los usuarios modificar la sección del chorro manteniendo la velocidad del agua. El rodete en sí está montado en un alojamiento de material acrílico transparente, que permite una visibilidad óptima del mecanismo y de su f uncionamiento. La unidad incorpora un sensor de presión que mide la condición de entrada del agua. Esta presión puede ser controlada con precisión usando el software suministrado con la unidad de servicio.
NOMENCLATURA Y FORMULAS
EQUIPO
Equipo Armfield FM62 utilizado para practica de turbina Pelton
PROCEDIMIENTO 1. Se comienza con el conocimiento del programa. 2. Se busca las partes de la maquina junto con el programa la bomba, una turbina Pelton 3. Se busca el tipo de turbina Pelton 4. Se escoge el accesorio que se encuentra en el dispositivo visto 5. Damos las característica de la turbina Pelton mucho caudal poco altitud para compensar 6. Se observa el sensor de flujo 7. Indicación del sensor de flujo el cual medirá el flujo 8. Indicación del sensor de presión a la entrada del flujo en la turbina 9. Indicación de del inyector 10. Indicación de la turbina de 10 álabes tipo cuchara 11. Indicación Generador de turbina 12. Seguiremos a ver la simulación de la turbina, del generador teniendo en cuenta el break Power. 13. Veremos la potencia del freno emitida por la turbina 14. Encontraremos la curva del sistema y de la turbina a continuación 15. Nos valemos de la bomba por la altura del agua. 16. Empezamos con los valore dentro del programa ponemos 300Kpa del control PID 17. Empezamos ingresando los valores de un break control de 8 y una velocidad de 96 porciento 18. Siempre el programa debe estar en manual 19. Se enciende la maquina por lo cual empezaremos dando más altitud para vencer la inercia del generador que se le da con la bomba 20. Vamos a ver que, se empezará a dar más velocidad a la turbina 21. Escucharemos y veremos la velocidad en la que se genera y empezara a darse la curva del sistema 22. Variaremos la velocidad desde mayor a menor hasta llegar a la curva del sistema necesaria automáticamente desde el sistema
23. Estos rangos automáticamente se guardaran en el programa. 24. Después empezaremos a variar el caudal cerrando la válvula manualmente por porcentajes 25. Observaremos que se va cerrando y va variando el líquido lo cual nos dará la curva del caudal.
CONCLUSIONES
El torque de la turbina se mantiene constante a pesar de que cambie su velocidad.
La velocidad de la turbina disminuye y su eficiencia aumenta cuando se disminuye el caudal (paso de agua en la boquilla).
Cuando se disminuye el caudal (paso de agua en la boquilla) la potencia de frenado también disminuye.
Cuando disminuye la velocidad de la bomba del banco de pruebas, su eficiencia aumenta.
Manipulando la frecuencia de corriente que ingresa al motor se obtiene la curva del sistema
RECOMENDACIONES
Se recomienda esperar el tiempo suficiente para que el sistema se estabilice en la toma de las muestras, y así conseguir curvas estables.
El número de horas destinado a las prácticas de laboratorio debe aumentar, en este caso, por falta de tiempo, se pudo realizar la práctica con la turbina Pelton pero no con la Francis.
BIBLIOGRAFIA
MATAIX, Claudio, Turbomáquinas Hidráulicas, Madrid, España. ICAI. 1984. Pág. 760
http://www.caballano.com/pelton.htm
Mataix, Claudio Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas, Oxford, Segunda Edición, 2004.
http://www.discoverarmfield.co.uk/data/esp/fm62/
ANEXOS
