UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO LABORATORIO DE ENERGIA - LAB. 05
Acta Nº 01
INFORME CURSO: Laboratorio de Ingeniería Mecánica II (MN463 A) PERIODO ACAD.: 2014-I EXPERIMENTO: Turbina Pelton REALIZADO POR: Espinoza Rodríguez, Widmard Eduardo García Vásquez, Andy Steven Grandy Gonzales, Emilio Roger Salas Cárdenas, Pablo Cesar
20111213G 20111300G 20112601K 20111248E
EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: Ing. Hernán Pinto Espinoza
Fecha: 31-03-2014
ENTREGA DEL INFORME: Lunes 07-04-2014
INFORME CALIFICADO POR: Ing. Manuel Sebes Toledo Paredes Lima, abril del 2014
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
ÍNDICE
1) Introducción.............. Introducción........................ ...................... ....................... ...................... ...................... ..................... ..................... ...................... ...................... ............. 2 2) Fundamento Teórico....... T eórico.................. ...................... ................... ................... ..................... ...................... ....................... ...................... ................... ........ 3 a. Concepto............ Concepto.. ....................... ............................ .............................. ............................ ............................ ............................ ........................... .................. .... 3 b. Partes....................... Partes.................................. ..................... ..................... ....................... ..................... ..................... ...................... ..................... ............. ......... 4 c. Clasificación............ Clasificación....................... ...................... ...................... ....................... ...................... ..................... ...................... ...................... ..................... .......... 8 d. Diagrama de una turbina Pelton 3) Materiales................. Materiales............................ ..................... ...................... ....................... ...................... ..................... ..................... ...................... ....................... ............ 10 4) Procedimiento.............. Procedimiento......................... ...................... .................... ..................... ...................... ..................... ..................... ...................... ...................... .......... 12 5) Cálculos a realizar...................... realizar................................ ..................... ....................... ....................... ...................... ..................... ..................... .................. ....... 14 6) Datos de laboratorio............................ laboratorio....................................... ...................... ...................... ...................... ...................... ..................... ................. ....... 16 7) Gráficos.................. Gráficos............................. ...................... ..................... ................... ..................... ....................... ...................... ..................... ........................... ................. 17 8) Observaciones.............. Observaciones....................... .................... ...................... ....................... ...................... ..................... ...................... ...................... ..................... .......... 29 9) Recomendaciones.......... Recomendaciones..................... ...................... ................... .................... ...................... ..................... ....................... ....................... ................... ........ 29 10) Conclusiones............ Conclusiones....................... ...................... ...................... ..................... ...................... ...................... ..................... ...................... ...................... ........... 30 11) Conclusiones............ Conclusiones....................... ...................... ...................... ..................... ...................... ...................... ..................... ...................... ...................... ........... 32
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
ÍNDICE
1) Introducción.............. Introducción........................ ...................... ....................... ...................... ...................... ..................... ..................... ...................... ...................... ............. 2 2) Fundamento Teórico....... T eórico.................. ...................... ................... ................... ..................... ...................... ....................... ...................... ................... ........ 3 a. Concepto............ Concepto.. ....................... ............................ .............................. ............................ ............................ ............................ ........................... .................. .... 3 b. Partes....................... Partes.................................. ..................... ..................... ....................... ..................... ..................... ...................... ..................... ............. ......... 4 c. Clasificación............ Clasificación....................... ...................... ...................... ....................... ...................... ..................... ...................... ...................... ..................... .......... 8 d. Diagrama de una turbina Pelton 3) Materiales................. Materiales............................ ..................... ...................... ....................... ...................... ..................... ..................... ...................... ....................... ............ 10 4) Procedimiento.............. Procedimiento......................... ...................... .................... ..................... ...................... ..................... ..................... ...................... ...................... .......... 12 5) Cálculos a realizar...................... realizar................................ ..................... ....................... ....................... ...................... ..................... ..................... .................. ....... 14 6) Datos de laboratorio............................ laboratorio....................................... ...................... ...................... ...................... ...................... ..................... ................. ....... 16 7) Gráficos.................. Gráficos............................. ...................... ..................... ................... ..................... ....................... ...................... ..................... ........................... ................. 17 8) Observaciones.............. Observaciones....................... .................... ...................... ....................... ...................... ..................... ...................... ...................... ..................... .......... 29 9) Recomendaciones.......... Recomendaciones..................... ...................... ................... .................... ...................... ..................... ....................... ....................... ................... ........ 29 10) Conclusiones............ Conclusiones....................... ...................... ...................... ..................... ...................... ...................... ..................... ...................... ...................... ........... 30 11) Conclusiones............ Conclusiones....................... ...................... ...................... ..................... ...................... ...................... ..................... ...................... ...................... ........... 32
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
1) INTRODUCCIÓN Desde que Nikola Tesla hizo posible la transmisión de electricidad de manera rentable y segura, y dada su facilidad para ser s er convertida en otros tipos de energía y las aplicaciones que se le dio, hubo una necesidad de potencia creciente que debía ser abastecida. La corriente alterna es fácil de ser transmitida por naturaleza, y su generación sigue un principio básico: el de hacer girar un campo magnético alrededor de otra bobina. El problema reside en cómo hacerlo girar. La respuesta reside en las turbinas, tanto hidráulicas como a gas y vapor. En el lado de las hidráulicas, la más conocida y usada es la turbina Pelton, diseñada para aprovechar al máximo la caída del agua, y su diseño cumple tal propósito. Es con ella con la que contamos en la mayoría de centrales hidroeléctricas (entre ellas la C.H. Santiago Antúnez de Mayolo, la más emblemática de todas), y también está presente en nuestro Laboratorio de Energía para su estudio. En el presente informe se presentan y analizan los resultados del experimento realizado por nosotros, los miembros del Grupo 1, quienes, interesados en aprender sobre el funcionamiento de la turbina Pelton, redactamos el informe que ahora tiene en sus manos con miras a conocer más sobre el funcionamiento de las centrales hidroeléctricas en las que algunos de nosotros estamos interesados en trabajar.
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
2) FUNDAMENTO TEORICO
a. CONCEPTO 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.
3
Turbina Pelton de eje vertical con 5 inyectores
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
b. PARTES
Cazoleta
En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros. El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al cauce inferior.
4
Inyector
El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica. Con el fin de asegurar una buena regulación, conviene diseñar el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo. La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática mediante un servomotor.
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
Tiene además otro sistema de regulación por desviación del chorro, que consiste en una superficie metálica llamada deflector , que se introduce en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil. De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubería, por cuanto el caudal que circula por ésta continua siendo el mismo. Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el eje de salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo diámetro se denomina diámetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo de la turbina, sin interferir el giro del rodete.
5 Cuando el número de inyectores es dos, la turbina puede ser también de eje horizontal, disponiéndose los chorros según dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton, inclinadas un mismo ángulo 30º, saliendo el agua de las cucharas sin interferir al rodete Para un número superior de inyectores, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser horizontal, sería imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las cucharas. Un chorro bien diseñado no debe tener un diámetro d superior a 27 cm, por lo que para establecer el número de inyectores hay que partir de la condición de que su diámetro no sea superior a este límite, teniendo en cuenta a su vez, el límite superior impuesto por la velocidad específica por chorro, en función del salto. El hecho de sustituir un número de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un mayor número de inyectores de dimensiones más pequeñas, permite construir turbinas de mayor diámetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos límites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, así como la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto más frecuentes cuanto mayor sea el número de chorros
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
6
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
Rodete
Consta de una rueda con cucharas alrededor, a las que podemos llamar también alabes y/o cangilones, sobre las que actúa el chorro inyector. El tamaño y número de cucharas dependen de las características de la instalación y/o de la velocidad específica ns. Cuanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor será el diámetro del chorro. Las dimensiones de la cuchara vienen ligadas directamente por el diámetro del chorro.
7
Cada vez que va a entrar una cuchara en el campo de acción del chorro sufriría un rechazo, por lo que a esta se le practica una mella de aproximadamente un 10% mayor a diámetro del chorro. La cuchara tiene forma elíptica dividida por una cresta afilada en dos partes simétrica. Al estar dividida en dos la componente axial de la fuerza se contrarresta y de esta forma no sufren los cojinetes
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
c. CLASIFICACION DE TURBINAS PELTON
EJE HORIZONTAL:
Solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como máximo debido a la complicada instalación y mantenimiento de los inyectores. Sin embargo en esta posición la inspección de la rueda en general es más sencilla por lo que las reparaciones o desgastes se pueden seleccionar sin necesidad de desmontar la turbina.
8
Turbina Pelton de eje horizontal
EJE VERTICAL:
En esta posición se facilita la colocación de alimentación en un plano horizontal y con esto es posible aumentar el número de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud entre la turbina y el generador, disminuyen las excavaciones
y hasta
disminuir el diámetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. Por la posición es mas difícil y caro su mantenimiento por lo cual se debe usar en aguas limpias donde no produzca efecto abrasivo sobre los alabes.
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
d. DIAGRAMA DE UNA TURBINA PELTON
9
1. Codo de entrada 2. Inyector 3. Tobera 4. Válvula de aguja 5. Servomotor 6. Regulador 7. Mando del deflector 8. Deflector o pantalla deflectora 9. Chorro 10. Rodete 11. Alabes o cucharas 12. Freno de la turbina por chorro de agua 13. Blindaje 14. Destructor de energía
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
3) MATERIALES
Limnímetro
Focos
10
Turbina Pelton
Tacómetro
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
Vertedero
Regla milimétrica
11
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
4) PROCEDIMIENTO
1. Antes de encender la bomba primero dejamos que se gradúe el nivel de agua en el vertedero. 2. Encendemos la bomba y regulamos la presión con ayuda del inyector p ara poder trabajar con las presiones indicadas en cada caso. 3. Luego con la ayuda del limnímetro ubicamos la punta de la varilla de ésta hasta que coincida con el filo del agua, donde estableceremos un punto de referencia con la regla que se encuentra junto al limnímetro.
12
4. Una vez hecho esto medimos cuanto subió el nivel del agua en el limnímetro con cada presión que se va usar.
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
5. Tomamos la lectura del dinamómetro y medimos la velocidad angular con ayuda del tacómetro cuando no hay carga.
6. Luego procederemos a hacer lo del paso 5 solo que esta vez con carga (representada por los focos encendidos) de 0 a 8 focos.
7. Repetimos el procedimiento para la 2da presión. 8. Por último no olvidemos tomar la longitud del brazo.
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
13
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
5) CALCULOS A REALIZAR
1. POTENCIA DEL AGUA(HPa)
Q = caudal ( ) H = altura útil (m)
h = altura leída en el linnimetro (m) Cd = coeficiente de descarga
14
D = diámetro de la entrada a la inyector (0.0762m)
2. POTENCIA DEL RODETE (HPr)
3. POTENCIA AL FRENO(BHP)
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
4. EFICIENCIA MECANICA
5. EFICIENCIA HIDRAULICA (
6. EFICIENCIA TOTAL ( )
15
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
DATOS DE LABORATORIO En la experiencia de laboratorio se hicieron 2 pruebas a diferentes presiones a la entrada del inyector los cuales nos brindan los siguientes resultados para el respectivo análisis
Brazo del dinamómetro : 8cm PRUEBA 1: P=30 PSI FOCO 0 1 2 3 4 5 6 7 8
h linnimetro=8.1cm N(RPM)
P(Kg F)
1013
2.2
987
2.8
968
3.2
953.7
3.3
947.5
3.45
942.8
3.6
936.1
3.7
933.3
3.8
930.3
3.9
PRUEBA 2: P=50 PSI FOCO 0 1 2 3 4 5
h linnimetro=4.9 cm N(RPM)
P(kg F)
980.8
1.4
923.2
1.8
899.5
1.9
878.7
1.9
869.1
2
848.2
2
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
16
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
6) CALCULOS Y RESULTADOS
1. POTENCIA DEL AGUA
PRUEBA P(psi) 1 30 2 50
h(m)
Cd
D(m)
Q( )
V(m/s)
0.081
0.68
0.0762
0.001797
0.3942
0.049
0.68
0.0762
0.000511
0.1122
H(m)
HPa(Watts) 21.1143 372.0385 35.1779 176.4246
HPa(HP) 0.49871 0.23649
HPa(Prueba 1)= 372.0385 HPa(Prueba 2)= 176.4246
2. POTENCIA DEL RODETE (HPr)
17
Prueba 1: FOCO 0 1 2 3 4 5 6 7 8
N(RPM)
P(Kg F)
U(m/s)
1013
2.2
12.9671
987
2.8
12.6343
968
3.2
12.3911
953.7
3.3
12.2080
947.5
3.45
12.1286
942.8
3.6
12.0685
936.1
3.7
11.9827
933.3
3.8
11.9469
930.3
3.9
11.9085
HPr(Watts) 306.9416 313.3248 317.5143 320.4029 321.5846 322.4519 323.6459 324.1301 324.6393
HPr(HP) 0.4114 0.4200 0.4256 0.4295 0.4311 0.4322 0.4338 0.4345 0.4352
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
Prueba 2: FOCO 0 1 2 3 4 5
N(RPM)
P(kg F)
U(m/s)
980.8
1.4
12.5549
923.2
1.8
11.8176
899.5
1.9
11.5142
878.7
1.9
11.2480
869.1
2
11.1251
848.2
2
10.8575
HPr(Watts) 159.8734 158.8957 158.1887 157.4217 157.0216 156.0496
HPr(HP) 0.2143 0.2130 0.2120 0.2110 0.2105 0.2092
SE CUMPLE QUE LA POTENCIA DEL AGUA ES MAYOR A LA POTENCIA DEL RODETE
3. Potencia AL EJE FRENO(BHP) Prueba 1: FOCO 0 1 2 3 4 5 6 7 8
N(RPM)
P(Kg F)
w
1013
2.2
106.0811
987
2.8
103.3583
968
3.2
101.3687
953.7
3.3
99.8712
947.5
3.45
99.2219
942.8
3.6
98.7297
936.1
3.7
98.0281
933.3
3.8
97.7349
930.3
3.9
97.4207
FOCO 0 1 2 3 4 5
N(RPM)
P(kg F)
w
980.8
1.4
102.709136
923.2
1.8
96.6772779
899.5
1.9
94.1954197
878.7
1.9
92.0172488
869.1
2
91.0119392
848.2
2
88.8232963
BHP(Watts) 183.1554 227.1238 254.5733 258.6505 268.6494 278.9392 284.6502 291.4690 298.1777
Prueba 2: BHP(Watts) 112.8485 136.5701 140.4566 137.2087 142.8523 139.4170
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
18
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
4. EFICIENCIA MECANICA( ),HIDRAULICA Y TOTAL( PRUEBA 1: FOCO 0 1 2 3 4 5 6 7 8
N(RPM)
P(Kg F)
1013
2.2
987
2.8
968
3.2
953.7
3.3
947.5
3.45
942.8
3.6
936.1
3.7
933.3
3.8
930.3
3.9
0.5967 0.7249 0.8018 0.8073 0.8354 0.8651 0.8795 0.8992 0.9185
0.8250 0.8422 0.8534 0.8612 0.8644 0.8667 0.8699 0.8712 0.8726
0.4923 0.6105 0.6843 0.6952 0.7221 0.7498 0.7651 0.7834 0.8015
PRUEBA 2: FOCO 0 1 2 3 4 5
19 N(RPM)
P(kg F)
980.8
1.4
923.2
1.8
899.5
1.9
878.7
1.9
869.1
2
848.2
2
0.70586222 0.8594957 0.88790599 0.87159983 0.90976232 0.89341467
0.9062 0.9006 0.8966 0.8923 0.8900 0.8845
0.6396 0.7741 0.7961 0.7777 0.8097 0.7902
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
7) GRAFICOS PRUEBA 1 Gráfica Potencia de Rodete VS. Revoluciones por minuto
HPr VS RPM 180 175 170 ) 165 W ( r 160 P H155 150 145 140
y = -0.0006x 2 + 0.7071x - 3E-10 R² = 1 920
940
960
980
1000
1020
RPM
20 Ecuación graficada en MATLAB HPr VS RPM tendencia completa
Gráfica Potencia al freno VS. Revoluciones por minuto
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
BHP VS RPM 310 290 270 ) 250 W ( P 230 H B210
y = -0.0025x 2 + 3.5539x - 850.91 R² = 0.9834
190 170 150 920
940
960
980
1000
1020
RPM
Gráfica Torque VS. Revoluciones por minuto
21
T VS RPM 3.1 2.9 2.7 ) 2.5 m N2.3 ( T 2.1
1.9
y = -0.0152x + 17.163 R² = 0.9879
1.7 1.5 920
940
960
980
1000
1020
RPM
Gráfica Eficiencia mecánica VS. Revoluciones por minuto
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
nm VS RPM 1.75 1.65 1.55 m1.45 n
1.35 y = -2E-05x 2 + 0.0392x - 15.254 R² = 0.9528
1.25 1.15 920
940
960
980
1000
1020
RPM
Gráfica Eficiencia hidráulica VS. Revoluciones por minuto
22
nh VS RPM 0.73 0.71 0.69 0.67 h 0.65 n 0.63
0.61
y = -2E-06x 2 + 0.0029x + 1E-12 R² = 1
0.59 0.57 0.55 920
940
960
980
1000
1020
RPM
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
Gráfica Eficiencia total VS. Revoluciones por minuto
nt VS RPM 1.27 1.17 1.07 0.97 t 0.87 n
y = -1E-05x 2 + 0.0143x - 3.4301 R² = 0.9834
0.77 0.67 0.57 0.47 920
940
960
980
1000
1020
RPM
23
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
PRUEBA 2 Gráfica Potencia de Rodete VS. Revoluciones por minuto
HPr VS RPM 160.5 160 159.5 159 ) 158.5 W ( r 158 P H157.5 157 156.5 156 155.5
y = -0.0002x 2 + 0.3181x + 3E-11 R² = 1
840
860
880
900
920
940
960
980
1000
RPM
24 Ecuación graficada en MATLAB HPr VS RPM tendencia completa
Gráfica Potencia al freno VS. Revoluciones por minuto
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
BHP VS RPM 150 145 140 ) 135 W ( P 130 H B125
120 y = -0.0026x 2 + 4.5306x - 1845.1 R² = 0.9663
115 110 840
860
880
900
920
940
960
980
1000
RPM
Gráfica Torque VS. Revoluciones por minuto
25
T VS RPM 1.7 1.6 1.5 ) 1.4 m N ( T 1.3
1.2
y = -0.0036x + 4.6681 R² = 0.9209
1.1 1 840
860
880
900
920
940
960
980
1000
RPM
Gráfica Eficiencia mecánica VS. Revoluciones por minuto
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
nm VS RPM 0.95 0.9 0.85 m n 0.8 0.75
y = -2E-05x 2 + 0.0265x - 10.611 R² = 0.9707
0.7 840
860
880
900
920
940
960
980
1000
RPM
Gráfica Eficiencia hidráulica VS. Revoluciones por minuto
26
nh VS RPM 0.91 y = -9E-07x 2 + 0.0018x + 4E-14 R² = 1
0.905 0.9 h 0.895 n
0.89 0.885 0.88 840
860
880
900
920
940
960
980
1000
RPM
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
Gráfica Eficiencia total VS. Revoluciones por minuto
nt VS RPM 0.85 0.8
t n
0.75 0.7 y = -1E-05x 2 + 0.0257x - 10.458 R² = 0.9663
0.65 0.6 840
860
880
900
920
940
960
980
1000
RPM
27
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
8) OBSERVACIONES
Se observó que el incremento de la carga produce una reducción de la velocidad del rotor (obtenida con el tacómetro). En la segunda prueba, los datos finales comenzaron a manifestar una tendencia imprevista, por lo que solo se tuvieron en cuenta los primeros, que son los usados en el presente informe. De las gráficas de eficiencia se observa que esta turbina Pelton tiene eficiencias elevadas, pero las ecuaciones de las gráficas no son buenas aproximaciones pues matemáticamente resultan eficiencias mayor que 1, esto se debe a los pocos puntos que se utilizaron para obtener la ecuación.
9) RECOMENDACIONES 28
Se recomienda que en la experiencia se utilicen más puntos de prueba porque los 8 focos (carga) utilizada para la experiencia no fueron suficiente para obtener los mejores resultados deseados, se recomiendo unos 16 puntos de prueba así las interpolaciones serán más confiables. Esperar un tiempo apropiado luego de aplicar la carga al generador para realizar las medidas respectivas pues el sistema tiene que salir del estado transitorio y llegar al estado estacionario (recordemos que trabajamos con un generador, una máquina eléctrica en la que intervienen bobinas). Verificar que todos los focos consuman la misma potencia y que esta esté estipulada en ellos mismos o en un letrero al costado. Así mismo, pintarlos para que no cieguen a quienes trabajan con el equipo con alguna pintura que no se queme al calentarse.
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA FACULTAD INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
10)
CONCLUSIONES
Al aumentar la presión el caudal en la tubería de presión disminuye y la altura útil aumenta; por lo tanto aumentará la velocidad del chorro que impacta en la cuchara del rodete, ofreciendo mayor energía cinética, la cual será convertida en energía mecánica. Las gráficas de potencia tienen una tendencia parabólica que se observa en los gráficos hechos con Matlab y Excel, nuestras graficas siguen esta tendencia pero se necesitan de más puntos de prueba para mejorar el resultado. Una vez obtenidas las ecuaciones matemáticas podemos estimar los puntos de operación de mayor eficiencia con el análisis matemático. Se verifica que la potencia del agua(HPa) es mayor a la potencia del rodete(HPr) y este mayor a la potencia al freno(BHP)
29
Con las gráficas obtenidas de eficiencias podemos observar que existe un punto óptimo de trabajo en la turbina Pelton que son diferentes para presiones desiguales de entrada al inyector. Podemos concluir que al aumentar la carga (focos) en una turbina Pelton la eficiencia de la turbina variara pues también varían las RPM del rodete, estas variables pueden ser controladas aumentando la altura útil (mayor presión en la entrada del inyector) que se controla abriendo o cerrando la aguja del inyector.
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS