Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional Culhuacán
Laboratorio de Ingeniería Hidráulica
Practica: Turbina Francis Profesor: Ing. Armando García Espinoza
Alumnos: García Santiago Arturo Issac Hernández Ortega Mayra Graciela Olguín Tinajero Omar Adrián Rodríguez Hernández Jorge Eduardo
Grupo: 7MV-1
31 Agosto 2011
1. Objetivo:
Observar y analizar el comportamiento de una turbina t urbina Francis y obtener mediante los instrumentos que se emplean, los datos de las energías que se manejan para calcular y trazar sus curvas. 2. Consideraciones Teóricas:
La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbo máquina motora a reacción y de flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas. Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadas históricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. En el siglo XIX las mejoras logradas en las turbinas hidráulicas permitieron que, allí donde se disponía de un salto de agua, pudiesen competir con la maquina de vapor. En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete de la turbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V. Poncelet diseñó una turbina de flujo interno que usaba los mismos principios, y S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en los EE.UU. para un diseño similar. En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños y desarrolló una turbina con el 90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbina más eficiente elaborada hasta la fecha. Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el nivel de desarrollo alcanzado (estado del arte) en lo referente al diseño e ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta eficiencia.
Rodete Turbina Francis
Partes:
Caja espiral: Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de una turbina Pre distribuidor: Tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral, tienen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas. Distribuidor: Es el nombre con que se conocen los álabes directores de la turbomáquina, su función es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink. Rotor Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo del número de giros específico para el cual está diseñada la máquina. Tubo de aspiración Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.
Alabes Directores Min. Caudal
Alabes Directores Max. Caudal
3. Método de Operación:
Prueba a Velocidad Variable 1. Verifique la Válvula de la bomba este cerrada y que el ángulo del distribuidor de la turbina sea 0 2. Energice la bomba y lea el valor de la presión a válvula cerrada, es decir a gasto igual a 0. Este dato le servirá para que posteriormente recurra a la curva característica de la bomba para obtener el diámetro del impulsor de la misma. También con eta curva característica se encontraran los valores de caudal correspondientes a cada valor de presión. 3. Abra completamente la válvula de descarga de la bomba posteriormente deslice la palanca del distribuidor en forma lenta hasta 15º 4. Con el freno varié el torque hasta obtener las r.p.m. de la turbina propuestas en el cuadro de datos y registre los valores que se piden para cada lectura. Tome la lectura del nivel de acuerdo al plano de la instalación. 5. Al concluir la prueba a velocidad variable lleve a 0º el distribuidos y libere el freno de la turbina.
Prueba a Velocidad Constante 1. Mueva la palanca del distribuidor a los grados que indica el cuadro de datos con el freno de la turbina alcanzar para diferentes lecturas una velocidad constante de 1200 r.p.m. Si en las primeras posiciones del distribuidor no alcanza la vel. indicada continúe con la sig., posición del distribuidor. 2. Registre las lecturas que se piden en el cuadro de datos. Tome la lectura del nivel de acuerdo al plano de la instalación 3. Al finalizar la practica cierre completamente la válvula de descarga de la boba y apáguela.
4. Cuadro de Datos: a) Prueba a Velocidad Variable: Lecturas
Concepto
1
2
3
4
5
6
7
8
Angulo Distribución Velocidad (r.p.m.) Presión de Descarga Bomba (Pdb=Kg/cm2) Presión de entrada a la Turbina (Pt=Kg/cm2) Nivel (cm) Caudal (Qb=m3/s) Fuerza (N)
15º
15º
15º
15º
15º
15º
15º
15º
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
0.1
0.9
0.8
0.9
0.85
0.85
0.85
0.85
1
1
1
0.9
0.95
0.9
0.9
0.9
8
9
9.5
9.5
9.5
9.7
9.7
9.5
0.062
0.056
0.055
0.055
0.055
0.055
0.055
0.055
45
34.5
45
70
71
71
71
71
Lecturas 4 5
6
7
8
b) Prueba a Velocidad Constante: Concepto Angulo distribución Velocidad (r.p.m.) Presión de Descarga Bomba (Pdb=Kg/cm2) Presión de entrada a la Turbina (Pt=Kg/cm2) Nivel Caudal (Qb=m3/s) Fuerza (N)
1
2
3
0º
5º
10º
15º
20º
25º
30º
35º
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1.3
1.2
1
0.9
0.75
0.65
0.55
0.5
1.3
1.25
1.05
0.9
0.75
0.65
0.55
0.5
5
6
8
9.3
10.7
11
11
11.5
0.047
0.045
70.5
69
0.063 20
0.063 0.059 35
71
0.056 71
0.048 0.047 71
71
5. Ejemplo de Calculo:
a) Velocidad del Fluido dentro de la turbina, V
=
D tubo= 6”
Área del Tubo = (π(r2)) = (π(0.07622))= 0.0182 m. V= (0.063/0.0182)= 3.406 m/s b) Carga Efectiva neta sobre la turbina, Hn.
= m.
Hst= Nivel dato Het= 62.5 cm. Hn= (0.08) + (0.625) + 3.4062 /2(9.81) = 1.296 m c) Potencia Hidráulica sobre la turbina , Nh.
Υ * Q * Hn = (kW) Nh = (9810)*(0.063)*(0.7110) = 788.253 kW. d) Potencia Mecánica generada por la turbina, Nm.
= (W) donde: T= F(r)= (Nm) r = 0.25 Nm = (45*0.25)(2000) = 22500 W
6. Cuadro de Resultados:
a) Prueba a Velocidad Variable
Concepto
Lecturas 4 5
1
2
3
6
7
8
Vel. Del Fluido
3.406
3.076
3.021
3.021
3.021
3.021
3.021
3.021
Carga neta Turbina (Hn= m.c.a.)
1.296
1.197
1.185
1.185
1.187
1.187
1.187
1.187
Carga de descarga (Hd= m)
0.0009
0.0004
0.0002
0
Potencia Hidráulica de la Turbina (Nh= W)
788.253 657.583 639.366 639.366 639.366 640.445 640.445 640.445
0.00005 0.00005 0.00005 0.00005
Potencia Mecánica de la Turbina (Nm= W)
22500
15525
18000
24500
21300
17775
14200
10650
Rendimiento (η= %)
28.22
23.60
28.15
38.31
33.31
27.71
22.17
16.52
b) Prueba a Velocidad constante Concepto
Lecturas 4 5
1
2
3
Vel. Del Fluido (V= m/s)
3.461
3.461
3.241
3.076
Carga neta Turbina (Hn= m.c.a.)
1.285
1.295
1.240
Carga de descarga (Hd= m)
0
Potencia Hidráulica de la Turbina (Nh= W)
0.00005 0.00005
6
7
8
2.637
2.582
2.582
2.472
1.2
1.086
1.074
1.074
1.051
0
0
0
0
0
794.168 800.348 717.699 659.232 511.375 495.189 495.189 463.963
Potencia Mecánica de la Turbina (Nm= W)
6000
10500
21300
21300
21300
21300
21300
20700
Rendimiento (η= %)
7.5
13.11
29.67
32.31
41.65
43.01
42.71
44.61
7. Graficas:
Las siguientes graficas representan a cada una de las tablas de resultados a) Para este caso No. De r.p.m. (n) contra (Q,Hn,Nm,Nh y η) Prueba a velocidad variable 0.064 0.062 0.06 0.058
Q 0.056 0.054 0.052 0.05 600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1600
1800
2000
RPM
1.32 1.3 1.28 1.26 1.24
n H1.22 1.2 1.18 1.16 1.14 1.12 600
800
1000
1200
1400
RPM
900 800 700 600 500
h N
400 300 200 100 0 600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1800
2000
RPM
30000
25000
20000
m15000 N 10000
5000
0 600
800
1000
1200
1400
1600
RPM
45 40 35 30 25 η
20 15 10 5 0 600
800
1000
1200
1400
RPM
1600
1800
2000
Prueba a velocidad constante 0.07 0.06 0.05 0.04
Q 0.03 0.02 0.01 0 1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
RPM
1.4 1.2 1 0.8
n H
0.6 0.4 0.2 0 1200
1200
1200
1200
1200
RPM
25000
20000
15000
m N 10000
5000
0 1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
RPM
900 800 700 600 500
h N
400 300 200 100 0 1200
1200
1200
1200
1200
RPM
50 45 40 35 30 η25
20 15 10 5 0 1200
1200
1200
1200
1200
RPM
b) Para este Caso Caudal (Q) contra (n,Hn,Nm,Nh, y η) Prueba a velocidad variable
2500
2000
1500
M P R
1000
500
0 0.055
0.055
0.055
0.055
0.055
0.055
0.056
0.062
0.055
0.055
0.056
0.062
Q
1.32 1.3 1.28 1.26 1.24
n H1.22 1.2 1.18 1.16 1.14 1.12 0.055
0.055
0.055
0.055
Q
30000
25000
20000
m15000 N 10000
5000
0 0.055
0.055
0.055
0.055
0.055
0.055
0.056
0.062
0.055
0.056
0.062
0.055
0.056
0.062
Q
900 800 700 600 500
h N
400 300 200 100 0 0.055
0.055
0.055
0.055
0.055
Q
45 40 35 30 25 η
20 15 10 5 0 0.055
0.055
0.055
0.055
0.055
Q
Prueba a velocidad constante
1400 1200 1000 800
M P R 600 400 200 0 0.045
0.047
0.047
0.048
0.056
0.059
0.063
0.063
0.063
0.063
Q
1.4 1.2 1 0.8
n H
0.6 0.4 0.2 0 0.045
0.047
0.047
0.048
0.056
Q
0.059
25000
20000
15000
m N 10000
5000
0 0.045
0.047
0.047
0.048
0.056
0.059
0.063
0.063
0.059
0.063
0.063
0.059
0.063
0.063
Q
900 800 700 600 500
h N
400 300 200 100 0 0.045
0.047
0.047
0.048
0.056
Q
50 45 40 35 30 η25
20 15 10 5 0 0.045
0.047
0.047
0.048
0.056
Q
8. Imágenes de la turbina
Banco de pruebas
Bomba
Turbina Francis
Indicador de revoluciones
Dispositivo compuesto de un freno de disco y mordaza para la indicación de la fuerza ejercida por la turbina
Indicador de fuerza
9. Conclusiones:
Este tipo de turbina es ampliamente utilizada en las hidroeléctricas ya que gracias a su diseño con alabes ajustables se puede alcanzar una buena eficiencia. La prueba realizada fue de gran ayuda para entender mejor el funcionamiento de esta turbina ya que pudimos observar la gran variación que puede haber en la fuerza y en la velocidad que produce la turbina conforme se van ajustando los alabes a un grado mas alto. También se pudo observar, mediante las graficas realizadas anteriormente, que existe una gran variación entre las rpm y el caudal, tanto en la prueba a velocidad variable como a velocidad constante. Uno de los pequeños inconvenientes que se encontraron al realizar las pruebas fue que el freno de disco que tiene el dispositivo tiende a calentarse demasiado ocasionando que se amarre y con esto una gran perdida de tiempo entre cada prueba correspondiente.
10. Bibliografía:
Titulo: Mecánica De Fluidos Y Maquinas Hidráulicas Autor: Claudio Mataix Editorial: Ediciones del Castillo Año: 1986 Titulo: Mecánica de Fluidos Autor: Robert L. Mott Editorial: Pearson Año: 2006 www.wikipedia.org
