UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Laboratorio de Mecánica II “Turbina Francis” Amaya Vite, ALBERTO FRANCO
20102006B
Arnao Cortegana, Joel
20104028C
Blancas Sanchez, Jordan Darwin
20100235D
Chappa Fuentes, Omar Albeiro
20102029B
Pérez Neyra, Jhordan Alexis
20104021I
Reynoso Godoy, Ronald Omar
20102018K
Sosa Retamozo, Hernán
20092512H
Encargado de la Experiencia: Ing. Lastra Espinosa, Luis Antonio
TURBINA FRANCIS
Laboratorio N°2
25 de Abril de 2013 Índice
Introducción.......................................................................................................3 Objetivos......................................................................................................4 Fundamento Teórico....................................................................................4 Principio de Funcionamiento de la Turbina Francis...................................13 Calculo de la Potencia al Eje......................................................................14 Resultados........................................................................................................16 Gráficos............................................................................................................17 Conclusiones y Recomendaciones...................................................................18
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Laboratorio N°2
TURBINA FRANCIS
INTRODUCCIÓN
Desde hace ya varios años, el ser humano ha intentado obtener energía para satisfacer sus necesidades de diferente forma y diferentes fuentes. Es así que nace la idea de obtener energía mediante el vapor, de combustibles fósiles, y también de aprovechar caídas de agua. Gracias a avances en la física, sabemos que la energía puede ser almacenada y transportada, la energía eléctrica la podemos obtener al transformar la energía potencia y energía cinética de la caída de agua, mediante el uso de turbinas, las cuales son máquinas motrices que consisten de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, las turbinas se pueden dividir en: hidráulicas, a vapor y a gas. Es así que se nos vienen a la mente diferentes nombres de turbinas, en donde resaltan la Pelton y la Francis. 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. En esta experiencia estudiaremos el comportamiento de una turbina Francis, hallaremos la potencia obtenida, y de ésta forma conoceremos más acerca de esta turbomáquina.
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TURBINA FRANCIS
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I.
OBJETIVOS • • •
II.
Observar el rendimiento hidráulico y sus condiciones de diseño. Funcionamiento a velocidad angular variable: curvas características. Investigar sobre el principio de funcionamiento de la turbina Francis.
FUNDAMENTO TEÓRICO.
También conocidas como turbinas de sobrepresión, de admisión total, turbinas radial-axial o como turbinas de reacción, las turbinas Francis poseen campo de aplicación es muy extenso, pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente). Las turbinas Francis son de muy buen rendimiento, pero solamente entre determinados márgenes de descarga, entre 60 % y 100 % del caudal máximo. Esta es una de las razones por la que en una central hidroeléctrica se disponen varias unidades, a objeto de que ninguna trabaje individualmente, por debajo de valores del 60 % de la descarga total. Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o en posición vertical. Siendo la posición vertical del eje la más generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de unidades de gran potencia
Posición Vertical
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Posición Horizontal Para la elección de una turbina Francis de eje horizontal o de eje vertical, se tienen en cuenta diversos criterios. La turbina Francis de eje horizontal presenta las siguientes ventajas: •
Separación completa de la turbina y el generador.
•
Disposición ventajosa de la sala de máquinas ya que la turbina y el generador están situados al mismo nivel.
•
Fácil montaje.
•
Facilidad de reparaciones en la turbina y en el generador.
•
Costo reducido de la turbina y el generador.
Respecto a la turbina de eje horizontal, la turbina Francis de eje vertical presenta los siguientes inconvenientes: •
La turbina y el generador ya no son completamente independientes puesto que ambas máquinas han de estar soportadas por un cojinete axial común.
•
Al estar superpuestas la turbina y el generador, se precisa construir una sala de máquinas de, por lo menos, dos plantas.
•
El montaje es más difícil.
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•
Los dispositivos de engrase (sobre todo del cojinete axial) son más complicados.
•
El costo es superior en aproximadamente, un 20 % a igualdad las demás condiciones.
En resumen, que la tendencia moderna es construir turbinas Francis de eje horizontal. Sin embargo, como se dijo anteriormente, las casas constructoras tienen mayor experiencia en la construcción de turbinas de eje vertical, ya que fueron las primeras turbinas Francis en construirse, por lo que todavía se realizan muchas instalaciones con turbinas Francis de eje vertical. Sobre todo, es interesante el empleo de estas turbinas cuando, por razones de espacio disponible, conviene reducir la superficie de la sala de máquinas, todo lo que sea posible.
Clasificación de las turbinas Francis Se pueden clasificar en función de la velocidad específica del rotor y 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 20 m. Turbinas Francis rápidas y extra rápidas: apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 20 m.
Componentes de la turbina Francis
Distribuidor
Cámara Espiral
Rotor o rodete
Tubo de aspiración
Eje
Equipo de sallado
Cojinete guía
Cojinete de empuje
1. Distribuidor El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que está situado concéntricamente entre el pre-distribuidor y la turbina. Su función es la de distribuir y regular, eventualmente cortar totalmente, el caudal de agua que fluye hacia el rotor.
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Elementos componentes del distribuidor: •
Palas directrices o álabes directrices: Son las palas móviles, cada una de ellas al unísono con las demás pueden orientarse dentro de ciertos límites, al girar su eje pasando de la posición de cierre total a la de máxima apertura, que corresponde al desplazamiento extremo, tendiendo a quedar en dirección radial.
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TURBINA FRANCIS
Equipo de accionamiento: se trata de un conjunto de dispositivos mecánicos, a base de servomecanismos, palancas y bielas, que constituyen el equipo de regulación de la turbina, gobernado por el regulador de velocidad.
•
Servomotores hidráulicos: normalmente son dos, desplaza una gran biela en sentido inverso una respecto de la otra, proporcionando un movimiento de giro alternativo a un aro móvil, llamado anillo o volante de distribución, concéntrico con el eje de turbina.
•
Anillo de distribución: con sus movimientos, hace girar a todas y cada una de las palas directrices; el giro conjunto y uniforme de las palas directrices, permite variar la sección de paso de agua a través del distribuidor.
•
Bielas: el eje de la pala directriz va ligada al anillo mediante una biela, la misma no va unida directamente al anillo, sino que lo hace mediante una bieleta, que ejerce la función de fusible mecánico.
2. Cámara Espiral Está constituida por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral. Esta disposición se conoce como el caracol de la turbina y debido a su diseño se consigue que el agua circule con velocidad constante y sin formar torbellinos, evitándose pérdidas de carga.
En la zona periférica interna y concéntrica con el eje de la turbina se encuentra una abertura circular formando un anillo, cuyos extremos están enlazados paralelamente al eje de la turbina por una sucesión de palas fijas equidistantes una de otra, a través del cual fluirá el agua, esta zona es denominada pre-distribuidor de la turbina
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3. Rotor Se trata de la pieza fundamental mediante la cual se obtiene la energía mecánica deseada. Está unido rígidamente al eje de la turbina y perfectamente concéntrica con el distribuidor. Consta de un núcleo central alrededor del cual se encuentra dispuesto determinado número de palas de superficie alabeada equidistantemente repartidas y fijadas al núcleo. Forma una pieza única hecha por fundición o soldadura sin uniones ni fijaciones accesorias. Las palas están unidas por su parte externa inferior a un anillo que hace cuerpo con las mismas. En su extremo superior van unidas a otro anillo el cual va sujeto al eje de la turbina. La longitud y mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina de las palas o álabes del rotor dependen del caudal, de la altura del salto y de la velocidad específica.
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4. Tubo de Aspiración En una turbina de impulso como la rueda Pelton, la carga disponible es alta (200m o más), y no hay mucha pérdida entre el trabajo total producido aunque la turbina se coloque separada dos o tres metros del nivel del desfogue. En la turbina Francis, se desperdiciaría una fracción considerable de la carga disponible si la turbina se colocara por encima del nivel del desfogue y el agua que saliera de la turbina nada más descargara a la atmósfera. Colocando la turbina por encima del nivel de desfogue y llevando el agua de descarga hasta el desfogue por medio de una tubería de manera que el agua alcance la presión atmosférica solamente en el desfogue, tanto el trabajo como la eficiencia de la turbina se podrán mejorar considerablemente. En segundo lugar, el tubo que conduce el agua desde la salida de la turbina hasta el desfogue se puede hacer ligeramente divergente de manera que una parte de la energía cinética a la salida de la rueda se pueda convertir en carga de presión y mejorar el factor total de utilización. Este tubo se conoce como tubo de aspiración. El tubo de aspiración consiste en un conducto, normalmente acodado, que une la turbina con el canal de desagüe. Tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética del agua a la salida del rotor.
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TURBINA FRANCIS
5. Eje de la Turbina El eje de un grupo tiene ciertas peculiaridades cuando se encuentra instalado en posición vertical. Por medio del eje de turbina, al estar rígidamente unido mediante acoplamiento al eje del alternador, se transmite al rotor el movimiento de rotación necesario. Ahora bien, en este tipo de turbinas, es en la zona de eje correspondiente al alternador, donde se suele disponer el medio para soportar todo el peso del conjunto formando por ejes, rotor, rodete y empuje del agua sobre los álabes de este último. Tal medio, es el denominado cojinete de empuje, del cual nos ocuparemos oportunamente. Además del cojinete de empuje, el eje completo del grupo, dispone de hasta tres cojinetes guías. Dos de ellos están situados en la zona del alternador, y un tercero en la zona de turbina, al cual nos referiremos en breve. En determinados grupos, y por características constructivas de los mismos referidas a condiciones de peso y sustentación, o aireación del rodete, el eje es hueco en su totalidad.
6. Equipo de sellado del eje Está destinado a sellar, cerrar e impedir el paso de agua, que pudiera fluir desde el rotor hacia el exterior de la turbina, por el espacio existente entre la tapa de la turbina y el eje. Consta de una serie de aros formados por juntas de carbón o material sintético presionadas, generalmente por medio de servomecanismos hidráulicos u otro medio mecánico, sobre un collar solidario al eje.
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TURBINA FRANCIS
7. Cojinete de Agua Constituye un anillo, normalmente dividido radialmente en dos mitades, o de una serie de segmentos, que se asientan perfectamente sobre el eje. Las superficies en contacto están recubiertas de material antifricción.
8. Cojinete de Empuje Este elemento, conocido también como soporte de suspensión, es un componente característico y necesario en todos los grupos (conjunto turbina-generador) de eje vertical. Su ubicación, respecto al eje del grupo varía según los tipos de turbinas. En el caso de grupos accionados por turbinas Pelton o Francis, el cojinete se ubica encima del rotor del generador.
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III.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS FRANCIS
En la mayoría de los casos, la instalación de este tipo de turbinas se realiza en centrales cuya alimentación de agua necesita 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. 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. El agua procedente de la tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina por la cámara de descarga y sale paralela a él. El agua, después de pasar por el rodete, impulsando a éste y haciéndolo girar, sale por un tubo (tubo de aspiración). Para regular el caudal de agua que entra en el rodete se utilizan unas paletas directrices situadas en forma circular, y cuyo conjunto es el distribuidor. 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 no entra agua en el rodete, y tienen sus caras casi paralelas; en la posición de abierto 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. ,
,
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IV.
CÁLCULO DE LA POTENCIA AL EJE Para la siguiente experiencia primero encenderemos la bomba que alimentará a la turbina. Después calibraremos el dinamómetro, el cual deberá marcar cero. Para cada pesa sometida mediremos la marcación en el dinamómetro y las rpm del eje.
Bomba que alimenta a la turbina Líquido que se echa para que la faja no se queme por fricción
Variación de la carga en la faja
Manipulación del caudal
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Laboratorio N°2 Diagrama de cuerpo libre: f
D
W
W + f
D
=
f = D −W
′= ó
V. RESULTADOS Procediendo con los cálculos anteriores, se obtuvo los siguientes resultados con los datos experimentales en el ensayo: Dinamome tro
Peso
N
Torque
Ph
kgf
kgf
RPM
kg.m
HP
1
0.5
1920
0.0825
2.05
1
1840
0.17325
4.4
1.5
1720
0.4785
5.2
2
1646
0.528
6.3
2.5
1555
0.627
7.3
3
1490
0.7095
0.218258 02 0.439244 26 1.134032 27 1.197508 98 1.343423 56 1.456644 9
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V.
8.5
3.5
1420
0.825
9.4
4
1360
0.891
9.7
4.5
1350
0.858
10.3
5
1340
0.8745
11.2
5.5
1315
0.9405
12.2
6
1290
1.023
13.4
6.5
1220
1.1385
1.614199 91 1.669673 82 1.596011 74 1.614654 61 1.704117 67 1.818362 1 1.913849 98
GRAFICAS
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Laboratorio N°2
VI.
TURBINA FRANCIS
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 17
Laboratorio N°2 •
TURBINA FRANCIS
Observamos que la potencia del eje va disminuyendo a medida que agregamos pesas a la faja, lo cual se origina debido a la fricción en el eje.
•
Cuando se presenta este problema en las centrales hidroeléctricas, éstas se encargan de regular la potencia hidráulica de modo que la potencia al eje siempre sea una constante y así alimente bien a la central.
•
Recordar que es importante controlar el caudal de entrada, ya que, por lo que vimos anteriormente, las turbinas Francis tienen que tener un depósito de agua, así mismo, tienen que estar por debajo del nivel de descarga, de esa forma nos aseguramos que siempre contengan agua.
•
En el laboratorio también regulamos otra llave de descarga, la cual nos asegura que la bomba que alimenta a la turbina, siempre tenga agua para succionar.
•
Es importante la calibración del dinamómetro en la faja, así mismo tener la garantía de cuánto peso estamos añadiendo.
•
Es importante agregar agua a la polea, de modo que el coeficiente de fricción no se vea afectado y no se produzca demasiado deslizamiento.
•
La potencia hidráulica y la presión se mantuvieron constantes en toda la experiencia, y pudimos observar que para esas condiciones lo máximo que podíamos agregar eran 6.5 kg de carga.
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