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Tecnolgico de Costa RicaIngeniera ElectromecnicaIngeniera en
Mantenimiento IndustrialLaboratorio de TurbomquinasTECNOLGICO DE
COSTA RICAESCUELA DE INGENIERIA ELECTROMECNICACarrera: Ingeniera en
Mantenimiento IndustrialLaboratorio de Turbomquinas
Turbina Francis
Profesor:Ing. Oscar Eduardo Monge Ruiz
Estudiantes:Jose Roberto Sanabria Guadamuz
Grupo: 032015-04-09I Semestre
CEAB
Carrera evaluada y acreditada por: Canadian Engineering
Accreditation Board Bureau canadien daccrditation des programmes
dingnierie
1. Objetivo Determinar la eficiencia de una turbina Francis en
funcin del caudal (modificando el flujo desde la bomba y cambiando
la apertura del distribuidor)2. IntroduccinLas turbinas hidrulicas
son de gran utilidad ya que se puede convertir la energa potencial
que tiene algn lquido en trabajo mecnico. Este trabajo mecnico se
puede aprovechar por medio de algn generador elctrico (para
producir energa elctrica), sino se puede aprovechar en otras
aplicaciones mecnicas como conectar alguna bomba.En la actualidad
hay gran variedad de tamaos (potencia) y variedad de estilos
(tipos), pero en general se componen de tres partes fundamentales:
el rodete, el distribuidor y el difusor. El rodete es el encargado
de convertir la energa hidrulica en energa mecnica. El distribuidor
direcciona el fluido en la direccin correcta para que el rodete
realice su trabajo. Y finalmente, el difusor es el encargado de
conducir el fluido al canal de desage.En la familia de las turbinas
hidrulicas hay varios tipos dependiendo de su construccin. Entre
estas tenemos a las turbinas Pelton, turbinas Francis, turbinas
Kaplan y las turbinas Michell-Banki. Sin embargo, en este
laboratorio se tiene un nfasis en la turbina Francis.Figura 1.
Turbina Francis.
Figura 2. Turbina Pelton.
Figura 3. Turbina Kaplan
Para clasificar las turbinas hidrulicas se puede hacer segn la
direccin en que ingresa el fluido al rodete y segn el grado de
reaccin. En el primer caso, el fluido puede entrar al rodete en
tres direcciones distintas; por lo tanto tenemos tres tipos:
Turbinas Axiales (por ejemplo la turbina Kaplan), Turbinas Radiales
(por ejemplo la turbina Francis) y las Ruedas Tangenciales (por
ejemplo la turbina Pelton). Pero de acuerdo al grado de reaccin se
tienen dos tipos: Turbinas de Accin (aprovecha la energa cintica
del fluido, no hay diferencia de presin entre la entrada y salida
de la turbina) y las Turbinas de Reaccin (aprovecha tanto la energa
cintica como la energa potencial del fluido, si hay diferencia de
presiones entre la entrada y la salida de la turbina).Como podemos
ver, segn esta clasificacin, la turbina en estudio (Turbina
Francis) es una turbina Radial y de Reaccin, es decir, el fluido
entra al rodete de forma radial y transforma tanto la energa
cintica del fluido como la potencial. Adems, hay una diferencia de
presiones entre la entrada y salida de la turbina y el fluido
inunda por completo el interior de la turbina.Segn el objetivo, la
idea de esta experiencia es encontrar la relacin entre el caudal en
una turbina Francis y su eficiencia. Por lo tanto, para la
estimacin del caudal que pasa por la turbina se va a utilizar el
mtodo del tubo Pitot, es decir, obtendremos la presin diferencial
(presin dinmica en la tubera y por medio de la siguiente ecuacin se
calcula el caudal:
Donde:Q: Caudal [m3/s]C: Coeficiente de calibracin del Pitot (en
este caso ser igual a 1)A: rea transversal de la tubera [m2]Pd:
Presin dinmica del fluido [Pa]: Densidad del fluido [kg/m3]Luego,
para el clculo de la eficiencia es necesario conocer la potencia de
entrada y salida. Para calcular la potencia de entrada (energa
hidrulica) se utiliza la presin esttica en la entrada de la turbina
y el caudal calculado anteriormente. Se utiliza la siguiente
ecuacin:
Donde:Pent: Potencia de entrada [W]Q: Caudal [m3/s]: Peso
especfico del fluido [N/m3]hT: Carga de presin en la turbina
[m]Despus, para calcular la potencia de salida, al ser potencia
mecnica, se calcula con la siguiente ecuacin:
Donde:Psal: Potencia de salida [W]T: Torque [Nm]: Velocidad
angular [rad/s]Finalmente, para calcular la eficiencia de la
turbina Francis, se usa la siguiente ecuacin:
Donde:: Eficiencia [%]Pent: Potencia de entrada [W]Psal:
Potencia de salida [W]
3. Equipo UtilizadoPara llevar a cabo esta experiencia se
utilizaron varios equipos que se explican a continuacin:Sistema
automatizado de bombeo:En el laboratorio se tiene un sistema
automatizado de bombeo, del cual se utiliz el panel de control y
dos bombas centrfugas. Este sistema se utiliz para simular un
embalse. Ya que normalmente las turbinas se usan para transformar
la energa potencial que tiene el agua de un embalse. En este caso,
al carecer de un embalse, se tiene uno virtual.
Figura 4. Sistema automatizado de bombeo.
Tabla 1. Datos de la bomba centrifuga.Parmetro Valor
MarcaBuffalo Forge Company
Modelo709 CRE
Size4x3
Head44
G.P.M.300
RPM1750
Dimetro del Impulsor8
Fuente: Lab. Turbomquinas
Tabla 2. Datos del motor elctrico.ParmetroValor
MarcaSiemens
Tensin220/440 V
Amperaje20,0/10,0 A
Frecuencia60 Hz
Potencia5 595 W
Efic. Nominal89,50%
Armazn213 T
ServicioContinuo
F.S.1,25
Peso62 kg
Fuente: Lab. Turbomquinas
Turbina FrancisFigura 5. Turbina Francis.
La turbina Francis que se us en el laboratorio es la que se
muestra en la Figura 5. Esta turbina carece de datos de placa, sin
embargo, el Profesor nos pudo facilitar el dimetro interno de la
tubera de la turbina, el cual es de 150 mm.ManmetrosPara la
experiencia se tuvo que medir la presin dinmica en la tubera y la
presin esttica en la entrada de la turbina Francis. Para esto se us
un manmetro digital y un manmetro Bourdon.TacmetroFigura 6.
Manmetros.
Para poder realizar los clculos de potencia mecnica se necesita
la velocidad en el eje del rodete, por lo tanto se utiliza un
tacmetro para medir dicha velocidad.Sistema disipador de potenciaLa
potencia que la turbina convierte de energa hidrulica a energa
mecnica se debe de disipar, de lo contrario la turbina se
[desboca]. Por lo tanto se necesita un sistema que consuma esta
potencia, en este caso se una un generador y unas resistencias. De
esta forma la energa mecnica que nos entrega la turbina la
convertimos a energa elctrica por medio del generador. Y
finalmente, esta energa es consumida por las resistencias que se
conectan en las fases del generador.Tabla 3. Datos del Generador
Sncrono.ParmetroValor
Potencia Real7,5 kW
Potencia Reactiva9,38 Kva
RPM1800
Fases3
Frecuencia60 Hz
Voltaje200-240 V
Amperaje26-22,5 A
SerialS52-1GJ
ModeloH17-36-033
Fuente: Lab. Turbomquinas
4. ProcedimientoA. Verifique que el equipo necesario para llevar
a cabo la experiencia est conectado correctamente.B. Encienda el
sistema de bombeo para proporcionar el caudal determinado por el
profesor.C. Mida el torque y la velocidad en el eje del rodete. As
como la presin esttica en la entrada de la turbina y la presin
dinmica o diferencial. Registre estas mediciones en una tabla.D.
Repita las mediciones anteriores para cada una de las posiciones
determinadas por el profesor.E. Luego, elija una de las posiciones
anteriores para ver el efecto de la variacin de rodete.F. Ponga el
sistema de bombeo en la posicin elegida. Tome las mediciones del
punto C.G. Gire el volante la cantidad de vueltas establecidas por
el profesor para variar la apertura del distribuidor. Para cada
cambio tome las medidas del punto C.5. Datos ExperimentalesEntre
los datos que se midieron en el laboratorio para poder obtener los
resultados deseados se midi la velocidad angular en el eje del
rodete, la presin diferencial en la tubera por donde circulaba el
agua y la presin esttica en la entrada de la turbina. En el caso
del torque, los valores fueron brindados por el profesor, debido a
que el Torqumetro est daado.Tabla 4. Mediciones en las distintas
posiciones del sistema de bombeo.PosicinTorqueVelocidadPresin
DiferencialPresin Estatica
Nm(+0,1)RPM(+0,1)pulg H2O(+0,05)bar
13003,18944,4156,80,40
14003,201002,0178,80,50
15003,401184,0205,00,60
16303,601362,0247,30,75
Fuente: Lab. Turbomquinas
Tabla 5. Mediciones en las distintas posiciones de los alabes
del distribuidor.AlabesTorqueVelocidadPresin DiferencialPresin
Estatica
Nm(+0,1)RPM(+0,1)pulg H2O(+0,05)bar
CMR3,601362,0247,30,75
2VFMR4,451382,0274,50,70
3VFMR4,561415,0374,60,35
4VFMR4,271010,0439,00,20
5VFMR3,30741,8454,80,18
6VFMR2,67601,7468,40,15
Fuente: Lab. Turbomquinas
Adems, se requiere los valores de algunos parmetros para
realizar los clculos.Tabla 6. Parmetros de
inters.ParmetroValorUnidades
9 x10 -4Pa s
kdescarga0,615
H2O1000kg/m3
1 x106m2/s
Dint_tuberaTurbina150mm
Dtubera orificio125mm
Dorificio interno55mm
Fuente: Lab. Turbomquinas
6. Resultados ExperimentalesA continuacin se muestran los
resultados de los caudales, potencias y eficiencias para cada
caso:Tabla 7. Resultados experimentales a la hora de variarel
caudal por medio de la bomba.
Tabla 8. Resultados experimentales a la hora de variar el
caudalpor medio de la apertura de los labes del distribuidor.
Los resultados anteriores tambin se muestran de forma grfica
para facilitar el anlisis de los resultados y obtener
conclusiones.[GRAFICOS]7. Conclusiones Laboratorio de
TurbomquinasPgina 2