FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE INGENIERIA MECÁNICA II
MN 463
TURBINA PELTON
Profesor
:
Ing. Cesar Ugarte
Grupo : 2
Periodo Académico :
2009 – I
INTRODUCCIÓN
El interés actual en buscar nuevas fuentes de energía, ya que el petróleo es una fuente agotable, ha incentivado la búsqueda de nuevas formas para producir energía. Sin embargo, desde hace mucho tiempo, la energía eléctrica se presenta como una manera limpia de satisfacer nuestras necesidades energéticas.
Para la generación de energía eléctrica se pueden emplear las Centrales Hidroeléctricas, que aprovechan una sustancia tan “común” como el agua, inagotable si es que es bien aprovechada (conservándola limpia) y no produce contaminación por sí misma.
Esto llevó a concebir la idea de una rueda provista de alabes en su periferia que lograse captar la energía que proviene de un chorro de agua en un tubería a alta presión.
Esta máquina sería capaz de absorber la energía cinética del flujo y convertirla en energía mecánica, es decir recibir la energía en forma giratoria y entregarla de la misma forma o viceversa. A estas máquinas se les llamó TURBINAS. Una máquina que emplea agua para su funcionamiento es la TURBINA HIDRÁULICA, entre estas son las más conocidas: La Turbina FRANCIS, KAPLAN y PELTON. En el presente informe nos dedicaremos justamente en calcular la potencia que desarrollan estas Turbomáquinas; en especial la Turbina Pelton por ello utilizaremos métodos apropiados como la del freno de cinta Prony para evaluar la efectividad de la Turbina durante su funcionamiento y evitar desgastes en la misma.
OBJETIVOS
• Analizar la variación de las distintas eficiencias involucradas en la operación de una turbina Pelton, con respecto a la velocidad de giro de su eje, así como su comportamiento para diferentes alturas.
• Determinar la curva de pérdidas en el generador.
FUNDAMENTO TEÓRICO
TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS
Son máquinas hidráulicas rotativas que se emplean actualmente en la transferencia de energía entre el agua y un rotor (o viceversa) provisto de alabes. También son llamados Turbomáquinas de fluido incompresibles por la naturaleza del fluido de trabajo.
TURBINA HIDRÁULICA
Transforma la energía mecánica. Son Turbomáquinas que transfieren la energía cometida en el agua a un rotor provisto de alabes, mientras el flujo pasa a través de estos.
CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS
Según la dirección que sigue el agua por el rotor.
Radiales: El paso del agua por el rotor se efectúa en dirección radial. Turbina
FRANCIS.
Axiales: El paso del agua entre los alabes se hace en dirección del eje de la máquina.
Turbinas KAPLAN y PELTON.
Tangenciales: El ataque del agua al rotor es de forma tangencial. Turbina PELTON.
Según como aprovecha la energía del agua
De Impulso: Si la turbina aprovecha solamente la energía cinética del agua. Turbina
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS
Normalmente las condiciones hidráulicas de un proyecto fijan solamente dos de tres parámetros característicos: Altura de Caída (H), Caudal (Q), y Potencia (P). Conocidos los parámetros H y P o H y Q se puede seleccionar un tipo determinado de turbinas a través del conocimiento de los parámetros característicos de diseño y/o selección como son: la velocidad específica (Ns) o la cifra de rotación ( υ).
4 / 5 H P N Ns= 4 / 5 2 / 1 ) 2 ( ) ( gH Q N π υ =
TURBINA PELTON
Las turbinas Pelton como ya se dijo son turbinas hidráulicas de impulso, es accionada por un chorro de agua que impacta a alta velocidad contra las cucharas y abandona estas sin velocidad, por lo tanto a la entrada y salida de la máquina no hay variación de presión (presión atmosférica). Los alabes o cucharas están montadas en un rodete, el cual comunica un par mecánico a un eje.
Las Turbinas Pelton son empleadas para grandes alturas y bajos caudales, ya que se les considera turbinas de admisión parcial, esto es debido a que las cucharas de la rueda no están en contacto con el agua permanentemente, ya que para cada giro, el agua impacta sólo una vez y por un tiempo muy pequeño en cada cuchara.
CARACTERÍSTICAS
La alimentación se efectúa a través de las toberas que transforman la energía estática del agua en dinámica. El fluido sale en forma de chorro libre de las toberas, las cuales encuentran colocada al final de la tubería de presión. Las toberas están provistas de una aguja de cierre para regular el caudal.
El álabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua, produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección. Por ser el ataque del agua en sentido tangencial a la rueda se la denomina también turbina "tangencial" por tener el fluido un recorrido axial a su paso por el álabe, se clasifica también entre las máquinas de tipo axial.
Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad específica es pues baja entre 10 y 60 en el sistema métrico.
La turbina Pelton, por la sencillez de su construcción y por razones de tipo hidrodinámico es la que tiene la máxima eficiencia entre todos los motores hidráulicos. Otra de sus cualidades es que permite el acoplamiento directo con los generadores electrónicos de alta velocidad, ya que puede proyectarse para elevadas velocidades tangenciales del rodete.
choca contra el vértice arrastra invariablemente partículas de arena u otros materiales abrasivos que tienden a desgastarlo. El ángulo de entrada está por tanto entre 1° y 3° , pero se supone siempre que es cero en todos los cálculos.
Teóricamente, si la cazoleta fuera exactamente hemisférica, desviaría el chorro un ángulo de 180°. En este caso, la velocidad relativa del chorro al salir de la cazoleta, tendría opuesta dirección a la velocidad relativa del chorro que entra. Esto no se puede obtener en la practica puesto que el chorro al salir de la cazoleta golpearía la parte posterior de, la siguiente cazoleta y causaría salpicaduras e interferencia de manera que la eficiencia total de la turbina descendería a un valor bastante bajo. Por tanto, la deflexión angular del chorro en la cazoleta se limita en la práctica a aproximadamente. 165° ó 170°, y por tanto la Cazoleta es ligeramente menor que un hemisfério.
CLASES
De eje Horizontal
El número de entradas son de una a dos por resultar complicada la instalación en plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección. La ventaja de este tipo de turbina es la fácil inspección y reparación de la rueda, los inyectores sin necesidad de desmontarlos.
Permite también este tipo de turbinas instalar turbinas gemelas para un sólo generador colocado entre ambos.
De eje Vertical
El sistema de alimentación (toberas y agujas) se encuentra en un plano horizontal, lo que permite aumentar el número de chorros por rueda de cuatro a seis. El caudal puede ser mayor así como la potencia por unidad.
Otra ventaja de esta turbina es que el eje Turbina-Generador se acorta, se reduce las excavaciones, se puede disminuir el diámetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. En conclusión se reduce el peso de la turbina. La desventaja de este modelo de turbina es que se hace más difícil la inspección y reparación.
PARTES PRINCIPALES
El rodete
Esta constituido por un disco de acero con alabes periféricos en forma de doble cuchara. Estos pueden estar fundidos en una sola pieza o individualmente, sujetándose al disco por medio de bulones.
Se prefiere la fundición en una sola pieza para Turbinas que utilizan grandes velocidades específicas para lograr mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rápido. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la erosión.
El número de alabes esta alrededor de los 17 a 26 por rueda, para altas velocidades es menor el número de alabes y viceversa.
El inyector
Esta constituido por una tobera convergente, con aguja de cierre cónica; La posición de esta última determina el grado de apertura de la tobera y en consecuencia el gasto o caudal. El material del inyector debe ser tal que resista la acción abrasiva y corrosión del agua.
En la figura se muestra un croquis de la turbina en conjunto para poder apreciar la distribución de los componentes fundamentales. Un chorro de agua convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvía sin choque, cediendo toda su energía cinética, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina. La regulación se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tubería. Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.
1. R odete 2. C uchara 3. A guja 4. T obera 5. C onducto de entrada 6. M ecanismo de regulación 7. C ámara de salida
EQUIPOS
BANCO DE PRUEBAS PARA LA TURBINA PELTON
Características técnicas del banco:
Turbina Pelton
Marca : Armifield Hydraulic Engineiring England.
Tipo : Pelton MK2
Serie : 2061
Altura Nominal : 53m (175 pies) Velocidad Nominal : 1160 rpm Potencia Nominal : 5 HP
Motobomba
Motor : Newman Motor INC. Tipo : 215 DD 181 BB
Serie : P 424701
Potencia : 7.5 HP Velocidad : 3600 rpm
Bomba : Sigmund Pump LTD.
Tipo : N-NL3
Manómetro Rango : 0 – 100 PSI Aproximación : 2 PSI Tacómetro Digital Rango : 0 – 2500 rpm Aprox : 50 rpm Vertedero
Marca : Wyers triangular de 90° Rango : 0-30cm
PROCEDIMIENTO
1. Encendemos la bomba y regulamos la boquilla de emisión de agua a una presión determinada (20, 30 y 40psi).
2. Medimos la altura en el linímetro para calcular el caudal. 3. Medimos la fuerza en el dinamómetro cuando no hay carga.
4. Medimos la velocidad angular con ayuda del tacómetro cuando no hay carga. 5. Aplicamos carga al sistema (focos).
6. Medimos la fuerza y la velocidad angular en cada variación de carga. 7. Repetimos el procedimiento para las diferentes presiones.
8.
CÁLCULOS Y RESULTADOS
DATOS DE LABORATORIO
De la experiencia de laboratorio se tomaron los siguientes datos: Longitud de brazo en el dinamómetro
L = 8.255 cm.
Prueba 1:
h = 107 mm. Pent = 20 psi
Nº DE
FOCOS F (KG) N(RPM) ALTURA DEL LINIMETRO (mm) 1 2.8 930 107 2 3.1 918 107 3 3.5 908 107 4 3.8 898 107 5 4.1 893 107 6 4.1 891 107 7 4.4 885 107 Prueba 2: h = 109 mm. Pent = 30 psi Nº DE
FOCOS F (KG) N (RPM) ALTURA DEL LINIMETRO (mm) 1 4.1 1123 109 2 4.9 1102 109 3 5.6 1080 109 4 6.3 1061 109 5 6.8 1042 109 6 7.2 1024 109 7 7.6 1016 109
Prueba 3:
h = 105 mm. Pent = 40 psi
Nº DE
FOCOS F (KG) N (RPM)
ALTURA DEL LINIMETRO (mm) 1 5 1263 105 2 6 1233 105 3 6.8 1195 105 4 7.6 1173 105 5 8.3 1149 105 6 8.8 1128 105 7 9.2 1103 105
PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS
a) Potencia Hidráulica (PH)
gQH
PH =ρ ……….(1) Donde: ρ: densidad del agua.
g: aceleración de la gravedad. H: altura simulada o altura útil. Q: caudal g V P H T 2 2 + = γ
Donde VT: velocidad de entrada a la boquilla.
Ae Q VT =
) cos( 1 )( ( Pr ρQU V U k β H = ch − + ………….(2)
Donde: U: velocidad tangencial. Vch: velocidad del chorro. K = 0.9 β = 10º gH Vch =0.975 2 p wr U =
Donde: w: velocidad angular. rp=5.6875” c) Potencia al Freno (BHP) w R Fd BHP= * * ……….(3) Donde: Fd: fuerza medida en el dinamómetro.
R = 3” d) Eficiencia Mecánica (ηm) Pr H BHP m = η ……..(4) e) Eficiencia Hidráulica (ηh) PH H h= Pr η ……….(5) f) Eficiencia Total (ηT) PH BHP T = η ……….(6)
Con ayuda de una Hoja de Cálculo en Microsoft Excel®, calculamos cada uno de estos parámetros: Prueba 1: PH(W) Q(m3/s) Vt(m/s) Vch(m/s) H(m) 605.4900 0.0036 0.7907 17.9589 17.1162 Foco N(RPM) F(N) T(Nm) BHP(W) ηm ηT ηh U(m/s) HPr 1 930 27.47 2.27 220.83 0.593 0.365 0.615 14.0689 372.2686 2 918 30.41 2.51 241.33 0.627 0.399 0.635 13.8873 384.6136 3 908 34.34 2.83 269.51 0.683 0.445 0.652 13.7361 394.5586 4 898 37.28 3.08 289.38 0.716 0.478 0.668 13.5848 404.1923 5 893 40.22 3.32 310.49 0.759 0.513 0.675 13.5091 408.8923 6 891 40.22 3.32 309.80 0.754 0.512 0.678 13.4789 410.7506 7 885 43.16 3.56 330.23 0.793 0.545 0.687 13.3881 416.2506 Prueba 2: PH(W) Q(m3/s) Vt(m/s) Vch(m/s) H(m) 905.4800 0.0038 0.8282 21.4591 24.4383 Foco N(RPM) F(N) T(Nm) BHP(W) ηm ηT ηh U(m/s) HPr 1 1123 40.22 3.32 390.46 0.722 0.431 0.598 16.9885 541.0939 2 1102 48.07 3.97 457.92 0.805 0.506 0.628 16.6709 568.7074 3 1080 54.94 4.53 512.89 0.860 0.566 0.658 16.3380 596.0934 4 1061 61.80 5.10 566.85 0.917 0.626 0.683 16.0506 618.4748 5 1042 66.71 5.51 600.88 0.939 0.664 0.706 15.7632 639.6791 6 1024 70.63 5.83 625.24 0.949 0.691 0.727 15.4909 658.6815 7 1016 74.56 6.15 654.82 0.982 0.723 0.736 15.3699 666.7878 Prueba 3: PH(W) Q(m3/s) Vt(m/s) Vch(m/s) H(m) 1042.3711 0.0034 0.7543 24.1257 30.8893 Foco N(RPM) F(N) T(Nm) BHP(W) ηm ηT ηh U(m/s) HPr 1 1263 49.05 4.05 535.54 0.861 0.514 0.597 19.1064 622.2724 2 1233 58.86 4.86 627.38 0.947 0.602 0.635 18.6526 662.4203
GRÁFICAS
OBSERVACIONES
• Se observó que el banco de pruebas de la Turbina Pelton solo se puede utilizar para cierto rango de potencias, ya que, para valores fuera de este rango los valores obtenidos presentan mucho error.
• La turbina Pelton se encuentra en un estado aceptable de utilización, a diferencia de varios equipos de laboratorio, claro que su uso es puramente académico.
• El dinamómetro tiene que estar alineado para tomar los valores de fuerza en forma correcta.
CONCLUSIONES
• Las gráficas tanto de potencia como de eficiencia en teoría tienen una tendencia parabólica hacia abajo. Nuestras gráficas presentan la parte de caída de las curvas teóricas.
• En las gráficas obtenidas para 30 y 40psi se observa que para una misma velocidad de giro hay valores de carga diferentes, esto es debido a que los datos tomados estaban fuera del rango aceptable de utilización de la turbina.
• Las gráficas para 30 y 40psi demuestran que para una mayor altura de caída de agua, la turbina es más eficiente.
• La eficiencia total máxima de la Turbina Pelton para los datos tomados va en aumento conforme aumentamos al altura y se mantiene en un rango aceptable, peo la eficiencia mecánica vemos que sobrepasa el 100%, lo cual indicaría una falla en la toma de datos o cálculos.
BIBLIOGRAFÍA
1. Polo, E., TURBOMAQUINAS HIDRÁULICAS, Primera Edición, Ed. Limusa, S.A., México 1, D.F. 1975.
2. Rauch, Alfred INSTALACIONES DE FUERZA MOTRIZ HIDRÁULICA, Primera edición, Ed. José Montiesó, Barcelona. 1956.