FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA
ENSAYO DE TURBINAS PELTON CATERDRA
:
LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA II
CATEDRATICO
:
DR. MARIO MIGUEL HUATUCO GONZALES
ALUMNO
:
TOLEDO MEDINA, YON EDSON LAURA CUBA REMY ARIEL. ALANIA MELENDEZ MICHAEL ANGEL PALACIOS BENITO RICHARD CARLOS
SEMESTRE
:
V III
Hyo-2010
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA
RESUMEN En esta práctica se realizo la toma de datos para poder obtener las curvas características de la Turbina Pelton del Laboratorio de la Facultad. Este ensayo nos permite obtener puntos con los cuales se diagramaran las curvas, en función a las RPM de la turbina. En las curvas de eficiencia se podrá observar como se desempeña en los aspectos hidráulicos y mecánicos. Para el desarrollo de la práctica se procede de la siguiente forma: se enciende la bomba que simula una altura útil de agua que será adoptada como la altura existente en las centrales hidroeléctricas. Se colocan pesas una a una en el dinamómetro unido a la polea de la turbina; para cada pesa se tomarán los siguientes datos: RPM de la turbina, pesa colocada en el dinamómetro y su respectiva lectura. Previamente ya se tomaron los datos de presión en el inyector y diámetro de la volante. Se usaron 9 pesas. Con estos 9 datos se prosiguió con el análisis para determinar el estado de funcionamiento de la turbina. El análisis consiste en obtener las graficas o curvas características de la turbina; para ello, se determinan las fuerzas leídas en el dinamómetro, el torques, la potencia al freno, la potencia del rodete, la potencia del agua y las eficiencias.
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INTRODUCCIÓN Para un Ingeniero Mecánico es muy importante determinar en que forma se esta desempeñando una turbina, para ello es necesario conocer la forma en que se pueden determinar sus curvas características en función a los RPM de forma manual, ya que si se diera el caso de obtenerlas del fabricante, nosotros también debemos saber diseñarlas de forma manual, puesto que las curvas proporcionadas son para una turbina nueva y no para una con varios años de funcionamiento, por este motivo sus datos originales variaran y con esto son curvas. También es necesario conocer de qué manera se las interpreta para darles un uso adecuado y no colocar una turbina en un sistema inadecuado que representara una eficiencia menor a la esperada. Este es el motivo principal de la realización de este informe, después de realizar este ensayo ya se conoce de cerca la forma de realizar las curvas y su correspondiente interpretación para formular las conclusiones sobre su forma de funcionamiento.
El ensayo se realizó en el Laboratorio de Termo hidráulica de la Facultad de Ingeniaría Mecánica ubicado a 3268 msnm utilizando una Turbina Pelton a escala, una bomba Hidrostal 40-200, un motor eléctrico de 2,5 HP, un manómetro, un dinamómetro, 9 pesas de diferentes masas y un vertedero triangular de 90o El presente informe consta de una descripción de la turbina, relación de equipos y/o materiales utilizados, los procedimientos seguidos durante y después de los ensayos debidamente detallados, para facilitar la compresión. Finalmente se establecen las conclusiones y recomendaciones a las que se han llegado después de realizar la experiencia.
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OBJETIVOS Trazar curvas características de la Turbina Pelton tomando datos experimentales mediante el método de Freno Prony.
Determinar los valores de las diferentes potencias presentes en la Turbina
relacionados con las diferentes RPM presentes durante el funcionamiento de la Turbina.
Determinar los puntos de mayor eficiencia hidráulica, mecánica y total de la Turbina mediante la lectura de las curvas.
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA EQUIPOS E INSTRUMENTOS Bomba Hidrostal 40-200 Turbina Peltón Manómetro Tacómetro
Dinamómetro
Pesas de diversas masas Vertedero triangular Flexómetro Vernier
PROCEDIMIENTO
Colocar la Turbina en la posición correcta para un aprovechamiento máximo del chorro de agua.
Poner en condiciones de encendido a la bomba (cebado). Encender el motor.
Tomar la presión a la salida del chorro.
Colocar una pesa en la cuerda unida al dinamómetro. Tomar lectura del dinamómetro.
Tomar lectura de las revoluciones que marca el tacómetro. Colocar otra pesa y registrar los datos anteriores
Obtener la medida de la turbina, de la polea y del tacómetro; en especial estos dos últimos dato para hacer la transformación de las revoluciones.
Medir la altura del liquido en el vertedero para poder hallar el caudal usado durante el ensayo
Después de tomar la totalidad de datos, se procesaran para hallar las potencias, eficiencias y velocidades.
Graficar los resultados cada variable en función de la rpm.
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA TABLA DE REFISTRO DE DATOS Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9
h(cm.) 7 7 7 7 7 7 7 7 7
CALCULOS
Peso(gr.) 268 131 163,2 162 134 75 96 110 116
t(ºC) 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7
Dinamómetro RPM tacómetro 1,5 1,65 1,9 2,1 2,25 2,35 2,45 2,5 2,65
Para la Potencia de la Turbina (Pag):
Pag xgxH n xQ
Q 1.416 h 5 / 2
Q 1.416 7 x10 2
5/ 2
Q 1.828 10 3 m 3 / s Hu Hu
P 1.02 x10 5 9.81 1000
Hu 10.398m
Reemplazando datos tenemos
Pag 186.464Watts
500 400 250 200 100 75 50 25 20
Presión (bar.) 1,02 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA Datos procesados para la Potencia de la Turbina:
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Hn(m) 10,398 10,398 10,398 10,398 10,398 10,398 10,398 10,398 10,398
Para la Potencia del Rodete ( p rod ):
Q(m3/s) 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002
Pagua(W) 186,451 186,451 186,451 186,451 186,451 186,451 186,451 186,451 186,451
p rod xQxVxC1 V x 1 K 1 xCos 2
C1 Cd 2gHu
1/ 2
C1 0.98 x2 9.81 10.398 C1 13.998m / s
1/ 2
Vn V1
Dr N n 60
0.2 500 60
V1 5.236m / s Prod 1000 x1.828 10 3 5.236 13.998 5.236 1 0.9Cos10 Prod 158.196Watts Datos procesados para la Potencia de la Rodete:
1 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Potencia del Rodete C1(m/s) V(m/s) Prodete(W) 13,997 5,236 156,475 13,997 4,189 140,142 13,997 2,618 101,616 13,997 2,094 85,033 13,997 1,047 46,257 13,997 0,785 35,394 13,997 0,524 24,064 13,997 0,262 12,266 13,997 0,209 9,850
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA Para la Potencia del Frenado ( Pfreno )
Pfreno FxRx p
DT xT DP 4 .5 p x500 22 rev 2rad 1 min p 102.273 min 1rev 60seg
p
p 10.71
rad seg
F Dinamometro Peso F 1.5 0.268x9.81 F 12.086 N
Pfreno 12.086 x0.11x10.71 Pfreno 14.238Watts
Datos procesados para la Potencia del Frenado: 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Acum. Dinam. 1,5 3,2 5,1 7,2 9,4 11,8 14,2 16,7 19,4
Potencia del Frenado Acum. Peso F(N) Wp(rad/s) 268,0 12,086 5,355 399,0 26,987 4,284 562,2 44,025 2,677 724,2 63,037 2,142 858,2 83,795 1,071 933,2 106,113 0,803 1029,2 129,206 0,535 1139,2 152,651 0,268 1255,2 177,510 0,214
Pfreno(W) 14,238 25,435 25,933 29,706 19,744 18,752 15,222 8,992 8,365
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA HALLANDO LOS RENDIMIENTOS
RENDIMINETO HIDRAULICO
nh
nh
Prad Pag
158.196 0.846 186.964
n h 84.6% RENDIMINETO MECANICO
nm
Pfreno
Prad 28.477 nm 0.18 158.196 n m 18% RENDIMINETO VOLUMETRICO RENDIMINTO TOTAL
nV 100%
nT n h xnm xnv
nT 0.846 x0.18 x1 0.1522 nT 15.22%
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA DATOS PROCESADOS PARA LOS RENDIMINETOS 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rendimientos Rend. Mec. Rend. Volum. 0,091 0,181 0,255 0,349 0,427 0,530 0,633 0,733 0,849
Rend. Hid. 0,839 0,752 0,545 0,456 0,248 0,190 0,129 0,066 0,053
Rend. Total 0,076 0,136 0,139 0,159 0,106 0,101 0,082 0,048 0,045
1 1 1 1 1 1 1 1 1
GRAFICOS
3 0 ,0 0 2 5 ,0 0 2 0 ,0 0 1 5 ,0 0 1 0 ,0 0 5 ,0 0
RP M
1 4,
,2 10
,5 20
,1 51
3
,1
2, 10
51
,5 20
,2 10
1
0 ,0 0 4,
P o t e n c ia f re n a d o
3 5 ,0 0
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Potencia del Rodete
180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00
1 4,
,2 10
,5 20
,1 51
3 2, 10
,1 51
,5 20
,2 10
4,
1
-20,00 -40,00
RPM
0,800 0,600 0,400 0,200 0,000
RPM
1 4,
,2 10
,5 20
,1 51
3 2, 10
,1 51
,5 20
,2 10
1
-0,200 4,
Rendimiento Hidraulico
1,000
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Rendim ineto Mecanico
0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005
1 4,
,2 10
,5 20
,1 51
3 2,
,1
10
51
,5 20
10
4,
1
,2
0,000
RPM
1 0,8 0,6 0,4 0,2
RPM
4, 1
10 ,2
20 ,5
51 ,1
10 2, 3
51 ,1
20 ,5
10 ,2
0 4, 1
Rendimiento Volumetrico
1,2
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA 0,0350
0,0250 0,0200 0,0150 0,0100 0,0050 0,0000 -0,0050
RPM
1 4,
,2 10
,5 20
3
,1 51
,1
2, 10
51
,5 20
,2 10
1
-0,0100 4,
Rendimiento Total
0,0300
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMOHIDRAULICA 25,0
TO RQ UE
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0 0,0
50,0
100,0
150,0
-5,0 RPM
6,00 5,00
3,00 2,00 1,00 0,00
RPM
4, 1
10 ,2
20 ,5
51 ,1
10 2, 3
51 ,1
20 ,5
10 ,2
-1,00 4, 1
V(m/s)
4,00
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CONCLUSIONES 1. Se puede observar que la turbina presenta mayor rendimiento mecánico con 4.091 RPM (0.214 rad./seg.), esto se debe a que a estas revoluciones se presenta un torque relativamente alto y una velocidad tangencial de modulo mediano esto no resulta un BHP alto y un HPr mediano, por eso solo se obtiene un rendimiento del 84.9%. Es decir que si se desea mayor rendimiento mecánico las RPM deberían de ser mayores (pero hasta un limite para no afectar el rendimiento hidráulico) para obtener un BHP mucho mas alto y lograr disminuir el HPr. 2. En la grafica de Potencia Hidráulica versus RPM se ve claramente que la Potencia se mantiene constante a 186.451 watts para las diferentes RPM que se hicieron en el ensayo.
3. Se ve en el proceso de los cálculos que la Potencia Agua (186.451 watts ) es mayor que la Potencia del Rodete ( 156.475 watts) y esto es mayor que la potencia del Frenado (14.238 watts ).
4. Demás esta indicar que se pudieron realizar las graficas deseadas con los datos experimentales tomados. Estas curvas nos indican en que forma está trabajando la turbina bajo diferentes revoluciones.
5. Como se puede ver en la grafica 1 el Torque es inversamente proporcional a las revoluciones esto debido a que cuanto mas pesas se colocaban en el dinamómetro la fuerza de fricción era mayor, esta fricción conlleva a frenar a la polea unida a la turbina.
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RECOMENDACIONES 1. Se debe de colocar de manera correcta el inyector para aprovechar de manera correcta la fuerza que ejerce el chorro de agua; ya que si se coloca desviado se obtendrán eficiencias bajas o erróneas. 2. La Potencia Hidráulica se mantiene constante debido a que la altura también se mantiene constante; se sugiere utilizar 1.02 bar. que en mca. de agua nos da 10.398 m de columna de agua. 3. Realizar cálculos descriptivos solo para la primera muestra de datos.
4. Para tener una mayor exactitud de la altura al agua de debería de tener la lectura del manómetro en la salida del chorro (tobera), a la vez que si se desearía tener mayores formas de analizar la turbina se podría realizar el ensayo variando el caudal.
5. Tomar la precaución al momento de realizar los cálculos de no utilizar las RPM leídas en el tacómetro, antes de hacer cualquier calculo hacer primero la conversión para llevarlas a RPM de la polea de la turbina. Además tener cuidado en las unidades usadas para el caudal, alturas, potencia, etc.
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ANEXOS
Fig01 Instalación de la Turbina Pelton
Fig02 Manómetro a la entrada de la Turbina
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Fig03 Tablero de Control
Fig04 Motor Eléctrico
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Fig05 Vacuometro-Manómetro
Fig06 Tacómetro
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Fig07 Toma de datos con el Tacómetro
Fig08 Medición el Vertedero Triangular
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