EXPERIENCIA C915 "LABORATORIO DE TURBINA PELTON"

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Xavier Ávila Ponce
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1 INGENIERIA CIVIL EN MECANICA PROGRAMA DE PROSECUCIÓN DE ESTUDIOS GUIA DE LABORATORIO ASIGNATURA "LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS" CÓDIGO 9517 NIVEL 04 EXPERIENCIA C915 "LABORATORIO DE TURBINA PELTON"

2 LABORATORIO DE TURBINA PELTON 1. OBJETIVO GENERAL Observar y experimentar el funcionamiento real de una turbina hidráulica de acción (Pelton), a través de sus curvas características, tanto en campo como en modelos. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.1 Comprobación de la teoría de las turbinas de acción (Pelton) a través de pruebas en modelo. Velocidad de rotación (RPM) óptima. Velocidad (RPM) de embalamiento. Coeficientes de velocidades. Número Específico. 2.2 Ensayos de campo (prototipo). Curvas características para altura neta y velocidad de rotación constantes. Pérdidas de carga del inyector de la turbina 3. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Las turbinas Hidráulicas tipo Pelton pertenecen al grupo de Turbinas de Acción; ya que su grado de reacción es igual a cero, lo cual significa que la presión a la entrada y salida del rodete es la misma, e igual a la presión atmosférica. Al igual que el resto de las turbinas hidráulicas, las Pelton transforman la potencia hidráulica en potencia mecánica en el eje de la turbina. En esta transformación se producen pérdidas, siendo las más significativas las hidráulicas. De esta forma, el rendimiento de la Turbina queda determinado por: Rendimiento ( ) = Potencia Mecánica (N) / Potencia Hidráulica (Nh) Potencia Mecánica (N) = Torque ( ) x Velocidad angular ( ) Potencia Hidráulica (Nh) = Peso específico del agua x Caudal x Altura Neta Altura Neta (Hn) corresponde a la diferencias de energías (potencial, cinética, presión) entre la entrada y salida de la turbina. La expresión a utilizar corresponde a la Norma CEI publicación 41. Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 2 de 7

3 De las leyes de semejanza (geométrica, cinemática y dinámica) de las Turbinas Hidráulicas se deduce el Número Específico (n s ) de las mismas, resultando la siguiente expresión: n s = n (N) 0,5 / (Hn) 1,25 Donde, la velocidad de rotación (n) está en RPM; la potencia mecánica (N) en CV y la altura neta (Hn) en metros. En anexo se incluyen todas las constantes, variables y fórmulas que se requieren para el desarrollo de la experiencia y los cálculo posteriores, para la emisión del informe de laboratorio correspondiente. 4. MÉTODO A SEGUIR Conocimiento de la instalación (esquema y físico) Organización del equipo de trabajo. Designación de tareas del Grupo. Variables y constantes a medir, tanto para el ensayo de modelo como de campo. Calibración de instrumentos. Puesta en servicio del equipo. Realizar el conjunto de mediciones. Detención y normalización del equipo. 5. VARIABLES A CONSIDERAR 5.1 Ensayo de Modelo (velocidad óptima de rotación) Abertura máxima del Inyector Variación de la velocidad de rotación desde 200 RPM hasta sobrepasar la potencia máxima de la Turbina Verificar caudal y presión para cada variación de la velocidad de rotación Lectura de la Fuerza en la balanza (ver fotografía incluida en Anexo) Velocidad (RPM) de embalamiento (Potencia mecánica cero) 5.2 Ensayo de Campo Mantener constante la velocidad de rotación en el valor resultante del ensayo de Modelo. Variar la abertura del inyector, desde máxima carga hasta donde se pueda controlar constante la velocidad de rotación de la turbina. Para cada abertura del inyector, medir fuerza, presión de entrada al inyector y el caudal. Corregir los valores de caudal y potencia mecánica a altura neta (Hn) constante, a través de las leyes de semejanza de las Turbinas Hidráulicas. Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 3 de 7

4 6. TEMAS DE INTERROGACIÓN Cinemática del flujo en las Turbinas Hidráulicas (Triángulos de velocidades) Concepto y determinación de la altura Neta en las Turbinas Hidráulicas. Pérdidas en las turbinas Hidráulicas Rendimientos Leyes de Semejanza en las Turbinas Hidráulicas Curvas características de las Turbinas Hidráulicas 7. EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR En anexo se presenta una reproducción del banco de ensayo de Turbina Pelton del DIMEC, indicando cada uno de sus componentes. También en el anexo se indican todas las características técnicas de los equipos e instrumentos de medida. 8. LO QUE SE PIDE EN EL INFORME Tapas establecida por el DIMEC aplicando las disposiciones generales para la confección del informe. Las características técnicas de los equipos e instrumentos empleados en el laboratorio Descripción del método seguido Tablas de valores medidos y calculados. Gráficos con las curvas características de la turbina, tanto para los ensayos modelo como de campo. Curva de pérdida de carga del inyector. Cálculo de la velocidad óptima de rotación (ensayo modelo) en base a los resultados de los ensayos a diferentes velocidades de rotación (RPM). Determinación del número específico, según los resultados del ensayo modelo de la turbina. Determinación del diámetro del chorro (inyector), diámetro primitivo y número de cucharas del rodete, en base a los resultados obtenidos en el ensayo modelo de la turbina. El detalle de los cálculos, información complementaria y otros antecedentes que desee aportar el alumno, deberán ir en un anexo o apéndice del informe. Especial relevancia tienen el análisis de los resultados, las conclusiones y la estimación de los errores de las mediciones, para determinar la incertidumbre global de los resultados. 5. BIBLIOGRAFÍA Máquinas Hidráulicas, autor Wilfredo Jara T. Fondo Editorial INFIM, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú, Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 4 de 7

ANEXO BANCO DE ENSAYO TURBINA PELTON 1. Estanque 2. Inyector 3. Manómetro 4. Acoplamiento 5. Generador 6. Balanza 7. Motor 8. Carcaza (Rodete) 9. Bomba 10. Rotámetro 11.

5 ANEXO BANCO DE ENSAYO TURBINA PELTON 1. Estanque 2. Inyector 3. Manómetro 4. Acoplamiento 5. Generador 6. Balanza 7. Motor 8. Carcaza (Rodete) 9. Bomba 10. Rotámetro 11. Tubería de presión USACH Características de la Turbina Diámetro de la tubería de alimentación mm 35,1 Diámetro de la tobera del inyector mm 14,9 Diámetro primitivo del rodete mm 213,0 Diámetro exterior del rodete mm 330,0 Número de cucharas del rodete c/u 20 Características del Generador Potencia HP 8 Voltaje Volt 380 Corriente Amp 15,5 Velocidad RPM Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 5 de 7

6 Característica del Grupo Moto-Bomba (centrífuga) Potencia del Motor HP 7,5 Voltaje del Motor Volt 380 Corriente del Motor Amp 10,8 Altura de la Bomba Pies 100 Caudal de la Bomba GPM 180 Velocidad del Grupo RPM 3000 Instrumental Manómetro Psi 0 a 150 Tipo Bourdon Rotámetro lt/min 325,5 Capacidad máxima 100% Dinamómetro Kg 0 a 30 Brazo de la balanza 0,3062 mts Fórmulas y constantes NOMENCLATURA Ae m 2 Area interior de la tubería de alimentación Ce m/s Velocidad media a la entrada del inyector Co m/s Velocidad del chorro d e mm Diámetro interior de la tubería de alimentación d b mm Diámetro de la tobera d mm Diámetro del chorro D mm Diámetro primitivo del rodete De mm Diámetro exterior del rodete F Kg Fuerza en el dinamómetro g m/s 2 Aceleración de gravedad Hn m Altura neta de la turbina Kc o Coeficiente de velocidad absoluta (coeficiente de tobera) Ku Coeficiente de Velocidad tangencial n RPM Velocidad de rotación n s Número específico Nh HP Potencia hidráulica N HP Potencia mecánica en el eje de la turbina P e psi Presión a la entrada del inyector Q m 3 /s Caudal U m/s Velocidad tangencial del rodete g Kg/m 3 Peso específico del agua r Kg s 2 /m 4 Densidad del agua Kg m Torque % Rendimiento de la turbina Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 6 de 7

7 g 9,8 g (gama) 1000 p (Pi) 3,1416 Kg/cm 2 a psi 14,223 Hn = P e / g + C 2 e /2g Ce = Q / Ae N = F * n / 2370 Nh = g * Q* Hn / 76 Q = % * 0,3255 / (100*60) = N / Nh U = p * D * n / 60 = K u * (2g * Hn) 0,5 Co = KC o * (2g* Hn) 0,5 Q 1 / Q 2 = (Hn 1 / Hn 2 ) 0,5 N 1 / N 2 = (Hn 1 / Hn 2 ) 1,5 d = ( 4 Q / p*co) 0,5 ns = n (N) 0,5 / (Hn) 1,25 ; N en (CV) Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 7 de 7

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