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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Civil

Prctica No. 5: Curvas Caractersticas de Maquinara Hidrulica Descripcin Una mquina de fluidos es un dispositivo mecnico que transfiere energa de forma continua a un fluido en circulacin, o bien que la extrae de l. Se utiliza el trmino general de bomba para las mquinas que aaden energa al fluido; las mquinas que extraen energa se denominan turbinas o motores. Las curvas caractersticas de una mquina hidrulica, representa la relacin entre las caractersticas de funcionamiento hidrulico, tales como; la altura manomtrica, la potencia y el rendimiento, en funcin del caudal que circula por ella. En esta prctica construiremos las curvas caractersticas para tres mquinas hidrulicas: Una bomba centrfuga, una turbina Pelton y un generador elctrico, tal y como se indica a continuacin:

Bomba Centrfuga: Carga hidrulica, potencia hidrulica, eficiencia. Turbina Pelton: Carga hidrulica, potencia hidrulica, eficiencia y velocidad de giro. Generador Elctrico: Potencia elctrica (desarrollada) y eficiencia.

Las curvas caractersticas se trazan casi siempre para una velocidad de giro de la bomba, , constante. El caudal, Q, se toma como la variable independiente bsica, y como variables dependientes suelen tomarse la altura manomtrica H, la potencia consumida por la bomba PB, y el rendimiento .

La figura siguiente es un ejemplo de las curvas caractersticas tpicas del funcionamiento hidrulico de una bomba:

Laboratorio de Hidrulica Instructores: Ing. Carlos Salvador Gordillo Ing. Luis Manuel Sandoval

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BOMBA 1

Propsito del ensayo

Obtener experimentalmente los puntos necesarios para poder dibujar las curvas caractersticas de funcionamiento hidrulico de una bomba, una turbina Pelton y un generador elctrico, todas en funcin del caudal.

Obtener la expresin matemtica que relaciona la altura manomtrica de la bomba y turbina en funcin del caudal, HB = f(Q) y HT = f(Q).

Ensayo 1: Bomba Centrfuga

Objetivos de este ensayo: a) Construir las curvas caractersticas de una bomba centrfuga. b) Determinar la ecuacin analtica de la carga desarrollada por la bomba en funcin del caudal. La bomba est colocada como muestra la figura 1.

1. Realizacin del ensayo:

1.1 Una vez arrancada la bomba abrir parcialmente la vlvula reguladora para obtener un caudal Q que provoque el inicio de la inflamacin de las bombillas en el tablero elctrico.

1.2 Tomar las lecturas de los manmetros de succin Ps, a la entrada de la bomba, la cual es negativa y la presin de descarga Pd en la salida de la misma.

1.3 En el canal de retorno, determine la carga de agua sobre el vertedor triangular, mediante el pozo tranquilizador, luego calcule el caudal por medio de su ecuacin.

1.4 Con la vlvula reguladora, vara el caudal por lo menos 8 veces y repita las mediciones indicadas anteriormente.

2 Clculos de las caractersticas de funcionamiento hidrulico:

2.1 Carga de la bomba o altura manomtrica, HB:

PPH

sd

B

-= ;

Ps = presin de succin de la bomba (N/m2), Pd = presin de descarga de la bomba en N/m

2 y

en N/m , segn la temperatura del agua

2.1 Caudal que circula por el sistema con la frmula del vertedor:

( )[ ]2/5*01.0*6.0= 30.3- vertederoHQ , el caudal est dado en L/s y la altura H en cm,

2.2 Potencia hidrulica desarrollada por la bomba: Bhidrulica QHP , en watts. el Q en m/s, HB en m y en N/m segn la temperatura del agua.

2.3 Eficiencia de la bomba as: %100*electrica

hidrulicaB

P

P , tomar la potencia elctrica de

alimentacin constante e igual a 2,400 watts.

Figura 1. Esquema del sistema para el ensayo de la bomba centrfuga

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2.5 Plotee, en grficas individuales el caudal en L/seg, (eje horizontal) contra la carga HB en m, la potencia hidrulica en watts, y la eficiencia en %; en el eje vertical, con escalas adecuadas, utilice como ejemplo las curvas de la figura No. 7.

2.6 Determine la ecuacin que relaciona la carga que desarrolla la bomba en funcin del

caudal de acuerdo a la frmula general HB = H0 kQ, aplique el mtodo de mnimos cuadrados para determinar los valores de H0 y k, los cuales son constantes, (ver figura 2), luego grafique dicha ecuacin, sustituyendo los valores del Q y calculando los correspondientes valores de HB.

Figura 2. Presentacin grfica del ajuste para la curva caudal-carga.

Ensayo 2 Turbinas Pelton Objetivos de este ensayo:

a) Construir las curvas caractersticas de una turbina Pelton. b) Determinar la ecuacin analtica de la carga de la turbina en funcin del caudal.

En la figura 3 se muestra el diagrama de la instalacin para el ensayo de la turbina Pelton

Figura 3. Esquema del sistema para el ensayo de la turbina Pelton.

MANOMETRO

TUBO DE ENTRADA

TURBINA

A VERTEDERO

EJE

1 Realizacin del ensayo:

1.1 Una vez que la turbina est en marcha tome la lectura del manmetro a la entrada de la turbina, el cual representa la presin entregada a la misma en psi.

1.2 Con el tacmetro digital determine la velocidad de rotacin del eje de la turbina, en rpm.

H

AJUSTE POR MINIMOS

CUADRADOS

Q

Ho m = K

Q

HB=Ho-KQ

H

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2. Clculos:

2.1 Carga de entrada a la turbina con la frmulaT

T

PH en metros, PT = presin de

entrada a la turbina (N/m2) y en N/m , segn la temperatura del agua.

2.2 Potencia hidrulica desarrollada por la turbina, mediante la frmula: Thid QHP = , en

watts, el Q en m/s y en N/m.

2.3 Potencia extrada de la turbina con la frmula Peje = , donde el torque se obtiene

multiplicando la fuerza en Newtons, leda en el dinammetro y la distancia entre el eje de la turbina y el eje del dinammetro, igual a 30 cm, el torque viene dado en N-m y la velocidad angular en rad/s.

2.4 Eficiencia de la turbina as: %100*hid

eje

TP

P

2.5 Plotee, en grficas individuales el caudal en L/seg, (eje horizontal) contra la carga HT en m, la potencia hidrulica en watts, la eficiencia en % y la velocidad de rotacin del eje en rpm todas en el eje vertical, con escalas adecuadas.

2.6 Determine la ecuacin que relaciona la carga que desarrolla la turbina en funcin del

caudal de acuerdo a la frmula general HB = H0 kQ, aplique el mtodo de mnimos cuadrados para determinar los valores de H0 y k, los cuales son constantes (ver figura 2), luego grafique dicha ecuacin.

Ensayo 3 Generador elctrico El ensayo del generador elctrico est ligado al ensayo de la turbina, puesto que sta produce la potencia que hace trabajar al generador. Objetivos de este ensayo: Construir las curvas caractersticas del generador. En la figura 4 se muestra el diagrama del montaje para el ensayo del generador.

Figura 4. Diagrama del generador.

GENERADOR

DE CONTROL

A PANEL

0.25

EJE

DINAMOMETRO

1 Realizacin del ensayo:

1.1 Tomar la velocidad de giro del eje con el tacmetro digital.

1.2 Leer en el dinammetro la fuerza que provoca el torque en el eje del generador, la cual est dada en libras.

1.3 Leer en el tablero elctrico el valor de la intensidad de corriente (en amperios) y el potencial (en voltios) que desarrolla el generador para cada velocidad de giro.

0.30

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0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

0 2 4 6 8 10

CAUDAL Q (l/s)

CA

RG

A H

(m

)

carga de la bomba

carga de la turbina

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00

CAUDAL Q (l/s)

Po

ten

cia

(W

att

s)

Potencia de la Bomba

Potencia de laTurbina

Potencia del

Generador

2 Clculos:

2.1 Al igual que en el ensayo de la turbina, la potencia en el eje se determina con la

frmula Peje = , dado que la turbina y el generador estn unidos por el mismo eje,

la potencia de salida es la turbina es la de entrada del generador.

2.2 Determine la potencia elctrica que desarrolla el generador con la frmula

VIPelec *= , en watts, donde I es la intensidad de corriente (en amperios) y V es el

potencial en Voltios.

2.3 Determine la eficiencia del generador con la frmula: %100*eje

elec

GP

P

2.4 Plotee, en grficas individuales siguientes:

2.4.1. Caudal, (eje horizontal) vrs. Potencia elctrica, (eje vertical)

2.4.2. Caudal, (eje horizontal) vrs., eficiencia, (eje vertical)

Comparacin de resultados Con los datos finales plotee las curvas para comparar las caractersticas desarrolladas por las tres mquinas en funcin del caudal, como muestran las figuras 5 y 6. Figura 5. Comparacin de la carga entregada por la bomba con la carga extrada por la turbina al sistema en funcin del caudal.

Figura 6. Comparacin de la potencia desarrollada por la bomba, la turbina y el generador en funcin del caudal.

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TABLAS PARA LA TOMA DE DATOS

Ensayo de la bomba centrfuga:

P entrada

(inHg)

P salida

(psi)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

No.Carga de

la bomba

(m)

Potencia

Hidrulica

Generada

(Watt)

CALCULOS

Eficiencia

de la bomba

%

Lectura de manmetrosH vertedero

(cm)

DATOS

Q (L/s)

Ensayo de la turbina pelton:

Presin a la

entrada de la

Turbina (psi)

Velocidad de

rotacin del eje

(rpm)

Q (l/s)Carga de la

Turbina (m)

Potencia

desarrollada

(Watt)

Potencia

extrada

(Watt)

Eficiencia de

la turbina %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

DATOS

No.

CALCULOS

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Ensayo del generador elctrico:

Velocidad de

rotacin del eje

(rpm)

Fuerza del

torque (lb)

Voltaje

(Voltios)

Intensidad de

Corriente

(amperios)

Carga de la

Turbina (m)

Potencia de

entrada

(Watt)

Potencia

elctrica

generada

(Watt)

Eficiencia %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

No.

DATOS CALCULOS

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Figura 7