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TECNOLGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTROMECNICA

Carrera: Ingeniera en Mantenimiento Industrial

LABORATORIO DE TURBOMQUINAS

TURBINA FRANCIS

PROFESOR:

ING. OSCAR EDUARDO MONGE RUIZ

ESTUDIANTES:

CRISTHIAN OVIEDO PREZ

GRUPO: 03

2015-04-09

I Semestre

Canadian Engineering Accreditation Board

Bureau canadien daccrditation des programmes dingnierie

CEAB

Carrera evaluada y acreditada

por:

Tecnolgico de Costa Rica Ingeniera Electromecnica Ingeniera en Mantenimiento Industrial Laboratorio de Turbomquinas

1. Objetivo

Observar el funcionamiento de una turbina Francis. Trazar las curvas de eficiencia en funcin

de caudal.

2. Introduccin.

Turbinas de reaccin

Segn Cengel, este tipo principal de hidroturbina para producir energa es la turbina de reaccin, que consta de aspas gua fijas llamadas alabes. El flujo entra tangencialmente a presin alta, es desviado hacia el rotor mediante las aspas del distribuidor fijas a medida que se desplaza a lo largo de la carcasa en espiral o voluta, y luego pasa por las aspas del distribuidor ajustables con una componente de velocidad tangencial grande. La cantidad de movimiento se intercambia entre el fluido y el rotor a medida que gira este ltimo, y hay una gran cada de presin. A diferencia de la turbina de impulsin, el agua llena por completo la carcasa de una turbina de reaccin. Por esta razn, una turbina de reaccin produce, por lo general, ms potencia que una turbina de impulsin de los mismos dimetro, carga hidrosttica neta y flujo volumtrico. La variacin del ngulo de las aspas del distribuidor ajustables sirve para controlar el gasto volumtrico en el rotor (en la mayora de los diseos las aspas del distribuidor ajustables pueden aproximarse entre s, de modo que se reduce el flujo de agua hacia el rotor).

Alguna de las partes importantes de la turbina francis son:

La carcaza: Tambin llamado caracol, es un ducto alimentador de seccin generalmente

circular y dimetro decreciente, que circunda al rotor, procurando el fluido necesario para la

operacin. De la carcaza pasa el agua al distribuidor a travs de paletas direccionadas fijas en

la carcaza.

Distribuidor: su misin es conducir el fluido a la entrada del rodete con una velocidad de

magnitud y direccin convenientes. Adems puede regular la admisin de agua al rodete,

desde cerrarse totalmente hasta permitir el paso del caudal mximo posible.

Rotor: Elemento esencial de la turbina, provisto de alabes en los que se da el intercambio entre

energas mecnicas e hidrulicas. Est conformado por alabes que dependiendo de su forma

geomtrica imponen la direccin de las trayectorias de las partculas del fluido.

Tubo de desfogue: da salida al fluido trasegado y al mismo tiempo procura ganancia en carga

esttica hasta el valor de presin atmosfrica. Su forma puede ser cnica o ms compleja

cuando se acodada. Este permite recuperar energa cintica a la salida del rodete.

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 reduccin de dimetro de un orificio calibrado, es decir,

obtendremos la presin diferencial (presin dinmica en la tubera y por medio de la siguiente

ecuacin se calcula el caudal:


= 2

Donde:

Q: Caudal [m3/s]

C: Coeficiente de descarga

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]

: Densidad del fluido trasegado [kg/ 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:

=

100

Donde:

: Eficiencia [%]

Pent: Potencia hidrulica de entrada [W]

Psal: Potencia mecnica de salida [W]


3. Equipo

Turbina Francis

Panel de control de la bomba

Figura 1. Panel de control del sistema de bombeo

Motor

Con el cual se alimenta la bomba.

Tabla 1. Datos del motor

Caracterstica Valor

Marca Siemens

Tensin 220/440 V

Amperaje 20,0/10,0 A

Frecuencia 60 Hz

Potencia 5 595 W

Efic. Nominal 89,50%

Armazn 213 T

Servicio Continuo

F.S. 1,25

Peso 62 kg

Fuente: Lab. Turbomquinas

Bomba

El sistema de bombeo es empleado para simular el embalse, ya que al no poseer uno

fsicamente se asemeja hidrulicamente con el bombeo.

Tabla 2. Datos de la bomba centrifuga.

Caracterstica Valor

Marca Buffalo Forge Company

Modelo 709 CRE

Size 4x3

Head 44

G.P.M. 300

RPM 1750

Dimetro del Impulsor 8



Generador

Tabla 3. Datos del generador sincrnico.

Parmetro Valor

Potencia Real 7,5 kW

Potencia Reactiva

9,38 Kva

RPM 1800

Fases 3

Frecuencia 60 Hz

Voltaje 200-240 V

Amperaje 26-22,5 A

Serial S52-1GJ

Modelo H17-36-033


Sistema disipador de potencia

La 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 se transforma a elctrica y esta se disipa en las resistencias.

Manmetro diferencial

Figura 2. Manmetro diferencial calibrado

Tacmetro

Manmetro de Bourdon

Tanque almacenamiento de agua.


4. Procedimiento:

1. Conecte las salidas del orificio a un manmetro diferencial.

2. Conecte los cables de control y de potencia del motor No.1 al panel No.2 central.

3. Conecte los cables de potencia y excitacin del dinammetro al panel de control No.3.

4. Ponga una carga al dinammetro de 500W/fase (en el carrito de resistencias) y ponga la

excitacin de 20%

5. Ponga a funcionar la bomba en la posicin 1300, cercirese de que la manilla reguladora de

los labes direccionales est girada totalmente CMR

6. Entonces mida: velocidad, torque, cada de presin en el orificio calibrado y presin esttica a

la entrada de la turbina.

7. Repita el paso 6 para las posiciones 1400,1500 y 1630.

8. Con la bomba funcionando en la posicin 1630 gire la manilla que mueve los labes

direccionales dos vueltas a FMR, entonces repita el paso 6.

9. Repita el paso 8 con 3, 4, 5, 6 VFMR (Vueltas a favor de las manecillas del reloj)

5. Datos experimentales

Tabla 4. Datos experimentales sobre las propiedades de las turbinas Francis al aumentar la

velocidad del fluido de entrada.

Posicin Torque Velocidad Presin diferencial

Presin Esttica

Presin Esttica

Presin diferencial

Presin diferencial

(Nm) (rpm) (inH2O) (Bar) (mH2O) (mH2O) (Pa)

1300 3.18 944.4 156.8 0.4 4.08 3.98272 39030.656

1400 3.2 1002 178.8 0.5 5.1 4.54152 44506.896

1500 3.4 1184 205 0.6 6.12 5.207 51028.6

1630 3.6 1362 247.3 0.75 7.65 6.28142 61557.916

Fuente: Laboratorio de Turbomquinas.

Tabla 5. Lista de constantes necesarias para el los resultados experimentales.

Constantes

Coef. Descarga 0.615

Densidad Agua 1000 kg/m3

Gravedad 9.8 m/s2 rea

D.interno turb 150 mm 0.0176715 m2

tuberia orificio 124.6 mm 0.0121934 m2

D orificio(interno) 55.88 mm 0.0024525 m2



Tabla 6. Datos experimentales sobre las propiedades de las turbinas Francis al cambiar el

ngulo de entrada de caudal al rodete mediante los alabes.

Alabes Torque Velocidad Presin diferencial

Presin Esttica

Presin Esttica

Presin diferencial

Presin diferencial

(Nm) (rpm) (inH2O) (Bar) (mH2O) (mH2O) (Pa)

CMR 3.6 1362 247.3 0.75 7.65 6.28142 61557.916

2 VFMR 4.45 1382 274.5 0.7 7.14 6.9723 68328.54

3 VFMR 4.56 1415 374.6 0.35 3.57 9.51484 93245.432

4 VFMR 4.27 1010 439 0.2 2.04 11.1506 109275.88

5 VFMR 3.3 741.3 454.8 0.18 1.836 11.55192 113208.816

6 VFMR 2.67 601.7 468.4 0.15 1.53 11.89736 116594.128


6. Resultados experimentales

Tabla 7. Resultados experimentales de turbina Francis variando el caudal de entrada

Q Potencia

en la turbina

Potencia Mecnica producida

por la turbina

n

(m3/s) (W) (W) %

0.013325874 532.8218 314.49353 59.024153

0.014230051 711.2179 335.77342 47.211046

0.015237005 913.8546 421.55985 46.129859

0.016735348 1254.649 513.4619 40.924744

Grafico 1. Eficiencia vs Caudal al variar el caudal de entrada.

0

10

20

30

40

50

60

70

0.013 0.0135 0.014 0.0145 0.015 0.0155 0.016 0.0165 0.017

Efec

ien

cia

Caudal (m3/s)

Eficiencia vrs Caudal


Tabla 8. Resultados experimentales de turbina Francis variando el ngulo de los alabes.

Q Potencia

en la turbina

Potencia Mecnica producida

por la turbina

n

(m3/s) (W) (W) %

0.016735348 1254.649 513.4619 40.924744

0.017631687 1233.724 644.01602 52.200964

0.020597123 720.611 675.69375 93.766787

0.022297437 445.7704 451.62489 101.31335

0.022695143 408.3492 256.17489 62.734276

0.023031972 345.3414 168.23637 48.715959

Grafico 2. Eficiencia vs Caudal al variar el ngulo de los alabes.

0

20

40

60

80

100

120

0.016 0.017 0.018 0.019 0.02 0.021 0.022 0.023

Efec

ien

cia

(n)

Caudal (m3/s)

Eficiencia vrs Caudal


7. Conclusiones.

Los torque asignados a los valores de velocidad y presin se encuentran desfasados de

lo que realmente paso, por lo que la grfica de eficiencia vs caudal se comportamiento

es anormal ya que la eficiencia disminuye siempre con el aumento del caudal, esto

cuando se aumentaba el caudal de entrada con el bombeo

El torque tambin afecta la eficiencia de la turbina al tener valores ms grandes al 100%

en uno de sus puntos ms altos.

Se logr observar como la eficiencia encuentra su punto ms alto a valores intermedios

de caudal, es decir caudales no muy pequeos ni muy grandes, comparados al de

diseo.

Se pudo analizar el comportamiento de los parmetros de un turbina al variar el ngulo

de los alabes y por tanto aumentar o disminuir el caudal.

Se encontr que probablemente la eficiencia ms alta se logra con 4VFMR lo que

representa un caudal de 0,0223 m3/s

8. Bibliografa

A.Cengel, Y. (2006). Mecanica de fluidos. Mexico: Mc GrawHill.

Zuluaga, Juan. Turbinas Francis. Recuperado el 6 de Abril del 2015, de

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbina_francis/turbin

a_francis.html.

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