PRÁCTICA DE LABORATORIO DE ENERGÍA II

PERFORMANCE DE UNA TURBINA PELTÓN

I. OBJETIVOS:

─ Evaluar el comportamiento de la Mini turbina PELTON VM de la UNS,

determinando su performance y curvas características.

─ Determinar la eficiencia hidráulica, mecánica y total de una turbina hidráulica

PELTON.

─ Trazar curvas de operación características de las turbinas hidráulicas.

─ Determinar la potencia útil, potencia al freno y caudal turbinadle en una Turbina

Pelton.

─ Evaluar la relación existente entre los rpm y la potencia, con el caudal turbinadle en

una turbina hidráulica.

II. MATERIALES Y EQUIPOS:

─ 1 Turbina Pelton con poza de agua

─ 1 Electrobomba de 1.5 HP.

─ 1 Manómetro de 0.7 Bar.

─ 1 Tacómetro.

─ 1 Medidor de flujo ultrasonido.

─ 1 Dinamómetro.

─ Correa de cuero.

─ Porta pesas y pesas.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO:

TURBINAS PELTON

Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser esta constante en la zona

del rodete, de chorro libre de impulsión o de admisión parcial por ser atacada por el agua solo

una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas

tangenciales y de turbinas de acción.

FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA PELTON

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La energía potencial gravitatoria del agua embalsada energía de presión, se convierte,

prácticamente sin perdidas, en energía cinética, al salir el agua a través del inyector en forma

de chorros, a una velocidad que corresponde a toda la altura del salto útil, se dispone de la

máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el

rodete, empujando a los alabes, y así obteniéndose el trabajo mecánico deseado.

Las formas cóncavas que los alabes muestran, hacen cambiar la dirección del chorro de agua,

saliendo este, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia

posterior sobre los alabes, De este modo el chorro de agua transmite su energía cinética al

rodete, donde queda transformada en energía mecánica.

La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio

de salida de la tobera o inyector, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por esta,

al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o

reducción del número de revoluciones del mismo, por disminución o aumento

respectivamente de la carga solicitada al generador.

La arista que divide al alabe en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo

en dos en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una

hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los

empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo.

ACCESORIOS DE LAS TURBINAS

El elemento principal de toda turbina hidráulica es el rodete mismo. Sin embargo, el rodete

por sí mismo no puede hacer mucho, requiere de accesorios, ya sea para la distribución,

direccionamiento, control, etc.

RODETE

Consta de una rueda con alabes (cucharas) en su alrededor a las que actúa el chorro inyector.

El tamaño y numera de alabes dependen de las características de la instalación y las velocidad

especifica. Cuanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor será el diámetro

del chorro. Las dimensiones de los alabes vienen ligadas directamente por el diámetro del

chorro.

DISTRIBUIDOR DE LA TURBINA

Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de los dichos

equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir,

convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre

el rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete.

INYECTOR

Consta de una tobera y una válvula de aguja diseñada para reducir hasta los valores deseados

del caudal, transforma la energía de presión en energía cinética. Las pérdidas de carga se

producen por fricción del fluido con la superficie de la tubería de conducción forzada. Las

pérdidas de carga dependen de la naturaleza de las paredes internas de dicha conducción, del

caudal, de la sección y de la longitud de las mismas. A mayor caudal o menor sección

(aumento de la velocidad del fluido) aumentan las pérdidas de carga. A mayor longitud de

tubería mayor son dichas perdidas. Si el caudal se hace cero la perdida de carga desaparece.

CARCASA DE LA TURBINA

Es la envoltura metálica que cubre el inyector, rodete y otros elementos mecánicos de la

turbina. Su misión es para controlar la salpicadura y pulverización del agua, después de

incidir sobre los alabes.

CAMARA DE DESCARGA

Se entiende como tal la zona por donde el agua cae libremente hacia el desagüe, después de

haber movido al rodete. También se conoce como tubería de descarga.

EJE DE LA TURBINA

Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente

lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del generador. El número de cojinetes

instalados así como su función, radial o radial-axial, depende de las características de cada

grupo.

ESQUEMA DE UNA TURBINA PELTON Y SUS PARTES

CUANDO SE UTILIZA UNA TURBINA PELTON

CARCASA

CAMARA DE DESCARGA

RODETE

EJE DE LA TURBINA

ALABE O CUCHARA

MUESTRA DE UNA TURBINA PELTON CON 6 INYECTORES (MAXIMO)

Las turbinas hidráulicas son máquinas rotativas que permiten aprovechar la energía

cinética del agua a través de un conjunto de paletas o álabes que transforman este tipo

de energía en energía mecánica útil. La transferencia de energía se efectúa debido a una

gradiente de presión dinámica que se produce a la entrada y la salida del fluido en el rotor.

Las turbinas hidráulicas son utilizadas en las centrales generadores de energía eléctrica

(centrales hidroeléctricas), ya sea en grandes, mediana, pequeña y micro centrales

hidroeléctricas ya sea de embalse o de pasada.

La clasificación de las turbinas de acuerdo a la geometría de los alabes son:

a) Turbina de Reacción: Se caracter iza p o r lo siguiente:

• Entre la parte superior e inferior del rodete, existe una diferencia de presión. • El agua tiene al entrar en el rodete, energía cinética y energía potencial. • Pueden ser turbinas del tipo Francis.

b) Turbinas de Acción: Se ca r ac t e r i z an po r lo s igu iente :

• En la parte superior e inferior del rodete existe la misma presión y que generalmente es la atmosférica.

• El agua al entrar al rodete tiene únicamente energía cinética. • Pueden ser turbinas Pelton y Kaplan.

En la turbina PELTON la energía cinética del agua, antes de chocar con los alabes, es

graduada a través de una tobera colocada al final de la tubería de presión, la que esta provista

de una aguja cónica de cierre que permite regular el caudal turbinable.

Los alabes tienen la forma de doble cuchara con una arista vertical en el centro, sobre la que

incide

IV. PROCEDIMIENTO:

─ Se optó por tomar todos los datos necesarios en la práctica, para poder realizar o

encontrar todos los parámetros que tiene el funcionamiento de una turbina peltón en

la práctica.

V. RESULTADOS:

1. Presentar el cuadro Nº 2 para cada posición del inyector:

Para el cálculo de todos los parámetros presentados en el cuadro se siguió los siguientes

pasos: a. Cálculo de la altura útil:

De la ecuación:

P = γ ∗ Η u ------------ Η u= P / γ

Para este caso se utilizó: γ = ρ ∗ g

Donde: ρ : densidad para el agua (ρ = 1000 kg/m3) g: gravedad (g= 9.806 m/s2)

INYECTOR N (RPM) M (Kg) P (Kpa) Q (lt/s) V (m/s) POSICIÓN 1 757 4.6 80 1.1 0.84

POSICIÓN 2 857.4 4.7 83 1.08 0.83

POSICIÓN 3 957.9 5.5 95 1.05 0.8

POSICIÓN 4 1057 6.1 110 1.02 0.78

POSICIÓN 5 1157 7.4 120 0.98 0.76

POSICIÓN 6 1257 7.5 140 0.95 0.7

P (Kpa) Hu (altura útil)

80 8.15827045

83 8.46420559

95 9.68794616

110 11.2176219

120 12.2374057

140 14.2769733

cálculo de la potencia disponible:

De la ecuación: Hpa = ρ * Q *g* Hu / 2

Donde:

ρ: densidad (Kg/m3) Q: caudal (m3/s)

Hu: altura útil (m)

Q Hu (altura Hpa.

(m3/s) útil) (KW) 0.0011 8.15827045 44

0.00108 8.46420559 44.82

0.00105 9.68794616 49.875

0.00102 11.2176219 56.1

0.00098 12.2374057 58.8

0.00095 14.2769733 66.5

Cálculo del torque: De la ecuación:

T = F * R

Donde:

F: fuerza (N) = masa (kg) * gravedad (9.806 m/s2 R: radio del volante (R = 8.5cm)

M (Kg) Fuerza (N) Torque(N.m)

4.6 45.1076 3.834146

4.7 46.0882 3.917497

5.5 53.933 4.584305

6.1 59.8166 5.084411

7.4 72.5644 6.167974

7.5 73.545 6.251325

d. Cálculo de la velocidad en rad/s:

De la ecuación: ω = velocidad angular = 2 π N / 60

Donde:

N: rpm

e. Cálculo de la potencia al eje:

De la ecuación: Hpb = Torque * ω

Donde:

T: Torque (N) g: gravedad (g= 9.806 m/s2) ω: velocidad angular (rad/s)

Torque Velocidad Hpb (Kw) (N.m) (Rad/s)

3.834146 79.27304 0.30394441

3.917497 89.786928 0.35174002

4.584305 100.311288 0.45985754

5.084411 110.68904 0.56278857

6.167974 121.16104 0.74731814

6.251325 131.63304 0.82288091

RPM Velocidad (Rad/s)

757 79.27304

857.4 89.786928

957.9 100.311288

1057 110.68904

1157 121.16104

1257 131.63304

f. Cálculo de la potencia en el rodete:

De la ecuación: Hpr = ρ * Q * μ* [( c1 – μ1 ) * ( 1 + ( k * cos β2 ) ) ]

Donde:

C1 = velocidad total del agua = C2 * √ 2 * g * Hu μ 1 = velocidad del chorro = 0.9 * √ 2 * g * Hu

C2= coeficiente de velocidad = 0.97

k = constante de diseño de los alabes o coeficiente de velocidad de la cuchara 0.98 β2 = ángulo de salida = 8º

μ = velocidad tangencial = π* D rodete * N / 60

Drodete(m) = 0.2 m

A continuación se presenta el cuadro Nº 2 después de haber realizado los cálculos

correspondientes:

RPM Hu C1 μ1 μ Q (m3/s) Hpr (KW)

757

8.15827045

12.2696373

11.3841996

7.927304

0.0011

15.2140363 857.4 8.4642055

9 12.4975758

11.5956889

8.9786928

0.00108

17.2328526 957.9 9.6879461

6 13.3705273

12.4056439

10.0311288

0.00105

20.0254446 1057 11.217621

9 14.3874251

13.3491573

11.068904

0.00102

23.0984263 1157 12.237405

7 15.0271754

13.94274

12.116104

0.00098

25.3723649 1257 14.276973

3 16.2312045

15.0598805

13.163304

0.00095

28.8624898

INYECTOR Alt. Útil (m) Q (m3/s) P disp. (KW) Torque Velocidad P eje (Kw) P rod (KW) (N.m) (Rad/s) POSICIÓN

1

8.15827045 0.0011 44 3.834146

79.27304 0.30394441 15.2140363

POSICIÓN 2

8.46420559 0.00108 44.82 3.917497

89.786928 0.35174002 17.2328526

POSICIÓN 3

9.68794616 0.00105 49.875 4.584305

100.311288 0.45985754 20.0254446

POSICIÓN 4

11.2176219 0.00102 56.1 5.084411

110.68904 0.56278857 23.0984263

POSICIÓN 5

12.2374057 0.00098 58.8 6.167974

121.16104 0.74731814 25.3723649

POSICIÓN 6

14.2769733 0.00095 66.5 6.251325

131.63304 0.82288091 28.8624898

2. Presentar un cuadro Nº 3 para cada posición del inyector:

3. Graficar lo siguiente y comentar racionalmente.

a. Grafica altura versus caudal.

b. Grafica altura versus potencia al eje.

INYECTOR NS N1 Q1 P1 nm nh nt

POSICIÓN 1

30.2688093 265.0310947 0.00038512 1.88823277 0.01997789 0.34577355 0.00690783

POSICIÓN 2

35.2218057 294.7069497 0.00037122 1.82008867 0.02041102 0.38449024 0.00784784

POSICIÓN 3

38.0051266 307.7544314 0.00033734 1.65399935 0.02296366 0.40151267 0.0092202

POSICIÓN 4

38.6252788 315.5909852 0.00030454 1.49317829 0.0243648 0.41173665 0.01003188

POSICIÓN 5

43.6992945 330.7414914 0.00028014 1.37354626 0.02945402 0.4315028 0.01270949

POSICIÓN 6

41.0873933 332.6727317 0.00025142 1.23272847 0.02851039 0.4340224 0.01237415

c. Grafica RPM versus la potencia disponible.

d. Grafica velocidad específica versus la potencia al eje.

f. Grafica velocidad específica versus las RPM.

4. Realizar una clasificación de las turbinas hidráulicas en función a sus características.

Son diversas las razones de tipo técnico que dan base para establecer una clasificación de las

turbinas hidráulicas. Razones que, en la mayoría de los casos, se complementan entre sí, para

definir e identificar ampliamente a un determinado tipo de turbina. Los argumentos

considerados y las clasificaciones derivadas de los mismos, explicándose oportunamente los

conceptos que procedan.

Por el número de revoluciones específicas

• Turbinas Lentas

• Turbinas Normales

• Turbinas Rápidas

• Turbinas Extra-rápidas

Según la posición del eje

• Turbinas Horizontales.

• Turbinas Verticales.

Por el modo de admisión del agua

• Turbinas de Admisión Parcial. Ver turbinas Pelton.

• Turbinas de Admisión Total. Ver turbinas Francis y Kaplan.

Por la manera de actuar los chorros de agua

• Turbinas de Acción.

• Turbinas de Reacción.

Por la dirección del agua

• Turbinas Radiales.

• Turbinas Axiales.

• Turbinas Radiales-Axiales.

• Turbinas Tangenciales.

Por las características de la cámara

• Turbinas de Cámara Cerrada.

• Turbinas de Cámara Abierta.

Por la función desarrollada

• Turbinas Reversibles.

• Turbinas No Reversibles. Destinadas sólo a producir trabajo mecánico.

VI. ANALISIS Y DISCUSIONES:

─ En comparación con las turbinas, la turbina Pelton presenta altas eficiencias pero aun

así el rendimiento de nuestra experiencia es algo bajo, pues esto depende mucho del

rozamiento del inyector, accesorios instalados entes del inyector, la forma de la

cuchara, las transmisiones.

─ El máximo rendimiento o eficiencia de la turbina 74.84975%<>75% que nos

representa la eficiencia útil, y la mínima eficiencia de la turbina fue de

18.3243%<>18%que nos representa la eficiencia total.

─ Cuando la velocidad tangencial (U) se aproxima al valor de la velocidad del chorro

(C1), la potencia y la eficiencia disminuyen como lo verificamos en el último grafico

que se asemeja más a una parábola.

─ En la turbina Pelton, el punto de máximo rendimiento no se corresponde con la

apertura completa del inyector, si la velocidad es grande, el rendimiento disminuye

debido a que parte del agua pasa por la turbina, escapándose del rodete sin producir

ningún trabajo.

VII. CONCLUSIONES:

─ Se logró obtener las eficiencias hidráulica, mecánica y total de la turbina Pelton

─ Se determinó mediante las formulas establecidas la potencia útil, potencia al freno

y caudal.

─ De los datos calculados se logró trazar las curvas características de operación para

dicha turbina.

VIII. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA:

─ SIFUENTES J. Fluidos II (Teoría)

─ IRWING H. SHAMES. Mecánica de Fluidos

─ CLAUDIO MATAIX, Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas, Turbinas de

acción: turbinas Pelton.

─ MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANCA II –UNI FIM,

Turbinas Hidráulicas.