PONTIFICIAUNIVERSIDADCATLICADEL PERFACULTAD DE CIENCIAS E
INGENIERA:,".1(::. :~j ~.~r-:u...,
,,-PONTIFICIAUNIVERSIDADCATLICADEL PERDISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS
PARATURBINASMICHEL BANKI PARA EL LABORATORIO DE ENERGA DE
LAPONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DEL PERTesis para optar el Ttulo
de Ingeniero Mecnico, que presentan los
bachilleres:JULIOCSAREGSQUIZA GOIJULIOCSARSNCHEZ CAMONESASESORA:
Ing. EstelaAssureira E.Lima, Septiembredel 2009ResumenCon el
presente proyecto, se presenta una propuestaeconmicayverstil de un
banco de ensayodotadode una turbina Michell Banki que simulael
funcionamiento de una pequeacentralhidroelctrica y
permitirdisponerdeunaherramienta paracapacitar e incentivar
aestudiantes,profesionalesy compaasen el desarrollode esta clasede
proyectosque se puedangenerar en elinterior del
pas.Latesisdesarrollada abarcael diseodeunsistemaquemuestrael
funcionamiento deunaturbinaMichell Banki, aprovechando
laoperacindeunabombacentrifuga parasimular el saltohidrulico.
Eltrabajo comprende; el diseo de todos los componentes de
laturbina, el diseo del sistema detransformacin de
energamecnicaaelctrica; la seleccinde losinstrumentos
ydispositivosparaelcontrol y el registro de las variables y los
protocolos de ensayo as como los procedimientos deevaluacin.El
banco depruebas quesepropone permitir: visualizar el proceso
detransformacin deenerga,determinar las zonasdeaplicacin dela
turbinahidrulica, determinar lascurvasde funcionamiento yevaluar el
comportamiento de la turbina.Las caractersticas nominales dela
turbinasonlas siguientes: 5kWde potenciaelctrica,
velocidadderotacinde1800rpm, 68%deeficiencia, velocidad
especificadelaturbina deNs de83yabarcaunsaltoenel
rangode16.8hasta33mdealturadelamismaformael rangoparael caudal esde
23lIshasta 39 lIs.Se utilizauna bombacentrifugade 20 HP que
simularael saltohidrulico, para accionar una
turbinadedimetroexterior de11cmparaun caudal de aproximadamente
38.6lIs, considerando un volumenparael llenadodel tanquecomo
mnimode3m3, deaceroSA285Cy de3mmdeespesor, pormediodelcual se
garantizala recirculacin del aguapara la realizacinde los
diversosensayos.Laseleccindeungenerador
sncronotrifsicoautoexcitadosinescobillas deacopledirecto, el
cualjunto alainstalacin deluminarias yresistencias debidamente
instaladas, simularan lademanda deelectricidad de una central
hidrulica, de esta manera se tendr un panorama real de todo
elfuncionamiento de estaclasede proyectos. ..Enel bancodepruebas
tambin sepodrvisual izar latrayectoria del flujodeaguaporel rotor
delaturbina, por mediodeunmaterial transparente colocado
enlacarcasadel mismo, yaqueel rotor seencuentraenvoladizo yel
discolateral presenta un diseoaccesible paraestefin.
Lautilizacindeacero inoxidable para la fabricacin del rotor
permitir un incremento en la calidad, visibilidad
yreducidomantenimiento, para finessolo educativos.Yft-.J ('~ ~;
~TEMADE TESISPARAOPTARELTTULO DE INGENIERO
MECNICOPONTIFICIAUNIVERSIDAD CATL!CA DEL PERFACULTADDE CIENCIASE
INGENIERIATITULO: DISEO DEUNBANCO DEPRUEBAS.PARA TURBINASMICHEL
BANKI PARAEL LABORATORIO DEENERGADELA PONTIFICIA UNIVERSIDAD
CATLICA DELPER.AREA: EnergaPROPUESTO: Ing. Estela Assureira
E.ASESOR: Ing. EstelaAssureiraE.TESISTAS: Julio CsarEgsquiza
Goi.Julio CsarSnchezCarnones.CDIGOS:2002.47152000:7127FECHA: 16 de
agostode 2006DESCRlPCION yOBJETIVOS:En el Per el 24% de la
poblacinnacional carece de accesoal servicioelctrico; esto
significaquealrededorde 6.5 millonesde peruanos pennanecen al
margendel desarrolloy la modernidad. En elsector rural la
situacines ms grave pues solamenteun 32% posee
suministroelctrico.Laelectrificacinrural enel pas
sevienedesarrollando, enElctricos; a la extensinde las Lneas de
Transmisinyconstruccinde PequeasCentralesHidroelctricas.basealos
Pequeos SistemasSubestaciones asociadas;a laPara el aprovechamiento
de pequeos recursos hidrulicos, existen diversos tipos de
turbinashidrulicas, entrelas cuales laturbina Michel Banki
prestaventajas deordentcnico as comoeconmicorespectoalasturbinas
hidrulicas convencionales quelahacemuyatractiva paraestecampo.La
realizacindeproyectos eficiente~y econmicos requieren lafonnacin de
profesionales conslidos conocimientos de diseo, construccin,
operaciny mantenimiento, porello contarconunbanco de pruebasen el
Laboratoriode Energade la universidadseria unaherramienta
poderosaenla capacitacin de estudiantes, ingenieros, tcnicosy
personasrelacionadas con el tema.Se propone como trabajo, el
diseode un bancode pruebaspara TurbinaMichel Banki de 5.0 kWde
potencia. .El trabajo propuesto abarcar: el diseodel sistemaque
simuleel recursohidrulico; el diseo de laturbina, del sistema de
transfonnacin de energa mecnica a elctrica; la seleccin de
losinstrUmentosYdispositivos paraelcontroly el registrode las
variables y los protocolos de ensayoas como los procedimientos de
evaluacin.PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATL!CA DEL PERFACULTADDE
CIENCIASE INGENIERIATEMADE TESISPARAOPTAREL TTULO DE INGENIERO
MECNICODISEODE UN BANCODE PRUEBASPARATURBINASMICHELBANKI
PARAELLABORATORIO DE ENERGADELA PONTIFICIA~IVERSIDAD CATLICA DEL
PER.Introduccinl.2.Consideraciones para el diseo del Banco de
PruebasDiseodel sistema de simulacindel recurso.\\,3. Diseo de la
turbina Michel Banki4. Diseodel sistema de conversinde
potenciamecnica en elctrica5. Seleccinde instrumentos6. Ensambledel
banco de pruebas7. Protocolode Evaluaciny Manualde Operacin del
Banco de Pruebas.8. Planos y costosde fabricacinConclusionesy
recomendacionesBibliografiaAnexos.lvfdXif}/O :/20 x/!/ina5..Ing.
Estela Assureira E.AsesorIIDEDICATORIAAMarina y Susana,Madrinasde
nuestrogran proyecto..IIIAGRADECIMIENTOEnprimer lugar, aDios, por
ladichadeestudiar enestaprestigiosacasadeestudiosydehaber tenidoel
honor de pertenecer a la seccin de IngenieraMecnica.En
segundolugar, muchassonlas personasquecontribuyeronen
formadecisivaennuestraformacin profesional, escasi
imposiblemanifestarles unmerecidoreconocimiento.
Diezdelosprimerosen estedistinguidogruposonlos
ingenierosEstelaAssureira Espinoza; asesoradel presente proyecto,
Jorge Rodrguez Hernandez, Quino Valverde Guzmn, RobertoLazarte
Gamero, Kurt Paulsen Moscoso, Javier Tamashiro Higa, Enrique
Barrantes Pea,FedericoVargas MachucaSaldarriaga,
CarlosMolinaRomero, Vctor GirnMedina, bajolagua deellos estudiamos
y nos formamos como ingenieros y posteriormente
esperamoscompartirexperienciasen el trabajopara lograr el
desarrollodel pas.y finalmente a nuestros padres, porque supieron
darnos una educacin adecuada, unaformacindisciplinaday
honesta.IVNDICE DE CONTENIDOResumen... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... . iDedicatoria ... iiAgradecimiento......... ...
...... ... ...... ...... ...... ... ...... ...... ...... ... ......
iiiindice deContenido... oo ivListadeSmbolos... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... '" ... ...
... ... ... vSub indices...oo ixIntroduccin 1Capitulo1:
Consideraciones para el diseo del banco de pruebas
21.1.-Descripciny funcionesdel banco de pruebas
21.2.-Determinacinde salto y caudal... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... 51.3.-Anlisishidrulicode la turbina ...
... ... ... 91.4.-Determinacinde la geometrade la turbina... .
211.5.-Definicinde la zona de trabajode la turbina 291.6.-Eleccinde
los parmetrosde la turbina 38Capitulo 2: Diseodel sistemade
simulacindel salto 442.1.-Anlisisde la unidad de prueba
442.2.-Seleccinde la bombacentrifugacomorecursohdrico
512.3.-Dimensionamiento del tanquede almacenamientode agua...
532.4.-Calculodel vertederode pared delgada 55Capitulo3: Diseodel
sistemade conversinde energahidrulicaen mecnica... ... '" ... ...
... ... ... '" ... ... ... ... ... ... ... ... ...
593.1.-Diseohidrulicode la turbinaMichell-Banki
593.2.-Diseomecnicode la turbina Michell-Banki... 69Capitulo 4:
Diseodel sistemade conversinde energamecnicaen elctrica
1214.1.-Seleccin del alternador trifsico... ... ... ... ... ... oo.
oo. ... ... ... ... ... ... ... '" 1214.2.-Diseoelctricopara la
visualizacinde energaelctrica 124Capitulo 5: Seleccinde
instrumentosde medicin ... ... 135Capitulo 6: Ensambledel banco de
pruebas 139Capitulo7: Protocolode evaluaciny manual de operacindel
bancode pruebas... ... .. . .. . ... .. . ... ... ... .. . ... ...
... ... ... . .. .. . .. . ... .. . ... ... .. . . ...
147Costosdefabricacin ... ...... ... ......... ...... .........
...... ... ...... ... ...... ... 175..Conclusiones... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... 177Bibliografa 179Planos.AnexosLISTA DE
SIMBOLOSAcAsAlbSrea de la seccindel conductor[m2']reade los
cordonesde soldadura[m2']reade la tubera[m2]Anchodel
vertedero[m]Anchode rotor [m]Anchodel Inyector [m]Anchodel
vertedero[m]Distanciade la vena superiora la seccindel labe
[m]Coeficientedel estado del materialCoeficientede caudalFactor
sobrela influencia del acabado superficial del materialFactor
sobrela influencia del tamaodel ejeResistenciaideal a la
compresinpara una esbeltezcero [N/mm2]Factor de tensinde
pandeoVariacinde las componentesde velocidada lo largo del labe en
ladireccinnormalDimetrodel eje del rotor [m]Dimetrodel eje del
Inyector [m]Dimetronominal de husillo [mm]Distanciaentreperfiles de
refuerzo[pulg]Dimetrode flancos[mm]Dimetroinicial del husillo
[mm]Dimetrode la tubera[m]Distanciamximaentre perfiles de
refuerzo[pulg]Dimetromedio del husillo [mm]Dimetroexteriordel rotor
[m]Dimetrointerior deJrotor [m]Espesordel labe [m]Espesorde los
discos del rotor [m]Espesor de soldadura[m]Mdulode
elasticidad[Lb/pulg2]Deformacintransversal del eje del rotor
[m]Fuerzamanual para el ascensodel labe[N]Fuerzade accionamientodel
husillo
[N]SiSvcCCqCsCIC1C2l::.Cvddidndpd2d3DIDpDmD1D2eedsEfFaFahvviFchFuerzadel
chorro del agua [N]FdFuerzamanual para el descensodel husillo
[N]FhFuerzahidrostticasobre el labe [N]FsFuerzaque soportanlas
uniones soldadas[N]FtFuerza tangencial producto del chorro de
agua[N]FvFuerzanormal del agua sobre los labes[N]FSFactor de
seguridadFPFactor de potenciadel generadorgAceleracinde la
gravedad[mIs]GMdulode rigidez del material[N/mm2]hiAlturadel
inyector [m]hvAlturadel vertedero[m]hwAlturade prdidas de presin
[m]HSaltoNeto [m]HeEnergade Euler transferidaal rotor
[m]HgaAlturade presin considerandogolpe de ariete [m]HpAlturade
presin [m]HrAlturadel recipientede almacenamiento[m]HtAlturadel
recipiente de almacenamiento [m]Momentode inercia
[pulg4]IdIntensidadde diseo [amp]IFIntensidadde Fase
[amp]ILIntensidadde Lnea [amp]IRIntensidadde Lnea R
[amp]IsIntensidadde Lnea S [amp]ITIntensidadde Lnea T
[amp]IRSIntensidadde Fase RS [amp]ITRIntensidadde Fase TR
[amp]ITsIntensidadde Fase TS [amp]ladmIntensidadadmisi"le del
conductor [amp]leIntensidadcorregidaadmisible[amp]ItIntensidadde
trabajodel sistema [amp]JMomentopolar de la seccin del eje
[mm4]KCoeficientede prqidasKcCoeficientede velocidad del inyectorKo
Coeficientede admisinKwCoeficientede prdidas en los
labesviiKnKtk1k2IFactor de correccinpor agrupacinFactor de
correccinpor temperaturaCoeficientede forma dinmicapara uniones
soldadasFactor de calidad de unin soldadaLongituddel recipiente de
almacenamiento[pulg]Longitudentre apoyos del husillo [mm]Longitudde
elevacin del husillo [mm]Longitudde pandeo[mm]Longitudefectivade
accin de la presin sobre el labe [m]Longituddel
conductor[m]Longitudde la tubera[m]Longitudde la palanca de
accionamientodel husillo[m]Momentode descensode carga del husillo
[Nmm]Momentode elevacinde carga del husillo
[Nmm]Momentoflectoractuante[Nm]Momentode rozamiento entre apoyos
[Nmm]Momentotorsor [Nm]Momentototal de elevacin[Nmm]Eficienciade la
turbinaEficienciadel generadorEficienciadel grupo
generadorEficienciahidrulicaEficienciamecnicaEficienciade la
transmisinmecnicaEficienciavolumtricaVelocidadde rotacin
[RPM]Velocidadcriticadel eje del rotor
[RPM]VelocidadespecificaNmeroespecificode revolucionesPaso del
husillo [rflm]Presinabsoluta[Pa]Potenciade salida del generador
[kW]Potenciareactiva[kVA]Potenciadel sistema trifsico [W]Potenciaal
eje de la turbina [kW]Presinde vapor [m]Potenciade Fase
[W]laIhIpLaLeLtLpaMdMeMfMrMtMtengnhnmntrnvNNeNsNqpPPgPrPstPtPvPwSmbolosGriegosaa"Factor
de dependientede la relacinh/lFactor de relacinde cargaAngulode
ingreso al rotor [0]a1VlllQCaudal [m3/s]QdCaudal de
diseo[m3/s]rRadio de curvaturadel labe [m]RDistanciaentre el centro
del labe y el centrodel rotor[m]ReReaccionesen los
extremos[Lb/pulg]ReResistenciadel conductor[Ohm]IBrazo de palanca
del sistema[m]SEsfuerzoadmisibledel material[Lb/pulg2]Se Factor de
servicioestticoSoAnchode la gargantadel inyector[m]Espesorde
planchas[mm]teEspesorde plancha de la carcaza[mm]tiEspesorde la
plancha del Inyector [mm]T (ad)Torquede accionamientodel alabe
directriz[Nm]T (ah)Torquede accionamiento del husillo
[Nm]U1Velocidadtangencial en el labe [mIs]URTTensinde Fase
RTMUSTTensinde Fase ST MV1Velocidadabsolutade entradaal rotor
[mIs]VehVelocidaddel chorro del agua a la salida del
inyector[m/s]VtVelocidaddel fluido dentro de las
tuberas[mIs]WVelocidadrelativa del fluido[mIs]Wa
Presindistribuidaen el labe directrizWCargapor unidad de longitud
[Lb/pulg]WaPeso del labe [kg]WdPeso de los discos del rotor
[kg]WrPeso del rotor [kg]WiRepresentalas cargasactuantes[N]z
Nmerode labes del rotorza Nmerode las en la admisinZAlturarelativa
[m]nguloentrela velocidadrelativa y la velocidadtangencial
[0]Factor efectivode concentracinde esfuerzosCoeficientede
rozamiento de apoyo axialCoeficientede rozamiento en los flancosde
roscaGradode esbeltezDensidaddel agua [kg/m3]Resistividaddel
materialdel conductor [Ohmios-mm2/m]Cadade presinngulode fase
elctrica[0]Angulade torsin[rad]ngulode curvaturadel labe
[0]Angulade inclinacindel filete del husillo
[0]Deflexinmxima[0]ngulode giro del alabe director [0]Arcode
arrastreen la admisin[0]Arcode arrastre total de trabajo[0]Arcode
arrastreen la entrada [0]Arcode arrastreen la salida
[0]Esfuerzoadmisibledel material[N/mm2]Resistenciaalternantemximo a
la traccindel material [Nn/mm2]Resistenciamximoa la traccindel
material [N/mm2]Esfuerzode compresinen el husillo
[N/mm2]Esfuerzoequivalente[N/mm2]Esfuerzoflector mximo
actuante[N/mm2]Esfuerzode pandeo[N/mm2]Resistenciacortantepulsante
mximodel material [N/mm2]Esfuerzocortantemximoactuante[N/mm2]pelJ.'
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LA SERIE ELITE, PARTE NO 4201-80 REV G, PDL ELECTRONICS LTD
