Vlvula de Seguridad

Tecnolgico de Costa RicaIngeniera ElectromecnicaIngeniera en Mantenimiento IndustrialLaboratorio de TurbomquinasTECNOLGICO DE COSTA RICAESCUELA DE INGENIERIA ELECTROMECNICACarrera: Ingeniera en Mantenimiento IndustrialLaboratorio de Turbomquinas

Turbina Francis

Profesor:Ing. Oscar Eduardo Monge Ruiz

Estudiantes:Jose Roberto Sanabria Guadamuz

Grupo: 032015-04-09I Semestre

CEAB

Carrera evaluada y acreditada por: Canadian Engineering Accreditation Board Bureau canadien daccrditation des programmes dingnierie

1. Objetivo Determinar la eficiencia de una turbina Francis en funcin del caudal (modificando el flujo desde la bomba y cambiando la apertura del distribuidor)2. IntroduccinLas turbinas hidrulicas son de gran utilidad ya que se puede convertir la energa potencial que tiene algn lquido en trabajo mecnico. Este trabajo mecnico se puede aprovechar por medio de algn generador elctrico (para producir energa elctrica), sino se puede aprovechar en otras aplicaciones mecnicas como conectar alguna bomba.En la actualidad hay gran variedad de tamaos (potencia) y variedad de estilos (tipos), pero en general se componen de tres partes fundamentales: el rodete, el distribuidor y el difusor. El rodete es el encargado de convertir la energa hidrulica en energa mecnica. El distribuidor direcciona el fluido en la direccin correcta para que el rodete realice su trabajo. Y finalmente, el difusor es el encargado de conducir el fluido al canal de desage.En la familia de las turbinas hidrulicas hay varios tipos dependiendo de su construccin. Entre estas tenemos a las turbinas Pelton, turbinas Francis, turbinas Kaplan y las turbinas Michell-Banki. Sin embargo, en este laboratorio se tiene un nfasis en la turbina Francis.Figura 1. Turbina Francis.

Figura 2. Turbina Pelton.

Figura 3. Turbina Kaplan

Para clasificar las turbinas hidrulicas se puede hacer segn la direccin en que ingresa el fluido al rodete y segn el grado de reaccin. En el primer caso, el fluido puede entrar al rodete en tres direcciones distintas; por lo tanto tenemos tres tipos: Turbinas Axiales (por ejemplo la turbina Kaplan), Turbinas Radiales (por ejemplo la turbina Francis) y las Ruedas Tangenciales (por ejemplo la turbina Pelton). Pero de acuerdo al grado de reaccin se tienen dos tipos: Turbinas de Accin (aprovecha la energa cintica del fluido, no hay diferencia de presin entre la entrada y salida de la turbina) y las Turbinas de Reaccin (aprovecha tanto la energa cintica como la energa potencial del fluido, si hay diferencia de presiones entre la entrada y la salida de la turbina).Como podemos ver, segn esta clasificacin, la turbina en estudio (Turbina Francis) es una turbina Radial y de Reaccin, es decir, el fluido entra al rodete de forma radial y transforma tanto la energa cintica del fluido como la potencial. Adems, hay una diferencia de presiones entre la entrada y salida de la turbina y el fluido inunda por completo el interior de la turbina.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 tubo Pitot, es decir, obtendremos la presin diferencial (presin dinmica en la tubera y por medio de la siguiente ecuacin se calcula el caudal:

Donde:Q: Caudal [m3/s]C: Coeficiente de calibracin del Pitot (en este caso ser igual a 1)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]: Peso especfico del fluido [N/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:

Donde:: Eficiencia [%]Pent: Potencia de entrada [W]Psal: Potencia de salida [W]

3. Equipo UtilizadoPara llevar a cabo esta experiencia se utilizaron varios equipos que se explican a continuacin:Sistema automatizado de bombeo:En el laboratorio se tiene un sistema automatizado de bombeo, del cual se utiliz el panel de control y dos bombas centrfugas. Este sistema se utiliz para simular un embalse. Ya que normalmente las turbinas se usan para transformar la energa potencial que tiene el agua de un embalse. En este caso, al carecer de un embalse, se tiene uno virtual.

Figura 4. Sistema automatizado de bombeo.

Tabla 1. Datos de la bomba centrifuga.Parmetro Valor

MarcaBuffalo Forge Company

Modelo709 CRE

Size4x3

Head44

G.P.M.300

RPM1750

Dimetro del Impulsor8

Fuente: Lab. Turbomquinas

Tabla 2. Datos del motor elctrico.ParmetroValor

MarcaSiemens

Tensin220/440 V

Amperaje20,0/10,0 A

Frecuencia60 Hz

Potencia5 595 W

Efic. Nominal89,50%

Armazn213 T

ServicioContinuo

F.S.1,25

Peso62 kg

Fuente: Lab. Turbomquinas

Turbina FrancisFigura 5. Turbina Francis.

La turbina Francis que se us en el laboratorio es la que se muestra en la Figura 5. Esta turbina carece de datos de placa, sin embargo, el Profesor nos pudo facilitar el dimetro interno de la tubera de la turbina, el cual es de 150 mm.ManmetrosPara la experiencia se tuvo que medir la presin dinmica en la tubera y la presin esttica en la entrada de la turbina Francis. Para esto se us un manmetro digital y un manmetro Bourdon.TacmetroFigura 6. Manmetros.

Para poder realizar los clculos de potencia mecnica se necesita la velocidad en el eje del rodete, por lo tanto se utiliza un tacmetro para medir dicha velocidad.Sistema disipador de potenciaLa 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 que nos entrega la turbina la convertimos a energa elctrica por medio del generador. Y finalmente, esta energa es consumida por las resistencias que se conectan en las fases del generador.Tabla 3. Datos del Generador Sncrono.ParmetroValor

Potencia Real7,5 kW

Potencia Reactiva9,38 Kva

RPM1800

Fases3

Frecuencia60 Hz

Voltaje200-240 V

Amperaje26-22,5 A

SerialS52-1GJ

ModeloH17-36-033

Fuente: Lab. Turbomquinas

4. ProcedimientoA. Verifique que el equipo necesario para llevar a cabo la experiencia est conectado correctamente.B. Encienda el sistema de bombeo para proporcionar el caudal determinado por el profesor.C. Mida el torque y la velocidad en el eje del rodete. As como la presin esttica en la entrada de la turbina y la presin dinmica o diferencial. Registre estas mediciones en una tabla.D. Repita las mediciones anteriores para cada una de las posiciones determinadas por el profesor.E. Luego, elija una de las posiciones anteriores para ver el efecto de la variacin de rodete.F. Ponga el sistema de bombeo en la posicin elegida. Tome las mediciones del punto C.G. Gire el volante la cantidad de vueltas establecidas por el profesor para variar la apertura del distribuidor. Para cada cambio tome las medidas del punto C.5. Datos ExperimentalesEntre los datos que se midieron en el laboratorio para poder obtener los resultados deseados se midi la velocidad angular en el eje del rodete, la presin diferencial en la tubera por donde circulaba el agua y la presin esttica en la entrada de la turbina. En el caso del torque, los valores fueron brindados por el profesor, debido a que el Torqumetro est daado.Tabla 4. Mediciones en las distintas posiciones del sistema de bombeo.PosicinTorqueVelocidadPresin DiferencialPresin Estatica

Nm(+0,1)RPM(+0,1)pulg H2O(+0,05)bar

13003,18944,4156,80,40

14003,201002,0178,80,50

15003,401184,0205,00,60

16303,601362,0247,30,75

Fuente: Lab. Turbomquinas

Tabla 5. Mediciones en las distintas posiciones de los alabes del distribuidor.AlabesTorqueVelocidadPresin DiferencialPresin Estatica

Nm(+0,1)RPM(+0,1)pulg H2O(+0,05)bar

CMR3,601362,0247,30,75

2VFMR4,451382,0274,50,70

3VFMR4,561415,0374,60,35

4VFMR4,271010,0439,00,20

5VFMR3,30741,8454,80,18

6VFMR2,67601,7468,40,15

Fuente: Lab. Turbomquinas

Adems, se requiere los valores de algunos parmetros para realizar los clculos.Tabla 6. Parmetros de inters.ParmetroValorUnidades

9 x10 -4Pa s

kdescarga0,615

H2O1000kg/m3

1 x106m2/s

Dint_tuberaTurbina150mm

Dtubera orificio125mm

Dorificio interno55mm

Fuente: Lab. Turbomquinas

6. Resultados ExperimentalesA continuacin se muestran los resultados de los caudales, potencias y eficiencias para cada caso:Tabla 7. Resultados experimentales a la hora de variarel caudal por medio de la bomba.

Tabla 8. Resultados experimentales a la hora de variar el caudalpor medio de la apertura de los labes del distribuidor.

Los resultados anteriores tambin se muestran de forma grfica para facilitar el anlisis de los resultados y obtener conclusiones.[GRAFICOS]7. Conclusiones Laboratorio de TurbomquinasPgina 2