I. M. E. 7°

Universidad Nacional Tecnológica del Cono Sur de

Lima - UNTECSCarrera:

Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Título de la práctica:

DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LA TURBINA PELTON

Curso:Turbo maquinas

Docente:Ing. Rolando Paz Purisaca

Alumnos:

García Gómez, Ricardo M.Albornoz Fernández, José

Marín Guerra, Carlos Omar

VILLA EL SALVADOR julio 2013-1

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Objetivo

Determinación de las características operativas de la turbina pelton a varias velocidades

Comparar los resultados obtenidos teóricamente con los prácticos

Obtención de las cursas características de las magnitudes

Tener una visión general acerca del funcionamiento de la turbina pelton así como sus curvas de eficiencia.

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RESUMEN

En este laboratorios pondremos en práctica los conocimientos adquiridos, ensamblando el sistema de turbina pelton, luego comparando nuestra datos obtenidos mediante las mediciones directas con los obtenidos de las formulas, seguidamente analizaremos las principales curvas de las magnitudes.

La finalidad de este trabajo es de observar y conocer las diversas partes y características que presenta una turbina pelton así como también el funcionamiento de cada una de ellas; en tal sentido nuestra trabajo será de definir minuciosamente cada una de ellas y comprobar la dependencia e interrelación que tiene cada una de ellas para luego así llevar ese funcionamiento a la vida practica ya en una dimensión mucho más grande como por ejemplo en una central hidroeléctrica.

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Abstract

In this lab we will implement the knowledge acquired, joining pelton turbine system, then comparing our data obtained from direct measurements with those obtained from the formulas, then analyze the principal curve magnitudes.

The purpose of this paper is to observe and learn about the various parts and features that presents a Pelton turbine as well as the operation of each of them, in this sense our work will be to define minutely each and check the dependence and interrelation that each one of them and then take that performance to practical life and a much larger dimension such as a hydroelectric plant.

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INTRODUCCION

En la actualidad es imposible imaginar la vida sin energía eléctrica, estamos tan acostumbrados a encender y apagar el interruptor de la luz y otros aparatos que muy rara vez nos ponemos a pensar de donde viene esta electricidad; pues bien, un tipo de centrales generadoras son las HIDROELÉCTRICAS, éstas son plantas encargadas de convertir la energía del agua en energía eléctrica, pero más específicamente, la TURBINA es la encargada de transformar esa energía hidráulica en energía mecánica, para posteriormente convertirla en energía eléctrica con un generador. Como decía La turbina es el alma de una central hidroeléctrica y dependiendo de la turbina que se use es la cantidad de electricidad que se produzca. En este capítulo hablaremos de las turbinas de impulso, y específicamente de la turbina PELTON.

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MARCO TEORICO

GENERALIDADES DE LA TURBINA PELTON

La turbina PELTON debe su nombre al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (1829-1908), quien en busca de oro en California concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovecharan la energía cinética del agua que venía de una tubería y actuaba tangencialmente sobre la rueda. Por fin en 1880 patentó una turbina con palas periféricas de muy particular diseño, de tal manera que el chorro proveniente de la tubería golpea el centro de cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al máximo el empuje del agua.

A las cucharas y palas que mencionamos anteriormente se les nombran ÁLABES. El álabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección. En las siguientes imágenes veremos y analizaremos la forma del álabe.

Las dimensiones del álabe son proporcionales a los diámetros del chorro que impacta sobre él; el chorro a su vez está en función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El diámetro de chorro (do) está entre el 5% y el 12% del diámetro de la rueda (Dp). En la siguiente figura se muestra a detalle la forma del álabe y sus variables correspondientes

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El Angulo ubicado entre las dos caras interiores del álabe es del orden de los 20°, lo ideal sería que fuera igual a 0°, pero, de ser así, debilitaría la arista media donde pega el chorro y transmite la energía.

El ángulo, ubicado en la salida del álabe esta entre los 8° y los 12°. Se debe de dar salida al agua con la propia forma de del borde de fuga, a la cual ayudan las líneas de "thalweg" .

Los álabes deben estar colocados lo más cerca posible a los inyectores, debido a que la distancia hace decrecer la energía cinética del agua.

A las turbinas Pelton se le conocen como turbinas de presión por ser ésta, constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión o de admisión parcial debido a que es sólo afectada por el agua una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción. Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores) y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente).Son de buen rendimiento para amplios márgenes de caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo). Por ello se colocan pocas unidades en cada central que requiere turbinas de estas características.

Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA RUEDA PELTON

El rodete o rueda PELTON está constituido por un disco de acero con álabes, como ya se ha dicho, de doble cuchara ubicados en la periferia de la rueda. Estos álabes puedes estar fundidos con la misma rueda o unidos individualmente por medio de bulones o pernos.

La forma de fabricación más común es por separado álabes y rueda ya que facilita su construcción y mantenimiento. Se funden en una sola pieza rueda y álabes cuando la rueda tiene un gran velocidad específica, con este proceso de fabricación se logra mayor rigidez, solidez uniformidad y montaje rápido.

Se debe tener especial cuidado al escoger el material de fabricación adecuado en una turbina pelton; este material debe resistir la fatiga, la corrosión y la erosión; la fundición de grafito laminar y acero, resisten perfectamente estas condiciones cuando son moderadas. Cuando

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las condiciones trabajo son más drásticas se recurre al acero aliado con níquel, en el orden de 0.7 a 1%, y con un 0.3% de molibdeno. Los aceros con 13% de cromo y los aceros austenoferríticos (Cr 20, Ni 8, Mo3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitación y abrasión.

El Número de álabes suele ser de 17 a 26 por rueda, todo esto dependiendo de la velocidad específica; Cuando se necesita una velocidad alta el número de álabes es pequeño debido a que a mayor velocidad específica, mayor caudal lo que exige álabes más grandes y con esto caben menos en cada rueda.

Partes:

- Distribuidor: Es el elemento de transición entre la tubería de presión y los inyectores. Está hecho por un inyector o varios inyectores que pueden llegar a ser hasta seis.

El inyector consta de una tobera de sección circular provista de una aguja de regulación que se mueve axialmente, variando la sección de flujo.

Si se requiere una operación rápida para dejar al rodete sin acción del chorro, se adiciona una placa deflectora, así la aguja se cierra en un tiempo más largo, reduciendo los efectos del golpe de ariete.

En las turbinas pequeñas se puede prescindir de la aguja y operar con una o más toberas, con caudal constante.

- Rodete: Es de admisión parcial, depende del número de chorros o de inyectores. Está compuesto por un disco provisto de cucharas montadas en su periferia. Las cucharas pueden estar empernadas al disco, soldadas o fundidas convirtiéndose en una sola pieza con el disco.

Esta turbina puede instalarse con el eje horizontal con 1 o 2 inyectores, y con el eje vertical con 3 a 6 inyectores.

Tipos:

Microturbinas Pelton:

Se usan en zonas rurales aisladas donde se aprovechan los recursos hidroenergéticos que existen en pequeños ríos o quebradas para transformarlos en energía mecánica o eléctrica.

Para hacer posible este proceso se tiene que hacer un grupo de obras así como obtener equipos especiales, estos se dividen normalmente en tres grupos: obras civiles, equipo electromecánico y redes eléctricas.

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• Ensamblaje y Montaje

La turbina se ensambla en un sólido chasis construido con perfiles estructurales que permiten el acoplamiento en un solo bloque, de esta forma se puede realizar un pre-montaje del sistema turbina-generador.

Miniturbinas Pelton:

Según las normas europeas las minicentrales hidroeléctricas son aquellas que están comprendidas en el rango de 100kW a 1000kW de potencia.

Según la organización Latinoamericana de Energía clasifica en el rango de 50kW a 500kW.

Los modelos desarrollados por ITDG cubren el rango de 50kW a 1000kW.

El campo de aplicación es muy amplio, sobre todo para las poblaciones locales de zonas aisladas.

• Ensamblaje y Montaje

La turbina se ensambla en un sólido chasis construido con perfiles estructurales que permiten el acoplamiento en un solo bloque. Previamente es posible realizar un pre-montaje en el taller donde se fabrica, esto suele hacerse en el caso de turbinas más pequeñas, debido a su bajo costo de instalación.

Picoturbinas Pelton:

La aparición de picocentrales hidroeléctricas y consecuentemente de picoturbinas, tiene apenas una década.

El rango de picocentrales está por debajo de los 10kW.

Las picoturbinas se aprovechan por los recursos hidráulicos existentes en quebradas muy pequeñas, manantiales u otras fuentes donde existen algunos chorros de agua y alguna pequeña caída que podría transformarse n energía mecánica o eléctrica.

Las picoturbinas se diseñan en la actualidad como pequeños bloques compactos, donde en una sola unidad se incluyen todas sus partes.

Se caracteriza principalmente por su pequeño tamaño, su versatilidad y por su facilidad para el transporte e instalación.

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• Ensamblaje y Montaje

La turbina se ensambla en un sólido chasis construido con perfiles estructurales que permite el ensamble con el generador en un solo bloque, haciendo un equipo portátil.

Fórmulas:

P E=P .nTR .nG ....................................... (1.1)

P= ρ. g .Q . H .η/K=P E/ηTR .ηG=Q .H .η/102 ……………. (1.2)

ηGR=η .ηTR .ηG …………………………………………….. (1.3)

Dónde:

PE = potencia en los bornes del generador, kW

P = potencia al eje de la turbina, kW

Q = caudal de la turbina en m3/s

H = salto neto en metros ρ es la densidad del agua, 1000 kg/m3

Η = eficiencia de la turbina, adimensional

ηTR = es la eficiencia de la transmisión, adimensional

ηG =eficiencia del generador, adimensional

ηGR= eficiencia del grupo de generación, adimensional

K = constante, donde K es 1000 W/kW

g = aceleración de la gravedad

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En relación a la determinación del salto neto, se puede proceder del siguiente modo:

Turbinas de reacción: H=H b – ΔH T

Turbinas de acción: H=H b−ΔH T –H m

Dónde:

Hb = salto bruto (metros)

ΔHT = es la altura de pérdidas en la tubería de presión (metros)

Hm = altura de montaje de la turbina en (metros)

En caso de que la turbina no accione un generador eléctrico, sino otra máquina operadora, como una bomba, un molino, etc., se deberá conocer la eficiencia, potencia y otros datos de dicha máquina, utilizándose las mismas formulas anteriores.

Se puede realizar una selección rápida de la turbina para una M.C.H, utilizando el diagrama de la figura que se muestra abajo, en las que aparecen las diversas turbinas que se usan en la actualidad ubicadas por zonas de aplicación referidas al salto neto, caudal, potencia y una eficiencia promedio.

Asumiendo una eficiencia promedio se obtiene una relación lineal entre H y Q para una potencia constante P en coordenadas logarítmicas.

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Tacómetro digital.

Especificaciones:

Diseño pequeño y robusto

Pantalla digital LCD

Escala de medida: de 2,5 a 99999 TPM (Vuelta por Minutos)

Precisión: +/- (0.025% + 1 dígito)

Resolución: 0,1 TPM (de 2.5 a 9999 vueltas por minutos) /1 TPM (más allá de 10000 TPM)

Función memoria: último valor medido, valor máximo, valor mínimo

Distancia de detección: de 50 a 1000 mm

Abastecido por 4 pilas 1.5 AA

Dimensiones: 190×72×37mm

FM16 - Descripción:

Este módulo consta de una turbina Pelton, en miniatura, con una válvula de aguja retráctil que permite regular el flujo.

Las paletas del rodete Pelton son claramente visibles a través de la cubierta transparente de la turbina.

Dispone de un manómetro colocado a la entrada de la turbina que permite medir la presión de entrada en ese punto (presión de descarga de agua).

Un freno de cinta, conectado a dos dinamómetros, permite variar la carga suministrada a la turbina mediante un dispositivo de conexión.

La velocidad del eje de la turbina se determina mediante un tacómetro óptico.

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Banco Hidraulico FM00 - Descripción:

Equipo para el estudio del comportamiento de los fluidos, la teoría hidráulica y las propiedades de la mecánica de fluidos. Compuesto por un banco hidráulico móvil que se utiliza para acomodar una amplia variedad de módulos, que permiten al estudiante experimentar los problemas que plantea la mecánica de fluidos.

Equipo autónomo (depósito y bomba incluidos). Innovador sistema de ahorro de agua consistente en un depósito sumidero de alta capacidad y un rebosadero que devuelve el excedente de agua a dicho depósito.

Válvula de desagüe fácilmente accesible. Dispone de un depósito escalonado (volumétrico) para medir caudales altos y bajos, además de una probeta de un litro de capacidad para caudales aún más bajos.

Tubo de nivel provisto de escala que indica el nivel de agua del depósito superior. Caudal regulado mediante una válvula de membrana. Pantalla amortiguadora de flujo para reducir el grado de turbulencia.

Canal en la parte superior especialmente diseñado para el acoplamiento de los módulos, sin necesidad de usar herramientas.

El montaje de los distintos módulos, sin necesidad de utilizar herramientas, asegura su simplicidad.

Fabricado con materiales resistentes a la corrosión lo que garantiza una larga vida útil del equipo.

Bomba centrifuga.

Interruptor de puesta en marcha de la bomba, seguridad y piloto de encendido.

Cada módulo se suministra completo y de fácil y rápida conexión al banco, maximizado así el tiempo disponible para que el estudiante realice su experimento de demostración o medida.

Utilizable con distintos Equipos del área de Mecánica de Fluidos:

Módulos tipo “FME”, Equipo de Fricción en Tuberías “AFT”, etc., lo que aumenta la rentabilidad.

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1. Requerimientos:

Tener un espacio adecuado para que nuestra labor de experimentación sea lo exacto posible, preferiblemente esto se da en un laboratorio.

Tener todo los equipos en buen estado de funcionamiento para que así, se pueda tener datos o lecturas más exactos.

Tener todo el equipo completo ya que no debe faltar ningún accesorio que no esté conectado con el equipo.

Tener siempre en mantenimiento el equipo para evitar así su deterioro y desgaste.

2. Equipos utilizados:

Turbina pelton

Banco hidráulico

Manómetro

Dinamómetros

Turbina Pelton

Banco hidráulico

Manómetro Dinamómetro

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Especificaciones técnicas:

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PROCEDIMEINTO:

PASO N°01: cortar el cartón en forma de la pieza, para poder pesar dicho cartón y encontrar una relación que nos pueda dar la masa total.

PASO N°02: la pieza sumergirla en agua y luego ver la cantidad de agua k se ha desplazado para también encontrar una relación y hallar el volumen de la pieza.PASO N°03: luego con el carrito prendido realizar las mediciones de velocidad y tiempo

FORMULAS:

1. Presión hidráulica

PH=ρ∗g∗Q∗H

2. Potencia al eje (PE)

PE=torque∗velocidad

3. Torque

τ=(F1−F2 )∗RF

F1= lectura del dinamómetro 1

F2= lectura del dinamómetro 2

RF= radio de faja igual a 28.65cm.( 30 )

4. Velocidad angular (ω)

ω=2π (¿ Rpm)

60

5. Rendimiento de la turbina

nt=PePH

6. Caudal (Q)

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Q=VolumenTiempo

=∆Vt

7. Calculo de la carga neta H

1ATM=10132Pa

1ATM=1.01325Bar

1ATM=10.3322m*c*H 2O

1ATM=14.695PSI

8. Calculo de la velocidadtangencial

V t=ω∗R0

R0=radio inicial

R0=50mm

I. Datos

Cuadro de datosmedidos:

N°delectras P(bar) V(L) t(seg) F1(N) F2(N) N(RPM)

1 0.7 30 80 4 1 571.1

2 1 30 68 4 1 1300

3 1.8 30 58 3.6 1.2 1608

4 1.6 30 53 3.6 1.2 1944

5 1.9 30 48 3.4 1.4 2131

6 2.1 30 50 3.4 1.4 2325

Calculo de Q, H, T, W, PE, PH, Vt, nf.

1. Calculo de la carga neta H

1ATM=10132Pa

1ATM=1.01325Bar

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1ATM=10.3322m*c*H 2O

1ATM=14.695PSI

1 atmosfera = 10.33 metros de columnas de agua

Entonces nuestra altura será:

H = 1atm = 10.33 m

2. Caudal (Q) Q=VolumenTiempo

=∆Vt

30L= 0.03m3

V(L) t(seg) Q(m3/seg)

30 80 0.00038

30 68 0.00044

30 58 0.00052

30 53 0.00057

30 48 0.00063

30 50 0.00060

3. Torque τ=(F1+F2 )∗RF

F1= lectura del dinamómetro 1.

F2= lectura del dinamómetro 2.

RF= radio de faja igual a 28.65cm = 0.2865m

F1(N) F2(N) Rf(m) T(N*m)

1 4 0.02865 0.08595

1 4 0.02865 0.08595

1.2 3.6 0.02865 0.06876

1.2 3.6 0.02865 0.06876

I. M. E. 7°

1.4 3.4 0.02865 0.05730

1.4 3.4 0.02865 0.05730

4. Velocidad angular (ω)

ω=2π (¿ Rpm)

60

N(RPM) W(m/s)

571.1 59.81

1800 188.50

1608 168.39

1944 203.58

2131 223.16

2325 243.47

5. Potencia al eje (PE)

PE=torque∗velocidad

T(N*m) W(m/s) PE

0.8595 59.8055 5.14028

0.8595 136.1357 11.70086

0.6876 168.3894 11.57845

0.6876 203.5752 13.99783

0.573 223.1578 12.78694

I. M. E. 7°

0.573 243.4734 13.95103

6. Presión hidráulica

PH=ρ∗g∗Q∗H

ρ∗g=9810m3/s

H=10.33m.cH2O

H(m.c.H2O)

Q(m3/seg) PH

0.1940 0.00038 38.00

0.2356 0.00044 44.71

0.3617 0.00052 52.42

0.2938 0.00057 57.36

0.3160 0.00063 63.34

0.3638 0.00060 60.80

7. Calculo de la velocidad tangencial

V t=ω∗R0

R0=radio inicial

R0=50mm = 0.05m

W(m/s) R0(m) Vt

59.8055 0.05 2.99027

136.1357 0.05 6.80678

168.3894 0.05 8.41947

I. M. E. 7°

203.5752 0.05 10.17876

223.1578 0.05 11.15789

243.4734 0.05 12.17367

8. Rendimiento de la turbina n f=PEPH

PE PH nt

51.4028 38.00 0.135

117.0086 44.71 0.362

115.7845 52.42 0.221

139.9783 57.36 0.244

127.8694 63.34 0.202

139.5103 60.80 0.229

II. Graficas

PE vs N (Rpm)

PE; 5.14

PE; 16.2

PE; 11.58

PE; 14PE; 12.79

PE; 13.95

PE

N(Rpm)

Pe

I. M. E. 7°

f(x) = 0.01 x + 3.1R² = 0.742639644750753

PELinear (PE)

N(Rpm)

Pe

T vs N (Rpm)

T(N*m); 0.086 T(N*m); 0.086

T(N*m); 0.0688T(N*m); 0.0688

T(N*m); 0.0573T(N*m); 0.0573

T(N*m)

N(Rpm)

T(N*

m)

I. M. E. 7°

f(x) = − 0 x + 0.1R² = 0.567491162113076

T(N*m)Linear (T(N*m))

N(Rpm)

T(N

*m)

CONCLUSIONES:

En la Tabla N°3 observamos una tendencia lineal con pendiente positiva es decir que existe una relación directamente proporcional entre el torque y el número de revoluciones, en tal sentido cuanto mayor sea el torque mayor será el número de revoluciones del eje de la turbina.

En la tabla N°5 también obtuvimos una tendencia lineal de crecimiento con pendiente positiva, es decir que entre la potencia hidráulica y el número de revoluciones hay una relación directa, en tal sentido decimos que cuanto mayor sea el número de revoluciones mayores será la potencia hidráulica proporcionada a la turbina.

Igualmente en la tabla N°7 hay una relación directa entre la potencia del eje de la turbina y el número de revoluciones del eje, ya que cuanto mayor sea el número de giros del eje mayor potencia se tendrá que generar en el eje de la turbina Pelton.

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La velocidad angular de la turbina crece en forma lineal conforme aumenta las RPM de la turbina.

Cuando el torque es mayor las RPM disminuyen, debido a una mayor fuerza ejercida en la polea.

RECOMENDACIONES:

- Verificar que el equipo hidráulico este cebado completamente.

- Revisar las conexiones eléctricas protegidas de salpicadura de agua.

- Revisar el manual o consultar como encender correctamente el equipo.

- Conexionar correctamente las mangueras en el equipo hidráulico.

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- El ángulo de incidencia de la tobera debe ser 90º en lo posible, para que la eficiencia no se vea disminuida.

BIBLIOGRAFÍA:

http://www.edibon.com

es.wikipedia.org/wiki/Turbina

es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidráulica

www.sc.ehu.es/nmwmigaj/TURBINA.htm