Ensayo de turbina hidrulica

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE Ensayo de turbina hidrulicaExperiencia E975Nicols Sebastin Arce Acevedo

ndice

1.Resumen del contenido del informe22.Objetivos de la experiencia2a)Objetivo general2b)Objetivos especficos23.Caractersticas tcnicas de los equipos e instrumentos empleados3a)Motor elctrico trifsico3b)Generador3c)Dinammetro3d)Voltmetro3e)Ampermetro34.Descripcin del mtodo seguido45.Presentacin de los resultados56.Discusin de los resultados, conclusiones y observaciones personales77.Apndice9a)Teora del experimento9b)Desarrollo de clculos12c)Tablas de valores obtenidos y calculados13d)Bibliografa13

1. Resumen del contenido del informe

El presente informe contiene la experiencia ensayo de turbina hidrulica, en la cual , principalmente se ensayo una turbina Pelton, variando las RPM de la motobomba, y luego variando el caudal entregado por esta, pero manteniendo las RPM constantes, todo esto con el fin de cumplir los objetivos presentados ms adelante.

2. Objetivos de la experiencia

a) Objetivo general Reconocer en terreno la instalacin de una Turbina Pelton. Identificar instrumentos y controles que permitan evaluar parmetros de funcionamiento de una central Hidroelctrica.

b) Objetivos especficos

Encontrar las RPM de la turbina para que su rendimiento sea mximo.

Graficar las curvas caractersticas de funcionamiento de la turbina con RPM del objetivo anterior.

Graficar y analizar la variacin de la potencia elctrica con la hidrulica.

Graficar y analizar la variacin del rendimiento del generador con el caudal.

Graficar y analizar la variacin de la potencia elctrica con el caudal.

3. Caractersticas tcnicas de los equipos e instrumentos empleados

a) Motor elctrico trifsico Marca: Westinghouse.Potencia: 5 [HP].Tensin: 330 [V].Intensidad: 14 [A].Velocidad angular: 1150-3600 [RPM].

b) GeneradorMarca: Westinghouse.Potencia como entrada: 8[HP].Potencia como salida: 5,13 [kW].Tensin: 330 [V].Intensidad: 14 [A].Velocidad angular: 1150-3600 [RPM].

c) DinammetroMarca: Toledo.Unidad de medida: kgf.Resolucin de medida: 0,1 [kgf].Rango de medida: 30 [kgf].

d) VoltmetroRango de medida: 0-300 [V] CC.Resolucin de medida: 10[V] CC.

e) Ampermetro Rango de medida: [A] CC.Resolucin de medida: [A] CC.

Imagen 1: turbina tipo Pelton utilizada en la experiencia. Lester Allan Pelton (Vermilion, Ohio, 5 de septiembre de 1829 Oakland, California, 14 de marzo de 1908) fue uno de los ms importantes inventores de finales del siglo XIX y principios del siglo XX.

4. Descripcin del mtodo seguido

Previa ejecucin de la experiencia, se energiza el conjunto moto-bomba, el cual cumple la funcin de generar el caudal, que en centrales hidroelctricas, por ejemplo, sera generado por una cada de agua. Luego se energiza el panel del voltmetro, el ampermetro, el tacmetro, y se acciona el dinammetro. Una vez preparados los instrumentos de medida y con el mximo caudal entregado por la bomba, se procede a ejecutar la experiencia con unas RPM de 200, avanzando de 50 en 50 hasta encontrar el mximo valor del producto fuerza por revoluciones (F x n). Encontrando el mximo valor del producto F x n, se encontrara el mximo rendimiento hidrulico de la bomba.Luego, con las revoluciones nombradas anteriormente, se hace variar el caudal desde su nivel mximo hasta un nivel en que el generador produzca una potencia que tienda a cero. Todo esto bajando el nivel de caudal de 3% en 3%.Una vez terminado esto, se des energizan los instrumentos y equipos y finaliza la experiencia.

5. Presentacin de los resultados

NNele [HP]Nh [HP]Ne [HP]Hn [m.c.a.]ntng

1490,01,108590,9156122,838160,825930,71766

2421,60,968240,7679320,867480,793120,73623

3366,00,840270,6497918,985700,773310,75534

4275,00,724100,5611817,192830,775010,65715

5250,00,619170,4725715,488850,763240,70942

6180,00,524890,3839713,873790,731510,62866

7122,50,440710,2953612,347620,670190,55619

884,10,366050,2067510,910360,564820,54549

940,00,300330,147689,562000,491720,36323

100,30,242990,103388,302540,425430,00324

6. Discusin de los resultados, conclusiones y observaciones personales

Con respecto al objetivo N1, se puede decir que se encontr el rendimiento mximo de la turbina, el cual corresponde a un 82,59%. Este rendimiento se obtiene, cuando el producto Hn x Q es mximo, con la RPM mximas encontradas en el respectivo ensayo para encontrar el mximo producto F x N, y cuando la fuerza registrada por el dinammetro F es mxima. Ya que el producto Hn x Q se encuentra en el denominador, en la ecuacin para encontrar el rendimiento, y ya que este producto va disminuyendo a medida que disminuye el caudal Q, la principal variable para la determinacin del rendimiento mximo de la turbina es la fuerza F, que realiza el eje sobre el dinammetro.En relacin al segundo objetivo, se aprecia que el rendimiento aumenta a medida que aumenta e cauda, pero lo hace cada vez menos, hasta llegar o tender a un valor mximo, tomando la curva una forma logartmica. Dado que la altura neta versus el caudal, toma una leve forma exponencial, esta va a ir aumentando cada vez ms y con mayor intensidad a medida que aumenta el caudal, por lo tanto, como la altura neta se encuentra en el denominador en la ecuacin del rendimiento de la turbina, este debera empezar a disminuir. Sin embargo, se hace necesario tambin analizar el comportamiento de la fuerza con respecto al caudal, ya que esta se encuentra en el numerador, en la ecuacin de rendimiento de la turbina.Sin embargo, como muestra el siguiente grfico, la fuerza aumenta de forma exponencial y ms rpida que la altura neta vs el caudal.

Pero al ir aumentando el caudal, el producto Hn x Q aumentar en mayor medida que la fuerza, por lo tanto el rendimiento decaer a medida que aumenta el caudal.Con respecto a la potencia en el eje en relacin al caudal, se observa una leve tendencia exponencial, ya que esta depende de la fuerza como nica variable.Observando el grafico de potencia elctrica vs potencia hidrulica, se advierte una leve curvatura que da a la curva una forma exponencial decreciente.El rendimiento del generador, al igual que el de la turbina, tambin llega a un valor mximo y luego disminuye. Es decir, hay un caudal en el cual se aprovecha al mximo el generador y a la vez la turbina, este valor oscila entre los 0,003 y 0,0035 m3/s.Por ltimo, la potencia elctrica, con respecto al caudal aumenta casi de forma lineal, por lo tanto nos convendr establecer y analizar cuanto se pierde en rendimiento tanto del generador como de la turbina y cuanto se gana en energa elctrica producida.

7. Apndice

a) Teora del experimento

Turbina:

Es una maquina hidrulica, la cual transforma energa hidrulica en energa mecnica.

Energa HidrulicaEnerga Mecnica PrdidasTurbina

Turbina Pelton

Es uno de los tipos ms eficientes de turbinas hidrulicas, es una turbo-maquina motora, de flujo radial, admisin parcial y de accin. Est constituida por un rodete dotada de cucharas en la periferia, las cuales estn diseadas para convertir la energa del chorro de agua que incide sobre las cucharas.

Este tipo de turbinas estn diseadas para aprovechar grandes saltos hidrulicos de bajo caudal. Para alimentar la turbina con energa hidrulica, la mayora de las veces se cuenta con una larga tubera llamadagalera de presinpara trasportar al fluido desde grandes alturas. Al final de la galera de presin el agua es enviada a la turbina a travs de uno o varios inyectores con forma de tobera para que la velocidad del chorro sea mayor.

Potencia hidrulica

Para cuantificar la potencia hidrulica, se cuenta con un equipo moto-bomba.

: Peso especfico [kgf/ m3]QB: Caudal de la bomba [m3/s]Hn: Altura neta [m.c.a.]

Altura neta

La energa del impacto del chorro libre contra el labe para una turbina Pelton corresponde a la altura dinmica del chorro, esta altura es llamada altura neta.

Donde QT: Caudal [m3/s]A: rea del chorro [m2]Rendimiento de la turbina:

Considerando el rodete de la turbina como volumen de control

Donde la potencia del eje de la turbina es:

Para el caso particular del laboratorio:

Donde

F: [kgf]M: [rpm]

De esta forma el rendimiento de la turbina es:

Velocidad del chorro

La velocidad del chorro a la salida de la tobera

KT: Coeficiente de tobera [0,95 0,98]Potencia elctrica

b) Desarrollo de clculos

Altura neta Hn [m.c.a.]

Siendo:Q, el caudal del agua [m3/s].g, aceleracin de gravedad [m/s2].A, rea del chorro de agua en la salida de la tobera [m2]. Potencia hidrulica Nh [HP].

Siendo:, densidad del agua [kg/m3].

Siendo:F, fuerza registrada por el dinammetro [kgf].

Potencia elctrica Nele [HP]

Siendo:V, tensin obtenida por el voltimetro [V].A, intensidad obtenida por el ampermetro [A].

Rendimiento de la turbina nt

Caudal Q [m3/s]El caudal se obtiene leyendo la medicin del rotmetro, la cual se da en porcentaje. El mximo caudal posible mediante la vlvula fue de un 68%, por lo tanto ste valor se tomara como el 100% de caudal posible. Para el 100% de caudal

c) Tablas de valores obtenidos y calculados

Determinacin del producto F x n mximoNn [RPM]F [kgf] Fxn

12005,11020

22504,91225

33004,81440

43504,61610

54004,41760

64504,21890

75004,12050

85503,82090

96003,62160

106503,32145

117003,12170

127502,82100

Valores obtenidosNF (kgf)V [V]A [A]Q [%]*Q [gal/min]

13,17076886

22,6686,26583,42

32,26166280,84

41,95555978,26

51,65055675,68

61,34545373,1

71353,55070,52

80,7292,94767,94

90,52024465,36

100,350,50,54162,78

*Dado que el caudal mximo permitido por la vlvula es de 68%, ste se tomara como el 100 %. d) Bibliografa

- http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton- http://www.cec.uchile.cl/~jfiguero/pelton.html

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERADepartamento de Ingeniera MecnicaSANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA

__________________________________ __ Turbina Peltn________________________________

EXPERIENCIA N _E-975 __Grupo N____3 __Fecha de la Exp____18/05/15_____ Fecha de Entrega _____________

NOMBRE ASIGNATURA___Sistemas trmicos e hidrulicos _______________CODIGO_____15069________

CARRERA_______ Ing. de ejecucin en Mecnica__________ Modalidad (Diurna o Vespertina)_______Diurna______

NOMBRE DEL ALUMNO_________Arce___________Acevedo_____________Nicols Sebastin _________Apellido PaternoApellido MaternoNombre

________________________ Firma del alumno

Fecha de Recepcin

Nota de Interrogacin ________________Nombre del Profesor ______________Guillermo Arnguiz__________Nota de Participacin ________________Nota de Informe ____________________ _________________________________Nota Final __________________ ______ Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X________Presentacin________Clculos, resultados, grficos________Caractersticas Tcnicas________Discusin, conclusiones________Descripcin del Mtodo seguido_______ApndiceOBSERVACIONES

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