"Ao de la Promocin de laIndustria Responsable y del Compromiso Climtico"UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

FACULTAD DE INGENIERAESCUELA ACADMICA PROFESIONALINGENIERA MECNICA

III UNIDADSIMULACIN DE TURBINA FRANCISASIGANTURA

: SIMULACIN NUMRICADOCENTE

: Ing. Giovene Prez CampomanesINTEGRANTES

: Almanza Oliva Marco

Castaeda Llanos Jhordan

Rodrguez Arroyo David

Vera Gamez David S.

CICLO

: V Nuevo Chimbote, 17 de Julio de 2014

INDICE- Cartula...1

- ndice...2- Introduccin.3- Objetivos.5- Marco terico ....6- Desarrollo del tema6- Conclusiones y Recomendaciones23- Bibliografa..24

- Anexos25

INTRODUCCION:Las turbinas hidrulicas usualmente son productos individuales y deben disearse para unas condiciones locales determinadas, tales como la altura de salto y caudal o descarga. Esto se puede aplicar para generar energa hidroelctrica utilizando agua

Las mquinas que procesan esa fuente de energa son las turbinas hidrulicas.La simulacin numrica o CFD (Computacional Fluid Dynamics) se adoptado como un elemento ms en el proceso de diseo y anlisis de turbinas. Lo Primero en cualquier modelo CFD es crear una geometra que represente el objetivo que va ser modelado.Luego cuando el modelado ha sido resuelto, los resultados pueden analizarse numrica y grficamente.

Sin embargo el flujo en una turbina hidrulica es extremadamente complejo, puesto que generalmente es turbulento, no estacionario y aparecen altos gradientes de presin, posiblemente bifsico (agua - aire).

Es necesario recalcar que el uso de la CFD en el diseo .Y anlisis de turbo mquinas ha sido ampliamente aceptado por las grandes compaas hidroelctricas en las ltimas dos dcadas. Esto se ve reflejado en el artculo "Simulation Software" de la revista Water Power (Water Power, 2005).Por todo esto, en este trabajo se realizara un estudio para una simulacin estacionaria.

Teniendo en cuenta la malla computacional, caudal, potencia de generacin de la turbina, el rango ptimo de funcionamiento (la eficiencia) y las prdidas.

OBJETIVO GENERAL: Estudio del comportamiento y caracterizacin de una turbina Francis.OBJETIVOS ESPECIFICOS: Establecer como encontrar el rendimiento hidrulico, el caudal, el rendimiento total y la potencia de accionamiento; para un tipo de turbina Francis. Desarrollo a travs del programa SolidWork para la modelacin de la Turbina Francis

Desarrollar, observar y analizar la Dinmica de fluidos computacional.

MARCO TERICO:

Qu es la Hidrulica?

Es el proceso mediante el cual la energa potencial del agua se convierte en energa elctrica a travs del trabajo de rotacin de una turbina.Las turbinas se clasifican en turbina hidrulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustin.Hoy la mayor parte de la energa elctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Los molinos de viento que producen energa elctrica se llaman turbinas de viento.

Qu es una Turbina?

La turbina, es un motor rotativo que convierte en energa mecnica la energa de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento bsico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con la palas, hlices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energa mecnica se transfiere a travs de un eje para proporcionar el movimiento de una mquina, un comprensor, un generador elctrico o una hlice.Tipos de turbinas hidrulicasLos tres tipos de turbinas hidrulicas utilizados con mejores resultados en la actualidad. De cada uno de dichos tipos, mencionaremos las caractersticas tcnicas y de aplicacin ms destacadas que los identifican, la descripcin de los distintos elementos que componen cada turbina, as como el principio de funcionamiento de las mismas. TURBINA PELTON

TURBINA KAPLAN

TURBINA FRANCISFuncionamiento de las turbinas hidrulicasUna turbina hidrulica es accionada por el agua en movimiento, una vez que sta es debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor, el cual, circularmente, distribuye, regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir, con mayor o menor amplitud, hacia el centro del crculo descrito, sobre un rotor o rueda mvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que est montado, ha de estar perfectamente equilibrado dinmica y estticamente.se deduce cmo la energa del agua, originalmente la mayora de los casos en forma deenerga potencialde tipo gravitatorio, se convierte enenerga cinticaal pasar sucesivamente par el distribuidor y el rodete, debido a la diferencia de nivel existente entre la entrada y la salida de la conduccin en consecuencia, se provocan cambios en la magnitud y direccin de la velocidad del fluido, lo que hace que se produzcan fuerzas tangenciales en el rodete, generndose as energa mecnica al girar ste.

El rendimiento de las instalaciones con turbinas hidrulicas, siempre es elevado, pudiendo llegar desahogadamente al 90% o ms, despus de tener en cuenta todas las prdidas hidrulicas por choque, de caudal, de friccin en el generador, mecnicas, etc.

Modelo de Turbina Francis Fenmenos en las turbinas hidrulicasLas turbinas hidrulicas, el ser mquinas complejas de grandes dimensiones, estn bajo la accin de elevados esfuerzos mecnicos, lo que puede dar origen a rozamientos, agarrotamientos, etc. Adems, al estar supeditadas a la influencia directa del agua, tienen que soportar efectos hidrulicos desfavorables para su correcto funcionamiento, como son erosiones, corrosiones, etc. As mismo, ha de tenerse en cuenta el efecto abrasivo que ejerce la arena contenida en elagua, sobre las piezas situadas en su camino.

Dos fenmenos que influyen negativamente en el funcionamiento idneo de un grupo, si no se adoptan las medidas adecuadas para eliminarlos o, por lo menos, reducirlos al mximo. Cavitacin (es un efectohidrodinmicoque se produce cuando elaguao cualquier otrofluidoen estado lquido pasa a gran velocidad por una arista afilada) Golpe de ariete (unasobrepresinque se desplaza por la tubera a una velocidadque puede superar lavelocidad del sonidoen el fluido. Esta sobrepresin tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo suvolumen, y dilata ligeramente la tubera.)Turbina Francis

La turbina Francis es un motor hidrulico de reaccin, que se emplea para caudales y alturas medias.

Vista de secciones dela turbina Francis.

En la Figura, se representa el corte de una turbina. Se puede apreciar el rodete o parte mvil, constituido por un cierto nmero de paletas o alabes que oscila entre 16 a 21 y depende del tipo de construccin.El agua procedente de la tubera forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a l.La parte por la que entra el agua en la turbina se denomina cmara de descarga. El agua, despus de pasar por el rodete, impulsando a ste y hacindolo girar, sale por un tubo denominado tubo de aspiracin. Entrada y salida del fluido.Para Regular el caudal de agua que entra en el rodete se utilizan unas paletas directrices situadas en formas circular, y cuyo conjunto se denominada distribuidor.Cada una de las paletas directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posicin de cerrado en cuyo caso no entra agua al rodete y tiene sus caras casi paralelas en la posicin de abierto, en cuyo caso el caudal de agua recibido por el rodete es el mximo.

El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo mvil, al que estn unidas todas las paletas directrices y este anillo mvil, a su vez esta accionado por el regulador de velocidad de la turbina. Esto se puede apreciar en la siguiente figura:

Fig. 4. Distribuidor de una turbina Francis Modelado En Dibujo Mecnico.Ventajas importantes de las turbinas FrancisAlgunas ventajas que ofrece este tipo de Turbina Frente atrs Turbinas son:

Menor Peso

Mayor Rendimiento

Aprovechan mayor desnivel , debido al tuvo de aspiracin

Alternador ms econmico

Dimensiones en planta de la central ms reducidas Menor peligro de cavitacinCALCULO PARA TURBINA FRANCIS:

Las siguientes definiciones se aplican a todas las turbinas indistintamente:Altura til (Hu):Es el valor de la altura de Euler: Para condiciones ptimas se recomienda que 2 90, entonces cos 2 0, por tanto:

Altura Neta (H)Es la energa o altura puesta a disposicin de la turbina, se relaciona con la altura de Euler o altura til segn:

He-s - prdidas de energa entre la entrada y la salida de la turbina.

Normas Internacionales para la determinacin de la Altura Neta

Escribiendo la ecuacin de Bernoulli entre la entrada (e) y la salida (s) de cualquier turbina:

He-s prdidas de energa hidrulicas en la turbina, entre la entrada y la salida.

He-1 - prdidas de energa entre la entrada de la turbina y la entrada al rodete. En las turbinas de accin, se denominan prdidas en el inyector. En las turbinas de reaccin, prdidas en el distribuidor.

H1-2 prdidas de energa entre la entrada y la salida del rodete o al interior del rodete.

H2-s prdidas de energa entre la salida del rodete y la salida de la turbina. En las turbinas de reaccin se denominan prdidas en el tubo difusor. En turbinas de accin, H2-s Cs2/2g

Luego, la altura neta es la suma de las alturas totales entre la entrada y la salida de la turbina.

Por otro lado, escribiendo la ecuacin de Bernoulli entre la superficie libre de la cmara de carga (A) y la superficie libre de salida del agua (Z):

Tambin: PA = PZ = Patm y VA VZ 0

Entonces:

Llamando a (ZA ZZ) = Hb, salto bruto o diferencia de cotas entre el punto ms alto y ms bajo de una central hidroelctrica.

Prdidas, potencias y rendimientos en turbinasPRDIDAS:Pueden ser: Prdidas hidrulicas, prdidas volumtricas y prdidas mecnicas.

Prdidas hidrulicas.- Tienen lugar desde la entrada de la turbina (e) hasta el Distribuidor o el inyector; entre el distribuidor y el rodete y en el tubo de desage.

Prdidas volumtricas.- Se dividen en prdidas interiores Qi y en prdidas exteriores Qe. El caudal Qi sigue por el juego entre la carcasa y el rodete en direccin del caudal principal pues p1 p2; este caudal no cede su energa al rodete sino que se pierde en el exterior del rodete.El caudal til o turbinado que cede su energa al rodete es:

Qt = Q Qe Qi

Q: es el caudal suministrado a la turbina

Fig. 5. Caudales que circulan a travs del rodete de una turbina de reaccin.Un simple clculo del caudal entre las dos secciones de entrada y salida del labe conduce a la obtencin del caudal turbinado al interior de la mquina:

Prdidas mecnicas.- Se deben a la friccin entre elementos mecnicos tales como:

- Rozamiento entre el prensaestopas y el eje de la turbina

- Rozamiento del eje con los cojinetes.POTENCIASPotencia Terica (P)

Potencia absorbida o neta o potencia hidrulica puesta disposicin de la turbina. Es la potencia que posee el lquido inmediatamente antes de ser utilizada por la turbina.

Potencia til (Pa).-Potencia al freno, Potencia en el eje o Potencia restituida, Es la potencia mecnica que entrega la turbina en el eje del generador:

Potencia Interna (Pi)

Potencia suministrada por la turbina descontando la potencia para vencer los rozamientos mecnicos. RENDIMIENTOS (eficiencias)Rendimiento Hidrulico (nh).- Rendimiento Manomtrico

Rendimiento Volumtrico

Q caudal suministrado

Q Qe Qi caudal til o caudal turbinado Rendimiento Interno(ni)

Rendimiento Mecnico (n m ) .- Rendimiento Orgnico

Rendimiento Total (n )

En trminos de los rendimientos se puede escribir:

DESARROLLO DEL TEMA

PIEZAS DISTRIBUIDOR:

Distribuidor 1

Distribuidor 2

Pieza 4

Pieza 1

Pieza 3

Pieza 5

Empaquetadura-paleta

Paleta

PasadorPiezas rodete :

Pieza Voluta:

| Ensamblajes: DISTRIBUIDOR:

DISTRIBUIDOR + RODETE + EJE:

ENSAMBLAJE FINAL:

CONCLUSIONES Se logr desarrollar en el programa SolidWork la modelacin de la Turbina Francis Se logr comprender el comportamiento y caracterizacin de una turbina Francis por su diseo.

Se logr desarrollar, observar y analizar la Dinmica de fluidos computacional.RECOMENDACIONES Como inconveniente se debe considerar contar con la misma versin de SolidWork trabajados por todos los integrantes del grupo. Se deben considerar mismos parmetros y dimensiones estndar, para evitar malos ensamblajes de las piezas. Como recomendacin, considerar el material a trabajar.BIBLIOGRAFA STREETER.Vctor L. Mecnica de Fluidos.MC Graw Hill. 2000.

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbina_francis/turbina_francis.html http://www.tfd.chalmers.se/~hani/phdproject/proright.html http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinashidraulicas/turbinashidraulicas.html