jueves, 18 de septiembre de 2014


LABORATORIO DE TURBOMAQUINAS
TURBINA PELTON
Para comenzar con el desarrollo de este laboratorio resulta importante destacar que la turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908), quien buscando oro en California, concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovechara la energía cinética de un chorro de agua proveniente de una tubería a presión, incidiendo tangencialmente sobre la misma. Ensayó diversas formas de álabes hasta alcanzar una patente de la rueda en 1880, desde cuya fecha ha tenido gran desarrollo y aplicación.
En la actualidad 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 el equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección. Por ser el ataque del agua en sentido tangencial a la rueda se la denomina también turbina "tangencial"; por tener el fluido un recorrido axial a su paso por el álabe, se clasifica también entre las maquinas de tipo axial.
Entre las turbinas Pelton más grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272000HP cada una, bajo 870 m de carga.



Figura No. 1: turbina pelton



En la figura anterior se muestra que a las cucharas y palas que mencionamos 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.

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






Figura No. 2: detalles de la cuchara turbina pelton





El ángulo a, 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 b, ubicado en la salida del álabe está 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.



CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS PELTON

Las turbinas pelton se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven, por lo tanto existen dos clasificaciones: eje horizontal y eje vertical.

DISPOSICIÓN VERTICAL

En esta disposición solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como máximo, debido a la complicada instalación y mantenimiento de los inyectores. Sin embargo, en esta posición, la inspección de la rueda en general es más sencilla, por lo que las reparaciones o desgastes se pueden solucionar sin necesidad de desmontar la turbina.

Figura No. 3: turbina pelton con eje horizontal


DISPOSICIÓN VERTICAL

En esta posición se facilita la colocación de alimentación en un plano horizontal y con esto es posible aumentar el número de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud entre la turbina y el generador, disminuyen las excavaciones y hasta disminuir al diámetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. Se debe hacer referencia que en la disposición vertical, se hace mas difícil y, por ende, más caro su mantenimiento, lo cual nos lleva a que esta posición es más conveniente para aquellos lugares en donde se tengan aguas limpias y que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los álabes.

 Figura No. 4: turbina pelton con eje vertical


CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA RUEDA PELTON

El rodete de la rueda pelton está constituido por un disco de acero con álabes, como ya se ha dicho, de doble cuchara ubicada 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 las condiciones trabajo son mas drásticas se recurre al acero cliado 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.


DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO TURBINA PELTON

INTRODUCCIÓN

En la siguiente practica de laboratorio vamos a demostrar el funcionamiento de la turbina pelton, en tal virtud se realizara la practica en la cual algunos de los objetivos será realizar la toma de datos con el propósito de realizar los cálculos necesarios para hallar las características propias de esta turbina, como los son altura útil de agua que será adoptada como la altura existente en las centrales hidroeléctricas, así como a realizar los cálculos para hallar el torque y potencial eléctrico generado entre otros.


METODOLOGIA


En primer lugar se realizo el reconocimiento de los equipos a utilizar como lo fueron:

·         Banco de prueba de la rueda pelton





·         Rueda pelton





·         Calibradores de fuerzas






·         Válvula de entrada y manómetro

  


·         Se dio inicio a la practica teniendo como referente la fuerzas que para la primera parte de la practica se emplearon las fuerzas de 1.5 N para F1 y  1.5N para F2 (ver figura No. 1)


(Figura 1)


·         Se procede a abrir el paso del fluido cada media vuelta y  tomar la presión que ejerce este en psi (ver figura 2).

  
(Figura 2)


·         Se realiza la toma de datos de las fuerzas generadas por la presión de dicho caudal (ver figura 3).


(Figura 3)


·         Seguido a esto se procede a realizar el conteo de las revoluciones a la que gira la turbina (ver figura 4).


(Figura 4)


·         Este procedimiento se repite cada media vuelta de la apertura del caudal con el propósito de realizar la toma de datos tanto de fuerzas como de presión y revoluciones
·         En la segunda y tercera parte de la practica se realiza el mismo procedimiento con la diferencia de que antes de iniciar las pruebas se calibra el equipo con otra fuerza  tanto para F1 y F2 con 3 y 7N (ver figura 5 y 6).


(Figura 5)

(Figura 6)


ANALISIS DE RESULTADOS.
Dentro del análisis de resultados encontramos que en primera instancia se procedió a realizar la recopilación de los datos en el desarrollo de la práctica de la siguiente forma:
 
·         Relación de vueltas de la válvula de entrada del fluido.


Vueltas en el regulador

Área en [mm2].

 1/2

9,8

1   

18,3

1 1/2

26,5

2   

34,4

2 1/2

41,1

3   

47,7

3 1/2

53,5

4   

58,7

4 1/2

63,3
·         Primera fase del laboratorio:




FASE 1 DE LA PRACTICA

CARGA

1,5

[N].



Numero de Vueltas

Carga (N).

Carga (N).

RPM

Presion (PSI).

F

F

N

P

 1/2

6

4

0

7,5

1   

7

3,5

0

7

1 1/2

7

3

1,5

7

2   

7,5

2

30

6,5

2 1/2

8,5

2

60

6

3   

8,5

2

138

6

3 1/2

8,5

2

240

6

4   

8,5

2

336

5,5

4 1/2

8,5

2

336

5

·         Segunda fase del laboratorio:
  



FASE 2 DE LA PRACTICA

CARGA

7

[N].



Numero de Vueltas

Carga (N).

Carga (N).

RPM

Presion (PSI).

F

F

N

P

 1/2

8

6

0

7,5

1   

8,5

5,5

0

7

1 1/2

10

4,5

0

7

2   

10

4,5

0

6,5

2 1/2

10,5

4

12

6

3   

11

4

24

6

3 1/2

11

4

48

6

4   

11

4

60

5,5

4 1/2

11

4

90

5,5

·         Tercera fase del laboratorio:




FASE 3 DE LA PRACTICA

CARGA

3

[N].



Numero de Vueltas

Carga (N).

Carga (N).

RPM

Presion (PSI).

F₁

F₂

N

P

 1/2

4,5

2

0

7,5

1   

5,5

1

0

7

1 1/2

6

1

42

7

2   

6

0,5

162

6,5

2 1/2

6

0,5

330

6

3   

6

0,5

360

6

3 1/2

6

0,5

380

5,8

4   

6

0,5

440

5,8

4 1/2

6

0,5

440

5
 
Se procedió a realizar el análisis de los datos obtenidos en las tablas anteriores y  realizamos el cálculo correspondiente para la obtención de la potencia, el torque, la altura entre otras de la turbina pelton:
  
TORQUE
Fórmula para hallar el torque de la turbina



·         Calculo de torque para fase 1 de la práctica.




FASE 1 DE LA PRACTICA



CARGA

1,5 [N]



Numero de Vueltas

Carga (N).

Carga (N).

RPM

Presion (PSI).

Torque [Nm]

F₁

F₂

N

P

 1/2

6

4

0

7,5

0,05

1   

7

3,5

0

7

0,0875

1 1/2

7

3

1,5

7

0,1

2   

7,5

2

30

6,5

0,1375

2 1/2

8,5

2

60

6

0,1625

3   

8,5

2

138

6

0,1625

3 1/2

8,5

2

240

6

0,1625

4   

8,5

2

336

5,5

0,1625

4 1/2

8,5

2

336

5

0,1625

·         Calculo de torque para fase 2 de la práctica.




FASE 2 DE LA PRACTICA



CARGA

7 [N]



Numero de Vueltas

Carga (N).

Carga (N).

RPM

Presion (PSI).

Torque [Nm]

F₁

F₂

N

P

 1/2

8

6

0

7,5

0,05

1   

8,5

5,5

0

7

0,075

1 1/2

10

4,5

0

7

0,1375

2   

10

4,5

0

6,5

0,1375

2 1/2

10,5

4

12

6

0,1625

3   

11

4

24

6

0,175

3 1/2

11

4

48

6

0,175

4   

11

4

60

5,5

0,175

4 1/2

11

4

90

5,5

0,175

·         Calculo de torque para fase 3 de la práctica.




FASE 3 DE LA PRACTICA



CARGA

7 [N]



Numero de Vueltas

Carga (N).

Carga (N).

RPM

Presion (PSI).

Torque [Nm]

F₁

F₂

N

P

 1/2

4,5

2

0

7,5

4,45

1   

5,5

1

0

7

5,475

1 1/2

6

1

42

7

5,975

2   

6

0,5

162

6,5

5,9875

2 1/2

6

0,5

330

6

5,9875

3   

6

0,5

360

6

5,9875

3 1/2

6

0,5

380

5,8

5,9875

4   

6

0,5

440

5,8

5,9875

4 1/2

6

0,5

440

5

5,9875
 

POTENCIA

 Fórmula para hallar la potencia de la turbina


·         Calculo de potencia para fase 1 de la práctica.

FASE 1 DE LA PRACTICA



CARGA
1,5 [N]


Numero de Vueltas
Carga (N).
Carga (N).
RPM
Presion (PSI).
Torque [Nm]
Potencia. [W]
F₁
F₂
N
P
 1/2
6
4
0
7,5
3,85
0,00
1   
7
3,5
0
7
3,33
0,00
1 1/2
7
3
1,5
7
2,83
0,02
2   
7,5
2
30
6,5
1,81
0,43
2 1/2
8,5
2
60
6
1,79
1,02
3   
8,5
2
138
6
1,79
2,35
3 1/2
8,5
2
240
6
1,79
4,08
4   
8,5
2
336
5,5
1,79
5,72
4 1/2
8,5
2
336
5
1,79
5,72


·         Calculo de potencia para fase 2 de la práctica.

FASE 2 DE LA PRACTICA



CARGA
7 [N]


Numero de Vueltas
Carga (N).
Carga (N).
RPM
Presion (PSI).
Torque [Nm]
Potencia. [W]
F₁
F₂
N
P
 1/2
8
6
0
7,5
5,80
0,00
1   
8,5
5,5
0
7
5,29
0,00
1 1/2
10
4,5
0
7
4,25
0,00
2   
10
4,5
0
6,5
4,25
0,00
2 1/2
10,5
4
12
6
3,74
0,20
3   
11
4
24
6
3,73
0,44
3 1/2
11
4
48
6
3,73
0,88
4   
11
4
60
5,5
3,73
1,10
4 1/2
11
4
90
5,5
3,73
1,65


·         Calculo de potencia para fase 3 de la práctica.

FASE 3 DE LA PRACTICA



CARGA
3 [N]


Numero de Vueltas
Carga (N).
Carga (N).
RPM
Presion (PSI).
Torque [Nm]
Potencia. [w]
F₁
F₂
N
P
 1/2
4,5
2
0
7,5
1,89
0,00
1   
5,5
1
0
7
0,86
0,00
1 1/2
6
1
42
7
0,85
26,28
2   
6
0,5
162
6,5
0,35
101,58
2 1/2
6
0,5
330
6
0,35
206,91
3   
6
0,5
360
6
0,35
225,72
3 1/2
6
0,5
380
5,8
0,35
238,26
4   
6
0,5
440
5,8
0,35
275,88
4 1/2
6
0,5
440
5
0,35
275,88




ALTURA
Fórmula para hallar la altura de la turbina


·         Calculo de altura para fase 1 de la práctica.



FASE 1 DE LA PRACTICA
CARGA
1,5 [N]
Presion (PSI).
Presion ( pa)
Altura[m]
P
P
h
7,5
51710,69
4,681
7
48263,31
4,369
7
48263,31
4,369
6,5
44815,93
4,057
6
41368,55
3,745
6
41368,55
3,745
6
41368,55
3,745
5,5
37921,17
3,433
5
34473,79
3,121



·         Calculo de altura para fase 2 de la práctica.

FASE 2 DE LA PRACTICA
CARGA
7 [N]
Presion (PSI).
Presion ( pa)
Altura[m]
P
P
h
7,5
51710,69
4,681
7
48263,31
4,369
7
48263,31
4,369
6,5
44815,93
4,057
6
41368,55
3,745
6
41368,55
3,745
6
41368,55
3,745
5,5
37921,17
3,433
5,5
37921,17
3,433



·         Calculo de altura para fase 3 de la práctica.


FASE 3 DE LA PRACTICA
CARGA
3 [N]
Presion (PSI).
Presion ( pa)
Altura[m]
P
P
h
7,5
51710,69
X|
7
48263,31
4,369
7
48263,31
4,369
6,5
44815,93
4,057
6
41368,55
3,745
6
41368,55
3,745
5,8
39989,60
3,620
5,8
39989,60
3,620
5
34473,79
3,121



VELOCIDAD
 Fórmula para hallar la velocidad de la turbina



·         Calculo de velocidad para fase 1 de la práctica.


FASE 1 DE LA PRACTICA
CARGA
1,5 [N]
Gravedad ( m/s²)
Altura[m]
Velocidad[m/s]
g
h
v
9,81
4,681
9,584
9,81
4,369
9,259
9,81
4,369
9,259
9,81
4,057
8,922
9,81
3,745
8,572
9,81
3,745
8,572
9,81
3,745
8,572
9,81
3,433
8,207
9,81
3,121
7,825

·         Calculo de velocidad para fase 2 de la práctica.

FASE 2 DE LA PRACTICA
CARGA
7 [N]
Gravedad ( m/s²)
Altura[m]
Velocidad[m/s]
g
h
v
9,81
4,681
9,584
9,81
4,369
9,259
9,81
4,369
9,259
9,81
4,057
8,922
9,81
3,745
8,572
9,81
3,745
8,572
9,81
3,745
8,572
9,81
3,433
8,207
9,81
3,433
8,207


·         Calculo de velocidad para fase 3 de la práctica.


FASE 3 DE LA PRACTICA
CARGA
3 [N]
Gravedad ( m/s²)
Altura[m]
Velocidad[m/s]
g
h
v
9,81
4,681
9,584
9,81
4,369
9,259
9,81
4,369
9,259
9,81
4,057
8,922
9,81
3,745
8,572
9,81
3,745
8,572
9,81
3,620
8,428
9,81
3,620
8,428
9,81
3,121
7,825



CAUDAL
Fórmula para hallar la caudal  de la turbina


·         Calculo de caudal para fase 1 de la práctica.

FASE 1 DE LA PRACTICA
CARGA
1,5 [N]
Area m²
Velocidad[m/s]
Caudal [m³/s]
A
v
Q
9,80E-06
9,584
0,000
1,83E-05
9,259
0,003
2,65E-05
9,259
0,004
3,44E-05
8,922
0,005
4,14E-05
8,572
0,006
4,77E-05
8,572
0,007
5,35E-05
8,572
0,007
5,87E-05
8,207
0,008
6,33E-05
7,825
0,008


·         Calculo de caudal para fase 2 de la práctica.

FASE 2 DE LA PRACTICA
CARGA
7 [N]
Area m²
Velocidad[m/s]
Caudal [m³/s]
g
h
Q
9,80E-06
9,584
0,002
1,83E-05
9,259
0,003
2,65E-05
9,259
0,004
3,44E-05
8,922
0,005
4,14E-05
8,572
0,006
4,77E-05
8,572
0,007
5,35E-05
8,572
0,007
5,87E-05
8,207
0,008
6,33E-05
8,207
0,008


·         Calculo de caudal para fase 3 de la práctica.

FASE 3 DE LA PRACTICA
CARGA
3 [N]
Area m²
Velocidad[m/s]
Caudal [m³/s]
g
h
Q
9,80E-06
9,584
0,002
1,83E-05
9,259
0,003
2,65E-05
9,259
0,004
3,44E-05
8,922
0,005
4,14E-05
8,572
0,006
4,77E-05
8,572
0,007
5,35E-05
8,428
0,007
5,87E-05
8,428
0,008
6,33E-05
7,825
0,008


GRAFICAS

Con base en los cálculos realizados anteriormente se proyectan las graficas de los mismos. 

GRAFICA DE ALTURA VS POTENCIA





GRAFICA DE ALTURA VS PRESION




GRAFICA DE VELOCIDAD VS POTENCIA




GRAFICA DE PRESION VS VELOCIDAD




GRAFICA DE TORQUE VS PRESION



GRAFICA DE TORQUE VS POTENCIA




GRAFICA DE VELOCIDAD VS TORQUE



CONCLUSIONES

·         Con el desarrollo del presente laboratorio logramos afianzar los conceptos vistos en el transcurso de la asignatura y por ende entender el funcionamiento de la turbina pelton.

·         En tal virtud una de las primeras conclusiones a las que llegamos fue observar que si el caudal aumenta así mismo aumentara la potencia considerando que la altura del agua se mantuviera constante.

·         Para el presente laboratorio se aprecia el comportamiento proporcional de la altura con la velocidad del fluido, dado que a mayor altura mayor va a ser dicha velocidad.

·         Por otra parte se logro establecer teóricamente que la potencia resulta inversamente proporcional al torque dado que a medida que el torque disminuye el potencial eléctrico que genera la turbina aumenta.