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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE SISTEMAS DE TRANSPORTE Y APROVECHAMIENTO DE FLUIDOS PRACTICA N° 4

TURBINAS HIDRAULICAS INTRODUCCIÓN Una máquina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía mecánica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), modificando la energía total de la vena fluida que las atraviesa. Durante siglos se han utilizado para convertir la energía mecánica libre de ríos o el viento en energía mecánica útil. Cuando el fluido de trabajo es agua las turbomaquinas se llaman turbinas hidráulicas o hidroturbinas. MARCO TEORICO

Figura 1. Rodetes de turbinas (de izquierda a derecha) Pelton, Francis, Francis y Kaplan. Una turbomáquina elemental o monocelular tiene, básicamente, una serie de álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles, (rueda, rodete, rotor). La asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una célula; una turbomáquina monocelular se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor. El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina. Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en turbinas de acción o impulsión

y turbinas de reacción o sobrepresión. Los tipos de turbina más utilizados actualmente en la industria son Pelton, Francis y Kaplan. El salto hidráulico neto es la energía que por kg. de agua se pone a disposición de la turbina, esta energía se podrá calcular como la diferencia de energías entre la entrada a la turbina y la salida de ésta.

z – Altura (m) P – Presión (Pa) v -Velocidad promedio (m/s) ρ – Densidad del agua (kg/m3) g – Aceleración de la gravedad (m2/s) En las turbinas utilizadas en el laboratorio el aporte de la energía cinética y potencial es pequeño por tanto puede ser despreciado con lo que podríamos simplificar bastante la ecuación. Salto hidráulico Turbina Pelton

Turbina Francis y Kaplan

Algunos otros cálculos necesarios durante la practica son: Potencia hidráulica

Par

Radio efectivo del freno R=25 mm Potencia mecánica

Eficiencia

Q – Caudal (m3/s) R – Radio (m) n – Velocidad de giro (RPM) TEMAS DE CONSULTA   



Turbinas de acción y reacción Tipos de turbina según la dirección del flujo Turbinas Pelton, Francis y Kaplan -Funcionamiento -Diferencias -Ventajas y desventajas Elementos principales de una turbina

DESCRIPCION DEL BANCO Los bancos de turbinas hidráulicas constan de dos sistemas independientes, un sistema de alimentación que está conformado por la bomba, el tanque y sus respectivas tuberías el cual se encarga de suministrar el agua con determinada carga y caudal al segundo sistema de transformación el cual transforma la energía del fluido en energía mecánica y está conformado por la turbina y un freno de banda. El banco cuenta también con un conjunto de sensores entre estos:

   

2 sensores de presión (1 en el caso de la Kaplan) Sensor de caudal Sensor de fuerza Sensor de velocidad

Figura 2. Esquema general banco turbina Pelton

Figura 3. Esquema general banco turbina Francis

Figura 4. Esquema general banco turbina Kaplan

PROCEDIMIENTO Para cada una de las turbinas (Pelton, Francis, Kaplan) se debe llevar a cabo el siguiente procedimiento: (1) Encender el computador e iniciar el programa TFC, TKC o TPC (Turbine Computer Controlled). (2) Asegurar que el banco de la práctica este encendido y girar los alabes totalmente a la derecha. (3) Quitar el freno de banda y asegurarse que la banda no esté tensionada. (4) Asegurarse que la válvula reguladora de caudal este totalmente abierta. (5) Seleccionar la opción Start en el programa y a continuación Save data. (6) Establecer como tiempo periódico 3600 segundos, para tomar los tiempos manualmente. (7) Acceder a la opción Start Saved y guardar el archivo correspondiente. (8) Establecer en 70% la velocidad de la bomba. (ADVERTENCIA: Por ningún motivo se debe exceder de ese valor) (9) Seleccionar la opción Take data. Cada vez que pulse este botón estará guardando los datos de los sensores en el momento. (10) Establezca una nueva configuración tensando el freno. Gire el tirador ligeramente hasta que la turbina reduzca la velocidad de manera notable. (11) Repita los pasos anteriores para cada configuración en la que se aplique más freno a la turbina hasta frenarla completamente. Compruebe que se cogen varios puntos (por lo menos 8-10) para cubrir el rango completo de velocidades de la turbina. (12) Variar el caudal con la válvula reguladora hasta conseguir un caudal del 80% y 90% del valor inicial, repetir pasos del 5-12 para estos nuevos caudales. Tomar mínimo 3 caudales diferentes.

ANALISIS DE RESULTADOS (1) Para cada turbina graficar las curvas par-velocidad de giro, potencia mecánicavelocidad de giro y eficiencia-velocidad de giro a caudal constante. (NOTA: En una misma grafica realizar con colores diferentes las curvas para cada uno de los caudales) (2) A partir de cálculos analíticos encontrar el punto de máxima eficiencia para un caudal constante de cada turbina y compararlos con los obtenidos en las gráficas.

(3) ¿Cómo se relaciona el caudal con la eficiencia para cada turbina? Consulte en qué casos se utiliza cada tipo de turbina (intervalo de operación) y compárelo con los resultados obtenidos para eficiencia. (4) ¿Qué función cumple el freno en el sistema? ¿Cuál sería su equivalente en una turbina industrial? (5) Las turbinas Francis y Kaplan cuentan con dos sensores de presión para hallar el salto hidráulico neto la Pelton en cambio cuenta con uno solo. ¿A qué se debe esta situación y qué relación tiene con el tipo de turbina? (6) ¿Qué es el distribuidor de una turbina y que función cumple? ¿Qué diferencias hay entre los distribuidores de una turbina Kaplan o Francis y el de una turbina Pelton?

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA    

ÇENGEL, Yunus A. y CIMBALA, John M. Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones. Segunda Edición. México: McGraw-Hill, 2012. MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos. 6 ed. México: Prentice Hall, 1996. FERNANDEZ DIEZ, Pedro. Turbinas hidráulicas. Manuales Edibon turbinas Francis, Kaplan y Peltón.