1 Laboratorio de Ingenieria Mecanica II(TURBINA PELTON)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

INFORME N° 01-2013-I

TEMA

"TURBINA PELTON"

EJECUTANTE

CRUZ DIAS David M 20100025J

JULCAPARI ROJAS Ivan Mauricio 20072555C

ASPILCUETA BOHORQUEZ Michael 20040234G

ZURITA YANARICO Ronald 20091079I

CHINGUEL BARRIOS Alejandro 20107527K

NESTARES MUCHA Ruben 20090137E

RAMOS CASAVILCA Richard 20091061B

VALDERRAMA Cesar 19731229C

SECCION

"B"

SOLICITANTE

2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA TURBINA PELTON

Ing.LASTRA ESPINOZA Luis Antonio

FECHA DE PRESENTACION

18-04-2013

LIMA PERU

INDICE

RESUMEN .............................................................................................................................................................3

OBJETIVO .............................................................................................................................................................4

INTRODUCCION TEORICA ............................................................................................................................4

METODOLOGIA .................................................................................................................................................12

DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS ...............................................................................................................13

PROCEDIMIENTO Y OBTENCION DE DATOS .....................................................................................18

CALCULOS Y RESULTADOS ........................................................................................................................21

GRAFICAS DE LOS RESULTADOS .............................................................................................................24

ANALISIS DE LOS RESULTADOS .............................................................................................................28

CONCLUSIONES ............................................................................................................................................29

RECOMENDACIONES ..................................................................................................................................29

BIBLIOGRAFIA ...............................................................................................................................................30

LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA II

2


ANEXO ...............................................................................................................................................................31

INFORME

1. RESUMEN

El presente informe de laboratorio tiene como unos de sus objetivos analizar

la variación de eficiencia en la turbina Pelton debido a la variación de la

velocidad angular por parte de la carga de frenado aplicada a este, por

medio de utilización de focos como carga y medidos con el dinamómetro.

Para empezar verificamos que los instrumentos de medición y los equipos

funcionen correctamente así como también ver que los focos (carga de

frenado) estén en OFF antes de iniciar el experimento.

Luego debemos colocar luego todos los instrumentos de medición donde

corresponden y tenerlos listos para ser utilizados una vez iniciada la

experiencia, estos deben estar funcionando con normalidad.

El nivel del agua debe coincidir con el vértice del vertedero (o cresta) antes

de realizar la experiencia, luego encendemos la bomba la cual llevara el

agua hacia la turbina, para esto se debe trabajar con una altura de

funcionamiento constante para luego variar la carga de frenado y medir los

otros parámetros (rpm, H, w, etc).

El reconocimiento de las partes y sus esquemas será de mucha utilidad para

poder analizar en el ámbito laboral y eso por su puesto es tratado en este

informe


2


Los detalles del procedimiento, los cálculos y los resultados se muestran en

el desarrollo del informe.

2. OBJETIVO

o Conocer en forma objetiva el funcionamiento de una Turbina

Pelton.

o Para diferentes caudales observar la variación en los diferentes

parámetros.

o Analizar la variación de las diferentes eficiencias de la turbina

Pelton a fin de proporcionar conocimiento sobre cuando sera mayor

y cuando será menor la eficiencia.

3. INTRODUCCION TEORICA

TURBINAS PELTON

Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser esta

constante en la zona del rodete, de chorro libre de impulsión o de admisión

parcial por ser atacada por el agua solo una parte de la periferia del rodete.

Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y de turbinas

de acción.


2


FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA PELTON

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La energía potencial gravitatoria del agua embalsada energía de

presión, se convierte, prácticamente sin perdidas, en energía cinética,

al salir el agua a través del inyector en forma de chorros, a una

velocidad que corresponde a toda la altura del salto útil, se dispone de

la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide

tangencialmente sobre el rodete, empujando a los alabes, y así

obteniéndose el trabajo mecánico deseado.

Las formas cóncavas que los alabes muestran, hacen cambiar la

dirección del chorro de agua, saliendo este, ya sin energía apreciable,

por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los


2


alabes, De este modo el chorro de agua transmite su energía cinética

al rodete, donde queda transformada en energía mecánica.

La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra

mas o menos el orificio de salida de la tobera o inyector, consiguiendo

modificar el caudal de agua que fluye por esta, al objeto de mantener

constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o

reducción del numero de revoluciones del mismo, por disminución o

aumento respectivamente de la carga solicitada al generador.

La arista que divide al alabe en dos partes simétricas, corta al chorro

de agua, seccionándolo en dos en dos laminas de fluido, teóricamente

del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad

correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente

los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando

presiones sobre el mismo.


2


ACCESORIOS DE LAS TURBINAS

El elemento principal de toda turbina hidráulica es el rodete mismo.

Sin embargo, el rodete por si mismo no puede hacer mucho, requiere

de accesorios, ya sea para la distribución, direccionamiento, control,

etc.

RODETE

Consta de una rueda con alabes (cucharas) en su alrededor a las que

actúa el chorro inyector. El tamaño y numera de alabes dependen de

las características de la instalación y las velocidad especifica ns.


2


Cuanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor será el

diámetro del chorro. Las dimensiones de los alabes vienen ligadas

directamente por el diámetro del chorro.

DISTRIBUIDOR DE LA TURBINA

Esta constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada

uno de los dichos equipos, formado por determinados elementos

mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente, un chorro de

agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el

rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir

hacia dicho rodete.

INYECTOR

Consta de una tobera y una válvula de aguja diseñada para reducir

hasta los valores deseados del caudal, transforma la energía de

presión en energía cinética. Las perdidas de carga se produceb por

friccion del fluido con la superficie de la tubería de conducción

forzada. Las perdidas de carga dependen de la naturaleza de las

paredes internas de dicha conducción, del caudal, de la sección y de la

longitud de las mismas. A mayor caudal o menor sección(aumento de

la velocidad del fluido) aumentan las perdidas de carga. A mayor

longitud de tubería mayor son dichas perdidas. Si el caudal se hace

cero la perdida de carga desaparece.


2


CARCASA DE LA TURBINA

Es la envoltura metálica que cubre el inyector, rodete y otros

elementos mecánicos de la turbina. Su misión es para controlar la

salpicadura y pulverización del agua, después de incidir sobre los

alabes.

CAMARA DE DESCARGA

Se entiende como tal la zona por donde el agua cae libremente hacia

el desague, después de haber movido al rodete. También se conoce

como tubería de descarga.

EJE DE LA TURBINA

Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre cojinetes

debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje

del generador. El numero de cojinetes instalados así como su función,

radial o radial-axial, depende de las características de cada grupo.


2


ESQUEMA DE UNA TURBINA PELTON Y SUS PARTES


CARCASA

CAMARA DE

DESCARGA

RODETE

EJE DE LA TURBINA

ALABE O

CUCHARA

2


CUANDO SE UTILIZA UNA TURBINA PELTON


2


MUESTRA DE UNA TURBINA PELTON CON 6 INYECTORES

(MAXIMO)


2


4. METODOLOGIA

Para determinar la altura útil, es necesario utilizar una buena

metodología que no nos envié a un error mayor del 5%.

La altura útil nos dará por la presión de entrada al inyector que en

nuestro caso será constante.

Para la medición del caudal

Es probable que algunas veces no exista información para hacer un

estudio de hidrología, entonces nos veremos forzado ha recolectar

nuestros propios datos a partir de mediciones instantáneas del caudal.

Los métodos para el caudal pueden ser:

Método de la solución de la sal

Método del recipiente

Método del área velocidad

Método de la sección de control y regla graduada

Método del vertedero de pared delgada

En nuestro laboratorio utilizamos el método del vertedero de pared

delgada.

Un vertedero es una estructura similar al de un muro de baja altura

ubicado a lo ancho de un rio o canal.

Existen tres tipos de vertederos de uso mas frecuente, pero en nuestro

caso utilizamos el vertedero triangular, en material metal, que mide

descargas pequeñas con mayor precisión que los otros tipos.


2


Los vertederos triangulares tienen también un amplio rango de ángulos

de vértice, el mas usado es a 90°, y la que nosotros hemos utilizado.

5. DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS

TURBINA PELTON

Marca Armfield Hydraulic Engineering, England.

Tipo Pelton simple MK2

Serie 2061 – 61

Altura 175 pies <> 53m

Velocidad max 1160rpm


2


Potencia 5BHP

MOTOBOMBA

MOTOR

Motor trifásico Meuman

Tipo 215DD1881 BB n° P424701

Potencia 7.5HP

Velocidad 3600rpm

Factor de servicio 1.15

BOMBA


2


Bomba Sigmund pumps Ltd.

Tipo N - NL3

Serie 147304

MANOMETROS

Chalinco

Rango 0 – 40mH2O

Aproximacion 1mH2O

TACOMETRO


2


Smith

Rango 0 – 2500rpm

Aproximación 50rpm

DINAMOMETRO

Rebure


2


Rango 0- 100kg

Aproximación 1kg

REGLA METALICA

Longitud maxima 30cm

VERTEDERO

Weirs triangular

Escala 0 – 30cm


2


Aproximación 1mm

Cd 0.6

= 90°

6. PROCEDIMIENTO Y OBTENCION DE DATOS

Precauciones antes de encender el equipo

La aguja debe estar en posición totalmente abierta

Debe verificarse también el cero del linnimetro

Encender la bomba


2


Abrir la válvula a la salida de la bomba y seleccionar una altura

hidráulica que será constante durante todo el ensayo

Para dicha altura tomar datos de presión y la altura del linnimetro

Medimos la fuerza en el dinamómetro cuando no hay carga.


2


Aplicamos carga al sistema (focos).

Anote los datos rpm , lo que marca el dinamómetro,.


2


Repetir lo anterior para varias cargas


2


7. CALCULOS Y RESULTADOS

POTENCIA DE AGUAH Pa=γ ∙Q ∙ H u

Q=1.416 ∙ h5 /2 h=12.1cm

P=40 PSI (Parahallar laalturautil )

Q=0.00721152

H Pa=28.11318HP

POTENCIA DEL RODETE

H Pr=Q ∙ ρ ∙U (C1−U )(1+K ' cos (β2))

C1=Cd ∙ √ (2 ∙ g ∙ H u)

Cd=0.98

β2=10 ° K '=0.90

C1=23.016038

Numero rpm HPr

1 1267 1.3438105

2 1212 1.5638081

1159 1.7519058

4 1149 1.7847654

5 1094 1.9505664

1082 1.9833841

7 1077 1.9967033

8 1080 1.9887368

POTENCIA AL FRENO


2


BH P=T ∙w

T=F ∙b

b=8cm

Numero rpm T F w BHP

1 1267 0.28 3.5 132.68024 0.4888219

2 1212 0.416 5.2 126.92064 0.6947235

1159 0.504 6.3 121.37048 0.8048779

4 1149 0.544 6.8 120.32328 0.8612614

5 1094 0.648 8.1 114.56368 0.9768061

1082 0.664 8.3 113.30704 0.9899457

7 1077 0.672 8.4 112.78344 0.997243

8 1080 0.672 8.4 113.0976 1.0000209

EFICIENCIA MECANICA

❑m=BHPHPr

Numero rpm m

1 1267 0.3637581

2 1212 0.4442511

1159 0.4594299

4 1149 0.4825628

5 1094 0.5007808

1082 0.4991195

7 1077 0.4994448

8 1080 0.5028422

EFICIENCIA HIDRAULICA


2


❑h=HPrHPa

Numero rpm u

1 1267 0.5037498

2 1212 0.5862195

1159 0.6567311

4 1149 0.6690491

5 1094 0.7312023

1082 0.7435046

7 1077 0.7484975

8 1080 0.7455111

EFICIENCIA TOTAL

❑t=BHPHPa

Numero rpm t

1 1267 0.183243

2 1212 0.2604287

1159 0.3017219

4 1149 0.3228582

5 1094 0.366172

1082 0.3710976

7 1077 0.3738332

8 1080 0.3748745

8. GRAFICAS DE LOS RESULTADOS


2


Grafico BHP vs RPM

1050 1100 1150 1200 1250 13000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

BHP vs rpm

rpm

BHP

Grafico HPr vs RPM

1050 1100 1150 1200 1250 13000

0.5

1

1.5

2

2.5

HPr vs rpm

rpm

HPr

Grafico T vs RPM


2


1050 1100 1150 1200 1250 13000

0.10.20.30.40.50.60.70.8

T vs rpm

rpm

T

Grafico nm vs RPM

1050 1100 1150 1200 1250 13000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

nm vs rpm

rpm

nm


2


Grafico nh vs RPM

1050 1100 1150 1200 1250 13000

0.10.20.30.40.50.60.70.8

nu vs rpm

rpm

un

Grafico nt vs RPM

1050 1100 1150 1200 1250 13000

0.050.10.150.20.250.30.350.4

nt vs rpm

rpm

nt


2


Grafico nu vs U/C1

0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.80.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

nu VS U/C1

U/C1

un

9. ANALISIS DE LOS RESULTADOS


2


Las gráficas “BHP vs RPM”, “HPr vs RPM”, “T vs RPM”, “nm vs RPM”,

“nh vs RPM” , “nt vs RPM” muestran la tendencia mas o menos

esperada(aunque no se nota mucho).

La grafica nu vs U/C1 representa la dependencia del rendimiento

hidráulico teorico con u/c, y condiciones de diseño.

En comparación con las turbinas, la turbina Pelton presenta altas

eficiencias pero aun así el rendimiento de nuestra experiencia es algo

bajo, pues esto depende mucho del rozamiento del inyector , accesorios

instalados entes del inyector, la forma de la cuchara, las transmisiones.

El máximo rendimiento o eficiencia de la turbina 74.84975%<>75% que nos

representa la eficiencia útil, y la mínima eficiencia de la turbina fue de

18.3243%<>18%que nos representa la eficiencia total.

Cuando la velocidad tangencial (U) se aproxima al valor de la velocidad

del chorro (C1), la potencia y la eficiencia disminuyen como lo

verificamos en el ultimo grafico que se asemeja mas a una parábola.

En la turbina Pelton, el punto de máximo rendimiento no se corresponde

con la apertura completa del inyector, si la velocidad es grande, el

rendimiento disminuye debido a que parte del agua pasa por la turbina,

escapándose del rodete sin producir ningún trabajo.

La medición de la presión en el manómetro (Presión de trabajo) y la

altura en el limnímetro son importantes para la determinación de los

parámetros fundamentales de funcionamiento de la turbina.

10. CONCLUSIONES


2


La carcasa de la turbina Pelton nos protege de las salpicaduras que nos

pueda acometer en el transcurso de la experiencia y es vital tanto para la

maquina (embalamiento) y para el personal que realicen el experimento.

De acuerdo a al incremento de carga la velocidad medida con el

tacómetro (rpm) disminuía.

Las perdidas de transmisión de potencia (fricion, )impidió elevar la

eficiencia ya que se trabajo con una maquina altamente eficiente, se debe

considerar que para maquinas o turbinas Pelton mas grandes las

eficiencias son del 98%y que en nuestro caso llegamos a un máximo de

75% lo cual nos explica que se deben de tomas aun mas consideraciones,

pero si las eficiencias serian menores a los 50%

11. RECOMENDACIONES

Durante la experiencia al menos un integrante del grupo debe verificar

que la altura del vertedero no debe cambiar y deberá mantenerse

constante durante toda la experiencia.

Por motivos de seguridad no debería acercarse mucho a las tuberías que

conducen el flujo de agua ya que constantemente se ha deteriorado y la

justificación de esta es pues la gotera que cae sobre el suelo.

Antes de iniciar el laboratorio tener ya conocimiento del funcionamiento

del tacómetro ya que es uno de los principales instrumentos de colección

de datos.

Para alcanzar mejores resultados es necesario utilizar vertederos de

pared delgada y así evita que el sedimento se acumule tras ellos.

Es necesario ubicar el vertedero en un punto donde la corriente sea

uniforme y este libre de remolinos y la cresta deberá ser suficientemente


2


alta como para permitir que el agua caiga libremente dejando un espacio

bajo el chorro.

Las desventajas de los vertederos es que si la cresta es ancha o profunda

y/o si la velocidad de aproximación es muy alta, la descarga también será

subestimada.

Se recomienda una mayor toma de datos para evaluar mejor la variación

de la potencia con respecto a la velocidad de giro de la turbina.

Se recomienda la calibración del manómetro a la entrada de la turbina,

con la finalidad de tomar datos más exactos.

Se recomienda esperar unos minutos antes de la toma de datos para

dejar que el sistema se estabilice.

Se recomienda el uso adecuado de un tacómetro digital para la toma de

datos con el fin de tomar datos más exactos.

Se recomienda tomar más datos con valores de carga más altos (más

focos) para que el tramo ascendente de la tendencia parabólica se pueda

apreciar.

12. BIBLIOGRAFIA

SIFUENTES J. Fluidos II (Teoría)

IRWING H. SHAMES. Mecánica de Fluidos

CLAUDIO MATAIX, Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas, Turbinas

de acción: turbinas Pelton.

MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANCA II –UNI FIM,

Turbinas Hidráulicas.


2


13. ANEXO

IMÁGENE DE UNA TURBINA PELTON EN UNA INSTALACION DE LA

INDUSTRIA


2


CUANDO SE DEBE USAR UNA TURBINA PELTON


2



Documents

1 Laboratorio de Ingenieria Mecanica II(TURBINA PELTON)