Laboratorio de Ing. Mecánica II - Turbina Pelton

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE ENERGIA - LAB. 05

Acta N 01

INFORME

CURSO: Laboratorio de Ingeniera Mecnica II (MN463 A) PERIODO ACAD.: 2014-I EXPERIMENTO: Turbina Pelton REALIZADO POR: Espinoza Rodrguez, Widmard Eduardo 20111213G Garca Vsquez, Andy Steven 20111300G Grandy Gonzales, Emilio Roger 20112601K Salas Crdenas, Pablo Cesar 20111248E EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: Ing. Hernn Pinto Espinoza Fecha: 31-03-2014 ENTREGA DEL INFORME: Lunes 07-04-2014 INFORME CALIFICADO POR: Ing. Manuel Sebes Toledo Paredes

Lima, abril del 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENENIERIA

FACULTAD INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON

GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS

1

NDICE

1) Introduccin................................................................................................................. 2

2) Fundamento Terico.................................................................................................... 3

a. Concepto.................................................................................................................. 3

b. Partes....................................................................................................................... 4

c. Clasificacin.............................................................................................................. 8

d. Diagrama de una turbina Pelton

3) Materiales.................................................................................................................... 10

4) Procedimiento.............................................................................................................. 12

5) Clculos a realizar......................................................................................................... 14

6) Datos de laboratorio.................................................................................................... 16

7) Grficos.................................................................................................................. ...... 17

8) Observaciones.............................................................................................................. 29

9) Recomendaciones........................................................................................................ 29

10) Conclusiones.............................................................................................................. 30

11) Conclusiones.............................................................................................................. 32





2

1) INTRODUCCIN

Desde que Nikola Tesla hizo posible la transmisin de electricidad de manera rentable y

segura, y dada su facilidad para ser convertida en otros tipos de energa y las aplicaciones que se le

dio, hubo una necesidad de potencia creciente que deba ser abastecida. La corriente alterna es

fcil de ser transmitida por naturaleza, y su generacin sigue un principio bsico: el de hacer girar

un campo magntico alrededor de otra bobina. El problema reside en cmo hacerlo girar. La

respuesta reside en las turbinas, tanto hidrulicas como a gas y vapor.

En el lado de las hidrulicas, la ms conocida y usada es la turbina Pelton, diseada para

aprovechar al mximo la cada del agua, y su diseo cumple tal propsito. Es con ella con la que

contamos en la mayora de centrales hidroelctricas (entre ellas la C.H. Santiago Antnez de

Mayolo, la ms emblemtica de todas), y tambin est presente en nuestro Laboratorio de Energa

para su estudio.

En el presente informe se presentan y analizan los resultados del experimento realizado

por nosotros, los miembros del Grupo 1, quienes, interesados en aprender sobre el

funcionamiento de la turbina Pelton, redactamos el informe que ahora tiene en sus manos con

miras a conocer ms sobre el funcionamiento de las centrales hidroelctricas en las que algunos

de nosotros estamos interesados en trabajar.





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2) FUNDAMENTO TEORICO

a. CONCEPTO

Es una turbomquina motora, de flujo transversal, admisin parcial y de accin. Consiste en una

rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales estn especialmente

realizadas para convertir la energa de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.

Las turbinas Pelton estn diseadas para explotar grandes saltos hidrulicos de bajo caudal. Las

centrales hidroelctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayora de las veces, con una

larga tubera llamada galera de presin para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de

hasta ms de doscientos metros. Al final de la galera de presin se suministra el agua a la turbina

por medio de una o varias vlvulas de aguja, tambin llamadas inyectores, los cuales tienen forma

de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.

Turbina Pelton de eje vertical con 5 inyectores





4

b. PARTES

Cazoleta

En una rueda Pelton la direccin del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo ms importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ngulo de 180, contrarrestndose as los empujes axiales por cambio de direccin de los dos chorros. El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al cauce inferior.

Inyector El inyector es el rgano regulador del caudal del chorro; consta de una vlvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el dimetro mximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo dimetro d se mide en la seccin contrada, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presin exterior es igual a la atmosfrica. Con el fin de asegurar una buena regulacin, conviene disear el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y ste, a su vez, a la seccin de paso normal al flujo. La variacin del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la seccin de salida de la boquilla; su regulacin puede ser manual o automtica mediante un servomotor.





5

Tiene adems otro sistema de regulacin por desviacin del chorro, que consiste en una superficie metlica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividindolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningn efecto til. De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubera, por cuanto el caudal que circula por sta continua siendo el mismo.

Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el eje de salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo dimetro se denomina dimetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo de la turbina, sin interferir el giro del rodete.

Cuando el nmero de inyectores es dos, la turbina puede ser tambin de eje horizontal, disponindose los chorros segn dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton, inclinadas un mismo ngulo 30, saliendo el agua de las cucharas sin interferir al rodete Para un nmero superior de inyectores, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser horizontal, sera imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las cucharas. Un chorro bien diseado no debe tener un dimetro d superior a 27 cm, por lo que para establecer el nmero de inyectores hay que partir de la condicin de que su dimetro no sea superior a este lmite, teniendo en cuenta a su vez, el lmite superior impuesto por la velocidad especfica por chorro, en funcin del salto. El hecho de sustituir un nmero de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un mayor nmero de inyectores de dimensiones ms pequeas, permite construir turbinas de mayor dimetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos lmites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, as como la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto ms frecuentes cuanto mayor sea el nmero de chorros





6





7

Rodete

Consta de una rueda con cucharas alrededor, a las que podemos llamar tambin alabes y/o cangilones, sobre las que acta el chorro inyector. El tamao y nmero de cucharas dependen de

las caractersticas de la instalacin y/o de la velocidad especfica ns. Cuanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor ser el dimetro del chorro. Las dimensiones de la cuchara vienen ligadas directamente por el dimetro del chorro.

Cada vez que va a entrar una cuchara en el campo de accin del chorro sufrira un rechazo, por lo que a esta se le practica una mella de aproximadamente un 10% mayor a dimetro del chorro. La cuchara tiene forma elptica dividida por una cresta afilada en dos partes simtrica. Al estar dividida en dos la componente axial de la fuerza se contrarresta y de esta forma no sufren los cojinetes





8

c. CLASIFICACION DE TURBINAS PELTON

EJE HORIZONTAL: Solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como mximo debido a la complicada

instalacin y mantenimiento de los inyectores. Sin embargo en esta posicin la inspeccin de la

rueda en general es ms sencilla por lo que las reparaciones o desgastes se pueden seleccionar sin

necesidad de desmontar la turbina.

Turbina Pelton de eje horizontal

EJE VERTICAL: En esta posicin se facilita la colocacin de alimentacin en un plano horizontal y con esto es

posible aumentar el nmero 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 el dimetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. Por la posicin es mas difcil y

caro su mantenimiento por lo cual se debe usar en aguas limpias donde no produzca efecto

abrasivo sobre los alabes.





9

d. DIAGRAMA DE UNA TURBINA PELTON

1. Codo de entrada

2. Inyector

3. Tobera

4. Vlvula de aguja

5. Servomotor

6. Regulador

7. Mando del deflector

8. Deflector o pantalla deflectora

9. Chorro

10. Rodete

11. Alabes o cucharas

12. Freno de la turbina por chorro de agua

13. Blindaje

14. Destructor de energa





10

3) MATERIALES

Limnmetro Focos

Turbina Pelton Tacmetro





11

Vertedero

Regla milimtrica





12

4) PROCEDIMIENTO

1. Antes de encender la bomba primero dejamos que se grade el nivel de agua en el

vertedero.

2. Encendemos la bomba y regulamos la presin con ayuda del inyector para poder trabajar

con las presiones indicadas en cada caso.

3. Luego con la ayuda del limnmetro ubicamos la punta de la varilla de sta hasta que

coincida con el filo del agua, donde estableceremos un punto de referencia con la regla

que se encuentra junto al limnmetro.

4. Una vez hecho esto medimos cuanto subi el nivel del agua en el limnmetro con cada

presin que se va usar.





13

5. Tomamos la lectura del dinammetro y medimos la velocidad angular con ayuda del

tacmetro cuando no hay carga.

6. Luego procederemos a hacer lo del paso 5 solo que esta vez con carga (representada por

los focos encendidos) de 0 a 8 focos.

7. Repetimos el procedimiento para la 2da presin.

8. Por ltimo no olvidemos tomar la longitud del brazo.





14

5) CALCULOS A REALIZAR

1. POTENCIA DEL AGUA(HPa)

Q = caudal ( )

H = altura til (m)

h = altura leda en el linnimetro (m)

Cd = coeficiente de descarga

D = dimetro de la entrada a la inyector (0.0762m)

2. POTENCIA DEL RODETE (HPr)

3. POTENCIA AL FRENO(BHP)





15

4. EFICIENCIA MECANICA

5. EFICIENCIA HIDRAULICA (

6. EFICIENCIA TOTAL ( )





16

DATOS DE LABORATORIO

En la experiencia de laboratorio se hicieron 2 pruebas a diferentes presiones a la entrada

del inyector los cuales nos brindan los siguientes resultados para el respectivo anlisis

Brazo del dinammetro: 8cm

PRUEBA 1:

P=30 PSI h linnimetro=8.1cm

FOCO N(RPM) P(Kg F)

0 1013 2.2

1 987 2.8

2 968 3.2

3 953.7 3.3

4 947.5 3.45

5 942.8 3.6

6 936.1 3.7

7 933.3 3.8

8 930.3 3.9

PRUEBA 2:

P=50 PSI h linnimetro=4.9 cm

FOCO N(RPM) P(kg F)

0 980.8 1.4

1 923.2 1.8

2 899.5 1.9

3 878.7 1.9

4 869.1 2

5 848.2 2





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6) CALCULOS Y RESULTADOS

1. POTENCIA DEL AGUA

PRUEBA P(psi) h(m) Cd D(m) Q( ) V(m/s) H(m) HPa(Watts) HPa(HP)

1 30 0.081 0.68 0.0762 0.001797 0.3942 21.1143 372.0385 0.49871

2 50 0.049 0.68 0.0762 0.000511 0.1122 35.1779 176.4246 0.23649

HPa(Prueba 1)= 372.0385

HPa(Prueba 2)= 176.4246

2. POTENCIA DEL RODETE (HPr)

Prueba 1:

FOCO N(RPM) P(Kg F) U(m/s) HPr(Watts) HPr(HP)

0 1013 2.2 12.9671 306.9416 0.4114

1 987 2.8 12.6343 313.3248 0.4200

2 968 3.2 12.3911 317.5143 0.4256

3 953.7 3.3 12.2080 320.4029 0.4295

4 947.5 3.45 12.1286 321.5846 0.4311

5 942.8 3.6 12.0685 322.4519 0.4322

6 936.1 3.7 11.9827 323.6459 0.4338

7 933.3 3.8 11.9469 324.1301 0.4345

8 930.3 3.9 11.9085 324.6393 0.4352





18

Prueba 2:

FOCO N(RPM) P(kg F) U(m/s) HPr(Watts) HPr(HP)

0 980.8 1.4 12.5549 159.8734 0.2143

1 923.2 1.8 11.8176 158.8957 0.2130

2 899.5 1.9 11.5142 158.1887 0.2120

3 878.7 1.9 11.2480 157.4217 0.2110

4 869.1 2 11.1251 157.0216 0.2105

5 848.2 2 10.8575 156.0496 0.2092

SE CUMPLE QUE LA POTENCIA DEL AGUA ES MAYOR A LA POTENCIA DEL RODETE

3. Potencia AL EJE FRENO(BHP)

Prueba 1:

FOCO N(RPM) P(Kg F) w BHP(Watts)

0 1013 2.2 106.0811 183.1554

1 987 2.8 103.3583 227.1238

2 968 3.2 101.3687 254.5733

3 953.7 3.3 99.8712 258.6505

4 947.5 3.45 99.2219 268.6494

5 942.8 3.6 98.7297 278.9392

6 936.1 3.7 98.0281 284.6502

7 933.3 3.8 97.7349 291.4690

8 930.3 3.9 97.4207 298.1777

Prueba 2:

FOCO N(RPM) P(kg F) w BHP(Watts)

0 980.8 1.4 102.709136 112.8485

1 923.2 1.8 96.6772779 136.5701

2 899.5 1.9 94.1954197 140.4566

3 878.7 1.9 92.0172488 137.2087

4 869.1 2 91.0119392 142.8523

5 848.2 2 88.8232963 139.4170





19

4. EFICIENCIA MECANICA( ),HIDRAULICA Y TOTAL(

PRUEBA 1:

FOCO N(RPM) P(Kg F)

0 1013 2.2 0.5967 0.8250 0.4923

1 987 2.8 0.7249 0.8422 0.6105

2 968 3.2 0.8018 0.8534 0.6843

3 953.7 3.3 0.8073 0.8612 0.6952

4 947.5 3.45 0.8354 0.8644 0.7221

5 942.8 3.6 0.8651 0.8667 0.7498

6 936.1 3.7 0.8795 0.8699 0.7651

7 933.3 3.8 0.8992 0.8712 0.7834

8 930.3 3.9 0.9185 0.8726 0.8015

PRUEBA 2:

FOCO N(RPM) P(kg F)

0 980.8 1.4 0.70586222 0.9062 0.6396

1 923.2 1.8 0.8594957 0.9006 0.7741

2 899.5 1.9 0.88790599 0.8966 0.7961

3 878.7 1.9 0.87159983 0.8923 0.7777

4 869.1 2 0.90976232 0.8900 0.8097

5 848.2 2 0.89341467 0.8845 0.7902





20

7) GRAFICOS

PRUEBA 1

Grfica Potencia de Rodete VS. Revoluciones por minuto

Ecuacin graficada en MATLAB HPr VS RPM tendencia completa

Grfica Potencia al freno VS. Revoluciones por minuto

y = -0.0006x2 + 0.7071x - 3E-10 R = 1

140

145

150

155

160

165

170

175

180

920 940 960 980 1000 1020

HP

r(W

)

RPM

HPr VS RPM





21

Grfica Torque VS. Revoluciones por minuto

Grfica Eficiencia mecnica VS. Revoluciones por minuto

y = -0.0025x2 + 3.5539x - 850.91 R = 0.9834

150

170

190

210

230

250

270

290

310

920 940 960 980 1000 1020

BH

P(W

)

RPM

BHP VS RPM

y = -0.0152x + 17.163 R = 0.9879

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2.5

2.7

2.9

3.1

920 940 960 980 1000 1020

T(N

m)

RPM

T VS RPM





22

Grfica Eficiencia hidrulica VS. Revoluciones por minuto

y = -2E-05x2 + 0.0392x - 15.254 R = 0.9528

1.15

1.25

1.35

1.45

1.55

1.65

1.75

920 940 960 980 1000 1020

nm

RPM

nm VS RPM

y = -2E-06x2 + 0.0029x + 1E-12 R = 1

0.55

0.57

0.59

0.61

0.63

0.65

0.67

0.69

0.71

0.73

920 940 960 980 1000 1020

nh

RPM

nh VS RPM





23

Grfica Eficiencia total VS. Revoluciones por minuto

y = -1E-05x2 + 0.0143x - 3.4301 R = 0.9834

0.47

0.57

0.67

0.77

0.87

0.97

1.07

1.17

1.27

920 940 960 980 1000 1020

nt

RPM

nt VS RPM





24

PRUEBA 2

Grfica Potencia de Rodete VS. Revoluciones por minuto

Ecuacin graficada en MATLAB HPr VS RPM tendencia completa

Grfica Potencia al freno VS. Revoluciones por minuto

y = -0.0002x2 + 0.3181x + 3E-11 R = 1

155.5

156

156.5

157

157.5

158

158.5

159

159.5

160

160.5

840 860 880 900 920 940 960 980 1000

HP

r(W

)

RPM

HPr VS RPM





25

Grfica Torque VS. Revoluciones por minuto

Grfica Eficiencia mecnica VS. Revoluciones por minuto

y = -0.0026x2 + 4.5306x - 1845.1 R = 0.9663

110

115

120

125

130

135

140

145

150

840 860 880 900 920 940 960 980 1000

BH

P(W

)

RPM

BHP VS RPM

y = -0.0036x + 4.6681 R = 0.9209

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

840 860 880 900 920 940 960 980 1000

T(N

m)

RPM

T VS RPM





26

Grfica Eficiencia hidrulica VS. Revoluciones por minuto

y = -2E-05x2 + 0.0265x - 10.611 R = 0.9707

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

840 860 880 900 920 940 960 980 1000

nm

RPM

nm VS RPM

y = -9E-07x2 + 0.0018x + 4E-14 R = 1

0.88

0.885

0.89

0.895

0.9

0.905

0.91

840 860 880 900 920 940 960 980 1000

nh

RPM

nh VS RPM





27

Grfica Eficiencia total VS. Revoluciones por minuto

y = -1E-05x2 + 0.0257x - 10.458 R = 0.9663

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

840 860 880 900 920 940 960 980 1000

nt

RPM

nt VS RPM





28

8) OBSERVACIONES

Se observ que el incremento de la carga produce una reduccin de la velocidad

del rotor (obtenida con el tacmetro).

En la segunda prueba, los datos finales comenzaron a manifestar una tendencia

imprevista, por lo que solo se tuvieron en cuenta los primeros, que son los usados

en el presente informe.

De las grficas de eficiencia se observa que esta turbina Pelton tiene eficiencias

elevadas, pero las ecuaciones de las grficas no son buenas aproximaciones pues

matemticamente resultan eficiencias mayor que 1, esto se debe a los pocos

puntos que se utilizaron para obtener la ecuacin.

9) RECOMENDACIONES

Se recomienda que en la experiencia se utilicen ms puntos de prueba porque los

8 focos (carga) utilizada para la experiencia no fueron suficiente para obtener los

mejores resultados deseados, se recomiendo unos 16 puntos de prueba as las

interpolaciones sern ms confiables.

Esperar un tiempo apropiado luego de aplicar la carga al generador para realizar

las medidas respectivas pues el sistema tiene que salir del estado transitorio y

llegar al estado estacionario (recordemos que trabajamos con un generador, una

mquina elctrica en la que intervienen bobinas).

Verificar que todos los focos consuman la misma potencia y que esta est

estipulada en ellos mismos o en un letrero al costado. As mismo, pintarlos para

que no cieguen a quienes trabajan con el equipo con alguna pintura que no se

queme al calentarse.





29

10) CONCLUSIONES

Al aumentar la presin el caudal en la tubera de presin disminuye y la altura til

aumenta; por lo tanto aumentar la velocidad del chorro que impacta en la

cuchara del rodete, ofreciendo mayor energa cintica, la cual ser convertida en

energa mecnica.

Las grficas de potencia tienen una tendencia parablica que se observa en los

grficos hechos con Matlab y Excel, nuestras graficas siguen esta tendencia pero se

necesitan de ms puntos de prueba para mejorar el resultado.

Una vez obtenidas las ecuaciones matemticas podemos estimar los puntos de

operacin de mayor eficiencia con el anlisis matemtico.

Se verifica que la potencia del agua(HPa) es mayor a la potencia del rodete(HPr) y

este mayor a la potencia al freno(BHP)

Con las grficas obtenidas de eficiencias podemos observar que existe un punto

ptimo de trabajo en la turbina Pelton que son diferentes para presiones

desiguales de entrada al inyector.

Podemos concluir que al aumentar la carga (focos) en una turbina Pelton la

eficiencia de la turbina variara pues tambin varan las RPM del rodete, estas

variables pueden ser controladas aumentando la altura til (mayor presin en la

entrada del inyector) que se controla abriendo o cerrando la aguja del inyector.





30

11) BIBLIOGRAFIA

Mataix, Claudio (1982). Mecnica de Fluidos y Mquinas Hidrulicas. Segunda Edicin. Madrid, Espaa. Ediciones Del Castillo. Disponible en http://www.fidena.edu.mx/biblioteca/LibrosMaquinas/libros%20curricula/5o.%20semestre/Mecanica%20de%20Fluidos/Ingenieria%20Mecanica%20de%20fluidos%20y%20maquinas%20hidraulicas%201.pdf.

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Laboratorio de Ing. Mecánica II - Turbina Pelton

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