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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
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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
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2
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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ESQUEMA DE UNA TURBINA PELTON Y SUS PARTES
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CARCASA
CAMARA DE
DESCARGA
RODETE
EJE DE LA TURBINA
ALABE O
CUCHARA
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CUANDO SE UTILIZA UNA TURBINA PELTON
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MUESTRA DE UNA TURBINA PELTON CON 6 INYECTORES
(MAXIMO)
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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.
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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
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Potencia 5BHP
MOTOBOMBA
MOTOR
Motor trifásico Meuman
Tipo 215DD1881 BB n° P424701
Potencia 7.5HP
Velocidad 3600rpm
Factor de servicio 1.15
BOMBA
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Bomba Sigmund pumps Ltd.
Tipo N - NL3
Serie 147304
MANOMETROS
Chalinco
Rango 0 – 40mH2O
Aproximacion 1mH2O
TACOMETRO
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Smith
Rango 0 – 2500rpm
Aproximación 50rpm
DINAMOMETRO
Rebure
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Rango 0- 100kg
Aproximación 1kg
REGLA METALICA
Longitud maxima 30cm
VERTEDERO
Weirs triangular
Escala 0 – 30cm
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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
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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.
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Aplicamos carga al sistema (focos).
Anote los datos rpm , lo que marca el dinamómetro,.
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Repetir lo anterior para varias cargas
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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
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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
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❑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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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13. ANEXO
IMÁGENE DE UNA TURBINA PELTON EN UNA INSTALACION DE LA
INDUSTRIA
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CUANDO SE DEBE USAR UNA TURBINA PELTON
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