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AULA VIRTUAL USANDO: PLATAFORMA EDUCATIVA MOODLE Y/O PLATAFORMA EDUCATIVA DOKEOS (Aún no instalados en el servidor de la UNI)
CURSO: LABORATORIO DE ING. MECÁNICA I EXPERIENCIA 6: MEDICIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD
ING. OSWALDO MORALES TAQUIRI 2008
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INTRODUCCION En el presente informe realizaremos el laboratorio de medición de potencia y velocidad, mediremos la potencia al eje en la turbina Francis así como también la potencia indicada en el sistema de compresión de 2 etapas. En los motores de combustión interna, la sustancia activa ejerce una fuerza neta sobre los pistones a medida que estos se mueven, y por lo tanto, se desarrolla potencia a costa de la energía de sustancia activa, esta potencia es transmitida a través de la máquina hasta el eje de salida, la potencia indicada es la potencia entregada a la cara del pistón o por ella. El trabajo realizado sobre el pistón es una medida de la eficacia del proceso experimentado por la sustancia activa. La presión ejercida sobre el pistón por la sustancia activa varía con el tiempo, por lo tanto hay que medir esta variación, para determinar la potencia entregada al pistón, para esto se usa un aparato llamado indicador, hay diversos tipos de indicadores: como por ejemplo indicadores del tipo pistón, indicador de diagrama. La potencia de salida de las máquinas de vapor se determinaba antes por medio de un freno, por lo tanto, la potencia entregada por las máquinas de vapor se llama potencia al freno. La potencia entregada por las turbinas se llama potencia al eje, también se usa este término para indicar la potencia entregada en el eje de compresores, ventiladores y bombas. Tanto la potencia en el eje como la potencia al freno denotan la potencia entregada por la máquina al exterior.
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MEDICIÓN DE POTENCIA DE LA TURBINA FRANCIS OBJETIVOS
Mediante un freno de cinta (Prony) averiguar la potencia al eje que entrega la Turbina Francis.
Analizar la variación de la velocidad angular del eje con respecto a las diferentes cargas, a las que se le somete a la turbina.
FUNDAMENTO TEORICO TURBINA FRANCIS La turbina Francis fue inventada por James B. Francis a finales del siglo XX. Es una turbina de reacción, radial, de admisión total y descarga axial con tubo de aspiración. La turbina Francis ha evolucionado mucho en el curso de este siglo, encontrando buena aplicación en aprovechamientos hidráulicos de características muy variadas de carga y caudal, tal es así, que existen dichas turbinas con saltos de agua de 30 metros, como también en saltos de 550 metros y a caudales que a veces alcanzan 200m3/s y otras de sólo 10m3/s. Esta versatilidad ha hecho que esta turbina sea la más generalizada en el mundo hasta estos momentos. Los órganos o componentes principales de la turbina son:
Carcaza o caja espiral.
Distribuidor ó alabes directrices.
Rodete móvil o rotor.
Tubo de aspiración.
El rodete o parte móvil de la turbina, constituido por un cierto número de paletas o alabes que, en este tipo de turbinas, tienen sus extremidades externas inferiores unidas por una corona que les envuelve; el número de alabes oscila, por lo general entre 16 y 21 y depende del tipo de construcción. Este rodete se construye
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de chapa de acero para las turbinas de pequeña potencia y de fundición para las de potencia mediana y de acero colado para las de gran potencia. Para regular el caudal que entra en el rodete, se utilizan las paletas directrices situadas en forma circular, y cuyo conjunto se denomina distribuidor. Cada una de las paletas directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posición de cerrado, en cuyo caso el caudal recibido por el rodete es máximo. El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil al que están unidas todas las paletas directrices, y este anillo móvil, a su vez esta accionada por el regulador de velocidad de la turbina. El agua después de pasar por el rodete, impulsando este y haciéndolo girar, sale por un tubo que se denomina tubo de aspiración el cual cumple un doble propósito. a) Utilizar la diferencia de niveles niveles que existen entre el punto de salida de la turbina y el nivel agua a bajo, denominada altura estática estática de succión. b) Recuperar por su forma divergente divergente parte de la energía cinética que lleva lleva el agua al salir de la turbina. La altura recuperada es denominada como altura dinámica de succión.
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INSTRUMENTOS Y EQUIPOS
Freno de fricción de tipo “Prony”.
Dinamómetro.
Tacómetro.
Pesas.
ESQUEMA DE INSTALACIÓN
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1 7
3
2 6
Donde: 1
TURBINA FRANCIS
2
DINAMOMETRO
3
RODETE
4
MANOMETRO
5
FAJA PRONY
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SOPORTE PARA LAS CARGAS
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TACOMETRO
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TURBINA FRANCIS Marca
: ARMFIELD HYDRAULIC ENGINEERING Co. Ltd. RINGWOOD HARTS, ENGLAND.
Tipo
: Ns 36 MK2
Potencia : 2,5 BHP Velocidad : 1000 RPM Tamaño nominal del rodete
: 6”
Velocidad especifica
: 36 RPM
Altura neta
: 20 pies
Velocidad de embalamiento máximo
: 1800 18 00 RPM
Diámetro de la volante
: 12”
Diámetro de entrada
: 6”
ACCESORIOS
Taquímetro
Marca
: SMITH
Rango
: 0-2000 RPM
Error Max. : 20 RPM Manómetro
Marca
: CHALINCO
Rango
: 0-10 m H2O
Error Max. : 1 m Dinamómetro
Marca
: SALTIN
Rango
: 0-20 Kg
Error Max. : 100 g
Vertedero
Escala
: 0-30 cm
Forma
: Triangular =90º
Coeficiente de
: 0,6
descarga Error Max.
: 0,1 mm
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MOTOBOMBA (simula caída de agua) MOTOR Marca
: NEWMAN MOTORS INC.
Potencia
: 10 HP
Casco
: 2560 / DD 2182 BB
RPM
: 3600
Ciclo
: 60
Fase
: 3
Factor de
: 1,15
Servicio Voltaje
: 220 V
Amperaje
: 26 A
BOMBA Marca
: SIGMUND PUMP LTD.
Tipo
: NN63
Nº de serie : 147305
PROCEDIMIENTO PARA MEDIR LA POTENCIA AL FRENO (FRENO PRONY) 1º
Verificando que la válvula de acceso a la turbina Francis este inicialmente cerrada; ponemos en funcionamiento la bomba de alimentación.
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Se abre la llave del segundo depósito para expulsar el agua, hasta que el nivel este por debajo del vértice del vertedero.
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Abrimos la válvula que permite el flujo del caudal de agua a la turbina. (a . 5 PSI consideremos es dato para el laboratorio)
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Colocamos la correa sobre la volante y echamos agua al interior de ésta.
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Procedemos a medir las RPM
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Añadimos una carga inicial de 0.5Kg-f y medimos las RPM, luego tomamos la lectura del dinamómetro.
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Repetimos el paso 6, variando la carga en forma ascendente; procurando que no frene.
DATOS TOMADOS EN EL LABORATORIO
TURBINA FRANCIS PRESION (PSI)
ALTURA (CM)
RPM (OPTICO)
5
15.7
1050
5
16.4
1269
5
16.4
5 5
RPM (TACOMETRO)
DINAMÓMETRO (KG)
CARGA (KG)
0
0
1150
0.6
0.5
1169
1000
1.6
1
16.8
1160
1140
2.5
1.5
17.2
1058
900
3.4
2
CÁLCULOS Potencia al Freno: PB
T N f R N (Fd - P) R N …… (1)
Donde:
T = Torque N = velocidad angular f = fuerza de fricción FD = fuerza indicada en el dinamómetro P = Carga R = radio de la volante
R=15.24cm
R
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En base a la fórmula anterior nos salio la siguiente tabla: DINAMÓMETRO CARGA POTENCIA FRICCION(KG) (KG) (KG) AL EJE(W) 0
0
0
0
0.6
0.5
0.1
19.84
1.6
1
0.6
109.69
2.5
1.5
1
181.42
3.4
2
1.4
231.66
GRAFICOS CARGA VS FRICCION
1.6 1.4 1.2 n o i c c i r f
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
0.5
1 carga
1.5
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CARGA VS POTENCIA
250 A I C N E T O P
200 150 100 50 0 0
0.5
1
1.5
2
CARGA
CARGA VS RPM 1400 1200 1000 M 800 P R 600 400 200 0 0
0.5
1 CARGA
CONCLUSIONES
1.5
2
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Se concluye que la potencia mecánica puede ser determinada de una manera indirecta usando el freno Prony, pero esto es sólo aplicable a turbinas de pequeñas potencias.
A medida que aumentamos la carga las RPM aumentan hasta un valor para luego disminuir.
A menor número de revoluciones aumenta la potencia al freno.
OBSERVACIONES
La volante no solo gira alrededor de su eje, sino que también vibra, esto se debe evitar para efecto de la toma de datos.
Debido a la observación anterior se prefirió tomar los datos de rpm óptico a las del tacómetro.
Todas las mediciones se realizaron, teniendo en cuenta que el flujo que se dirigía a la turbina era constante, y que solo variaban las cargas y con esto también las revoluciones de la volante.
La potencia al freno a medida que aumenta genera un calentamiento en la cinta de freno; para evitar el calentamiento y desgaste de ésta será necesario suministrarle agua a la faja.
Debemos ir añadiendo en forma ascendente, pero gradual las pesas al dinamómetro, para evitar incremento brusco de la fuerza de fricción
BIBLIOGRAFÍA
El Laboratorio del Ingeniero Mecánico. Jesse Seymour Doolittle.
Manual de Laboratorio de Ingeniería Mecánica I Profesores de Dpto. de Energía - FIM.
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MEDICION DE POTENCIA EN EL COMPRESOR OBJETIVOS 1.
Determinar la potencia indicada, al eje y potencia eléctrica del compresor de alta presión.
2.
Conocer el funcionamiento de los diferentes equipos de medición de potencia.
3.
Conocer los diferentes tipos de potencia que se pueden medir en una máquina y las relaciones se pueden definir entre ellas.
4.
Calcular la eficiencia mecánica del compresor de alta presión.
FUNDAMENTO TEÓRICO La energía es una magnitud almacenada, en forma similar a un volumen; su cualidad de producir trabajo o su propiedad de incrementarse, es lo único que nos interesa. La potencia es un flujo de energía, toda la energía almacenada no puede transportarse instantáneamente a otro lugar, tiene que hacerlo en forma de un flujo. Ocurre que en algunas fuentes de energía, esta no está almacenada en éste, sino que debe producirse constantemente en forma de un flujo. Por ello se habla de potencia (flujo de energía) de un motor (fuente de energía). La energía mecánica se presenta como el producto de dos factores: El producto de una fuerza por una velocidad longitudinal o el producto de un momento torsor por una Velocidad angular si el movimiento es rotacional. Potencia = F V Potencia = T
Movimiento longitudinal Movimiento rotacional
La potencia se desarrolla, transmite y absorbe en máquinas rotativas y otros dispositivos. Algunas máquinas (por ejemplo, turbinas, máquinas de vapor y motores de combustión interna) desarrollan potencia. Otras la utilizan para producir efectos útiles. En todas las máquinas rotativas y alternativas hay siempre alguna forma de transmisión de potencia. En la transmisión de esta potencia, una parte de ella se pierde inevitablemente a causa de la fricción. Al ingeniero le interesa la potencia que puede desarrollarse, la que puede transmitirse y la que se utiliza para producir efectos dados.
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La importancia de un equipo se da por la capacidad de trabajo en la unidad de tiempo que pueda entregar. La potencia desarrollada por la maquina no es la misma que se le da debida a las pérdidas que se suscitan durante su funcionamiento. Sin embargo existe, existe, una potencia entregada al pistón por la sustancia de trabajo que es determinado mediante los llamados indicadores, conociéndose esta potencia como la potencia indicada; para cuya determinación se pueden usar:
Indicadores de tipo pistón Indicadores de diafragma equilibrado Indicadores ópticos Indicadores electrónicos
Para el presente laboratorio usaremos el indicador tipo pistón. Estos se utilizan en máquinas alternativas de baja velocidad, tales como máquina a vapor, bombas, compresores y motores de combustión interna. Para el caso de compresores, que es la máquina que utilizaremos en la experiencia, el motor es el que entrega potencia, en este caso al aire para comprimir el mismo.
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EQUIPOS E INSTRUMENTOS
Tablero de Control.
Controla tanto el voltaje voltaje como la intensidad de corriente a cada uno de los dos motores eléctricos utilizados para los compresores de alta y baja.
Dos motores eléctricos.
Compresores de alta y baja presión .
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PRIMERA ETAPA (BAJA PRESION) Numero de cilindros Carrera Diámetro interior Volumen de desplazamiento Volumen muerto Presión máxima Relación de velocidades, motorcompresor Eficiencia de la transmisión Rango de velocidades
2 101,6 mm 101,6 mm 1,647 litros 29.5 cm 10,3 bar 3:1 0,98 300-500 RPM
SEGUNDA ETAPA (ALTA PRESION) Numero de cilindros Carrera Diámetro interior Volumen de desplazamiento Volumen muerto Presión máxima Relación de velocidades, motorcompresor Eficiencia de la transmisión Rango de velocidades
1 101,6 mm 76,2 mm 0,463 litros 28.2 cm 13,8 bar 3:1 0,98 300-500 RPM
Planímetro (FILOTECNICA MILANO ITALIANA)
Permite calcular el área interior del diagrama de Presión vs. Volumen obtenido por el medidor de diagrama de pistón.
Dinamómetro
Permite hallar la fuerza que genera un torque equivalente al del eje del compresor.
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Manómetros de tipo Bourdon
Mide las presiones tanto de salida como de la entrada.
Taquímetro
Utilizado para medir la velocidad de rotación de la volante del motor, en RPM.
Contador de revoluciones tipo contador
El número de revoluciones obtenidas por un periodo de tiempo determinado (en minutos), nos permite calcular la velocidad angular en RPM.
Cronometro digital (COLE PARMER)
Mide periodos de tiempo determinados.
Tanque que almacena aire comprimido.
Indicador de diagrama tipo “pistón”.( MAIHAK)
Permite hacer una representación a escala del ciclo termodinámico realizado en el compresor en parámetros de Presión y Volumen.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
Encendemos la fuente de energía (motor eléctrico).
Regulamos las válvulas hasta alcanzar presiones especificadas tanto a la entrada como a la salida del compresor de baja.
Instalamos el indicador de tipo pistón sobre el compresor, previamente hemos colocado un pedazo de papel el cual debe estar bien sujeto al indicador para
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obtener un diagrama correcto; procedimiento que se realizara con la ayuda del profesor.
En el tablero de control vamos a hacer regulaciones de amperaje y voltaje para los 2 motores eléctricos que alimentan a los compresores (de alta y de baja), en este laboratorio sólo hicimos uso del compresor de baja presión, con la finalidad de tener una presión de salida constante para usar el tanque de almacenamiento.
Hacemos la conexión entre el cilindro y el indicador; el cual dispone de un resorte calibrado K = 72 psi/pulg; simultáneamente se hacen las lecturas de las RPM de la volante, las RPM del motor, el voltaje, la intensidad de corriente y el par motor.
Obtenemos entonces el diagrama indicado.
Usando el planímetro de brazo trazador medimos el área del diagrama indicado obtenido (el área lo obtenemos en cm 2).
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TABLA DE DATOS Fuerza RPM Voltaje(v) Corriente(A) (kg)
#vueltas por minuto
1 750
3.60
109
9.25
722
2 787.5
3.40
113
8.5
782
3 1400
3.85
202
10
1398
CÁLCULOS Empleando sólo los datos del compresor de alta presión K = 72psi/pulg = 19544.2x 10 3 N/m3 A= Area L=Longitud del diagrama K = constante del resorte R=radio=0.254m
Potencia eléctrica del motor ( P elect ) Pelect=V.I Potencia al eje (Peje) entregado por el motor Peje= F*R*N*π/30 Potencia entregada (Pe) al compresor Siendo la eficiencia mecánica de la transmisión 0.98 tenemos que:
Pe=0.98 Peje
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Potencia Indicada P I
d pmi * V
Donde pmi : es la presión media indicada Vd :es el volumen desplazado por unidad de tiempo La presión media se calcula por medio de la siguiente expresión:
pmi = Adiag x Kresorte /Ldiag
Debido a que la relación de velocidades motor /compresor es de 3:1
Vd=1.647 ( N / 3 ) Eficiencia Mecánica(
Mecánica
)
ηmecanica=Pi/Peje
A partir de estas formulas completamos la siguiente tabla:
2.5
potencia electrica (kw) 1
2.9
0. 96 0.96
0.693
0.679
0.637
2.8
2. 02 2.02
1.402
1.374
1.099
2
Area(cm ) 1 2 3
0.677
potencia del compresor (kw) 0.663
potencia indicada (kw) 0.507
potencia al eje (kw)
Eficiencia mecanica (%) 74.8 91.9 78.3
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CONCLUSIONES
La potencia eléctrica es mayor a la potencia al eje, debido a que siempre existen perdidas mecánicas en el motor, de esto se concluye que la eficiencia del motor nunca es del 100%.
La potencia indicada es menor que la potencia al eje. Por tal motivo la energía mecánica que se tiene que entregar al eje del compresor es mayor que la necesaria para la compresión, en el valor de las pérdidas mecánicas.
La potencia eléctrica indicada y al eje guardan una relación directamente proporcional con las RPM.
La presión media indicada depende del área del ciclo termodinámico así como la longitud del diagrama y de la constante del resorte.
OBSERVACIONES
Se debe fijar bien el papel en el indicador de tipo pistón para obtener diagramas indicados correctos.
Para presiones bajas usamos resortes de menor constante K.
Realizamos regulaciones de voltaje y de corriente.
Realizamos la toma toma de nuestros datos del laboratorio, laboratorio, cuando la presión del tanque de almacenamiento de aire era constante.
BIBLIOGRAFIA
El Laboratorio del Ingeniero Mecánico. Jesse Seymour Doolittle.
Instrumentación Industrial. Harold Esoisson
Manual de Laboratorio de Ingeniería Mecánica I Profesores de Dpto. de Energía - FIM.
