ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS Y TURBOMÁQUINAS TURBOMÁQUIN AS 1. 2.
PRÁCT RÁCTIC ICA A 04. TURB URBINA INA PELTON Grup!
Lunes, 11:00-13:00 2.1. • •
Diego Mauricio Guamán Armijos Alfredo Oña Toa Toaan!a an!a (.
• •
I"#$%r&"#$'!
O)*$#+,'!
"onocer los rinciios de oeraci#n de la !ur$ina %el!on & su alicaci#n' De!erminar las cur(as carac!er)s!icas de su funcionamien!o & de carga'
4. R$'u-$"! *n el resen!e informe se es!udia el rinciio de funcionamien!o de una !ur$ina %el!on, de una manera rác!ica, es decir, con un modelo a escala de la !ur$ina se reali+an las dis!in!as rue$as ara llegar a conocer el f uncionamien!o uncionamien!o de es!a !ur$ina ! ur$ina en la realidad & as) oder lle(ar el es!udio a una de ma&or escala, además se uede (er más de cerca donde !iene las ma&ores rdidas o donde osee los mejores rendimien!os rendimien!os a diferen!es caudales de en!rada, los cuales es!án siendo simulados or la aer!ura de una (ál(ula en la $om$a ue .ace de ca)da de agua a la !ur$ina, or /l!imo se llega a conclusiones concre!as las cuales se ueden ser(ir de muc.o al momen!o de diseñarlas' *n la graficas reali+adas con la !oma de da!os se uede areciar ue a medida ue se (a a$riendo la (ál(ula en la $om$a & además de auello !am$in la aguja en el sis!ema de in&ecci#n el rendimien!o (a creciendo rela!i(amen!e, ero a medida ue el sis!ema de in&ecci#n se (a a$riendo más e igual con la (ál(ula de la $om$a de manera a$solu!a, se llega a !ener rendimien!os mu& $ajos comrados con la rimera aer!ura ara el funcionami f uncionamien!o en!o del sis!ema . A)'#r&/#! n !.is reor! !.e ! .e rincile of oera!ion of a %el!on !ur$ine, in a rac!ical a&, ie i!. a scale model of !.e !ur$ine !.e (arious !es!s are done !o ge! !o 2no !.e func!ioning of !.is !ur$ine in reali!& is s!udied and ell !o $ring !.e s!ud& !o a larger scale, lus &ou can ge! a closer loo2 .ere i! .as !.e grea!es! losses or .ere i! .as !.e $es! erformance for differen! inle! flo ra!es, .ic. are $eing simula!ed $& oening a (al(e in !.e um !.a! dro of a!er !o !.e !ur$ine, finall& &ou reac. secific conclusions .ic. can $e muc. use .en designing !.em' n !.e gra.s made i!. da!a collec!ion can $e seen !.a! as is oening !.e (al(e on !.e um and in addi!ion !o !.a! also !.e needle in !.e injec!ion s&s!em erformance gros rela!i(el&, $u! as !.e injec!ion s&s!em i! is oening more and eual !o !.e um (al(e a$solu!el&, a$solu!el&, &ou ge! !o .a(e (er& lo &ields urc.ased i!. !.e firs! f irs! s!ar! for s&s!em oera!ion
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.
D' O)#$"+'!
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.
C3/u'
T&)& 1! 5 6 (.( +" 6 0.2 p+$' C&u& Q=
C d∗8 15
∗tan
() θ
2
∗
( ) pie h 5
√ 2 g∗
2
[ ] 3
min
Donde: "d:
coeficien!e de descarga "d40,567
θ:
8ngulo del (er!edero !riangular 9grados seagesimales;
g:
Aceleraci#n de la gra(edad 3<,1=> 9ies?s<;4 11@6<5,> 9ies?min <;
.:
al!ura de ni(el de (er!edero 9ies;
Q=
0.68 ∗8 15
∗ tan
( ) 60 2
∗
( ) pie 0.275 5
√ 2∗115826.4∗
2
[ ] 3
min
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2
[ ] 3
min
[ ] 3
Q =3.996
pie min
P#$"/+& $ $"#r&& $ &%u&
Nw =
H ∗Q∗62.4 550∗60
−
=1.89∗ H ∗Q∗10 3 [ H P ]
Donde: :
Bal!o ne!o 9ies;
C:
lujo 9ies3?min; −3
Nw =1.89 ∗130∗3.996 ∗10 [ H P ]
Nw =0.98 [ H P ]
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T&)& 2! 5 6 2.4 +" 60.2 p+$' C&u& Q=
Q=
C d∗8 15
∗tan
0.68 ∗8 15
() θ
2
∗ tan
∗
( ) pie h 5
√ 2 g∗
2
[ ] 3
min
( ) pie ∗√ 2∗115826.4∗0.2 5
( ) 60 2
2
[ ] 3
min
[ ] 3
Q =1.802
pie min
P#$"/+& $ $"#r&& $ &%u& Nw =
H ∗Q∗62.4 550∗60
−
=1.89∗ H ∗Q∗10 3 [ H P ]
−3
Nw =1.89 ∗50∗1.802∗10
[ H P ]
Nw =0.17 [ H P ]
T&)& (! 5 6 (.7 +" 6 0.(1 p+$' N 6 1200 rpC&u& Q=
Q=
C d∗8 15
∗tan
0.68 ∗8 15
() θ
2
∗ tan
∗
( ) pie h 5
√ 2 g∗
( ) 60 2
2
[ ] 3
min
( ) pie 2∗115826.4∗0.315
∗√
5 2
[ ] 3
min
[ ] 3
Q =5.6123
pie min
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P#$"/+& $ $"#r&& $ &%u&
Nw =
H ∗Q∗62.4 550∗60
−
=1.89∗ H ∗Q∗10 3 [ H P ]
−3
Nw =1.89 ∗90∗ 5.612∗10
[ H P ]
Nw =0.9546 [ H P ]
P#$"/+& $ '&+& $ & Tur)+"& N T =
2∗π ∗r ∗Wn∗ N 550∗60
[ H P ]
Donde: r:
radio del !am$or del freno 9ies; r40,@ 9ies;7
En:
carga ne!a 9li$ras;
En4E<-E1
E1,E<: lec!ura de las $alan+as 1 & < resec!i(amen!e 9li$ras; F:
elocidad del eje de la !ur$ina 9rm;
N T =
2∗π ∗0.5∗5.15∗ 1200 550∗60
[ H P ]
N T =0.5883 [ H P ]
R$"+-+$"# $ & Tur)+"& ᶯ
=
N T N W
∗100 [ ]
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ᶯ
=
0.5883 0.9546
∗100 [ ]
ᶯ= 61.63
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T&)& (. D' /&/u&'
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7.
A"3+'+' $ R$'u#&'!
S&# ,'. C&u&8 p&r& +9$r$"#$' &p$r#ur&' $ +":$/#r
1. Salto vs. Caudal 25% 50% 75% 100%
*s!a grafica nos mues!ra como el caudal se incremen!a en $ase a la al!ura del sal!o, es decir como se mues!ra en la cur(a a+ul, las cual nos dice ue a un <@H de aer!ura del in&ec!or se necesi!a de una gran ca)da de agua ara o$!ener un caudal en!re 5-= ies
7.
A"3+'+' $ R$'u#&'!
S&# ,'. C&u&8 p&r& +9$r$"#$' &p$r#ur&' $ +":$/#r
1. Salto vs. Caudal 25% 50% 75% 100%
*s!a grafica nos mues!ra como el caudal se incremen!a en $ase a la al!ura del sal!o, es decir como se mues!ra en la cur(a a+ul, las cual nos dice ue a un <@H de aer!ura del in&ec!or se necesi!a de una gran ca)da de agua ara o$!ener un caudal en!re 5-= ies c/$icos or minu!o' C&u& ,'. P'+/+;" $ +":$/#r8 p&r& +9$r$"#$' '&#'
2. Caudal vs Posición del inyector
H = 50 pies H = 100 pies H = 150 pies
*n es!a grafica se uede iden!ificar fácilmen!e ue el caudal incremen!a a medida ue se a$re más el in&ec!or e igual ue la gráfica an!erior !enemos un !ercer a!r#n con el cual se recalca lo dic.o an!eriormen!e, al !ener ma&or ca)da al!ura7 e ir cam$iando la osici#n del in&ec!or se (e ue el caudal aumen!a, es decir !enemos una relaci#n direc!amen!e roorcional' Pág. 12 de 16
<$/+& ,'. P&r -#r8 p&r& +9$r$"#$' &p$r#ur&' $ +":$/#r
3. Velocidad vs Par Motor 25% 50% 75% 100%
A menor ar del mo!or se o$!iene una mejor (elocidad, es decir ue la carga .ace ue es!os dos aráme!ros sean in(ersamen!e roorcionales' %or lo !an!o ara diseñar una !ur$ina %el!on se de$erá reali+ar un un!o de #!imo funcionamien!o el cual nos d una (elocidad o!ima las cual no se (ea afec!ada or la carga ues!a a cargo de la !ur$ina' P#$"/+& & 9r$" ,'. <$/+&8 p&r& +9$r$"#$' &p$r#ur&' $ +":$/#r
4. Potencia al freno vs. Velocidad 25% 50% 75% 100%
%ara anali+ar es!a grafica es necesario conocer el funcionamien!o $ásico del freno, el cual se $asa en una ca)da de agua en con!ra del giro de ro!or de la !ur$ina .aciendo ue es!a ueda frenar en mu& cor!o !iemo desus de accionarlo, or lo ue nos mues!ra ue es!a o!encia de freno será ma&or cuando más al!a sea la (elocidad & !am$in cuando el in&ec!or es!e al 100H de su aer!ura'
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P#$"/+& =#+ ,'. <$/+&8 p&r& +9$r$"#$' &p$r#ur&' $ +":$/#r
5. Potencia Útil vs. Velocidad 25% 50% 75% 100%
La o!encia /!il es in(ersamen!e roorcional a la (elocidad, es!o es de$ido a ue si la !ur$ina gira más ráido es orue no !iene imues!a una carga la cual .ará ue es!a ierda (elocidad, es decir energ)a cin!ica, ganando energ)a en la !rasformaci#n de mecánica a elc!rica si es el caso' R$"+-+$"# ,'. <$/+&8 p&r& +9$r$"#$' &p$r#ur&' $ +":$/#r
6. Rendiiento vs Velocidad 25% 50% 75% 100%
*l rendimien!o de igual manera es in(ersamen!e roorcional a la las diferen!es (elocidades de ue alcan+a la !ur$ina & además de eso se uede (er ue el rendimien!o es ma&or cuando el in&ec!or es!á a un <@H de aer!ura lo cual .ace ue no se ierda muc.a energ)a cin!ica, & or o!ro lado es!á la aer!ura del in&ec!or en un 100H lo cual .ace ue se !engan los rendimien!os más deficien!es de su funcionamien!o'
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>.
C"/u'+"$'!
D+$% Gu&-3" • Be (e la gráfica <, la del caudal (s la osici#n del in&ec!or son arecidas &a ue se comor!an de igual manera, lo /nico ue se (e ue (ar)an es or la al!ura del sal!o ue resen!an en cada caso diferen!e' • emos no!ado ue eis!e ma&or rendimien!o cuando la aer!ura del in&ec!or es la más $aja comarándola con las o!ras, en es!e caso es de alrededor del 51HI or lo o!ro lado o$ser(amos ue cuando la aer!ura es!a comle!amen!e a$ier!a es donde se roduce el rendimien!o más $ajo' "onocimos el funcionamien!o de la !ur$ina ue se encuen!ra en el la$ora!orio, as) • como sus alicaciones en la indus!ria, & a.ora &a es!amos lis!os ara sa$er diferenciar en!re una !ur$ina %el!on & una !ur$ina rancis' A9r$ O?& Be logra concluir ue una !ur$ina %el!on ac!/a a grandes al!uras & $ajos caudales, como se lo uede anali+ar en las gráficas de rendimien!o, & de o!encia /!il en funci#n de la (elocidad de la misma, lo cual nos sir(e muc.o ara el es!udio del rinciio de funcionamien!o' Be .a logrado es!a$lecer un rango de correc!o funcionamien!o a ar!ir de la cur(as carac!er)s!icas mos!radas an!eriormen!e, or ejemlo la !ur$ina no de$er)a !ra$ajar a un 100H de aer!ura del in&ec!or or ue el rendimien!o es rela!i(amen!e $ajo, & de igual manera no se odr)a !ra$ar con un in&ec!or a <@H de aer!ura or ue no alcan+ar)a un caudal necesario ara mo(ili+ar dic.a !ur$ina' Be logr# en!ender el funcionamien!o del freno ara una de es!as !ur$inas lo ue .ace ue a una (elocidad mu& grande es!a ueda de!enerse sin ro$lemas, .aciendo ue se !engan menores daños en la ar!e f)sica de la !ur$ina' R$/-$"&/+"$'! D+$% Gu&-3" • *n el arc.i(o ue nos en(iaron ara la rác!ica, fal!a el da!o del ángulo del (er!edero, es!o odr)a causar un ro$lema al momen!o de uerer calcular lo ue se nos ide' Juscar una al!erna!i(a ara reemla+ar la $om$a, &a ue al momen!o en ue se • encuen!ra en funcionamien!o se aaga de sorresa & eso causa males!ar duran!e la reali+aci#n de la rác!ica' A9r$ O?& Be de$er)a u!ili+ar un (ariador de frecuencia ara el correc!o funcionamien!o del mo!or, el cual se aaga cada (e+ ue se recalien!a or el so$reesfuer+o ue reali+a al es!ar encendido or largos eriodos de !iemo' Tra!ar de au!oma!i+ar el sis!ema de la !ur$ina con medidores digi!ales los cuales no den da!os con ma&or recisi#n al momen!o de reali+ar la rác!ica' 10.
R$9$r$"/+&'! .!!:??'ecoolisla'com?es?.&dro-oer?small-.&drooer-lan!s? .!!:??es'i2iedia'org?i2i?Tur$inaK.idrH"3HA1ulica Pág. 15 de 16
.!!:??fluidos'eia'edu'co?.idraulica?ar!iculoses?mauinas.idraulicas?!ur $inas?!ur$inas'.!ml .!!:??in(es!igacionenero<011'i2isaces'com?file?(ie?MarcoKTeorico'df?1605<>?MarcoKTeorico 'df .!!:??c($'e.u'es?oenKcourseKare?cas!ellano?!ecnicas?mauinasKfl uidos?!ema-5-!ur$inas-el!on'df
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