Turbina Francis 2014b

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA - ENERGÍA TITULO: TURBINA FRANCIS PROFESOR: Ing. Pinto Espinoza Hernán CURSO: Ingeniería Térmica e Hidráulica experimental G. HORARIO: 01L ALUMNOS(S): Alvarez Caycho Raúl Cortes Herrera Iván Laureano Ninaquispe Marcelo

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA - ENERGÍA

TITULO: TURBINA FRANCIS

PROFESOR: Ing. Pinto Espinoza Hernán

CURSO: Ingeniería Térmica e Hidráulica experimental

G. HORARIO: 01L

ALUMNOS(S): Alvarez Caycho RaúlCortes Herrera IvánLaureano Ninaquispe Marcelo

CALLAO – 2014

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ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................................... 1

2. OBJETIVO................................................................................................................................................... 1

3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS......................................................................................................................... 1

4. ESQUEMA DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................................................................2

5. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO.................................................................................................................... 5

6. TABULACIÓN DE DATOS............................................................................................................................. 5

7. ANÁLISIS Y METODOLOGÍA DEL CÁLCULO...................................................................................................6

7.1. POTENCIA DEL AGUA (HPA)..............................................................................................................................67.2. POTENCIA AL EJE (BHP)...................................................................................................................................77.3. EFICIENCIA TOTAL (nt )....................................................................................................................................7

8. TABULACIÓN DE RESULTADOS.................................................................................................................... 8

9. GRAFICAS................................................................................................................................................... 8

10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................................................................10

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

1. INTRODUCCIÓN

La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomaquina motora a reacción y de flujo mixto.

Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.

2. OBJETIVO

Conocer y analizar el principio de funcionamiento de la turbina Francis. Analizar la variación de la eficiencia de una turbina Francis, debido a la

variación de la velocidad de giro de su eje (rpm), por el aumento de carga en él.

3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas de la turbina Francis o también llamada VGR:

Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.

Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.

Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones físicas, también permiten altas velocidades de giro.

Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento.

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

Desventajas:

No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.

Hay que controlar el comportamiento de la cavitación. No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de

caudal debido a que el rendimiento cae al disminuir el caudal de diseño, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.

4. ESQUEMA DEL BANCO DE PRUEBAS

Ilustración 1: Turbina Francis

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

Ilustración 2: vista de la volante de la turbina

Ilustración 3: especificaciones técnicas de la turbina

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

Marca: ARMFIELD HIDRAULIC ENGINEERING Co. Ltda. RINGWOOD HARTS, ENGLAND.Tipo: Ns 36 MK2.Potencia: 2,5 BHP.Velocidad: 1000 RPM.Tamaño nominal del rodete: 6 “.Velocidad específica: 36 RPM.Altura neta: 20 pies.Velocidad de embalamiento máximo : 1800 RPM.Diámetro de la volante: 12 “.Diámetro de la entrada: 6 “.

Figura 1: Esquema del banco de pruebas

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

5. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

Seleccionamos una presión a la entrada de la turbina para que permanezca constante en todo el procedimiento

Agregamos la carga al plato porta pesas Tomamos medidas de la altura del linimetro, las revoluciones del eje de

la turbina y la fuerza que marca el dinamómetro. Repetimos los pasos para una toma de datos considerable.

6. TABULACIÓN DE DATOS

Pto W(Kg) F(Kg) N(rpm) hlin(m) P2(Pa) R (m)1 0 0 1626 0.158 103421.359 0.1522 0 1.5 1495 0.1595 103421.359 0.1523 0.5 1.9 1505 0.16 103421.359 0.1524 1 2.5 1497.5 0.1585 103421.359 0.1525 1.5 3.2 1472.5 0.16 103421.359 0.1526 2 3.9 1417 0.1615 103421.359 0.1527 2.5 4.55 1412.5 0.161 103421.359 0.1528 3.5 6 1338 0.1635 103421.359 0.152

7. ANÁLISIS Y METODOLOGÍA DEL CÁLCULO

7.1. Potencia del agua (HPa)

Es aquella suministrada por el agua, debido a una caída desde una altura determinada, hacia la turbina, se calcula mediante la siguiente expresión:

HPa=γ .Q . Hu

Hu=∆Z+Pγ

+V 2

2−V 12

2g

Caso particular para el equipo de laboratorio:

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

Z = Altura geodésica = 1.21 - h

D1 = Diámetro de entrada = 6’’= 0.152 m

D2 = Diámetro de salida = 9.8’’= 0.25 m

Q = Caudal = 1.1416h5 /2

P/ = Altura estática

= Peso específico (1000 kg/m3)

h = Altura del punto de inicio del linimetro = 0.655 m

R = Radio de la volante = 6” = 0.152 m

Las cotas indicadas se muestran en la siguiente figura y en ella podemos apreciar que la altura geodésica “Z” está comprendida entre el manómetro y el nivel de agua en el tanque medidor de caudal. Los diámetros indicados pertenecen a la entrada y salida del tubo difusor.

Figura 2: Representación de la turbina Francis del laboratorio

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

7.2. Potencia al eje (BHP)

Es aquella producida por el eje debido a la cedida por el rodete. Se calcula por:

BHP=T .w

Dónde:

T=F . R

F :Fuerzade fricción

w :Velocidad angular

7.3. Eficiencia total (nt)

Es la eficiencia de toda la turbomaquina, dada por:

nt=BHPHPa

8. TABULACIÓN DE RESULTADOS

Pto Z(m) Q(m3/s) V2(m/s) V1(m/s)

1 1.052 0.0141 0.7743 0.2862 170.2743

2 1.0505 0.0144 0.7928 0.2931 156.5560

3 1.05 0.0145 0.7991 0.2954 157.6032

4 1.0515 0.0142 0.7805 0.2885 156.8178

5 1.05 0.0145 0.7991 0.2954 154.1998

6 1.0485 0.0148 0.8179 0.3024 148.3879

7 1.049 0.0147 0.8116 0.3000 147.9167

8 1.0465 0.0153 0.8435 0.3118 140.1150

Pto Hu(m) Hpa(W) T(N.m) BHP(W) nt(%)

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

1 11.62 1601.81 0.00 0.00 0.00

2 11.62 1640.07 2.24 350.17 21.35

3 11.62 1652.95 2.09 329.01 19.90

4 11.62 1614.51 2.24 350.75 21.73

5 11.62 1652.95 2.53 390.88 23.65

6 11.62 1691.94 2.83 420.40 24.85

7 11.62 1678.88 3.06 452.15 26.93

8 11.62 1744.79 3.73 522.32 29.94

9. GRAFICAS

1626 1495 1505 1497.5 1472.5 1417 1412.5 13380.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

RPM

BHP(

W)

Grafica 1: BHP vs RPM

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1626 1495 1505 1497.5 1472.5 1417 1412.5 13380.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

RPM

T(N

.m)

Grafica 2: T vs RPM

1626 1495 1505 1497.5 1472.5 1417 1412.5 13380.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

RPM

nt(%

)

Grafica 3: nt vs RPM

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ENSAYO DE TURBINA FRANCIS

10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los valores mismos de la eficiencia hidráulica, podemos ver que son bastante bajos, en su mayoría menores a 45% e incluso tan bajos como 10%. Esto no coincide con las altas eficiencias que las turbinas Francis suelen tener.

En la curva de la posición dos está la concavidad hacia abajo que explica por qué los valores de la velocidad angular subían y luego volvían a bajar.

Para obtener un valor más exacto de la eficiencia hidráulica se debe tener las siguientes consideraciones:

Calibrar el dinamómetro cuando la rueda gire sin carga. Colocar las pesas una sobre otra, sin retirar ninguna ya puesta, ya

que la variación de presión des calibra el dinamómetro. Conseguir un dinamómetro lo más preciso posible.

Evitar el calentamiento en la volante, echando agua como líquido refrigerante.

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