Informe número 1 Laboratorio de Ingeniería Mecánica II PDF

Preview

Summary

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAULA VIRTUAL CON PLATAFORMA EDUCATIVAZOOMCURSO: LABORATORIO DE ING. MECÁNICA IITURBINA PELTONMSC. ING. OSWALDO M. MORALES TAQUIRI2020PRÓLOGOLa utilización de las turbinas en general y en este caso la Turbina Pelton, en la actualidad, h...

Description

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

AULA VIRTUAL CON PLATAFORMA EDUCATIVA ZOOM CURSO: LABORATORIO DE ING. MECÁNICA II TURBINA PELTON

MSC. ING. OSWALDO M. MORALES TAQUIRI

2020

PRÓLOGO

La utilización de las turbinas en general y en este caso la Turbina Pelton, en la actualidad, ha permitido obtener energía eléctrica en la mayoría de los países que tienen una geografía adecuada para este tipo de turbinas. En vista de que en nuestro país existen centrales hidroeléctricas a base de turbinas Pelton, es necesario el conocimiento del funcionamiento del equipo. Para ello se estudia sus características en el laboratorio.

En el laboratorio se ha podido obtener diferentes características del equipo, tales como la variación de la velocidad angular en función de la carga como el caudal; también las implicancias que existen en la eficiencia cuando se varia la presión de entrada (altura efectiva), también la variación de la eficiencia cuando el caudal cambia. Las relaciones mencionadas anteriormente se presentan en forma de gráficos los cuales permitirán el análisis con poca dificultad. INTRODUCCIÓN

La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908) quien, buscando oro en California, concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovechara la energía cinética de un chorro de agua, proveniente de una tubería de presión, incidiendo tangencialmente sobre la misma. Ensayó diversas formas de álabes hasta alcanzar una patente de la rueda en 1880, desde cuya fecha ha tenido gran desarrollo y aplicación.

Son conocidas también como turbinas tangenciales, de impulsión y es la turbina hidráulica apropiada para aprovechar grandes saltos de agua y caudales relativamente pequeños.

La Turbina Pelton, por la sencillez de su construcción y por razones de tipo hidrodinámico es la que tiene la máxima eficiencia entre todos los motores hidráulicos.

Otra de sus cualidades es que permite el acoplamiento directo con los generadores eléctricos de alta velocidad, ya que puede proyectarse para elevadas velocidades tangenciales del rodete.

La dirección del chorro no es realmente axial ni radial, sino que es casi tangencial y de aquí el nombre de ruedas tangenciales.

La admisión del agua tiene lugar por una o más toberas o boquillas que lanzan el agua a la rueda con cucharas que giran por este efecto de impacto de chorro.

El elemento constructivo más importante de las turbinas Pelton es la paleta en forma de doble cuchara, en cierto modo, esta es como una doble paleta de una turbina de acción, el cual recibe el chorro exactamente en la arista media, en donde se divide en dos, circulando por la cavidad de la paleta en un arco de aproximadamente 180°, contrarrestando mutuamente los empujes axiales por cambio de dirección de los dos semichorros.

El recorte dado a las paletas tiene por objeto permitir la colocación de las boquillas muy próximas a las primeras de tal forma que el chorro alcance a las paletas en la dirección más conveniente.

La variación de la cantidad de agua (caudal) para la regulación de la potencia se consigue actualmente y casi sin excepción por medio de una aguja o punzón de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de la boquilla.

En instalaciones más complicadas que las que nosotros vamos a ensayar se dispone además de un deflector o desviador de chorro , y que consiste en una superficie metálica que se introduce en medio del chorro y lo divide, desviando una parte del agua, haciendo que esta salga de la turbina sin producir efecto útil. OBJETIVO

 Conocer en forma objetiva el funcionamiento de una Turbina Pelton.

 Para diferentes caudales observar la variación en los diferentes parámetros. EQUIPO UTILIZADO

 Banco de pruebas de la Turbina Pelton.  Regla graduada 30cm  Tacómetro Digital PROCEDIMIENTO SEGUIDO EN EL ENSAYO

a) Encendemos la bomba y regulamos la boquilla de emisión de agua a una presión determinada (30, 40 y 50psi). b) Medimos la altura en el linnímetro para calcular el caudal. c) Medimos la fuerza en el dinamómetro cuando no hay carga. d) Medimos la velocidad angular con ayuda del tacómetro cuando no hay carga. e) Aplicamos carga al sistema (focos). f) Medimos la fuerza y la velocidad angular. g) Repetimos el procedimiento para las diferentes presiones.

TABLA DE DATOS

Para 40psi

Para 50psi Carga

h(cm)

F(Kg) N(RPM)

0F

10.2

4.5

1399

1F

10.2

5.5

1351

2F

10.2

6.4

1298

Carga

h(cm)

3F

10.2

7.3

1268

0F

10.2

3

1300

4F

10.2

8.15

1248

1F

10.2

4.2

1260

5F

10.2

8.7

1215

2F

10.2

5.1

1232

6F

10.2

9.2

1190

3F

10.2

6

1205

7F

10.2

9.7

1164

4F

10.2

6.5

1175

8F

10.2

10.1

1150

5F

10.2

7.3

1151

9F

10.2

10.3

1133

6F

10.2

7.9

1135

10F

10.2

10.4

1127

7F

10.2

8.4

1122

8F

10.2

8.5

1110

9F

10.2

8.6

1102

10F

10.2

8.8

1098

F(Kg) N(RPM)

Para 30psi

Carga

h(cm)

F(Kg) N(RPM)

0F

11.3

2.4

1150

1F

11.3

3.2

1120

2F

11.3

3.9

1103

3F

11.3

4.5

1085

4F

11.3

5

1070

5F

11.3

5.5

1060

6F

11.3

5.8

1042

7F

11.3

6

1032

8F

11.3

6.2

1026

9F

11.3

6.5

1022

10F

11.3

6.5

1020

PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS a)

Potencia Hidráulica (HPa)

HPa  gQH ……….(1)

Dónde:

ρ: densidad del agua. g: aceleración de la gravedad. H: altura simulada o altura útil.

Q: caudal

H

Donde

P





VT2 2g

VT:velocidad de entrada a la boquilla.

VT 

Donde

Q Ae

Ae: área de entrada a la boquilla (Φ=3”)

5

Q  Cdx (1.416xh 2 )

Donde

Cd: coeficiente de descarga (0.68) h: altura medida en el linnímetro (en metros)

b)

Potencia del Rodete (HPr)

H Pr  QU (Vch  U )(1  k cos(  ) ………….(2)

Donde:

U: velocidad tangencial. Vch: velocidad del chorro. K=0.9 Β=10º Vch  0.975 2gH

U  wrp

Dónde:

w: velocidad angular. rp = 4.8125”

c)

Potencia al Freno (BHP)

BHP  Fd * R * w ……….(3)

Dónde:

Fd: fuerza medida en el dinamómetro. R=3”

d)

e)

f)

Eficiencia Mecánica (ηm)

m 

BHP ……..(4) H Pr

h 

H Pr ……….(5) HPa

T 

BHP ……….(6) HPa

Eficiencia Hidráulica (ηh)

Eficiencia Total (ηT)

TABLAS DE RESULTADOS Para P=30psi h=11.3cm

Con la ayuda de las expresiones antes mencionadas se obtienen:

H  21.1267 m Q  4.133x10  3

m3 s

m s m V ch  19.8504 s HPa  856.5763W

V T  0.9063

Con las expresiones (1), (2), (3), (4), (5) y (6) obtenemos el siguiente cuadro Carga N(rpm) Fd(N) U(m/s) HPr(W) BHP(W)

ηh

ηm

ηt

68.8%

0%

0%

0

1150

0

14.71

589.26

0

1

1120

7.848

14.33

616.77

70.10

72.0% 11.4%

2

1103

14.715 14.11

631.34

129.45

73.7% 20.5% 15.1%

3

1085

20.601 13.88

645.96

178.27

75.4% 27.6% 20.8%

4

1070

25.506 13.69

657.51

217.67

76.8% 33.1% 25.4%

5

1060

30.411 13.56

664.89

257.10

77.6% 38.7% 30.0%

6

1042

33.354 13.33

677.54

277.19

79.1% 40.9% 32.4%

7

1032

35.316 13.20

684.21

290.68

79.9% 42.5% 33.9%

8

1026

37.278 13.13

688.08

305.04

80.3% 44.3% 35.6%

9

1022

40.221 13.08

690.62

327.84

80.6% 47.5% 38.3%

10

1020

40.221 13.05

691.87

327.20

80.8% 47.3% 38.2%

8.2

Para P=40psi h=10.2cm

Con la ayuda de las expresiones antes mencionadas se obtienen:

H  28.138m Q  3.199x10  3

m3 s

m s m V ch  22.9088 s HPa  883.04W

V T  0.7016

Con las expresiones (1), (2), (3), (4), (5) y (6) obtenemos el siguiente cuadro Carga N(rpm) Fd(N) U(m/s) HPr(W) BHP(W)

ηh

ηm

ηt

71.3%

0%

0%

0

1300

0

16.63

629.93

0

1

1260

11.77

16.12

660.33

118.28

74.8% 17.9% 13.4%

2

1232

20.6

15.76

679.73

202.41

77.0% 29.8% 22.9%

3

1205

29.43

15.42

696.98

282.84

78.9% 40.6% 32.0%

4

1175

34.33

15.03

714.44

321.72

80.9% 45.0% 36.4%

5

1151

42.18

14.73

727.14

387.21

82.3% 53.3% 43.8%

6

1135

48.07

14.52

734.97

435.14

83.2% 59.2% 49.3%

7

1122

52.97

14.36

740.95

474.01

83.9% 64.0% 53.7%

8

1110

53.95

14.20

746.19

477.61

84.5% 64.0% 54.1%

9

1102

54.94

14.10

749.52

482.87

84.9% 64.4% 54.7%

10

1098

56.89

14.05

751.14

498.20

85.1% 66.3% 56.4%

Para P=50psi h=10.2cm

Con la ayuda de las expresiones antes mencionadas se obtienen:

H  35.1667 m Q  3.199x10  3

m3 s

m s m V ch  25.6105 s HPa  1103 .6035W

V T  0.7015

Con las expresiones (1), (2), (3), (4), (5) y (6) obtenemos el siguiente cuadro Carga N(rpm) Fd(N) U(m/s) HPr(W) BHP(W)

ηh

ηm

ηt

75.5%

0%

0%

0

1399

0

17.90

832.91

0

1

1351

9.81

17.28

868.38

105.70

78.7% 12.2% 9.6%

2

1298

18.64

16.61

902.27

192.96

81.8% 21.4% 17.5%

3

1268

27.47

16.22

918.99

277.79

83.3% 30.2% 25.2%

4

1248

35.81

15.97

929.15

356.40

84.2% 38.4% 32.3%

5

1215

41.20

15.54

944.19

399.26

85.6% 42.3% 36.2%

6

1190

46.11

15.23

954.15

437.60

86.5% 45.9% 39.7%

7

1164

51.01

14.89

963.19

473.57

87.3% 49.2% 42.9%

8

1150

54.94

14.71

967.51

503.87

87.7% 52.1% 45.7%

9

1133

56.90

14.50

972.23

514.15

88.1% 52.9% 46.6%

10

1127

58.88

14.42

973.77

529.23

88.2% 54.3% 48.0%

GRÁFICAS PARA 30 PSI

HPr vs RPM 700 680 HPr(W)

660 640 620 600 580 1010

1030

1050

1070

1090

1110

1130

1150

1110

1130

1150

RPM

BHP vs RPM 350 300

BHP(W)

250 200

150 100 50 0 1010 -50

1030

1050

1070

1090

RPM

nh vs RPM 82.00% 80.00% 78.00% nh

76.00% 74.00% 72.00% 70.00%

68.00% 1010

1030

1050

1070

1090

1110

1130

1150

1110

1130

1150

RPM

nm

nm vs RPM 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 1010

1030

1050

1070

1090 RPM

nt

nt vs RPM 42% 37% 32% 27% 22% 17% 12% 7% 2% -3%1010

1030

1050

1070

1090

1110

1130

1150

1240

1270

1300

RPM

PARA 40 PSI

HPr(W) vs RPM 760 740 HPr(W)

720 700 680 660 640 620 1090

1120

1150

1180

1210 RPM

BHP(W) vs RPM 600

BHP(W)

500 400 300 200 100

0 1090

1120

1150

1180

1210

1240

1270

1300

1270

1300

RPM

nh vs RPM

nh

86.00%

84.00% 82.00% 80.00% 78.00% 76.00% 74.00% 72.00% 70.00% 1090

1120

1150

1180

1210 RPM

1240

nm vs RPM 70% 60%

nm

50%

40% 30% 20% 10%

0% 1090

1120

1150

1180

1210

1240

1270

1300

1240

1270

1300

RPM

nt vs RPM 60% 50%

nt

40% 30% 20% 10% 0% 1090

1120

1150

1180

1210 RPM

PARA 50 PSI

HPr(W) vs RPM

HPr(W)

980

960 940 920 900 880 860 840 820 1120

1170

1220

1270

1320

1370

1320

1370

RPM

BHP(W) vs RPM 550 450 BHP(W)

350 250

150 50 -501120

1170

1220

1270 RPM

nh vs RPM

nh

90.00%

88.00% 86.00% 84.00% 82.00% 80.00% 78.00% 76.00% 74.00% 1120

1170

1220

1270

1320

1370

RPM

nm vs RPM 60% 50%

nm

40% 30% 20% 10% 0% 1120

1170

1220

1270 RPM

1320

1370

nt

nt vs RPM 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 1120

1170

1220

1270

1320

1370

RPM

OBSERVACIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

 Se observó que el banco de pruebas de la Turbina Pelton solo se puede utilizar para cierto rango de potencias, ya que, para valores fuera de este rango los valores obtenidos presentan mucho error.  Se observó que la turbina a Pelton se encuentra en un estado aceptable de utilización, a diferencia de varios equipos de laboratorio.  Se observó que dinamómetro tiene que estar alineado para tomar los valores de fuerza en forma correcta.  Nótese que el valor del caudal para la medición de 30psi es mayor que los valores de 40psi y 50psi debido a que se varió la aguja de emisión del chorro.  Se observó que la faja de transmisión estaba floja, por eso, se tuvo que regular la aguja de emisión para evitar posibles daños a los alumnos.  Los cortes de las gráficas de BHP y de las diferentes eficiencias cortan al eje de abscisas para el régimen de no carga.

 Las gráficas tanto de potencia como de eficiencia en teoría tienen una tendencia parabólica hacia abajo. Nuestras gráficas presentan la parte de caída de las curvas teóricas.  No podemos comparar las gráficas obtenidas para 30psi con las otras debido a que se cambio de posición la aguja de emisión, pero esto, fue por la falla que presento la faja de transmisión.  En las gráficas obtenidas para 30 y 40psi se observa que para una misma velocidad de giro hay valores de carga diferentes, esto es debido a que los datos tomados estaban fuera del rango aceptable de utilización de la turbina.  Las gráficas para 40 y 50psi demuestran que para una mayor altura de caída de agua, la turbina es más eficiente. Recordemos que las gráficas para 30psi no se pueden comparar con las anteriores.  La eficiencia total máxima de la Turbina Pelton para los datos tomados está alrededor de 45%.  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 cambiar la faja de transmisión....