Pantoja Rosario Jesus Maicol_ Turbinas Francis

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU

CARRERA PROFESIONAL DE

ING. MECANICA

Curso : TURBOMAQUINAS

Tema : “LABORATORIO DE TURBINA FRANCIS”

Docente : MORALES

Horario : SABADOS

Salón : Laboratorio 107

Integrantes : Pantoja Rosario Jesus Maicol 1011859

Lima, 02 de Junio del 2013

Tema : LABORATORIO

LABORATORIO TURBINAS FRANCIS

1. OBJETIVOS

Comprender el funcionamiento de la Turbina Francis. Desarrollar teóricamente con la ayuda de cálculos matemáticos los

parámetros que deberían presentarse en turbina.

2. PARTE TEORICA

2.1. Turbina Francis

Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios. Se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial.

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

Alabes directrices de la Turbina

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERUPágina 2

http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=turbinas+francis&source=images&cd=&cad=rja&docid=MIkpLbYNyxZlvM&tbnid=t-izMIbj3-Vc3M:&ved=0CAUQjRw&url=http://members.tripod.com/mqhd_ita.mx/maqinas4.htm&ei=eSqsUYbDIJet4APmwIGQCA&bvm=bv.47244034,d.dmg&psig=AFQjCNGnPFuRwImcUPF9tvPsM_h-Fxq6MQ&ust=1370323912288695


2.2. HISTORIA

Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadas históricamente para accionar molinos dediversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. En el siglo XIX las mejoras logradas en lasturbinas hidráulicas permitieron que, allí donde se disponía de un salto de agua, pudiesencompetir con la máquina de vapor.

En 1826 BenoitFourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete de la turbina provocando su giro. En 1848 James B. Francis mejoró el diseño de Fourneyron y desarrolló una turbina con el90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbinamás eficiente elaborada hasta la fecha. Más importante, sus métodos matemáticos y gráficosde cálculo mejoraron el conocimiento tecnológico en lo referente al diseño e ingeniería deturbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta eficiencia.

2.3. PARTES


http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=turbinas+francis&source=images&cd=&cad=rja&docid=lXT4BXhAOw0vPM&tbnid=-mm7PsFOe1_6RM:&ved=0CAUQjRw&url=http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbina_francis/turbina_francis.html&ei=nyqsUbPQM66t4AOcsIGwCQ&bvm=bv.47244034,d.dmg&psig=AFQjCNGnPFuRwImcUPF9tvPsM_h-Fxq6MQ&ust=1370323912288695


2.3.1. Caja espiral

Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de una turbina

2.3.2. Predistribuidor

Tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral, tienen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.

2.3.3. Distribuidor

Es el nombre con que se conocen los álabes directores de la turbomáquina, su función es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.

2.3.4. Rotor

Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo del número de giros específico para el cual está diseñada la máquina.

2.3.5. Tubo de aspiración

Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia

2.4. TEORÍA DE OPERACIÓN

La turbina Francis es una turbina de reacción, lo cual significa que el fluido cambia de presión a medida que se desplaza a través de la



turbina, perdiendo su energía. Se necesita una carcasa para contener el caudal de agua.La admisión tiene forma de espiral. Los álabes directores dirigen el agua tangencialmente hacia el rodete. Este flujo radial actúa sobre los álabes del rodete, causando que éste gire. Los álabes directores pueden ser ajustables para permitir un funcionamiento eficiente en un rango amplio de condiciones del caudal de agua.

2.5. APLICACIONES

Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada emplazamiento, aefectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden operar durante décadas.

Adicionalmente a la producción de electricidad, pueden ser usadas para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, donde un embalse superior es llenado por la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego es usada como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica. Se fabrican micro-turbinas Francis baratas para la producción individual de energía para saltos mínimos de 3 metros.


Aspiral de entrada de una turbina francis, presa grand

coulee

Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand

Coulee.


2.6. 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 física también permiten altas velocidades de giro.

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

2.7. 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, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.

3.LABORATORIO PRÁCTICO

3.1. TURBINA FRANCIS HM 150.20



La turbina Francis es parte de las turbinas de reacción, que convierten la energía de presión del agua en energía cinética en el dispositivo de control y en el impulsor. El agua se alimenta en el dispositivo de control por medio de una carcasa en espiral. El agua que fluye se acelera en el dispositivo de control ajustable y dirigido sobre las paletas del impulsor. La redirección y la aceleración adicional del agua en el impulsor generan un impulso que se transmite a la rueda Francis. HM 150.20 es el modelo de una turbina Francis que demuestra la función de una turbina de reacción.

La unidad experimental consiste en la rueda Francis, el dispositivo de control con paletas de guía ajustables, una banda de freno para la carga de la turbina y una carcasa con un panel frontal transparente. La cubierta transparente que permite observar el flujo de agua, la rueda y las paletas de guía durante el funcionamiento. El ángulo de incidencia y por lo tanto la velocidad del impulsor se modifican mediante el ajuste de las paletas de guía.El par de la turbina se determina por medición de la fuerza en un freno de cinta y se lee en los saldos de primavera. Para la medición de la velocidad de rotación, un sensor de velocidad sin contacto, por ejemplo, Se requiere HM 082,. Un manómetro indica la presión de agua en la entrada de la turbina.



El equipo de ensayo se coloca en la superficie de trabajo del módulo básico HM 150 de una manera sencilla y segura. El suministro de agua y medición de caudal se proporcionan a través del HM 150. Alternativamente, la unidad experimental puede ser operada por el suministro de laboratorio. El material didáctico, bien estructurado, representa los fundamentos y guía paso a paso por los distintos ensayos.

El modelo está constituido por las siguientes partes:

1.- Placa Base

2.-Entrada al tubo de presión

3.-Carcasa en espiral

4.-Paletas principales

5.-Rueda de rodadura

6.-Regulador de paleta principal

7.-Dispositivo de Freno ajustable

8.-Balanza de resorte

9.-Manometro

10.-Salida de tubo de aspiración

3.2. Pasos

Para realizar el laboratorio, lo primero que se debe realizar es el montaje y ajuste del equipo de modo que el tubo de aspiración pueda conducir al agua del canal. Establecer la unión de manguera y demás conexiones.

El siguiente paso es soltar por completo el dispositivo de freno de la turbina de volante. Cerrar el grifo principal, conectar la bomba y abrir el grifo principal lentamente y por completo.

Soltar la paleta para la regulación principal mediante giro y eliminar el aire de aspiración acercando y alejando las paletas principales.



3.3. Toma de Datos

Para la toma de datos será necesario:

Regular la paleta principal o los alabes directrices

El ángulo de contacto del agua sobre las paletas de la rueda de rodadura queda determinado por la posición de las paletas principales. Este ángulo de contacto determina el número de revoluciones (RPM) y de esta manera también la potencia de la turbina.

La regulación de paleta principal se suelta girando la palanca de regulación.

La posición de las paletas principalmente se indica en la parte superior de la escala del disco de regulación.

*Determinación de la corriente volumétrica:



La corriente volumétrica estará en función al tiempo en que toma el deposito llenar un volumen constante de 5 Litros en todas las pruebas.

* Determinación de las RPM:

Para determinar las RPM haremos uso de un tacómetro, el cual indica el número de revoluciones con ayuda de una marca de reflexión. La marca de reflexión se pega en la polea.

*Determinación de la altura de la caída:

La altura de caída H de la columna de agua será proporcional a la presión de la bomba aplicada delante de la turbina. Esta se pueda leer en el manómetro. En este laboratorio trabajaremos con una presión; por tal una altura; constante:

PManometro=H=0.2 ¿̄

*Determinación de la fuerza de fricción:

Para determinar la fuerza se deberá aplicar la diferencia de los dos valores F2 y F1.

Con el volante se deberá girar el travesaño hacia arriba hasta que ambas balanzas de resorte indiquen un valor. Leer las fuerzas F1 y F2, para calcular F en N.

Datos tomados:

Primer Cuadro: Regulación de Alabes directrices a 5°



N°

Prueb

a

P.

Manométrica

(Bar)

Fuerza(N)

Tiempo (Q) RPMF1-F2

01

0.1

0 8.87 1931.7

02 0.6 9.03 1999.5

03 0.8 9.04 1447.3

04 1.1 8,18 1286.6

05 1.3 8.37 1215.9

06 0.8 8.32 1125.0

Segundo Cuadro: Regulación de Alabes directrices a 10°

N°

Prueb

a

P.

Manométrica

(Bar)

Fuerza(N)

Tiempo (Q) RPMF1-F2

01

0.1

0 9.22 2174

02 0.6 8 1874.1

03 0.8 8.37 1762.6

04 1.1 8.05 1608.5

05 1.3 7.44 1541,3

Tercer Cuadro: Regulación de Alabes directrices a 15°



N°

Prueb

a

P.

Manométrica

(Bar)

Fuerza(N)

Tiempo (Q) RPMF1-F2

01

0.1

0 8.28 2192.3

02 0.5 8.03 1937.1

03 0.7 8.02 1877.6

04 0.9 7.58 1649.1

05 1.1 7.85 1516.4

06 1.3 7.32 1647.4

1.1. Cálculos

Par M en el Árbol:

Par=Fuerza∗Brazode palanca

M= F∗D2

Donde:D=0.05m.

Potencia Pab del árbol de la turbina:

Par=par∗velocidaddel angulo

Par=M∗2∗π∗n

60[W ]

Donde n esta en 1/min.

Potencia Hidráulica Phyd:

La potencia hidráulica esta en función de la corriente volumétrica y la altura de caída.

Phyd=V∗P∗V 5

1000∗60[W ]

Donde V esta en ltrs / min y P en Bar.



Grado de efectividad:

Grado de efectividad= potencia Árbol/ Potencia Hidráulica

η=ParbPhyd

De acuerdo a estas formulas y con los datos tomados, tendremos los siguientes resultados:

Presion barometrica

en bar

tiempo en segundos

v en litros/min

RPMFuerza(N) Par del

arbol M en N/m

Potencia del arbol

parb en W

Potencia hidraulica phyd en W

Grado de efectividad

nF1-F2Alaves directrices a 5°



0.1

8.87 44.35 1931.7 0 0 0 12.6826642 09.03 45.15 1999.5 0.6 0.015 3.1408146 14.1187184 0.222457499.04 45.2 1447.3 0.8 0.02 3.03122512 14.2127906 0.213274458.18 40.9 1286.6 1.1 0.0275 3.70515068 7.80168835 0.474916528.37 41.85 1215.9 1.3 0.0325 4.13819406 8.95409141 0.462156788.39 41.95 1125 0.8 0.02 2.3562 9.0832348 0.25940098

Alaves directrices a 10°

0.1

9.22 46.1 2174 0 0 0 15.9975804 0

8 40 1874.1 0.6 0.015 2.94383628 6.82666667 0.43122602

8.37 41.85 1762.6 0.8 0.02 3.69158944 8.95409141 0.41227962

8.05 40.25 1608.5 1.1 0.0275 4.6321583 7.08670016 0.65364107

7.44 37.2 1541.3 1.3 0.0325 5.24566042 4.41678632 1.18766452

Alaves directrices a 15°

0.1

8.28 41.4 2192.3 0 0 0 8.39171636 0

8.03 40.15 1937.1 0.5 0.0125 2.5356639 6.98171389 0.36318645

8.02 40.1 1877.6 0.7 0.0175 3.44088976 6.9297088 0.49654175

7.58 37.9 1649.1 0.9 0.0225 3.88560942 4.9395116 0.78663838

7.85 39.25 1516.4 1.1 0.0275 4.36692872 6.09377923 0.71662076

7.32 36.6 1647.4 1.3 0.0325 5.60676116 4.00622431 1.39951254

Graficas

Con los resultados realizaremos los siguientes gráficos:



La grafica anterior nos da la relación entre el Par del Árbol y las revoluciones de la turbina para las tres configuraciones (5, 10 y 15) grados de los alabes directrices.

Podemos apreciar que para los tres casos, según se disminuye el par (Debido a las diferencias de las fuerzas) las RPM aumentan. La variación de los ángulos de alabes directrices son los que marcan la diferencia entre RPM’s en la grafica.

Para el caso del cambio de 15 ° El par mayor no se pudo graficar debido a que no era posible medir la fuerza F, para calcular en M.



El grado de efectividad de la turbina como en toda maquina nos proporcionara información de su eficiencia, en la grafica la eficiencia de la turbina es mayor en cuanto las RPM son menores. Para el caso de 5° podemos observar que la mayor eficiencia alcanzada esta en el orden de 0.3 a 0.35. Si en comparación vemos el grafico para 10° a aproximadamente 1950 RPM podemos ver que la eficiencia es del orden de 0.4 a 0.45, y esta viene a ser el máximo valor entre nuestros cálculos.

La variación de alabes entre 5 y 10 grados marca una eficiencia de 0.3 para 1700 y 2100 rpm (haciendo una diferencia de 400 rpm), es decir la maquina conserva la misma eficiencia para estos casos. La diferencia entre las rpm de 10 y 15 grados de alabes no es mayor de 100 rpm.

1.BIBLIOGRAFIA

Manual de Experimentos HM 150.20



http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis


Documents

Pantoja Rosario Jesus Maicol_ Turbinas Francis