Practica Turbina Francis
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8/3/2019 Practica Turbina Francis
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Instituto Politcnico NacionalEscuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica
Unidad Profesional Culhuacn
Laboratorio de Ingeniera Hidrulica
Practica: Turbina Francis
Profesor: Ing. Armando Garca Espinoza
Alumnos:
Garca Santiago Arturo IssacHernndez Ortega Mayra GracielaOlgun Tinajero Omar AdrinRodrguez Hernndez Jorge Eduardo
Grupo: 7MV-1
31 Agosto 2011
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1. Objetivo:
Observar y analizar el comportamiento de una turbina Francis y obtenermediante los instrumentos que se emplean, los datos de las energas que semanejan para calcular y trazar sus curvas.
2. Consideraciones Tericas:
La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomquina motora a reaccin y de flujo mixto.
Las turbinas Francis son turbinas hidrulicas que se pueden disear para unamplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos dedesnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, juntocon su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el msampliamente usado en el mundo, principalmente para la produccin de energa
elctrica mediante centrales hidroelctricas.
Las norias y turbinas hidrulicas han sido usadas histricamente para accionarmolinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. En el siglo XIXlas mejoras logradas en las turbinas hidrulicas permitieron que, all donde sedispona de un salto de agua, pudiesen competir con la maquina de vapor.
En 1826 Benoit Fourneyron desarroll una turbina de flujo externo de altaeficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a travs del rodete de laturbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V. Poncelet dise unaturbina de flujo interno que usaba los mismos principios, y S. B. Howd obtuvoen 1838 una patente en los EE.UU. para un diseo similar.
En 1848 James B. Francis mejor estos diseos y desarroll una turbina con el90% de eficiencia. Aplic principios y mtodos de prueba cientficos paraproducir la turbina ms eficiente elaborada hasta la fecha.
Ms importante, sus mtodos matemticos y grficos de clculo mejoraron elnivel de desarrollo alcanzado (estado del arte) en lo referente al diseo eingeniera de turbinas. Sus mtodos analticos permitieron diseos seguros deturbinas de alta eficiencia.
Rodete Turbina Francis
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Partes:
Caja espiral:
Tiene como funcin distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete
de una turbina
Pre distribuidor:
Tienen una funcin netamente estructural, para mantener la estructura de lacaja espiral, tienen una forma hidrodinmica para minimizar las prdidashidrulicas.
Distribuidor:
Es el nombre con que se conocen los labes directores de la turbomquina, su
funcin es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar alfluido para mejorar el rendimiento de la mquina. Este recibe el nombre dedistribuidor Fink.
Rotor
Es el corazn de la turbina, ya que aqu tiene lugar el intercambio de energaentre la mquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo delnmero de giros especfico para el cual est diseada la mquina.
Tubo de aspiracin
Es la salida de la turbina. Su funcin es darle continuidad al flujo y recuperar elsalto perdido en las instalaciones que estn por encima del nivel de agua a lasalida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto deaspiracin, el cual recupera parte de la energa que no fuera entregada al rotoren su ausencia.
Alabes Directores Min. Caudal Alabes Directores Max. Caudal
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3. Mtodo de Operacin:
Prueba a Velocidad Variable
1. Verifique la Vlvula de la bomba este cerrada y que el ngulo del distribuidor
de la turbina sea 0
2. Energice la bomba y lea el valor de la presin a vlvula cerrada, es decir agasto igual a 0. Este dato le servir para que posteriormente recurra a la curvacaracterstica de la bomba para obtener el dimetro del impulsor de la misma.Tambin con eta curva caracterstica se encontraran los valores de caudalcorrespondientes a cada valor de presin.
3. Abra completamente la vlvula de descarga de la bomba posteriormentedeslice la palanca del distribuidor en forma lenta hasta 15
4. Con el freno vari el torque hasta obtener las r.p.m. de la turbina propuestasen el cuadro de datos y registre los valores que se piden para cada lectura.Tome la lectura del nivel de acuerdo al plano de la instalacin.
5. Al concluir la prueba a velocidad variable lleve a 0 el distribuidos y libere elfreno de la turbina.
Prueba a Velocidad Constante
1. Mueva la palanca del distribuidor a los grados que indica el cuadro de datoscon el freno de la turbina alcanzar para diferentes lecturas una velocidadconstante de 1200 r.p.m. Si en las primeras posiciones del distribuidor noalcanza la vel. indicada contine con la sig., posicin del distribuidor.
2. Registre las lecturas que se piden en el cuadro de datos. Tome la lectura delnivel de acuerdo al plano de la instalacin
3. Al finalizar la practica cierre completamente la vlvula de descarga de laboba y apguela.
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4. Cuadro de Datos:
a) Prueba a Velocidad Variable:
Concepto
Lecturas
1 2 3 4 5 6 7 8Angulo
Distribucin15 15 15 15 15 15 15 15
Velocidad(r.p.m.)
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
Presin deDescarga
Bomba(Pdb=Kg/cm2)
0.1 0.9 0.8 0.9 0.85 0.85 0.85 0.85
Presin de
entrada a laTurbina
(Pt=Kg/cm2)
1 1 1 0.9 0.95 0.9 0.9 0.9
Nivel (cm) 8 9 9.5 9.5 9.5 9.7 9.7 9.5Caudal
(Qb=m3/s)
0.062 0.056 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055
Fuerza (N) 45 34.5 45 70 71 71 71 71
b) Prueba a Velocidad Constante:
ConceptoLecturas
1 2 3 4 5 6 7 8
Angulodistribucin
0 5 10 15 20 25 30 35
Velocidad(r.p.m.)
1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200
Presin deDescarga
Bomba(Pdb=Kg/cm2)
1.3 1.2 1 0.9 0.75 0.65 0.55 0.5
Presin deentrada a la
Turbina(Pt=Kg/cm
2)
1.3 1.25 1.05 0.9 0.75 0.65 0.55 0.5
Nivel 5 6 8 9.3 10.7 11 11 11.5Caudal
(Qb=m3/s)
0.063 0.063 0.059 0.056 0.048 0.047 0.047 0.045
Fuerza (N) 20 35 71 71 71 71 70.5 69
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5. Ejemplo de Calculo:
a) Velocidad del Fluido dentro de la turbina, V
=
D tubo= 6
rea del Tubo = ((r2)) = ((0.07622))= 0.0182 m.
V= (0.063/0.0182)= 3.406 m/s
b) Carga Efectiva neta sobre la turbina, Hn.
= m.
Hst= Nivel datoHet= 62.5 cm.
Hn= (0.08) + (0.625) + 3.4062/2(9.81) = 1.296 m
c) Potencia Hidrulica sobre la turbina , Nh.
* Q * Hn = (kW)
Nh = (9810)*(0.063)*(0.7110) = 788.253 kW.
d) Potencia Mecnica generada por la turbina, Nm.
= (W)
donde:
T= F(r)= (Nm)r = 0.25
Nm = (45*0.25)(2000) = 22500 W
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6. Cuadro de Resultados:
a) Prueba a Velocidad Variable
ConceptoLecturas
1 2 3 4 5 6 7 8
Vel. DelFluido
3.406 3.076 3.021 3.021 3.021 3.021 3.021 3.021
Carga netaTurbina
(Hn= m.c.a.)1.296 1.197 1.185 1.185 1.187 1.187 1.187 1.187
Carga de
descarga(Hd= m) 0.0009 0.0004 0.0002 0 0.00005 0.00005 0.00005 0.00005
PotenciaHidrulica
de laTurbina(Nh= W)
788.253 657.583 639.366 639.366 639.366 640.445 640.445 640.445
PotenciaMecnica de
la Turbina(Nm= W)
22500 15525 18000 24500 21300 17775 14200 10650
Rendimiento(= %)
28.22 23.60 28.15 38.31 33.31 27.71 22.17 16.52
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b) Prueba a Velocidad constante
ConceptoLecturas
1 2 3 4 5 6 7 8
Vel. DelFluido
(V= m/s)3.461 3.461 3.241 3.076 2.637 2.582 2.582 2.472
Carga netaTurbina
(Hn= m.c.a.)1.285 1.295 1.240 1.2 1.086 1.074 1.074 1.051
Carga dedescarga(Hd= m)
0 0.00005 0.00005 0 0 0 0 0
Potencia
Hidrulicade la
Turbina(Nh= W)
794.168 800.348 717.699 659.232 511.375 495.189 495.189 463.963
PotenciaMecnica de
la Turbina(Nm= W)
6000 10500 21300 21300 21300 21300 21300 20700
Rendimiento
(= %)
7.5 13.11 29.67 32.31 41.65 43.01 42.71 44.61
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7. Graficas:
Las siguientes graficas representan a cada una de las tablas de resultados
a) Para este caso No. De r.p.m. (n) contra (Q,Hn,Nm,Nh y )
Prueba a velocidad variable
0.05
0.052
0.054
0.056
0.058
0.06
0.062
0.064
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Q
RPM
1.12
1.14
1.16
1.18
1.2
1.22
1.24
1.26
1.28
1.3
1.32
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Hn
RPM
-
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10/20
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Nh
RPM
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Nm
RPM
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
RPM
-
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Prueba a velocidad constante
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200
Q
RPM
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200
Hn
RPM
-
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0
5000
10000
15000
20000
25000
1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200
Nm
RPM
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200
Nh
RPM
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200
RPM
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b) Para este Caso Caudal (Q) contra (n,Hn,Nm,Nh, y )
Prueba a velocidad variable
0
500
1000
1500
2000
2500
0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062
RPM
Q
1.12
1.14
1.16
1.18
1.2
1.22
1.24
1.26
1.28
1.3
1.32
0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062
Hn
Q
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0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062
Nm
Q
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062
Nh
Q
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.056 0.062
Q
-
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Prueba a velocidad constante
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063
RPM
Q
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063
Hn
Q
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0
5000
10000
15000
20000
25000
0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063
Nm
Q
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063
Nh
Q
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0.045 0.047 0.047 0.048 0.056 0.059 0.063 0.063
Q
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8. Imgenes de la turbina
Banco de pruebas
Bomba
Turbina Francis
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Indicador de revoluciones
Dispositivo compuesto de un freno de disco y mordaza parala indicacin de la fuerza ejercida por la turbina
Indicador de fuerza
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9. Conclusiones:
Este tipo de turbina es ampliamente utilizada en las hidroelctricas ya quegracias a su diseo con alabes ajustables se puede alcanzar una buenaeficiencia.
La prueba realizada fue de gran ayuda para entender mejor el funcionamientode esta turbina ya que pudimos observar la gran variacin que puede haber enla fuerza y en la velocidad que produce la turbina conforme se van ajustandolos alabes a un grado mas alto.Tambin se pudo observar, mediante las graficas realizadas anteriormente, queexiste una gran variacin entre las rpm y el caudal, tanto en la prueba avelocidad variable como a velocidad constante.Uno de los pequeos inconvenientes que se encontraron al realizar las pruebasfue que el freno de disco que tiene el dispositivo tiende a calentarse demasiadoocasionando que se amarre y con esto una gran perdida de tiempo entre cadaprueba correspondiente.
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10. Bibliografa:
Titulo: Mecnica De Fluidos Y Maquinas HidrulicasAutor: Claudio MataixEditorial: Ediciones del Castillo
Ao: 1986
Titulo: Mecnica de FluidosAutor: Robert L. MottEditorial: PearsonAo: 2006
www.wikipedia.org
http://www.wikipedia.org/http://www.wikipedia.org/