Laboratorio N° 3 Rendimiento de una Turbina Hidráulica

Universidad de La Serena[pic 3][pic 4]

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Laboratorio N° 3

Rendimiento de una Turbina Hidráulica

Alumno: Samuel Campaña Cortes

Profesor: Santiago Soler Milla

Resumen

Durante el tercer laboratorio de termodinámica aplicada, se realizó una experiencia en base al cálculo de la eficiencia de una turbina hidráulica. Esta experiencia se llevó a cabo con una turbina Francis, con la cual para distintos caudales se midieron valores de rpm de la turbina, carga ejercida, voltaje y amperaje.

Índice

Resumen        1

Introducción        3

Objetivos        3

Marco Teórico y Conceptual        4

Instrumentos utilizados        8

Procedimiento        8

Desarrollo        9

Datos Obtenidos        9

Cálculo de potencias        10

Cálculo de rendimientos        11

Gráficos representativos        11

Conclusiones        13

Bibliografía        14

Introducción

La búsqueda constante sobre los perfeccionamientos hidráulicos ha llevado al hombre a la construcción de distintas turbinas hidráulicas tales como las turbinas Pelton, Kaplan y Francis. Esta última lleva ese nombre en honor al ingeniero inglés James B. Francis, el cual generó una gran cantidad de avances en relación a la ya existente turbina centrípeta.

La turbina Francis durante el tiempo ha evolucionado, convirtiéndola en la actualidad en una de las turbinas más generalizada en el mundo, esto debido a su buena aplicación en aprovechamientos hidráulicos de características muy variadas de caudal y carga.

El presente informe buscara plasmar todo el conocimiento adquirido y los resultados en relación al tercer laboratorio de termodinámica aplicada, todo esto sobre el rendimiento de una turbina hidráulica Francis.

Objetivos

• Cálculo de potencia eléctrica, potencia hidráulica y potencia efectiva de la turbina.
• Cálculo de los distintos rendimientos en relación a las potencias calculadas (rendimiento de la turbina, rendimiento de la bomba, rendimiento del sistema).
• Análisis de las eficiencias obtenidas.

Marco Teórico y Conceptual

Turbina hidráulica: turbo máquina utilizada en sistemas hidroeléctricos, la cual transforma la energía mecánica en energía eléctrica y se pueden clasificar en turbinas de chorro y turbinas de reacción.

Turbinas de chorro: conocidas como las turbinas Pelton, son turbinas que se caracterizan por la elevada presión que presenta el agua y su funcionamiento se resume como un chorro de agua que choca con los álabes de la turbina transfiriéndole su energía y haciendo girar la turbina. Esta, a su vez, hace girar un generador que está acoplado al eje de la turbina para producir energía eléctrica.[pic 5]

Turbinas de reacción: conocidas como las turbinas Francis y Kaplan tiene un funcionamiento bastante similar a las turbinas Pelton, solo que la presión de entrada es más baja.

[pic 6]

Ventajas de una turbina Francis:

• 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.
• Dimensión pequeña, por lo que la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones físicas, también permiten altas velocidades de giro.

Desventajas turbina Francis:

• 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.
• No se recomienda utilizarla en alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.

Durante obtención del rendimiento de una turbina hidráulica se deben conocer una serie de conceptos y formulas, tales como:

Potencia eléctrica: relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo, es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado, y se representa mediante la siguiente ecuación medida en Hp.

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Donde:

•  es el voltaje medido en volts.[pic 8]
•  es la corriente medida en amperes.[pic 9]

Potencia hidráulica: hace referencia a la energía que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. En el caso de la turbina Francis se representa a través de la siguiente formula y se mide en Hp.

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Donde:

•  es el caudal medido en .[pic 11][pic 12]
•  es la presión convertida a metros columna de agua.[pic 13]
•  es el peso específico del agua.[pic 14]

Potencia de la bomba: dentro de la turbina Francis se encuentra una bomba, la cual produce una potencia que se calcula mediante la siguiente formula:

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[pic 16]

Donde:

•  es la eficiencia de la bomba.[pic 17]

Potencia efectiva de la turbina: el cálculo de esta potencia se lleva a cabo gracias al freno de pony, el cual es un sistema dinamométrico, utilizado para medir el par de giro de los motores. En el caso de la turbina Francis el freno de pony se ubica sobre el eje de la turbina y mediante la siguiente formula se logra medir la potencia que ejerce la turbina en Hp.

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