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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III
ENSAYO DE BOMBA - TURBINA
PROFESOR: ING. PAEZ.
SECCION: C
ALUMNOS:AVALOS HUAPAYA, BENIGNO
FERNANDEZ IBARRA, RIDERD
GAMBOA ALARCON, BRADY
PACUS MONCADA, JOSE LUIS
QUISPE BENARDO, ANDRES.
ROJAS ZAVALA, CESAR.
2006
ENSAYO DE BOMBA - TURBINA
I.- OBJETIVO
Demostrar que toda bomba es reversible, que funciona como bomba y como turbina
Evaluar cuando existe mayor eficiencia del grupo en su funcionamiento como bomba o como turbina a una misma velocidad de rotación y un mismo ángulo de las hélices.
II.- FUNDAMENTO TEORICO
Las caídas de las masas de agua, producidas por los desniveles existentes en los cauces por los que aquellas discurren, fueron de antiguo utilizadas para producir energía mecánica por medio de ruedas de paletas y de cajones que, aunque eran artefactos rudimentarios, tenían adecuadas aplicaciones, entre otras, para elevar agua en los riegos, para mover molinos harineros, también movidos por rodeznos, para el trabajo de batanes, etc. Una masa de agua de peso P(kg) al caer desde una altura de H metros, produce un trabajo P x H (kgm), que, estimado en caballo de vapor (CV) vale: .
Desde luego esta energía no es toda útil porque existen pérdidas en la misma con el funcionamiento del receptor y por ello, los antiguos artefactos solamente aprovechaban una reducida fracción de la producida por la caída del agua.
A medida que la técnica fue progresando, se perfeccionaron los aparatos para aprovechar el salto de agua en su producción de energía y con ellos se logró que se perdiese de esta la menor cantidad posible. Anteriormente y con artefactos primitivos se llegaba a perder hasta 70% de la energía potencial, mientras que en la actualidad las turbinas modernas permiten rendimiento del 85 al 91%.
Resulta pues, que la potencia realmente útil se obtendrá multiplicando la potencia teórica por un coeficiente, menor que la unidad, al cual se le denomina rendimiento. La potencia útil será pues
La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.
Un sistema de captación de agua provoca un desnivel que origina una cierta energía potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la misma un movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente eléctrica.
En el trabajo que sigue vamos a interiorizarnos acerca de los distintos tipos de centrales y turbinas generadoras, como así también sus partes constitutivas más importantes.
DIFERENCIAS ENTRE UNA BOMBA Y UNA TURBINA
La teoría hidrodinámica básica de aplicación es la misma para ambas máquinas;
sin embargo, el comportamiento del flujo de fluido real incluyendo la fricción y
la turbulencia resultan diferentes en algunos aspectos para el diseño de la bomba
y la turbina.
Algunas diferencias particulares son:
TURBINA BOMBA
Flujo de Energía
-La entrada de energía es de tipo hidráulica y por medio de un fluido (agua) bajo presión.-La salida de la energía es de tipo mecánica y a través del torque en el eje de la máquina.
-La entrada de la energía es de tipo mecánica y a través del torque en el eje de la máquina.-La salida de la energía es de tipo hidráulica y por medio de un fluido bajo presión.
Altura de PresiónHidráulica
-La altura neta de la Turbina decrece (fricción fluida) con el incremento del caudal.
-La altura neta de la Turbina decrece (fricción fluida) con el incremento del caudal.
Sentido de RotaciónEl rotor de la turbina gira en dirección opuesta al sentido de rotación del impulsor de la bomba.
Dirección del Torque En ambos modos tienen la misma dirección
Turbinas Hidráulicas
Definición: La turbina hidráulica es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa.
Así como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al fluido; una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica. Teóricamente, suministrando energía hidráulica a la máquina, e invirtiendo el flujo, una bomba podría trabajar como turbina. Prácticamente, el rendimiento sería muy bajo, y a veces nulo.
TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS. Tenemos tres tipos de turbinas hidráulicas utilizados con mejores resultados en la actualidad.
Los tres tipos objeto de estudio son :
- Turbinas PELTON
- Turbinas FRANCIS
- Turbinas KAPLAN
TURBINAS PELTON. Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción. Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente).
Por razones hidroneumáticas, y por sencillez de construcción, son de buen rendimiento para amplios márgenes de caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo). Por ello se colocan pocas unidades en cada central que requiere turbinas de estas características.
Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada, la cual nos servirá de referencia para hacer las descripciones necesarias.
TURBINAS FRANCIS.
Son conocidas como turbinas de sobrepresión por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción.
El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente).
Consideraremos la siguiente clasificación, en función de la velocidad específica del rodete, cuyo número de revoluciones por minuto depende de las características del salto.
- Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más).
- Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m)
-Turbinas Francis rápidas y extrarrápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m).
Las turbinas Francis, son de rendimiento óptimo, pero solamente entre unos determinados márgenes (para 60 % y 100 % del caudal máximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total.
Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o vertical siendo esta última disposición la más generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de unidades de gran potencia.
TURBINAS KAPLAN.
Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan, son turbinas de admisión total, incluidas así mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos.
Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante).
Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal. A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis.
Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada
BOMBAS
Principio y Funcionamiento:
Una bomba es un sistema mecánico o electro-mecánico, el cual aprovecha la energía del movimiento realizando acciones de regulación y control para elevar o mover el agua.La clasificación toma en cuenta la forma cómo el fluido se desplaza dentro de los elementos de la bomba, así para aquellos en los que el fluido se desplaza a presión dentro de una carcaza cerrada, como resultados del movimiento suavizada de un pistón o embolo, se le denomina “bombas de desplazamiento positivo”, mientras que las bombas en las cuales el fluido es desplazado por el movimiento circular de uno o varios impulsores provistos de alabe, se les denomina “Bombas Centrifugas”.
La bomba centrifuga funciona bajo el principio de la centrifugación, en estas bombas el motor o cualquier otro medio que las accione hace girar una hélice con las arpas sumergidas en agua y encerradas en un estuche. El agua penetra en la caja e inmediatamente en el flujo del centro de dicho impulsor hacia los bordes del mismo o a las cajas parte exterior de la caja donde se eleva con rapidez la presión de la carga.
Para aligerar esta presión, el agua escapa por el tubo de salida. La bomba centrifuga no funciona hasta que la caja queda totalmente llena de agua o cebada.
Tanto las verticales como las horizontales succionan agua dentro de sus propulsores, por lo que deben ser instaladas a solo unos cuatro metros sobre la superficie del agua.
En estas condiciones el tipo vertical tiene mayor ventaja, porque puede bajarse a la profundidad que separa el bombeo y el eje vertical es lanzado a la superficie donde está el motor. la bomba centrifuga se limita al bombeo en los depósitos de agua, lagos o pozos poco profundos, donde la succión no es mayor de 6 metros.
La bomba centrifuga horizontal es la más usada, cuesta menos, es fácil de instalar y es más accesible para su inspección y mantenimiento, sin embargo, requiere mayor espacio que la bomba de tipo vertical.
III.- PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO
OPERACIÓN COMO TURBINA
Ensayo con generador, sin regulador
Antes del Arranque debemos de verificar lo siguiente:
1. El regulador este desenganchado (es decir el eje, y los alabes directrices). Los alabes directrices estén colocados y asegurados en la posición inicial escogida.
2. La válvula by pass y la válvula de la bomba estén cerradas.3. Sobre el panel eléctrico:
Switch “MOTOR GENERADOR” este en la posición generador.Switch “LOAD MASTER SWITCH” en posición ON.Ninguna carga (LOADS) debe estar encendida.
Arranque de la Turbina.
1. Conectar el switch d la alimentación eléctrica.2. Poner el botón SUPPLY en ON3. Arrancar la bomba de servicio(El arrancador esta fuera del panel)4. Dejar que la turbina gire unos cuantos minutos para que se estabilice.5. Arrancar las pruebas a ensayar.
Procedimiento.
Para cada posición de los alabes directrices y a la misma velocidad de rotación:
1. Cambiar la carga de manera que la turbina Francis gire ala velocidad de ensayo.
2. Medir la presión en los manómetros.3. Medir la caída de presión en el medidor de flujo.4. Tabular los datos.5. Cambiar la posición de los alabes directrices y repetir los pasos
anteriores.
OPERACIÓN COMO BOMBA
Antes del Arranque debemos de verificar lo siguiente:
1. Los alabes directrices estén colocados en la posición deseada y cuidadosamente asegurados por la tuerca abrazadera.
2. Asegurarse que la válvula de la bomba de servicio y la válvula by pass estén cerradas.
3. Sobre el panel eléctrico:Switch “MOTOR GENERADOR” este en la posición motor.Switch “LOAD MASTER SWITCH” en posición OFF.Ninguna carga (LOADS) deben estar encendidas.
Arranque de la Bomba.
1. Colocar el rectificador y el panel bajo tensión, por medio del switch de la alimentación de energía externa.
2. Poner el botón suplly en ON.3. Abrir la válvula by pass para cada medida. 4. Iniciar las pruebas de ensayo.
Procedimiento.
Para cada posición de los alabes directrices y a la misma velocidad de rotación:
1. Cambiar la posición de la válvula reguladora de caudal.
2. Medir la presión en los manómetros.3. Medir la caída de presión en el
medidor de flujo. 4. Tabular los datos.5. Cambiar la posición de los alabes
directrices y repetir los pasos anteriores.
IV.- PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
El procedimiento de calculo es igual tanto para la bomba como para la turbina, a excepción de la determinación de la eficiencia del grupo, que estará dada por la potencia hidráulica entre la potencia eléctrica
CALCULO DE LA ALTURA UTIL EN m
(m)
Donde: ρ: densidad del agua 1000 Kg/m3
G: gravedad 9.81 m/s2
=6 pulg = 0.152 m
CALCULO DEL CAUDAL EN m3/s
(m3/s)
Donde: Δh: variación de la altura en mmHg.
CALCULO DE LA POTENCIA HIDRAULICA Ph (KW)
( KW )
Donde: : densidad hidráulica (
CALCULO DE LA POTENCIA ELECTRICA (kw)
Pe = V x I ( KW )
CALCULO DE LA EFICIENCIA DEL GRUPO (%)
Como Turbina:
Como Bomba:
V.- CUADRO DE RESULTADOS
FUNCIONAMIENTO COMO TURBINA
Datos obtenidos en el LaboratorioSiendo: N= 1500 RPM
α=25º=6 pulg = 0.152 m
FUNCIONANDO COMO TURBINA
ΔH Pe Ps V I N Fapto Pulg. Hg PSI Kpa Voltios Amp rpm lb0resist 1.2 9 0 155 0.8 1500 11resist 1.3 9.6 0 126 1.7 1500 1.42resist 1.7 13 0 149 3.1 1500 2.43resist 1.6 13 0 135 3.8 1500 2.6
Calculo en base a los datos y al procedimiento de cálculo
TURBINA H Q PH2O Pelec ηeturb R mH2O m^3/s Watts Watts (%) Ohm0res 6.47746789 0.01199575 762.257156 124 16.267476 193.751res 6.89916575 0.01248557 845.033397 214.2 25.3481106 74.11764712res 9.28878695 0.01427779 1301.0353 461.9 35.5024955 48.06451613res 9.28878695 0.01385149 1262.18964 513 40.6436547 35.5263158
FUNCIONAMIENTO COMO BOMBA
FUNCIONANDO COMO BOMBA
ΔH Pe Ps V I Npto Pulg. Hg Kpa PSI Voltios Amp rpm
1 0.9 -2 4 153 7.5 15002 1.2 -2 3 154 7.2 15003 1.4 -4 2.8 160 7.1 15004 1.4 -4 2.3 150 6.8 1500
Calculo en base a los datos y al procedimiento de calculo
BOMBA H Q PH2O Pelec ηebom N mH2O m^3/s Watts Watts (%) 1500 rpm
1 3.16719266 0.01038862 322.776089 1147.5 28.1286352 1500 rpm2 2.4643629 0.01199575 290.00194 1108.8 26.1545761 1500 rpm3 2.52767054 0.01295689 321.284743 1136 28.2821077 1500 rpm4 2.17625566 0.01295689 276.617435 1020 27.1193563 1500 rpm
CURVAS CARACTERISTICAS
CURVA CARACTERISTICA DE BOMBA - TURBINA ( H VS Q)
0
2
4
6
8
10
12
0.007 0.008 0.009 0.01 0.011 0.012 0.013 0.014 0.015 0.016
Q(m^3/s)
H (m
H2O
)
H vs Q bomba H vs Q turbina
CURVAS CARACTERISTICAS DE BOMBA - TURBINAEFICIENCIA ( η ) VS CAUDAL ( Q )
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0.009 0.01 0.011 0.012 0.013 0.014 0.015Q (m^3/s)
η %)
Efic vs Q bomba Efic vs Q turbina
CURVA CARACTERÍSTICA COMO TURBINAALTURA UTIL(H) VS CAUDAL (Q)
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
0.0115 0.012 0.0125 0.013 0.0135 0.014 0.0145
Q (m^3/seg)
H (m
H2O
)
H vs Q turbina
CURVA CARACTERÍSTICA COMO BOMBA ALTURA UTIL ( H ) VS CAUDAL(Q)
1.5
1.7
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
0.008 0.009 0.01 0.011 0.012 0.013 0.014 0.015
Q (m^3/seg)
H (m
H2O
)
H VS Q - COMO BOMBA
CURVA CARACTERÍSTICA COMO TURBINAEFICIENCIA ( η) VS CAUDAL (Q)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0.0118 0.0123 0.0128 0.0133 0.0138 0.0143 0.0148
Q (m^3/seg)
η (%
)
Eficiencia vs Q - COMO TURBINA
CURVA CARACTERÍSTICA COMO BOMBAEFICIENCIA(η) VS CAUDAL (Q)
22
23
24
25
26
27
28
29
30
0.009 0.01 0.011 0.012 0.013 0.014 0.015
Q (m^3/seg)
η (%
)
Eficiencia vs Q - COMO BOMBA
Eficiencia de la bomba y Altura vs Pelectrica
05
1015202530
1000 1050 1100 1150 1200
Pelectrica
h ,
H
nbomba H
Eficiencia de la turbina y Altura vs Pelectrica.
0
10
20
30
40
50
0 100 200 300 400 500 600
Pelectrica
n, H
H n
VI.- CONCLUSIONES
Notamos que la eficiencia máxima que se puede obtener como turbina es mayor
que la que se obtiene como bomba, pudiendo alcanzar mayores a eficiencias a
mayores caudales
Las potencias eléctricas obtenidas son mayores en la bomba al igual que los
valores de la potencia hidráulica por su naturaleza de su funcionamiento, la
primera recibe potencia eléctrica y entrega potencia hidráulica al contrario de la
turbina.
Cuando opera como turbina necesita un caudal y altura mínimos para funcionar y
vencer la inercia y las pérdidas mecánicas puesto que la potencia hidráulica es la
que provee el movimiento, en la bomba estas pérdidas son superadas gracias a la
acción del motor eléctrico.
Se observa que la mayor eficiencia en el modo bomba no se corresponde para la
misma combinación de valores de altura y caudal para el punto de mejor
eficiencia en el modo turbina.
Las conclusiones son en base a un ángulo de alabe constante, no pudiendo
comprobar si es que hay variaciones que dependan del ángulo del álabe.
