turbinas hidrÁulicas práctica 4

Manual de prácticas de hidráulica de máquinas y

transitorios

Código MADO-28

Versión 02

Página 1/7

Sección ISO 8.3

Fecha de emisión 24 de enero de

2020

Facultad de Ingeniería Área/Departamento: Laboratorio de hidráulica

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TURBINAS HIDRÁULICAS

Práctica 4

Elaborado por: Revisado por: Autorizado por: Vigente desde:

M.I. Alexis López Montes, Ing. Esp. Karen Hernández Murillo, Ing. Karla Segura Granados,

et al.

Ing. Víctor M. Palma Valderrama

Ing. Jesús Gallegos

Silva

24 de enero de 2020


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1. Seguridad en la ejecución

Peligro o Fuente de energía Riesgo asociado

1 Sala de máquinas Peligro de caída en las rejillas

2. Objetivos de aprendizaje

I. Objetivo general

Observar el funcionamiento de la Turbina Francis, Kaplan y Pelton

II. Objetivo específico

Determinar las curvas características de la turbina Francis

3. Introducción y antecedentes

• Concepto de turbina hidráulica

• Velocidad específica y clasificación de las turbinas hidráulicas

• Elementos principales de las turbinas de impulso y de reacción

• Conceptos de carga bruta y carga neta

• Conceptos y unidades de energía, potencia y eficiencia en turbinas

• Curvas características de una turbina

4. Material y equipo

• Turbina Francis, Kaplan y Pelton

• Tacómetro

• Estroboscopio (02280384)

• Flexómetro

• Medidor de flujo (2491413)

• Manómetro diferencial abierto (MDA-03-FRANCIS y MDA-04-FRANCIS)


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5. Desarrollo

Actividad 1

Turbina Pelton y Kaplan

1. Observar el funcionamiento de la turbina Pelton y Kaplan.

eh dhh

is

Fb 1 2

kgf

Vista longitudinal

p1kg /cmf

2

Vista transversal

Figura 1. Sistema de la turbina Pelton.

e s

he

mercurioagua he

Vista longitudinal

hhs

s

aire

V

UA

I

e s

mercurio

Vista transversal

Figura 2. Sistema de la turbina Francis.

Actividad 2

Turbina Francis

1. Abrir completamente la válvula que alimenta a la turbina Francis y verificar que todos los

interruptores de los focos se encuentren en posición de encendido.

2. Contar el número de focos que encienden, nfocos = _______

3. Establecer en el vernier de los álabes del distribuidor, la primera abertura indicada en la

tabla 2.


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4. Fijar con el excitador una velocidad de angular N = 1300 rpm en la flecha y registrar en

la tabla 2 las siguientes lecturas:

a) La columna de agua he y la diferencia de niveles de mercurio he, en m, del

manómetro diferencial abierto en la sección de entrada de la turbina

b) La columna de aire hs y la diferencia de niveles de mercurio hs, en m, del

manómetro diferencial abierto en la sección de salida en el tubo de aspiración

c) La diferencia de potencial U, en volts (V) y la intensidad de corriente I, en amperes

(A), en las carátulas del tablero

d) El gasto Q, en litros sobre segundo (l/s), que circula por la tubería, con el medidor

de flujo

5. Repetir el inciso 4 para las siguientes aberturas de acuerdo con la tabla 2.

Tabla 2. Registro de datos de la turbina Francis

Abertura he

[m]

he

[m]

hs

[m]

hs

[m]

U

[V]

I

[A]

Q

[l/s]

3

3.5

4

4.5

6. Obtención de las curvas características de la turbina Francis

1. Para cada abertura del distribuidor de la turbina Francis:

a) Convertir las unidades del gasto medido a m3/s.

b) Calcular la presión p, en Pa, y la carga de presión gp , en m, en las secciones e y

s, entrada y salida de la turbina respectivamente.

𝑝𝑒 = 𝑔𝜌ℎ𝑒 + 𝑔𝜌𝐻𝑔∆ℎ𝑒

𝑝𝑠 = 𝑔𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒ℎ𝑠 − 𝑔𝜌𝐻𝑔∆ℎ𝑠

Donde:

𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 densidad del aire, 1.2 kg/m3

𝜌𝐻𝑔 densidad del mercurio, 13,600 kg/m3

𝜌 densidad del agua, 1,000 kg/m3


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c) La carga de la turbina HT, en m, a partir de la ecuación de energía entre las

secciones e y s, considerando el piso del laboratorio como plano de referencia, y el

diámetro en la entrada igual al diámetro a la salida.

𝑧𝑒 +𝑝𝑒

𝜌𝑔+

𝑉𝑒2

2𝑔= 𝑧𝑠 +

𝑝𝑠

𝜌𝑔+

𝑉𝑠2

2𝑔+ 𝐻𝑇

Donde:

𝑧𝑒 carga de posición en la entrada, 0.91 m

𝑧𝑠 carga de posición en la salida, 1.01 m

d) La potencia hidráulica hP , en W, kW, HP y kgf m/s.

𝑃ℎ = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝑇

e) La potencia eléctrica Pe, en W, kW, HP y kgf m/s.

𝑃𝑒 = 𝑈𝐼

Donde:

U diferencia de potencial, en V I intensidad de corriente, en A

f) La potencia al freno 𝑃𝑓, en W, HP, CV y kgf m/s, considerar que la eficiencia del

generador, 𝜂𝐺 = 0.94.

𝑃𝑓 =𝑃𝑒

𝜂𝐺

g) La eficiencia de la turbina 𝜂𝑇, en por ciento.

𝜂𝑇 =𝑃𝑓

𝑃ℎ× 100

h) Presentar en una tabla los resultados del inciso a) al g).

i) La potencia eléctrica de cada foco, Pfoco, en W, sólo para el punto de mayor

eficiencia.


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𝑃𝑓𝑜𝑐𝑜 =𝑃𝑒

𝑛𝑓𝑜𝑐𝑜𝑠

j) Clasificar la turbina, sólo para el punto de máxima eficiencia, de acuerdo con el

criterio de la velocidad específica Ns, en rpmCV1/2m-5/4, de acuerdo a los intervalos

de la tabla 3.

𝑁𝑠 =𝑁√𝑃𝑓

𝐻𝑇5 4⁄

Donde:

N es la velocidad angular de la turbina

Tabla 3. Clasificación del tipo de la turbina

Tipo Ns

Pelton 0 – 100

Francis 50 – 400

Kaplan > 400

k) Dibujar en un plano, las curvas características HT - Q, Pf - Q y 𝜂𝑇 - Q. El eje de las

abscisas deberá incluir una escala para las unidades de cada variable, figura 3.

HT, Pf , T

Q

HT

PfT

Figura 3. Curvas características.

Notas para el informe: desarrollar la memoria de cálculo detallada para una abertura de

la turbina.


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7. Conclusiones

8. Referencias bibliográficas

1. MATAIX C. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Editorial Harla,

México. (1990).

2. CAFAGGI F. A., RODAL C. E. A., SÁNCHEZ H. A. Sistemas de Bombeo,

Facultad de Ingeniería, UNAM. (2011).

3. GARDEA V. H. Aprovechamientos Hidráulicos y de Bombeo, Editorial Trillas,

México. (1992).

4. SOTELO A. G. Hidráulica General Vol.1 Editorial Limusa, México. (1990).

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