TURBINA FRANCIS

INTRODUCCION

TURBOMAQUINA

Es una maquina en la cual se recibe o se transfiere energía de un fluido

CLASIFICACION

POR EL SENTIDO DE TRANSFERENCIA DE ENERGIA TURBINAS

BOMBAS

POR LA VARIACION DE LA PRESION A TRAVEZ DEL ROTOR ACCION

REACCION

POR LA DIRECCION DEL FLUJO EN EL ROTOR RADIAL

AXIAL

DIAGONAL

OBJETIVOS

•Conocer y analizar el principio de funcionamiento de la turbina Francis.

•Determinar las características de operación a diferentes presiones de entrada.

•Estudiar la variación de sus respectivas potencias y eficiencias generadas para

cada presión e ingreso del flujo del caudal dado por los álabes de la turbina.

Es una turbina hidráulica de Reacción, Radial y descarga axial.

ELEMENTOS

ROTOR Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de

energía entre la máquina y el fluido.

ESTATOR Parte estatica que proyecta el fluido hacia el rotor

ALABES DIRECTORES Los álabes directores también pueden llegar a funcionar como

reguladores de flujo, abriéndose o cerrándose a manera de válvula para regular el caudal que entra a la máquina

CARCAZA Cubre el rotor y el estator

TURBINA FRANCIS

MATERIALES Y EQUIPOS USADOS

Turbina Francis.-

Marca :ARMFIELD HIDRAULIC ENGINEERING Co.

Tipo : Ns 36 MK2.

Potencia : 2,5 BHP.

Velocidad : 1000 RPM.

Tamaño nominal del rodete :6 “.

Velocidad especifica :36 RPM.

Altura neta :20 pies.

Velocidad de embalamiento máximo:1800 RPM.

Diámetro de la volante :12 “.

Diámetro de la entrada :6 “.

Bomba.-

Motor: Neman Motor INC

Casco: 2560/DD 2182 BB

RPM: 3600BB voltaje: 220v

Ciclo: 60 amperaje: 26A

Fase: 3 HP=10

Factor de servicio: 1.15

Bomba: SIGMUND PUMP LTD.

Tipo: MN63

N° serie: 147305

FRENO DE CINTA BALANZA

PROUNY

wracLBHP D .).arg( BALANZA SALTIN

Rango: 0-20Kg

Aprox: 100g

PESAS REGLA TACOMETRO

Rango1m TACOMETRO SMITH

Aprox: 1mm Rango: 0-2000RPM

APROX: 20RPM

PROCEDIMIENTO

Volante

(Freno

prony)

Tanque medidor de caudal (weirs)

Tacómetro

Manómetro

Pesas

Bomba

Turbina

1

2

1.21-h

ESQUEMA TURBINA FRANCIS DEL LABORATORIO

PROCEDIMIENTO

TABLA DE DATOS

POSICIÓN 1 (20% abierto) POSICIÓN 2 (50% abierto) POSICIÓN 3 (totalmente abierto)

AL

TU

RA

DE

L

LIN

IME

TR

O

BA

LA

NZ

A

CA

RG

A

VE

LO

CID

AD

AN

GU

LA

R

AL

TU

RA

DE

L

LIN

IME

TR

O

BA

LA

NZ

A

CA

RG

A

VE

LO

CID

AD

AN

GU

LA

R

AL

TU

RA

DE

L

LIN

IME

TR

O

BA

LA

NZ

A

CA

RG

A

VE

LO

CID

AD

AN

GU

LA

R

h1 (cm) D (kg) W (kg) n (RPM) h1 (cm) D (kg) W (kg) n (RPM) h1 (cm) D (kg) W (kg) n (RPM)

1 16.2 0 0 1329 18 0 0 1459 21.5 0 0 1458

2 16.8 1 0.5 1238 18.8 1 0.5 1405 22.5 0.8 0.5 1393

3 17 1.7 1 1213 19.4 1.8 1 1355 22.7 1.7 1 1369

4 17 1.5 1.5 1145 19.8 2.7 1.5 1310 22.9 2.6 1.5 1360

5 17.2 2 2 1051 20 4.2 2.5 1274 23.3 3.4 2 1333

6 17.5 2.5 2.5 1030 20.2 5.9 3.5 1417 23.47 4.2 2.5 1291

7 17.9 3 3 1000 20.6 7.6 4.5 1150 23.9 6 3.5 1212

8 18 3.5 3.5 920 21 9.7 5.5 1119

TABLA 1. DATOS DEL LABORATORIO

•A una presión de 6psi.

•A 20%, 50% y totalmente abierto, se refiere a las posiciones de los álabes directrices.

CONSTANTES

Peso Específico del AGUA γ 9806,65 N / m3

Aceleración de la gravedad g 9,80665 m / s2

Presión de INGRESO P2 6 Psi <> 41368.55 Pa

Diámetro del ducto de ingreso Φ2 0,152 m

Diámetro del ducto de salida Φ1 0,25 m

Altura del punto de ingreso h2 1,865 m

Altura del punto de inicio del linímetro hA 0,655 m

Radio de la volante R 0,152 m

ÁLABES DIRECTRICES: POSICIONES 1, 2 y 3.

POTENCIA HIDRÁULICA

PH = γ . Q . HT

PH = γ . 1,416 . h15/2 . [ ( P2 - P1) / γ + ( v2

2 - v12 ) / (2 . g) + ( z2 - z1 ) ]

P1 = 0

Q = vi . Ai

Ai = π . Φi

z2 - z1 = h2 - hA - h1 = 1,21 - h1

PH = γ . 1,416 . h15/2 . [ P2 / γ + ( 1,0025 . h1

5 ) . ( Φ2-4 - Φ1

-4) / ( π2 . g ) + ( 1,21 - h1 ) ]

PH = f (h1)

CÁLCULOS Y RESULTADOSRelaciones utilizadas en los cálculos

POTENCIA AL EJE

PEJE = T . ω

D: Lectura del dinamómetro

T = ƒ .R W: Peso de la carga

ƒ = D - W n: RPM

ω = 2 . π . n / 60 R: Radio de la volante

PEJE = ( D - W ) . R . 2 . π . n / 60

PEJE = f ( D; W; n)

n

QHHPa E

g

VVPZHE

2

2

2

2

1

2

25

4

416,1

D

h

A

QV

EJEMPLO DE CÁLCULO

Como se repiten los mismos pasos en los cálculos, trabajaremos con un dato y calcularemos todas

sus potencias y eficiencias para así comprobar nuestra veracidad en los resultados. Dato a utilizar:

P= 6 psi, h= 0.170 m, ω= 1213 RPM, LD= 1.7 kgf con una carga de 1 kgf

AL 20 % abiertos los alabes directrices

• Cálculo de la Potencia hidráulica (HPa)

Donde: HPa = Potencia hidráulica (HP)

= Peso específico (1000 kg/m3)

Q = Caudal (m3/s)

HE = Altura efectiva (mH2O)

N = Factor de conversión (76)

La altura efectiva la definimos mediante la fórmula de Bernoulli aplicada a la disposición que se tiene en el laboratorio:

Donde:

Z = Altura geodésica

D1 = Diámetro de entrada = 6’’

D2 = Diámetro de salida = 9’’

Q = Caudal

P/ = Altura estática

La altura estática que se mide con el manómetro a la entrada de la turbina se mantuvo constante e iguala a 6 psi durante

toda la experiencia, siendo este valor igual a 4,2223 mH2O.

La altura geodésica hace referencia a la diferencia física real en

altura entre el nivel del líquido en el pozo y el punto más elevado

de la tubería de descarga o el nivel del agua a la salida.

2 2

1 2

2

2

2

1.865 0.655 1.21 0.170 1.04

6 1 6894.75934.223

9.8 11000

E

P V VH Z

g

Z h m

P psi kgf Pax x mH O

kgf N psim

52

1

2

1,416(0.170)0.925

0.0254(6'' )

4 1''

Q mVsmA

x

52

1

2

1,416(0.170)0.411

0.0254(9'' )

4 1''

Q mVsmA

x

5.909EH m

Ahora con los datos de cálculo:

Entonces la Potencia Hidráulica será:

52

3

9.811000 (1.416 ) 5.909

1902.824

0.9

E

kgf Nx x h x m

QH m kgfHPa W

nConsiderando una eficiencia hidráulica de 90%

•Potencia al Freno (BHP)

wracLBHP D .).arg( ………. (3)

Donde: LD: Lectura del dinamómetro

carga: pesas

ω: velocidad angular.

r = 15.5 cm

Ahora considerando los datos:

2./

9.81 60(1.7 1) . .0.155 .1213 . 135.2031 1

rad sN

BHP kgf m RPM Wkgf RPM

•Eficiencia Total (ηT)

HPa

BHPT

135.2030.14975 14.98%

902.824T

………. (6)

EFICIENCIA TOTAL (η)

POSICIÓN 1 POSICIÓN 2 POSICIÓN 3

VE

LOC

IDA

D

AN

GU

LAR

PO

TE

NC

IA

HID

RÁ

ULI

CA

PO

TE

NC

IA A

L E

JE

EF

ICIE

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IA T

OTA

L

(en

%)

VE

LOC

IDA

D

AN

GU

LAR

PO

TE

NC

IA

HID

RÁ

ULI

CA

PO

TE

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L E

JE

EF

ICIE

NC

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OTA

L

(en

%)

VE

LOC

IDA

D

AN

GU

LAR

PO

TE

NC

IA

HID

RÁ

ULI

CA

PO

TE

NC

IA A

L E

JE

EF

ICIE

NC

IA T

OTA

L

(en

%)

n (RPM) PH (W) PEJE (W) η n (RPM) PH (W) PEJE (W) η n (RPM) PH (W) PEJE (W) η

1 1329 694,980950

0 1459 1045,07801 0 0 1458 0 1772,87045 0

2 1238 760,8114798,564291

12,9551532 1405 1167,53368 111,54165 9,5536137 1393 635,437845 1995,38934 0,318453063

3 1213 779,66667135,20345

17,3411872 1355 1265,226 172,60693 13,642379 1369 1457,143065 2042,50461 0,713409929

4 1145 779,66667182,32005

23,3843592 1310 1333,24292 250,31190 18,774665 1360 1672,605 2090,44219 0,800120189

5 1051 807,99013266,99936

33,0448787 1274 1368,14 344,86355 25,206744 1333 1937,1807 2188,84819 0,885022865

6 1030 841,09792328,01686

38,9986537 1417 1403,63978 465,08333 33,134094 1291 1861,1532 2213,98905 0,840633425

7 1000 893,26951382,15557

42,7816651 1150 1476,47964 567,66025 38,446873 1212 1938,70125 2343,03857 0,827430362

8 920 907,53008395,53101

43,5832404 1119 1551,82934 748,35615 48,224127

Llenamos la tabla con los cálculos de las potencias y eficiencias

y a continuación presentamos los gráficos

Azul: Posición 1

Rojo: Posición 2

Verde: Posición 3

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

•En el punto 6 para la posición 2, se observa que la velocidad de rotación aumenta cuando debería seguir la tendencia de

disminuir, esto arrastra error en el calculo para dicho punto como se puede observar en las graficas, esto ocasiona que las

graficas de la posición 2 sean cóncavas hacia arriba cuando deberían ser iguales a las otras posiciones (cóncavo hacia abajo).

•Las concavidades hacia abajo en las potencias al eje y por lo tanto en las eficiencias indican que a medida que se aumenta la

carga, disminuyen las velocidades de rotación pero aumentan las potencias, de esta manera hasta llegar a una eficiencia

máxima y luego decrecer.

•Los valores mismos de la eficiencia, podemos ver que son bastante bajos, en su mayoría menores a 45% e incluso tan bajos

como 10%. Esto no coincide con las altas eficiencias que las turbinas Francis suelen tener.

•Se observa claramente que a medida que se va abriendo los alabes directrices, las potencias al eje y por tanto las eficiencias

aumentan, cosa que es obviamente lo lógico.

RECOMENDACIONES

•Para obtener un valor más exacto de la eficiencia hidráulica se debe tener las siguientes consideraciones:

• Calibrar el dinamómetro cuando la rueda gire sin carga.

• Colocar las pesas una sobre otra, sin retirar ninguna ya puesta, ya que la variación de presión des calibra el

dinamómetro.

• Conseguir un dinamómetro lo más preciso posible.

• Evitar el calentamiento en la volante, echando agua como líquido refrigerante.

• Teniendo en cuenta la antigüedad de los equipos, asumir que en los resultados existirá un error, ya sea pequeño o

grande, en nuestros resultados finales.

• Es recomendable que la presión de entrada de la turbina sea de 3 o 4 psi, para que la bomba no tenga problemas

de mantenerla por faltas de caudal y hace poder tener más puntos en la tercera serie de datos.