UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

Laboratorio N°1Bomba - Turbina

Autores:Calderón Cahuana, Carlos.Chamorro Abregu, Luis.Huarcaya Huamali, Angel.Aliaga Beraun, Francklin

Profesor:Ing. Pinto Espinoza Hernan Josue

Curso:Laboratorio de Ingeniería Mecánica III Sección: A

Fecha: 16/09/2015

Laboratorio N°1

RESUMEN EJECUTIVO

Se realizó el ensayo bomba-turbina del Laboratorio N°5 siguiendo el

procedimiento descrito por el profesor supervisor de la experiencia. Dicho

ensayo consistió en hacer trabajar a una turbina Francis como bomba y luego

como turbina, tomando datos tales como el amperaje, voltaje, la lectura de

manómetro diferencial de la placa orificio, las presiones a la entrada y salida de

la turbina o bomba, según sea el caso, para unas RPM constante de 1500 y a

un ángulo de los alabes directrices de 30º. Con estos datos se halló la Altura

Efectiva (H), la Potencia Hidráulica (Ph), Potencia Eléctrica (Pe); además, se

trazaron las gráficas Altura Efectiva (H), Potencia Hidráulica (Ph) y Eficiencia (n

%) VS Caudal (Q).

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Laboratorio N°1

ÍNDICE

1 OBJETIVOS.................................................................................................12 FUNDAMENTO TEÓRICO...........................................................................2

2.1 Bomba Centrifuga..................................................................................22.2 Turbina Francis......................................................................................32.3 Fórmulas a Utilizar.................................................................................5

2.3.1 Altura Efectiva..................................................................................52.3.2 Caudal.............................................................................................52.3.3 Potencia Hidráulica..........................................................................52.3.4 Potencia Eléctrica............................................................................52.3.5 Eficiencia.........................................................................................5

3 EQUIPOS E INSTRUMENTOS....................................................................64 PROCEDIMIENTO.......................................................................................8

4.1 OPERANDO COMO BOMBA.................................................................84.1.1 ANTES DEL ARRANQUE:..............................................................84.1.2 ARRANQUE DE LA BOMBA...........................................................94.1.3 PROCEDIMIENTO DE OPERACION..............................................9

4.2 OPERANDO COMO TURBINA............................................................114.2.1 ANTES DEL ARRANQUE:............................................................114.2.2 ARRANQUE DE LA TURBINA......................................................124.2.3 PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN............................................12

5 RESULTADOS...........................................................................................145.1 Ensayo como Bomba...........................................................................145.2 Ensayo como Bomba...........................................................................15

6 GRAFICA DE RESULTADOS....................................................................176.1 BOMBA................................................................................................176.2 TURBINA.............................................................................................19

7 CONCLUSION...........................................................................................218 BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................22

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Laboratorio N°1

1 OBJETIVOS

Trazar e interpretar las curvas gráficas Altura Efectiva (H), Potencia Hidráulica

(Ph) y Eficiencia (n%) VS Caudal (Q) para la turbina Francis trabajando como

bomba y como turbina. A su vez, identificar la influencia del ángulo de alabes

directrices.

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2 FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 Bomba Centrifuga

Bomba en general es una máquina de fluido, que sirve para comunicar energía

al líquido que la atraviesa. Con esta energía puede el líquido remontar el

desnivel geodésico existente entre un deposito superior y otro inferior; ser

impulsado contra la diferencia de presiones entre la atmósfera y la presión

reinante en una caldera, etc.

El rodete, en el que tiene lugar el intercambio de energía mecánica y de fluido

es el órgano principal de un turbomáquinas. Consta de un cierto número de

paletas o alabes que dividen el espacio total ocupado por el mismo en

conductos iguales, por donde circula el fluido de trabajo, que llena total o

parcialmente el rodete experimentando una variación de su momento cinético.

En las turbomáquinas radiales, como lo son las bombas centrifugas, toda

partícula de fluido recorre en el rodete una trayectoria situada en un plano

transversal al eje de la turbomáquina.

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Rodete

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2.2 Turbina Francis

Las turbinas hidráulicas Francis se entran dentro de la categoría de las

turbomáquinas semiaxiales, diagonales o de flujo mixto. Sin embargo, conviene

advertir que se han construido rodetes Francis lentos para alturas hasta de 700

m utilizando la construcción radial (en la cual la velocidad de una partícula de

fluido en el rodete carece prácticamente de componente axial). Dentro de la

gama 60<NS<80 la división de la turbina Francis en turbinas parciales, que

constituye la ciencia del diseño de una turbomáquina diagonal, no es

necesaria, si bien modernamente siempre se hace para mejorar el rendimiento.

Los órganos principales de una turbina Francis pueden verse en el corte en

perspectiva, simplificado para destacar más claramente los ejemplos

principales, de la figura mostrada. El órgano más importante de una turbina

Francis, como cualquier turbomáquina, es el rodete; los restantes órganos son

constituidos en torno a él, antes y después del mismo, para hacer llegar al

fluido al rodete evacuarlo del mismo en condiciones óptimas y con el máximo

rendimiento.

He aquí una de las ventajas de las turbinas Francis, que explica el puesto

importante que han llegado a ocupar en la técnica: en el rodete es el flujo

centrípeto. Lo cual, además de ser favorable para la cesión de energía y

reducir las pérdidas conduce a una salida central del agua del rodete;

permitiendo el empleo de un tubo de aspiración de fácil diseño.

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Laboratorio N°1

Partes de una Turbina Francis

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2.3 Fórmulas a Utilizar

2.3.1 Altura Efectiva

H=(Z II−Z I )+PII−P Iγ

2.3.2 Caudal

Q=0.0021728∗√h ; h [mmHg] ; Q [m3/s]

2.3.3 Potencia Hidráulica PH=γ∗Q∗HT

2.3.4 Potencia Eléctrica PE=V∗I

2.3.5 Eficiencia

n=PEPH, para tubina

n=PHPE, parabomba

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3 EQUIPOS E INSTRUMENTOS

Se emplearon los siguientes equipos:

1) Generador eléctrico monofásico, (la particularidad de un generador monofásico es que puede trabajar también como motor eléctrico).

1) Tacómetro.

2) Medidores de presión.

3) Medidor de caudal por presión diferencial.

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4) Manómetro diferencial.

5) Válvulas reguladoras de caudal.

6) Turbina Francis.

7) Panel de control.

8) Regla milimétrica.

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Laboratorio N°1

4 PROCEDIMIENTO

4.1 OPERANDO COMO BOMBA

4.1.1 ANTES DEL ARRANQUE:

Verificar que los alabes directrices esten colocados en la posiciones de

30°.

Ilustración 1

La valvula by pass y la valvula de la bomba de servicio deben estar

completamente cerradas.

Ilustración 2

Sobre el panel de control:

La perilla “MOTOR GENERADOR”, debe estar en la posicion motor.

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Posición de los

alabes directores.

Válvula by pass. Válvula de servicio.

Laboratorio N°1

La perilla “LOAD MASTER SWITH”, debe estar en la posición OFF (apagado).

4.1.2 ARRANQUE DE LA BOMBA.

Encender el botón de energia eléctrica del panel de control.

Regular la tension electrica que alimenta al motor monofásico (tambien

generador) hasta que el manometro marque 1500 RPM.

Ilustración 3

4.1.3 PROCEDIMIENTO DE OPERACION

1. Abrir la válvula by pass hasta el segundo diente.

Ilustración 4

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Regulador de

tensión eléctrica

de mayor

precisión.

Regulador de

tensión eléctrica

de menor

Segundo diente.

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2. Medir la caída de presión a la entrada y salida de la turbina Francis.

Ilustración 5.

3. Medir la caída de presión en el manómetro diferencial.

Ilustración 6.

4. Medir el voltaje y amperaje en el panel de control.

5. Repetir el mismo procedimiento para 7 dientes (una tras otra) en la

válvula by pass.

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Laboratorio N°1

4.2 OPERANDO COMO TURBINA

4.2.1 ANTES DEL ARRANQUE:

Verificar que los alabes directrices esten colocados en la posiciones de

30

Ilustración 1

La valvula by pass y la valvula de la bomba de servicio deben estar

completamente cerradas.

Ilustración 2

Sobre el panel de control:

La perilla “MOTOR GENERADOR”, debe estar en la posicion generador.

La perilla “LOAD MASTER SWITH”, debe estar en la posición ON (encendido).

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Posición de los

alabes directores.

Válvula by pass. Válvula de servicio.

Laboratorio N°1

Solo debe estar aplicada una carga (resistencia) para que el generador no se

envale.

Ilustracion 7.

4.2.2 ARRANQUE DE LA TURBINA.

Encender la bomba de servicio.

Regular el caudal (con la valvula de servicio), hasta que el tacómetro

marque 1500 RPM.

Ilustración 2

4.2.3 PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN.

1. Se arranca y se toma datos sin carga de resistencia.

2. Con la primera resistencia aplicada, regular el RPM y tomar datos.

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Resistencias

Válvula de servicio.

Laboratorio N°1

3. Medir la caída de presión a la entrada y salida de la turbina Francis.

Ilustración 5.

4. Medir la caída de presión en el manómetro diferencial.

Ilustración 7.

5. Medir el voltaje y amperaje en el panel de control.

6. Repetir el mismo procedimiento aplicando las resistencias una tras de

otras.

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Laboratorio N°1

5 RESULTADOS

5.1 Ensayo como Bomba

Datos tomados del ensayo como bomba.

ΔH Pe Ps V I Npto Pulg. Hg Kpa PSI Voltios Amp rpm

1 0 0 10 163 6.5 15002 0.15789474 0 9 160 6.7 15003 0.43421053 0 7 156 7 15004 0.98684211 0 5 159 6.9 15005 1.5 0 3 159 7 15006 1.69736842 0 2.8 160 7 15007 1.81578947 0 2.1 161 6.9 15008 1.89473684 0 2 161 6.9 1500

Tabla 1

Cálculos realizados para α=30°

BOMBA H Q PH2O Pelec ηebom NmH2O m^3/s Watts Watts (%) 1500 rpm

1 7.18029766 0 0 1059.5 0 1500 rpm2 6.47746789 0.00435131 276.499732 1072 25.7928854 1500 rpm3 5.07180836 0.00721584 359.019987 1092 32.8772882 1500 rpm4 3.66614883 0.01087829 391.236662 1097.1 35.6609846 1500 rpm5 2.2604893 0.01341165 297.408723 1113 26.7213588 1500 rpm6 2.11992334 0.01426674 296.697464 1120 26.490845 1500 rpm7 1.62794251 0.01475602 235.655418 1110.9 21.2130181 1500 rpm8 1.55765953 0.01507339 230.331112 1110.9 20.7337395 1500 rpm

Tabla 2

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Laboratorio N°1

5.2 Ensayo como Bomba

Datos tomados del ensayo como turbina.

ΔH Pe Ps V I Npto Pulg. Hg PSI Kpa Voltios Amp rpm0resist 1.26315789 8 0 157 0.2 15501resist 1.42105263 9 0 149 1.2 15502resist 1.77631579 11 0 153 2.5 15503resist 2.05263158 12.5 0 146 3.6 15504resist 2.28947368 14 0 150 4.7 15505resist 5.68421053 15 0 144 5.5 15506resist 5.68421053 16 0 144 6.4 15507resist 5.72368421 17 0 145 7.3 1550

Tabla 3

Cálculos realizados para α=30°

TURBINA H Q PH2O Pelec ηeturb R

mH2O m^3/s Watts Watts (%) Ohm0res 5.77463812 0.01230737 697.202944 31.4 4.50371018 7851res 6.47746789 0.01305394 829.499195 178.8 21.5551746 124.1666672res 7.88312742 0.01459475 1128.66291 382.5 33.889658 61.23res 8.93737207 0.01568889 1375.53283 525.6 38.2106475 40.55555564res 9.99161672 0.01656931 1624.08671 705 43.4090123 31.91489365res 10.6944465 0.02610788 2739.04399 792 28.9151983 26.18181826res 11.3972762 0.02610788 2919.05159 921.6 31.5718983 22.57res 12.100106 0.02619838 3109.80119 1058.5 34.0375456 19.8630137

Tabla 4

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6 ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1 BOMBA Alcanza la máxima eficiencia de aprox 34% cuando trabaja a 10x10^-3 m^3/s

Grafica 1

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Laboratorio N°1

6.2 TURBINA Alcanza la máxima eficiencia de aprox 41% cuando trabaja a 16.5x10^-3 m^3/s

Grafica 2

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Laboratorio N°1

7 CONCLUSION

Para que la turbina comience a generar, el flujo debe exceder un valor

mínimo (caudal de vacío).

La bomba turbina es de menor costo que una turbina convencional, lo

que nos podría dar una mayor utilidad en el aspecto industrial.

Como bomba la eficiencia se incrementa, con el aumento del flujo, a

partir de cero y caudal nulo hasta llegar a un punto máximo o pico (punto

nominal de funcionamiento de la máquina). A partir de ese punto

decrece a medida que se sigue aumentando el flujo.

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Laboratorio N°1

8 BIBLIOGRAFÍA

Mataix, C. (s.f.). Turbomáquinas Hidraulicas. Madrid: ICAI.

Mechan, D., Fernandez, J., Paez, E., Villanueva, L., & Villavicencio, M. (s.f.).

Manual del Laboratorio de Ingeniería Mecánica III. Lima.

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