labo 1 turbina pelton

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

INDICE

I. RESUMEN TÉCNICO........................................................................................................

II. INTRODUCCIÓN...............................................................................................................

III. OBJETIVOS.......................................................................................................................

IV. FUNDAMENTO TEÓRICO................................................................................................

V. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS.......................................................................10

VI. PROCEDIMIENTO:.........................................................................................................12

VII. CÁLCULOS Y RESULTADOS.........................................................................................14

VIII. OBSERVACIONES:.........................................................................................................17

IX. CONCLUSIONES............................................................................................................18

X. BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................19

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INTRODUCCION

La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908) quien buscando oro en California, concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovechara la energía cinética de un chorro de agua, proveniente de una tubería de presión, incidiendo tangencialmente sobre la misma. Ensayó diversas formas de álabes hasta alcanzar una patente de la rueda en 1880, desde cuya fecha ha tenido gran desarrollo y aplicación.

Son conocidas también como turbinas tangenciales, de impulsión y es la turbina hidráulica apropiada para aprovechar grandes saltos de agua y caudales relativamente pequeños.

La Turbina Pelton, por la sencillez de su construcción y por razones de tipo hidrodinámico es la que tiene la máxima eficiencia entre todos los motores hidráulicos.Otra de sus cualidades es que permite el acoplamiento directo con los generadores eléctricos de alta velocidad, ya que puede proyectarse para elevadas velocidades tangenciales del rodete.

La dirección del chorro no es realmente axial ni radial sino que es casi tangencial y de aquí el nombre de ruedas tangenciales.

La admisión del agua tiene lugar por una o más toberas o boquillas que lanzan el agua a la rueda con cucharas que giran por este efecto de impacto de chorro.

El elemento constructivo más importante de las turbinas Pelton es la paleta en forma de doble cuchara, en cierto modo, esta es como una doble paleta de una turbina de acción, el cual recibe el chorro exactamente en la arista media, en donde se divide en dos, circulando por la cavidad de la paleta en un arco de aproximadamente 180°, contrarrestando mutuamente los empujes axiales por cambio de dirección de los dos semichorros.

El recorte dado a las paletas tiene por objeto permitir la colocación de las boquillas muy próximas a las primeras de tal forma que el chorro alcance a las paletas en la dirección más conveniente.

La variación de la cantidad de agua (caudal) para la regulación de la potencia se consigue actualmente y casi sin excepción por medio de una aguja o punzón de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de la boquilla.

En instalaciones más complicadas que las que nosotros vamos a ensayar se dispone además de un deflector o desviador de chorro , y que consiste en una superficie metálica que se introduce en medio del chorro y lo divide , desviando una parte del agua, haciendo que esta salga de la turbina sin producir efecto útil.

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OBJETIVOS

Conocer en forma objetiva el funcionamiento de una Turbina Pelton. Para diferentes caudales observar la variación en los diferentes parámetros.

FUNDAMENTO TEORICO

TURBINAS PELTON

Este tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por el norteamericano Lester Allan Pelton. El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que constituye una evolución lógica de la antigua rueda hidráulica. Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. En la figura se muestra la disposición típica de una turbina Pelton.

La tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o álabes montados en la periferia de una rueda. El par ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de la rueda. Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe. Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel máximo de crecida para asegurar el derrame libre.

En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de

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Partes de una turbina Pelton.



una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina.

Principio de funcionamiento de las turbinas Pelton.

La energía potencial gravitatoria del agua embalsada, o energía de presión, se convierte, prácticamente sin pérdidas, en energía cinética, al salir el agua a través del inyector en forma de chorros libres, a una velocidad que corresponde a toda la altura 2 del salto útil, se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los alabes, obteniéndose el trabajo mecánico deseado.

Las formas cóncavas de los alabes hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los alabes. De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica.

La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera o inyector, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones del mismo, por disminución o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador.

La arista que divide al alabe en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo.

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CARACTERÍSTICAS

La alimentación se efectúa a través de las toberas que transforman la energía

estática del agua en dinámica. El fluido sale en forma de chorro libre de las toberas, las

cuales encuentran colocada al final de la tubería de presión. Las toberas están provistas

de una aguja de cierre para regular el caudal.

El álabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que

incide el agua, produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un

equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección. Por ser el ataque del agua en sentido

tangencial a la rueda se la denomina también turbina "tangencial" por tener el fluido un

recorrido axial a su paso por el álabe, se clasifica también entre las máquinas de tipo

axial.

Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos

hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La

velocidad específica es pues baja entre 10 y 60 en el sistema métrico.

La turbina Pelton, por la sencillez de su construcción y por razones de tipo

hidrodinámico es la que tiene la máxima eficiencia entre todos los motores hidráulicos.

Otra de sus cualidades es que permite el acoplamiento directo con los generadores

electrónicos de alta velocidad, ya que puede proyectarse para elevadas velocidades

tangenciales del rodete.

Fig. 1. Diagrama esquemático de una rueda Pelton

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El chorro que emerge de la tobera choca simétricamente contra el divisor y se

distribuye por igual entre las dos mitades de la cazoleta hemisférica, como se ve en la

figura. La línea de centro de la cazoleta no se puede fabricar exactamente como un

vértice matemático, en parte debido a dificultades de fabricación y en parte porque el

chorro que choca contra el vértice arrastra invariablemente partículas de arena u otros

materiales abrasivos que tienden a desgastarlo. El ángulo de entrada está por tanto entre

1° y 3° , pero se supone siempre que es cero en todos los cálculos.

Teóricamente, si la cazoleta fuera exactamente hemisférica, desviaría el chorro un

ángulo de 180°. En este caso, la velocidad relativa del chorro al salir de la cazoleta,

tendría opuesta dirección a la velocidad relativa del chorro que entra. Esto no se puede

obtener en la practica puesto que el chorro al salir de la cazoleta golpearía la parte

posterior de, la siguiente cazoleta y causaría salpicaduras e interferencia de manera que

la eficiencia total de la turbina descendería a un valor bastante bajo. Por tanto, la deflexión

angular del chorro en la cazoleta se limita en la práctica a aproximadamente. 165° ó 170°,

y por tanto la Cazoleta es ligeramente menor que un hemisfério.

CLASES

De eje Horizontal

El número de entradas son de una a dos por resultar complicada la instalación en

plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección. La ventaja de este

tipo de turbina es la fácil inspección y reparación de la rueda, los inyectores sin necesidad

de desmontarlos.

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Permite también este tipo de turbinas instalar turbinas gemelas para un sólo

generador colocado entre ambos.

De eje Vertical

El sistema de alimentación (toberas y agujas) se encuentra en un plano horizontal,

lo que permite aumentar el número de chorros por rueda de cuatro a seis. El caudal

puede ser mayor así como la potencia por unidad.

Otra ventaja de esta turbina es que el eje Turbina-Generador se acorta, se reduce

las excavaciones, se puede disminuir el diámetro de la rueda y aumentar la velocidad de

giro. En conclusión se reduce el peso de la turbina. La desventaja de este modelo de

turbina es que se hace más difícil la inspección y reparación.

PARTES PRINCIPALES

El rodete

Está constituido por un disco de acero con alabes periféricos en forma de doble

cuchara. Estos pueden estar fundidos en una sola pieza o individualmente, sujetándose al

disco por medio de bulones.

Se prefiere la fundición en una sola pieza para Turbinas que utilizan grandes

velocidades específicas para lograr mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia

y montaje rápido. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la

erosión.

El número de alabes esta alrededor de los 17 a 26 por rueda, para altas

velocidades es menor el número de alabes y viceversa.

El inyector

Está constituido por una tobera convergente, con aguja de cierre cónica; La

posición de esta última determina el grado de apertura de la tobera y en consecuencia el

gasto o caudal. El material del inyector debe ser tal que resista la acción abrasiva y

corrosión del agua.

En la figura se muestra un croquis de la turbina en conjunto para poder apreciar la

distribución de los componentes fundamentales. Un chorro de agua convenientemente

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dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran

uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda.

EQUIPO UTILIZADO

BANCO DE PRUEBAS PARA LA TURBINA PELTON

Características técnicas del banco:

Turbina Pelton

Marca : Armifield Hydraulic Engineiring England.

Tipo : Pelton MK2

Serie : 2061

Altura Nominal : 53m (175 pies)

Velocidad Nominal : 1160 rpm

Potencia Nominal : 5 HP

Motobomba

Motor : Newman Motor INC.

Tipo : 215 DD 181 BB

Serie : P 424701

Potencia : 7.5 HP

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Velocidad : 3600 rpm

Bomba : Sigmund Pump LTD.

Tipo : N-NL3

Serie : 147304

Manómetro

Rango : 0 – 100 PSI

Aproximación : 2 PSI

Tacómetro Digital

Rango : 0 – 2500 rpm

Aprox : 50 rpm

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Vertedero

Marca : Wyers triangular de 90°

Rango : 0-30cm

PROCEDIMIENTO SEGUIDO EN EL ENSAYO

Encendemos la bomba y regulamos la boquilla de emisión de agua a una presión

determinada (40, 50 y 60psi).

Medimos la altura en el linnímetro para calcular el caudal.

Medimos la fuerza en el dinamómetro cuando no hay carga.

Medimos la velocidad angular con ayuda del tacómetro cuando no hay carga.

Aplicamos carga al sistema (focos).

Medimos la fuerza y la velocidad angular.Repetimos el procedimiento para las diferentes presiones.

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CALCULOS Y RESULTADOS

DATOS DE LABORATORIO

De la experiencia de laboratorio se tomaron los siguientes datos:

Prueba 1:

Δh = 10.3 cm

Pent = 40 psi

RPM F(kg) focos

1265 4.2 en vacío

1245 4.9 1

1223 5.8 2

1195 6 3

1183 6.5 4

1170 7 5

1160 7.2 6

1148 7.6 7

1129 8.1 8

Prueba 2:

Δh = 9.85 cm

Pent = 50 psi

RPM F(kg) focos

1386 4 en vacío

1343 5.2 1

1292 6.1 2

1276 6.6 3

1261 7.1 4

1243 7.6 5

11



1223 7.9 6

1204 8.2 7

1180 8.5 8

Prueba 3:

Δh = 8.9 cm

Pent = 60 psi

RPM F(kg) focos

1437 4 en vacio

1367 5.2 1

1322 6.1 2

1298 6.6 3

1256 6.9 4

1238 7.3 5

1223 7.7 6

1208 8.1 7

1186 8.4 8

Prueba 4:

Δh = 9.35 cm

Pent = 50 psi (descenso)

RPM F(kg) focos

1367 3.7 en vacío

1301 4.6 1

1264 5.5 2

1251 6 3

1232 6.3 4

1212 6.7 5

1195 7 6

1180 7.2 7

1162 7.5 8

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PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS

a) Potencia Hidráulica (PH)

PH=ρ gQH …(1)

Dónde: ρ: densidad del agua.

g: aceleración de la gravedad.

H: altura simulada a altura útil.

Q: caudal

H= Pγ+V T2

2g

Donde VT: velocidad de entrada a la boquilla.

V T=QAe

Donde Ae: área de entrada a la boquilla (Φ=3”)

Q=Cdx (1. 416xh52 )

Donde Cd: coeficiente de descarga (0.68)

h: altura medida en el linímetro (en metros)

b) Potencia del Rodete (HPr)

H Pr=ρQU (V ch−U )(1+k cos( β )………….(2)

Dónde:

U: velocidad tangencial.

Vch: velocidad del chorro.

K = 0.9

β = 10º

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V ch=0 .975√2 gH

U=wr pDonde: w: velocidad angular. rp=5.6875”

c) Potencia al Freno (BHP)

BHP=Fd∗R∗w……….(3)

Donde: Fd: fuerza medida en el dinamómetro.

R = 3”

d) Eficiencia Mecánica (ηm)

ηm=BHPH Pr ……..(4)

e) Eficiencia Hidráulica (ηh)

ηh=H PrPH ……….(5)

f) Eficiencia Total (ηT)

ηT=BHPPH ……….(6)

Utilizando Microsoft Excel, obtenemos las siguientes tablas:

Prueba 1: (Pent =40 psi)

PH(W) Q(m3/s) Vt(m/s) Vch(m/s) H(mH2O)

905.0295 3.2784×10−3 0.7189 22.9097 28.1405

Carga N(rpm) Fd(N) U(m/s) HPr(W) BHP(W) ηh ηm ηt

0 1265 0 16.192 672.66 0 74.3% % 0%

1 1245 6.867 15.936 687.26 68.22 75.9% 9.9% 7.5%

2 1223 15.696 15.655 702.34 153.17 77.6% 21.8% 16.9%

3 1195 17.658 15.296 720.19 168.38 79.5% 23.3% 18.6%

4 1183 22.563 15.1432 727.31 212.99 80.3% 29.2% 23.5%

5 1170 27.468 14.976 734.76 256.44 81.1% 34.8% 28.3%

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6 1160 29.43 14.848 740.21 272.41 81.7% 36.8% 30%

7 1148 33.354 14.695 746.51 305.54 82.4% 40.9% 33.7%

8 1129 38.259 14.451 755.92 344.67 83.5% 45.59% 38%



1011.113 2.92×10−3 0.7189 25.6057923 35.15347

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cargaN(RPM

) Fd(N) U(m/s) Hpr (W)BHp (W) nh nm nt

0 1386 39.24 17.74 771.650 433.98676.32

%56.24

%42.92

%

1 1343 51.012 17.19 800.045 546.67879.13

%68.33

%54.07

%

2 1292 59.841 16.54 829.379 616.94282.03

%74.39

%61.02

%

3 1276 64.746 16.33 837.610 659.24582.84

%78.71

%65.20

%

4 1261 69.651 16.14 844.905 700.85183.56

%82.95

%69.31

%

5 1243 74.556 15.91 853.121 739.49884.37

%86.68

%73.14

%

6 1223 77.499 15.66 861.561 756.32085.21

%87.78

%74.80

%

7 1204 80.442 15.41 868.908 772.84585.94

%88.94

%76.44

%

8 1180 83.385 15.10 877.253 785.15186.76

%89.50

%77.65

%





905.0295 0.003346 0.7189 22.9097 25.3264

Prueba 4: (Pent =50 psi, DESCENSO)


887.7634 0.002574 0.5644 25.9335 35.15764


0 1367 3.7 20.6801305 527.492437 395.93377 59.42% 75.06% 44.60%

1 1301 4.6 19.681675 597.439431 468.476094 67.30% 78.41% 52.77%

2 1264 5.5 19.1219348 632.417334 544.204426 71.24% 86.05% 61.30%

3 1251 6 18.9252694 643.984579 587.571695 72.54% 91.24% 66.19%

4 1232 6.3 18.6378352 660.214949 607.580131 74.37% 92.03% 68.44%

5 1212 6.7 18.335273 676.432801 635.667092 76.20% 93.97% 71.60%

6 1195 7 18.078095 689.519034 654.814445 77.67% 94.97% 73.76%

7 1180 7.2 17.8511733 700.532327 665.06916 78.91% 94.94% 74.92%

8 1162 7.5 17.5788673 713.088222 682.212539 80.32% 95.67% 76.85%

16


0 1437 39.2400 9.0289 961.1586 354.2955 69.44% 36.86% 26%

1 1367 51.0120 8.5891 938.1815 438.1479 67.78% 46.70% 32%

2 1322 59.8410 8.3064 922.1211 497.0615 66.62% 53.90% 36%

3 1298 64.7460 8.1556 913.1429 528.0408 65.97% 57.83% 38%

4 1256 67.6890 7.8917 896.7403 534.1800 64.78% 59.57% 39%

5 1238 71.6130 7.7786 889.4415 557.0477 64.26% 62.63% 40%

6 1223 75.5370 7.6843 883.2359 580.4517 63.81% 65.72% 42%

7 1208 79.4610 7.5901 876.9181 603.1160 63.35% 68.78% 44%

8 1186 82.4040 7.4519 867.4492 614.0629 62.67% 70.79% 44%



GRAFICAS OBTENIDAS


1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 12800

50100150200250300350400

HBP vs RPM

RPM

HBP(

w)

17



1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280620640660680700720740760780

HPr vs RPM

RPM

HPr (

W)

1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 128068.00%

70.00%

72.00%

74.00%

76.00%

78.00%

80.00%

82.00%

84.00%

86.00%

ηh vs RPM

RPM

ηh

18



1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 12600.00%5.00%

10.00%15.00%20.00%25.00%30.00%35.00%40.00%45.00%50.00%

ηm vs RPM

RPM

ηm

1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 12600.00%

5.00%

10.00%

15.00%

20.00%

25.00%

30.00%

35.00%

40.00%

ηt vs RPM

RPM

ηt


19



20

1150 1200 1250 1300 1350 1400300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

Potencia de Freno vs. RPM

RPM

BHp

(W)

1150 1200 1250 1300 1350 1400700.000

720.000

740.000

760.000

780.000

800.000

820.000

840.000

860.000

880.000

900.000

Potencia del rodete vs. RPM

RPM

HPr (

W)



1150 1200 1250 1300 1350 140040.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

Eficiencia mecánica vs. RPM

RPM

Eficie

ncia

mec

ánica

21

1150 1200 1250 1300 1350 140074.00%

76.00%

78.00%

80.00%

82.00%

84.00%

86.00%

88.00%

Eficiencia Hidraulica vs. RPM

RPM

Eficie

ncia

Hid

raul

ica



1150 1200 1250 1300 1350 140030.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

Eficiencia total vs. RPM

RPM

Eficie

ncia

tota

l


1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 15000.0000

100.0000

200.0000

300.0000

400.0000

500.0000

600.0000

700.0000

BHP(W) vs RPM

22



1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500820.0000

840.0000

860.0000

880.0000

900.0000

920.0000

940.0000

960.0000

980.0000

HPr(W) vs RPM

1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 150058.0000

60.0000

62.0000

64.0000

66.0000

68.0000

70.0000

72.0000

ηh vs RPM

23



1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 15000.0000

10.0000

20.0000

30.0000

40.0000

50.0000

60.0000

70.0000

80.0000

ηm vs RPM

1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 15000.0000

5.0000

10.0000

15.0000

20.0000

25.0000

30.0000

35.0000

40.0000

45.0000

50.0000

ηt vs RPM

24



Prueba 3: (Pent =50 psi, DESCENSO)

1150 1200 1250 1300 1350 1400300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

BHP vs RPM

RPM

BHP(

W)

1150 1200 1250 1300 1350 1400400

450

500

550

600

650

700

750

HPR vs RPM

RPM

HPR

(W)

25



1150 1200 1250 1300 1350 140060.00%

65.00%

70.00%

75.00%

80.00%

85.00%

ηh vs RPM

RPM

ηh

1150 1200 1250 1300 1350 140060.00%

65.00%

70.00%

75.00%

80.00%

85.00%

90.00%

95.00%

100.00%

ηm vs RPM

RPM

ηm

26



1150 1200 1250 1300 1350 140040.00%

45.00%

50.00%

55.00%

60.00%

65.00%

70.00%

75.00%

80.00%

ηt vs RPM

RPM

ηt

OBSERVACIONES

Se observó que el banco de pruebas de la Turbina Pelton solo se puede utilizar para

cierto rango de potencias, ya que, para valores fuera de este rango los valores

obtenidos presentan mucho error.

La turbina Pelton se encuentra en un estado aceptable de utilización, a diferencia de

varios equipos de laboratorio, claro que su uso es puramente académico.

El dinamómetro tiene que estar alineado para tomar los valores de fuerza en forma

correcta.

27



CONCLUSIONES

Las gráficas tanto de potencia como de eficiencia en teoría tienen una tendencia

parabólica hacia abajo, sin embargo para Pent= 60psi, HPR vs RPM y nh vs RPM,

tiene una tendencia hacia arriba.

En las gráficas obtenidas para 40 y 450psi se observa que para una misma

velocidad de giro hay valores de carga diferentes, esto es debido a que los datos

tomados estaban fuera del rango aceptable de utilización de la turbina.

Las gráficas para 40 y 50psi demuestran que para una mayor altura de caída de

agua, la turbina es más eficiente.

La eficiencia total máxima de la Turbina Pelton para los datos tomados va en

aumento conforme aumentamos al altura y se mantiene en un rango aceptable, pero

28



la eficiencia mecánica vemos que sobrepasa el 100%, lo cual indicaría una falla en

la toma de datos o cálculos.

29


labo 1 turbina pelton

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