laboratorio de ing. mecánica ii - turbina pelton
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA
FACULTAD DE INGENIERA MECNICA
LABORATORIO DE ENERGIA - LAB. 05
Acta N 01
INFORME
CURSO: Laboratorio de Ingeniera Mecnica II (MN463 A) PERIODO ACAD.: 2014-I EXPERIMENTO: Turbina Pelton REALIZADO POR: Espinoza Rodrguez, Widmard Eduardo 20111213G Garca Vsquez, Andy Steven 20111300G Grandy Gonzales, Emilio Roger 20112601K Salas Crdenas, Pablo Cesar 20111248E EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: Ing. Hernn Pinto Espinoza Fecha: 31-03-2014 ENTREGA DEL INFORME: Lunes 07-04-2014 INFORME CALIFICADO POR: Ing. Manuel Sebes Toledo Paredes
Lima, abril del 2014
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LABORATORIO DE ING. MEC. II - TURBINA PELTON
GRUPO 1 | LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
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NDICE
1) Introduccin................................................................................................................. 2
2) Fundamento Terico.................................................................................................... 3
a. Concepto.................................................................................................................. 3
b. Partes....................................................................................................................... 4
c. Clasificacin.............................................................................................................. 8
d. Diagrama de una turbina Pelton
3) Materiales.................................................................................................................... 10
4) Procedimiento.............................................................................................................. 12
5) Clculos a realizar......................................................................................................... 14
6) Datos de laboratorio.................................................................................................... 16
7) Grficos.................................................................................................................. ...... 17
8) Observaciones.............................................................................................................. 29
9) Recomendaciones........................................................................................................ 29
10) Conclusiones.............................................................................................................. 30
11) Conclusiones.............................................................................................................. 32
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1) INTRODUCCIN
Desde que Nikola Tesla hizo posible la transmisin de electricidad de manera rentable y
segura, y dada su facilidad para ser convertida en otros tipos de energa y las aplicaciones que se le
dio, hubo una necesidad de potencia creciente que deba ser abastecida. La corriente alterna es
fcil de ser transmitida por naturaleza, y su generacin sigue un principio bsico: el de hacer girar
un campo magntico alrededor de otra bobina. El problema reside en cmo hacerlo girar. La
respuesta reside en las turbinas, tanto hidrulicas como a gas y vapor.
En el lado de las hidrulicas, la ms conocida y usada es la turbina Pelton, diseada para
aprovechar al mximo la cada del agua, y su diseo cumple tal propsito. Es con ella con la que
contamos en la mayora de centrales hidroelctricas (entre ellas la C.H. Santiago Antnez de
Mayolo, la ms emblemtica de todas), y tambin est presente en nuestro Laboratorio de Energa
para su estudio.
En el presente informe se presentan y analizan los resultados del experimento realizado
por nosotros, los miembros del Grupo 1, quienes, interesados en aprender sobre el
funcionamiento de la turbina Pelton, redactamos el informe que ahora tiene en sus manos con
miras a conocer ms sobre el funcionamiento de las centrales hidroelctricas en las que algunos
de nosotros estamos interesados en trabajar.
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2) FUNDAMENTO TEORICO
a. CONCEPTO
Es una turbomquina motora, de flujo transversal, admisin parcial y de accin. Consiste en una
rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales estn especialmente
realizadas para convertir la energa de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.
Las turbinas Pelton estn diseadas para explotar grandes saltos hidrulicos de bajo caudal. Las
centrales hidroelctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayora de las veces, con una
larga tubera llamada galera de presin para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de
hasta ms de doscientos metros. Al final de la galera de presin se suministra el agua a la turbina
por medio de una o varias vlvulas de aguja, tambin llamadas inyectores, los cuales tienen forma
de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.
Turbina Pelton de eje vertical con 5 inyectores
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b. PARTES
Cazoleta
En una rueda Pelton la direccin del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo ms importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ngulo de 180, contrarrestndose as los empujes axiales por cambio de direccin de los dos chorros. El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al cauce inferior.
Inyector El inyector es el rgano regulador del caudal del chorro; consta de una vlvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el dimetro mximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo dimetro d se mide en la seccin contrada, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presin exterior es igual a la atmosfrica. Con el fin de asegurar una buena regulacin, conviene disear el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y ste, a su vez, a la seccin de paso normal al flujo. La variacin del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la seccin de salida de la boquilla; su regulacin puede ser manual o automtica mediante un servomotor.
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Tiene adems otro sistema de regulacin por desviacin del chorro, que consiste en una superficie metlica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividindolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningn efecto til. De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubera, por cuanto el caudal que circula por sta continua siendo el mismo.
Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el eje de salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo dimetro se denomina dimetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo de la turbina, sin interferir el giro del rodete.
Cuando el nmero de inyectores es dos, la turbina puede ser tambin de eje horizontal, disponindose los chorros segn dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton, inclinadas un mismo ngulo 30, saliendo el agua de las cucharas sin interferir al rodete Para un nmero superior de inyectores, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser horizontal, sera imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las cucharas. Un chorro bien diseado no debe tener un dimetro d superior a 27 cm, por lo que para establecer el nmero de inyectores hay que partir de la condicin de que su dimetro no sea superior a este lmite, teniendo en cuenta a su vez, el lmite superior impuesto por la velocidad especfica por chorro, en funcin del salto. El hecho de sustituir un nmero de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un mayor nmero de inyectores de dimensiones ms pequeas, permite construir turbinas de mayor dimetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos lmites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, as como la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto ms frecuentes cuanto mayor sea el nmero de chorros
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Rodete
Consta de una rueda con cucharas alrededor, a las que podemos llamar tambin alabes y/o cangilones, sobre las que acta el chorro inyector. El tamao y nmero de cucharas dependen de
las caractersticas de la instalacin y/o de la velocidad especfica ns. Cuanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor ser el dimetro del chorro. Las dimensiones de la cuchara vienen ligadas directamente por el dimetro del chorro.
Cada vez que va a entrar una cuchara en el campo de accin del chorro sufrira un rechazo, por lo que a esta se le practica una mella de aproximadamente un 10% mayor a dimetro del chorro. La cuchara tiene forma elptica dividida por una cresta afilada en dos partes simtrica. Al estar dividida en dos la componente axial de la fuerza se contrarresta y de esta forma no sufren los cojinetes
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c. CLASIFICACION DE TURBINAS PELTON
EJE HORIZONTAL: Solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como mximo debido a la complicada
instalacin y mantenimiento de los inyectores. Sin embargo en esta posicin la inspeccin de la
rueda en general es ms sencilla por lo que las reparaciones o desgastes se pueden seleccionar sin
necesidad de desmontar la turbina.
Turbina Pelton de eje horizontal
EJE VERTICAL: En esta posicin se facilita la colocacin de alimentacin en un plano horizontal y con esto es
posible aumentar el nmero de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por unidad.
Se acorta la longitud entre la turbina y el generador, disminuyen las excavaciones y hasta
disminuir el dimetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. Por la posicin es mas difcil y
caro su mantenimiento por lo cual se debe usar en aguas limpias donde no produzca efecto
abrasivo sobre los alabes.
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d. DIAGRAMA DE UNA TURBINA PELTON
1. Codo de entrada
2. Inyector
3. Tobera
4. Vlvula de aguja
5. Servomotor
6. Regulador
7. Mando del deflector
8. Deflector o pantalla deflectora
9. Chorro
10. Rodete
11. Alabes o cucharas
12. Freno de la turbina por chorro de agua
13. Blindaje
14. Destructor de energa
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3) MATERIALES
Limnmetro Focos
Turbina Pelton Tacmetro
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Vertedero
Regla milimtrica
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4) PROCEDIMIENTO
1. Antes de encender la bomba primero dejamos que se grade el nivel de agua en el
vertedero.
2. Encendemos la bomba y regulamos la presin con ayuda del inyector para poder trabajar
con las presiones indicadas en cada caso.
3. Luego con la ayuda del limnmetro ubicamos la punta de la varilla de sta hasta que
coincida con el filo del agua, donde estableceremos un punto de referencia con la regla
que se encuentra junto al limnmetro.
4. Una vez hecho esto medimos cuanto subi el nivel del agua en el limnmetro con cada
presin que se va usar.
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5. Tomamos la lectura del dinammetro y medimos la velocidad angular con ayuda del
tacmetro cuando no hay carga.
6. Luego procederemos a hacer lo del paso 5 solo que esta vez con carga (representada por
los focos encendidos) de 0 a 8 focos.
7. Repetimos el procedimiento para la 2da presin.
8. Por ltimo no olvidemos tomar la longitud del brazo.
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5) CALCULOS A REALIZAR
1. POTENCIA DEL AGUA(HPa)
Q = caudal ( )
H = altura til (m)
h = altura leda en el linnimetro (m)
Cd = coeficiente de descarga
D = dimetro de la entrada a la inyector (0.0762m)
2. POTENCIA DEL RODETE (HPr)
3. POTENCIA AL FRENO(BHP)
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4. EFICIENCIA MECANICA
5. EFICIENCIA HIDRAULICA (
6. EFICIENCIA TOTAL ( )
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DATOS DE LABORATORIO
En la experiencia de laboratorio se hicieron 2 pruebas a diferentes presiones a la entrada
del inyector los cuales nos brindan los siguientes resultados para el respectivo anlisis
Brazo del dinammetro: 8cm
PRUEBA 1:
P=30 PSI h linnimetro=8.1cm
FOCO N(RPM) P(Kg F)
0 1013 2.2
1 987 2.8
2 968 3.2
3 953.7 3.3
4 947.5 3.45
5 942.8 3.6
6 936.1 3.7
7 933.3 3.8
8 930.3 3.9
PRUEBA 2:
P=50 PSI h linnimetro=4.9 cm
FOCO N(RPM) P(kg F)
0 980.8 1.4
1 923.2 1.8
2 899.5 1.9
3 878.7 1.9
4 869.1 2
5 848.2 2
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6) CALCULOS Y RESULTADOS
1. POTENCIA DEL AGUA
PRUEBA P(psi) h(m) Cd D(m) Q( ) V(m/s) H(m) HPa(Watts) HPa(HP)
1 30 0.081 0.68 0.0762 0.001797 0.3942 21.1143 372.0385 0.49871
2 50 0.049 0.68 0.0762 0.000511 0.1122 35.1779 176.4246 0.23649
HPa(Prueba 1)= 372.0385
HPa(Prueba 2)= 176.4246
2. POTENCIA DEL RODETE (HPr)
Prueba 1:
FOCO N(RPM) P(Kg F) U(m/s) HPr(Watts) HPr(HP)
0 1013 2.2 12.9671 306.9416 0.4114
1 987 2.8 12.6343 313.3248 0.4200
2 968 3.2 12.3911 317.5143 0.4256
3 953.7 3.3 12.2080 320.4029 0.4295
4 947.5 3.45 12.1286 321.5846 0.4311
5 942.8 3.6 12.0685 322.4519 0.4322
6 936.1 3.7 11.9827 323.6459 0.4338
7 933.3 3.8 11.9469 324.1301 0.4345
8 930.3 3.9 11.9085 324.6393 0.4352
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Prueba 2:
FOCO N(RPM) P(kg F) U(m/s) HPr(Watts) HPr(HP)
0 980.8 1.4 12.5549 159.8734 0.2143
1 923.2 1.8 11.8176 158.8957 0.2130
2 899.5 1.9 11.5142 158.1887 0.2120
3 878.7 1.9 11.2480 157.4217 0.2110
4 869.1 2 11.1251 157.0216 0.2105
5 848.2 2 10.8575 156.0496 0.2092
SE CUMPLE QUE LA POTENCIA DEL AGUA ES MAYOR A LA POTENCIA DEL RODETE
3. Potencia AL EJE FRENO(BHP)
Prueba 1:
FOCO N(RPM) P(Kg F) w BHP(Watts)
0 1013 2.2 106.0811 183.1554
1 987 2.8 103.3583 227.1238
2 968 3.2 101.3687 254.5733
3 953.7 3.3 99.8712 258.6505
4 947.5 3.45 99.2219 268.6494
5 942.8 3.6 98.7297 278.9392
6 936.1 3.7 98.0281 284.6502
7 933.3 3.8 97.7349 291.4690
8 930.3 3.9 97.4207 298.1777
Prueba 2:
FOCO N(RPM) P(kg F) w BHP(Watts)
0 980.8 1.4 102.709136 112.8485
1 923.2 1.8 96.6772779 136.5701
2 899.5 1.9 94.1954197 140.4566
3 878.7 1.9 92.0172488 137.2087
4 869.1 2 91.0119392 142.8523
5 848.2 2 88.8232963 139.4170
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4. EFICIENCIA MECANICA( ),HIDRAULICA Y TOTAL(
PRUEBA 1:
FOCO N(RPM) P(Kg F)
0 1013 2.2 0.5967 0.8250 0.4923
1 987 2.8 0.7249 0.8422 0.6105
2 968 3.2 0.8018 0.8534 0.6843
3 953.7 3.3 0.8073 0.8612 0.6952
4 947.5 3.45 0.8354 0.8644 0.7221
5 942.8 3.6 0.8651 0.8667 0.7498
6 936.1 3.7 0.8795 0.8699 0.7651
7 933.3 3.8 0.8992 0.8712 0.7834
8 930.3 3.9 0.9185 0.8726 0.8015
PRUEBA 2:
FOCO N(RPM) P(kg F)
0 980.8 1.4 0.70586222 0.9062 0.6396
1 923.2 1.8 0.8594957 0.9006 0.7741
2 899.5 1.9 0.88790599 0.8966 0.7961
3 878.7 1.9 0.87159983 0.8923 0.7777
4 869.1 2 0.90976232 0.8900 0.8097
5 848.2 2 0.89341467 0.8845 0.7902
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7) GRAFICOS
PRUEBA 1
Grfica Potencia de Rodete VS. Revoluciones por minuto
Ecuacin graficada en MATLAB HPr VS RPM tendencia completa
Grfica Potencia al freno VS. Revoluciones por minuto
y = -0.0006x2 + 0.7071x - 3E-10 R = 1
140
145
150
155
160
165
170
175
180
920 940 960 980 1000 1020
HP
r(W
)
RPM
HPr VS RPM
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Grfica Torque VS. Revoluciones por minuto
Grfica Eficiencia mecnica VS. Revoluciones por minuto
y = -0.0025x2 + 3.5539x - 850.91 R = 0.9834
150
170
190
210
230
250
270
290
310
920 940 960 980 1000 1020
BH
P(W
)
RPM
BHP VS RPM
y = -0.0152x + 17.163 R = 0.9879
1.5
1.7
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
2.9
3.1
920 940 960 980 1000 1020
T(N
m)
RPM
T VS RPM
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Grfica Eficiencia hidrulica VS. Revoluciones por minuto
y = -2E-05x2 + 0.0392x - 15.254 R = 0.9528
1.15
1.25
1.35
1.45
1.55
1.65
1.75
920 940 960 980 1000 1020
nm
RPM
nm VS RPM
y = -2E-06x2 + 0.0029x + 1E-12 R = 1
0.55
0.57
0.59
0.61
0.63
0.65
0.67
0.69
0.71
0.73
920 940 960 980 1000 1020
nh
RPM
nh VS RPM
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Grfica Eficiencia total VS. Revoluciones por minuto
y = -1E-05x2 + 0.0143x - 3.4301 R = 0.9834
0.47
0.57
0.67
0.77
0.87
0.97
1.07
1.17
1.27
920 940 960 980 1000 1020
nt
RPM
nt VS RPM
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PRUEBA 2
Grfica Potencia de Rodete VS. Revoluciones por minuto
Ecuacin graficada en MATLAB HPr VS RPM tendencia completa
Grfica Potencia al freno VS. Revoluciones por minuto
y = -0.0002x2 + 0.3181x + 3E-11 R = 1
155.5
156
156.5
157
157.5
158
158.5
159
159.5
160
160.5
840 860 880 900 920 940 960 980 1000
HP
r(W
)
RPM
HPr VS RPM
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25
Grfica Torque VS. Revoluciones por minuto
Grfica Eficiencia mecnica VS. Revoluciones por minuto
y = -0.0026x2 + 4.5306x - 1845.1 R = 0.9663
110
115
120
125
130
135
140
145
150
840 860 880 900 920 940 960 980 1000
BH
P(W
)
RPM
BHP VS RPM
y = -0.0036x + 4.6681 R = 0.9209
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
840 860 880 900 920 940 960 980 1000
T(N
m)
RPM
T VS RPM
-
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26
Grfica Eficiencia hidrulica VS. Revoluciones por minuto
y = -2E-05x2 + 0.0265x - 10.611 R = 0.9707
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
840 860 880 900 920 940 960 980 1000
nm
RPM
nm VS RPM
y = -9E-07x2 + 0.0018x + 4E-14 R = 1
0.88
0.885
0.89
0.895
0.9
0.905
0.91
840 860 880 900 920 940 960 980 1000
nh
RPM
nh VS RPM
-
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Grfica Eficiencia total VS. Revoluciones por minuto
y = -1E-05x2 + 0.0257x - 10.458 R = 0.9663
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
840 860 880 900 920 940 960 980 1000
nt
RPM
nt VS RPM
-
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8) OBSERVACIONES
Se observ que el incremento de la carga produce una reduccin de la velocidad
del rotor (obtenida con el tacmetro).
En la segunda prueba, los datos finales comenzaron a manifestar una tendencia
imprevista, por lo que solo se tuvieron en cuenta los primeros, que son los usados
en el presente informe.
De las grficas de eficiencia se observa que esta turbina Pelton tiene eficiencias
elevadas, pero las ecuaciones de las grficas no son buenas aproximaciones pues
matemticamente resultan eficiencias mayor que 1, esto se debe a los pocos
puntos que se utilizaron para obtener la ecuacin.
9) RECOMENDACIONES
Se recomienda que en la experiencia se utilicen ms puntos de prueba porque los
8 focos (carga) utilizada para la experiencia no fueron suficiente para obtener los
mejores resultados deseados, se recomiendo unos 16 puntos de prueba as las
interpolaciones sern ms confiables.
Esperar un tiempo apropiado luego de aplicar la carga al generador para realizar
las medidas respectivas pues el sistema tiene que salir del estado transitorio y
llegar al estado estacionario (recordemos que trabajamos con un generador, una
mquina elctrica en la que intervienen bobinas).
Verificar que todos los focos consuman la misma potencia y que esta est
estipulada en ellos mismos o en un letrero al costado. As mismo, pintarlos para
que no cieguen a quienes trabajan con el equipo con alguna pintura que no se
queme al calentarse.
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10) CONCLUSIONES
Al aumentar la presin el caudal en la tubera de presin disminuye y la altura til
aumenta; por lo tanto aumentar la velocidad del chorro que impacta en la
cuchara del rodete, ofreciendo mayor energa cintica, la cual ser convertida en
energa mecnica.
Las grficas de potencia tienen una tendencia parablica que se observa en los
grficos hechos con Matlab y Excel, nuestras graficas siguen esta tendencia pero se
necesitan de ms puntos de prueba para mejorar el resultado.
Una vez obtenidas las ecuaciones matemticas podemos estimar los puntos de
operacin de mayor eficiencia con el anlisis matemtico.
Se verifica que la potencia del agua(HPa) es mayor a la potencia del rodete(HPr) y
este mayor a la potencia al freno(BHP)
Con las grficas obtenidas de eficiencias podemos observar que existe un punto
ptimo de trabajo en la turbina Pelton que son diferentes para presiones
desiguales de entrada al inyector.
Podemos concluir que al aumentar la carga (focos) en una turbina Pelton la
eficiencia de la turbina variara pues tambin varan las RPM del rodete, estas
variables pueden ser controladas aumentando la altura til (mayor presin en la
entrada del inyector) que se controla abriendo o cerrando la aguja del inyector.
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11) BIBLIOGRAFIA
Mataix, Claudio (1982). Mecnica de Fluidos y Mquinas Hidrulicas. Segunda Edicin. Madrid, Espaa. Ediciones Del Castillo. Disponible en http://www.fidena.edu.mx/biblioteca/LibrosMaquinas/libros%20curricula/5o.%20semestre/Mecanica%20de%20Fluidos/Ingenieria%20Mecanica%20de%20fluidos%20y%20maquinas%20hidraulicas%201.pdf.
Salvador Gonzales (2002), M. Turbomquinas I. Segunda Edicin. Lima, Per. Editorial Ciencias.
Alarcon Ramirez, Jorge Eliecer & Sandoval Delgado, Jaime Arley. Ensayo y estudio de una Turbina Pelton. Tesis de grado Universidad Pontifcia Bolivarana Seccional Bucaramanga, Bucaramanga, 2008. Disponible en http://repository.upb.edu.co:8080/jspui/bitstream/123456789/202/1/digital_16409.pdf
http://www.pttrenenergy.upc.edu/index2.php?option=com_docman&task=doc_view&gid=233&Itemid=35