laboratorio turbomáquinas

Universidad de Chile

Facultad de Cs. Físicas y MatemáticasDepartameto de Ingeniería MecánicaME3301-1 Mecánica de Fluidos

Laboratorio N◦4

Turbomaquinas

Informe Final

Integrantes: Nicolas MolinaCamila NinoHilda Silva

Profesor: Williams CalderonAyudante: Juan Rojas

14 de octubre de 2015Santiago, Chile.

Seccion 2

Resumen ejecutivo

ME3301-1: Mecanica de Fluidos FCFM-Universidad de Chile

Seccion INDICE 3

Indice

1. Introduccion 4

2. Objetivos 52.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2. Objetivos especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3. Antecendentes y metodologıas 63.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.1.1. Turbomaquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1.2. Turbinas hidraulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1.3. Curvas caracterısticas de una maquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1.4. Marco Teorico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1.5. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2. Metodologıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4. Memoria de calculo 10

5. Resultados 11

6. Analisis de resultados 19

7. Conclusiones 20


Seccion 1. Introduccion 4

1. Introduccion

Desde la revolucion industrial las maquinas han jugado un rol fundamental en el desarrollo de nuestrasociedad. A medida que avanza el tiempo el ser humano cada vez es mas dependiente de ellas, influyen en casitodo aspecto de la vida cotidiana, sin embargo, no tendrıa sentido hablar de maquinas sin hablar de energıa.

Como es sabido, las maquinas necesitan de energıa para funcionar y su finalidad es transformar esta energıaen trabajo o en otra forma de energıa. En la naturaleza se pueden hallar diversas formas de energıa, como lacalorica, electrica, mecanica, magnetica, nuclear, quımica, etc., y todas ellas pueden utilizarse como fuente parala alimentacion de una maquina. Las Turbomaquinas son un tipo de maquinas que estan constituidas por unrotor giratorio a traves del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando este su cantidad de movimientodebido a la transferencia de energıa entre la maquina y el fluido. Esta transferencia puede ser desde la maquinahacia el fluido, que es el caso de las bombas hidraulicas o los ventiladores, o del fluido hacia la maquina, quees el caso de las turbinas.

Las turbinas transforman la energıa mecanica de un fluido en movimiento (como la de una corriente de agua,una cascada, viento, vapor de agua o gas), en energıa utilizable, como la electrica. Como se puede imaginar,son fundamentales en las centrales hidroelectricas. La presente experiencia de laboratorio tiene por objetivocomprender el funcionamiento de una turbina, es decir, entender como estos dispositivos logran extraer energıaa partir de un flujo. Para ello se empleara el dispositivo Armfield FM62, que es una turbina de Pelton que sedebe utilizar en conjunto con la unidad de servicio FM6X (que consta de una base de acero sobre la que vanmontados un deposito de agua, una bomba trifasica compacta y un caudalımetro electronico), y esta ultima seconectara a un PC a traves de un dispositivo de interfaz USB. Con estas herramientas sera posible analizar lasdistintas variables fısicas involucradas en el proceso, establecer una correlacion entre ellas y finalmente lograrsu correcta interpretacion.


Seccion 2. Objetivos 5

2. Objetivos

2.1. Objetivo general

Comprender el funcionamiento teorico y practico de una turbina, es decir, entender como este dispositivogenera energıa a partir de un flujo de agua mediante el analisis de las distintas variables fısicas involucradas enel proceso, su interpretacion y finalmente estableciendo una correlacion entre ellas.

2.2. Objetivos especıficos

- Conocer y manejar el equipo FM6X Unidad de Servicio de Turbinas.

- Determinar las caracterısticas de la turbina, como eficiencia, potencia de salida, rapidez de giro, etc.

- Determinar las caracterısticas del flujo (caudal).

- Establecer relaciones entre rapidez de rotacion y caudal.

- Hallar las curvas de eficiencia, torque y potencia versus rapidez de giro.

- Determinacion de la presion interna de entrada del agua.


Seccion 3. Antecendentes y metodologıas 6

3. Antecendentes y metodologıas

3.1. Antecedentes

3.1.1. Turbomaquinas

Las Turbomaquinas son un tipo de maquinas que estan constituidas por un rotor giratorio a traves delcual pasa un fluido de forma continua, cambiando este su cantidad de movimiento debido a la transferenciade energıa entre la maquina y el fluido.En general se pueden clasificar como turbomaquinas generadoras (bombas) y tubomaquinas motoras (turbinas).Si la energıa es transferida desde la maquina hacia el fluido, se trata de bombas y si es del fluido hacia lamaquina, se trata de turbinas.

3.1.2. Turbinas hidraulicas

Las turbinas hidraulicas son un tipo de turbomaquinas motoras que aprovechan la energıa de un fluido quepasa de forma continua a traves de ellas para producir un movimiento de rotacion.El elemento basico de cualquier turbina es la rueda o rotor, que consiste en un disco que cuenta con palas,helices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimientoproduce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar (ver Figura 1). Esta energıa mecanica setransfiere a traves de un eje para proporcionar el movimiento a otro mecanismo, maquina o a un generadorelectrico que transforma la energıa mecanica en energıa electrica.

Figura 1: Turbina Hidraulica

Uno de los tipos mas eficientes de turbinas hidraulicas, es la turbina Pelton. Estas son turbinas de accion(no existe un cambio de presion en el paso del fluido por el rotor), de flujo transversal y de admision parcial(no todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo).Se podrıa decir que son la evolucion de los antiguos molinos de agua, y a diferencia de las otras turbinas, suspaletas tienen forma de cuchara.Estan disenadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequenos. La idea de estoes que a medida que la altura de la caıda de agua aumenta, se necesita menor caudal para generar la mismapotencia.

3.1.3. Curvas caracterısticas de una maquina

Se entiende por curvas caracterısticas de una maquina la representacion grafica de su comportamiento,vienen a ser el lugar geometrico de los puntos en que esta puede funcionar.


Seccion 3.1 Antecedentes 7

Esta forma de representacion tiene grandes ventajas sobre la analıtica, como son la rapidez y la globalidad devision del comportamiento de la maquina. En el caso de maquinas hidraulicas es extraordinariamente util.Para esta experiencia se construiran las curvas caracterısticas de potencia, torque y eficiencia versus el porcen-taje de freno para una turbina Pelton Armfield FM62.

3.1.4. Marco Teorico

Los siguientes conceptos estan definidos especıficamente en relacion a las turbinas.

- Potencia de salida [W]: es la potencia mecanica recibida por el generador. Tambien se denomina potenciaal freno o al eje. Recordamos que la potencia se define como la cantidad de trabajo efectuado por unidadde tiempo.

- Eficiencia [ %]: Se define como el cociente entre la energıa que entrega la turbina y la energıa de entrada(que le entrego el fluido). Se mide en porcentaje.

- Par producido [Nm]: El par motor o torque es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje detransmision de potencia. La potencia desarrollada por el par motor es proporcional a la velocidad angulardel eje de transmision.

- Velocidad de Rotacion o de Giro [rad/s]: indica la velocidad angular con la que esta girando el rodete, oen otras palabras, indica el angulo o el numero de revoluciones que da el rodete por unidad de tiempo.Para esta experiencia se medira en radianes por segundo.

3.1.5. Equipo

Durante la actividad, se utilizaron los siguientes equipos:

- FM6X Unidad de servicio de Turbinas (ver figura 2).

Figura 2: Equipo FM6X Unidad de servicio de Turbinas

1. Turbina Pelton FM62.

2. Estanque de agua de 28L.


Seccion 3.1 Antecedentes 8

3. Base de acero inoxidable.

4. Bomba de tres fases.

5. Flujometro electronico.

6. Entrada de agua de la bomba.

7. Salida de agua de la bomba.

- FM62 Turbina Pelton (ver figura 3).

Figura 3: Equipo FM62 Turbina Pelton

8. Rotor con 10 paletas (o cucharas).

9. Boquilla: es por donde sale el chorro de agua..

10. Entrada de agua.

11. Sensor de presion interna: mide la presion del agua antes de entrar a la turbina.

12. Valvula de aguja: con ella se puede disminuir el caudal sin cambiar la velocidad.

13. Buje.

14. Valvula de control: disminuye el caudal y la velocidad del fluido que sale por la boquilla, ya que nocambia su seccion.

15. Freno Magnetico: provee el torque necesario para que, junto con la velocidad de rotacion de laturbina, se genere la potencia que luego podra ser almacenada o utilizada.

- Interfaz amplificadora de senales IFD7 (ver figura 4).

Figura 4: Interfaz amplificadora de senales IFD7


Seccion 3.2 Metodologıas 9

Este instrumento recibe la informacion desde los variados sensores, la digitaliza y la envıa al computadorvıa USB. Tiene 2 botones para su encendido, el rojo que se observa en la imagen y el azul que esta enla parte posterior.

3.2. Metodologıas

A continuacion se describe la metodologıa empleada al utilizar la Unidad de Servicio FM6X junto a laTurbina Pelton FM62 y la Interfaz Amplificadora de Senales.

1. Se enciende el computador que contiene el software adecuado para realizar las mediciones.

2. Se enciende la interfaz IFD7, tanto del boton azul como del rojo.

3. Se conecta la interfaz al computador mediante el cable USB.

4. Se comprueba que ambas luces de la interfaz esten encendidas.

5. Se abre el programa FM6X 306 Turbines.

6. Se corrobora la conexion nuevamente, esta vez mediante el programa, comprobando que en la esquinainferior derecha dice IFD: vCOM(3)m.

7. Se verifica que el equipo este funcionando correctamente, ya no el software. Se selecciona el tipo deturbina en el programa (FM61 Pelton Turbine) y se revisa que el ıcono Watchdog Enabled este en verde.

8. Se hacen los ajustes iniciales, se debe fijar en cero la fuerza.

9. Se enciende la bomba presionando Pump On.

10. Se realiza un prueba inicial, si no ocurre ningun tipo de problema se comienza la experiencia.

11. En el cuadro de controles se ajusta la velocidad de la turbina subiendola gradualmente hasta alcanzar el40

12. Se pulsa el boton Go para comenzar la toma de datos o muestra.

13. Se sube gradualmente el control de freno, partiendo desde 0 hasta que la turbina se detenga. Se vaaumentando el porcentaje de freno de 5 en 5, y para cada valor se espera que el software guarde 10medidas.

14. Se detiene la toma de datos pulsando el mismo boton de antes.

15. Se exporta la tabla con la toma de datos con la extension .xls

16. Se crea una nueva tabla para comenzar una nueva medicion.

17. Se repiten los pasos 11 al 16 para una velocidad del 60

18. Se repiten los pasos 11 al 15 para una velocidad del 80

19. Por ultimo, se detiene la turbina, se cierran los programas, se apagan los equipos comprobando que todoquede en orden y finaliza la experiencia.


Seccion 4. Memoria de calculo 10

4. Memoria de calculo

Las formulas ocupadas fueron:P = Tω (4.1)

Donde, P: Potencia generada por la turbina, T: Momento de Torsion producido por la turbina y ω: velocidadangular de la turbina.Para calcular la eficiencia:

γ =Pprod

Ptot· 100 % (4.2)

Donde γ: Eficiencia de la turbina, Pprod: Potencia producida por la turbina y Ptot: Potencia total de entrada.Ademas, dado que trabajamos con muchos datos, ocupamos cantidades promedio, con sus errores asociados ycomo operar con las cantidades. Sea C una variable medida con una cantidad de datos. Luego, esta puede serrepresentada como:

C = 〈C〉 ±∆C (4.3)

Donde < C >: es el promedio de las medidas y ∆C: corresponde a la desviacion estandar (o error asociado) delos datos obtenidos. Sea A =< A > ±∆A y B =< B > ±∆B, las operaciones basicas entre estas variables(con sus errores asociados) son:

A+B = (〈A〉+ 〈B〉)±√

(∆A)2 + (∆B)2 (4.4)

A−B = (〈A〉 − 〈B〉)±√

(∆A)2 + (∆B)2 (4.5)

A ·B = (〈A〉 · 〈B〉)± (〈A〉 · 〈B〉) ·

√(∆A

〈A〉

)2

+

(∆B

〈B〉

)2

(4.6)

A

B=

(〈A〉〈B〉

)±(〈A〉〈B〉

)·

√(∆A

〈A〉

)2

+

(∆B

〈B〉

)2

(4.7)


Seccion 5. Resultados 11

5. Resultados

A continuacion se muestran los resultados mas relevantes para el cumplimiento de los objetivos planteados(Cuadro 1, Cuadro 2 y Cuadro 3). Ademas, para cada cuadro se grafica el Torque ([Nm]), la Potencia ([W]) yla Eficiencia ([ %]) en funcion del porcentaje de freno aplicado (Figura 5, Figura 6, Figura 7, Figura 8, Figura9, Figura 10, Figura 11, Figura 12 y Figura 13).

Cuadro 1: Datos obtenidos para una velocidad de la bomba de un 40 %, con los errores de medida asociadosa cada medida y el error de medicion entre el resultado experimental versus el resultado teorico

Datos obtenidos para una velocidad de la bomba de un 40 %

Configuracion Rapidez Error de Torque Error de Potencia Error dede freno [rad/s] medida [Nm] medida Calculada medida

[ %] [rad/s] [Nm] [W] [W]

0 79,16 3,50 0,02 0,00 1,56 0,07

5 73,84 2,64 0,02 0,00 1,45 0,05

10 68,21 1,98 0,02 0,00 1,40 0,06

15 52,90 4,30 0,02 0,00 1,26 0,12

20 39,25 4,05 0,03 0,00 1,08 0,13

25 22,53 3,23 0,03 0,00 0,76 0,12

28 11,95 1,89 0,04 0,00 0,46 0,08

Eficiencia Error de Eficiencia Error de Error deCalculada medida Medida Medida Medicion

[ %] [ %] [ %] [ %] de Potencia [ %]

31,15 1,43 31,15 0,05 0,01

28,98 1,07 28,99 0,05 0,01

28,05 1,17 28,07 0,06 0,09

25,86 2,84 25,83 0,26 0,11

23,58 2,85 23,67 0,03 0,37

16,56 2,56 16,60 0,05 0,26

9,94 1,66 9,91 0,04 0,28



Figura 5: Torque en funcion del porcentaje de freno para una velocidad de la bomba de un 40 %

Figura 6: Potencia en funcion del porcentaje de freno para una velocidad de la bomba de un 40 %



Figura 7: Eficiencia en funcion del porcentaje de freno para una velocidad de la bomba de un 40 %






[ %] [rad/s] [Nm] [W] [W]

0 158,84 3,02 0,00 0,00 -0,01 0,00

5 155,08 3,02 0,00 0,00 -0,01 0,00

10 150,70 2,95 0,00 0,00 0,14 0,09

15 145,69 2,64 0,00 0,00 0,65 0,25

20 134,43 3,23 0,01 0,00 1,28 0,14

25 122,54 3,30 0,01 0,00 1,81 0,14

30 97,51 3,30 0,02 0,00 2,28 0,13

35 67,58 3,96 0,03 0,00 2,28 0,17

40 38,80 3,96 0,05 0,00 1,91 0,22

43 19,40 1,98 0,05 0,00 1,05 0,11

44 13,14 1,98 0,06 0,00 0,78 0,12


[ %] [ %] [ %] [ %] de Potencia [ %]

-0,05 0,00 -0,06 0,12 0,74

-0,05 0,00 -0,05 0,08 0,38

0,86 0,59 0,85 0,58 0,50

4,10 1,60 4,11 1,63 0,24

8,09 0,89 8,08 0,80 0,07

11,50 0,90 11,50 0,89 0,01

14,34 0,85 14,33 0,53 0,07

14,34 1,06 14,10 0,50 1,71

12,04 1,36 12,08 1,69 0,34

6,65 0,70 6,65 0,69 0,01

4,94 0,78 4,94 0,71 0,11







[ %] [rad/s] [Nm] [W] [W]

0 243,83 2,64 0,00 0,00 -0,02 -0,04

5 243,21 3,02 0,00 0,00 0,00 0,05

10 238,20 1,98 0,00 0,00 0,49 0,33

15 234,45 3,02 0,00 0,00 0,78 0,23

20 227,77 4,43 0,01 0,00 1,59 0,48

25 219,53 2,95 0,02 0,00 3,52 0,58

30 203,26 3,23 0,02 0,00 4,85 0,75

35 183,24 2,64 0,04 0,00 6,49 0,34

40 157,58 3,55 0,05 0,00 7,55 0,23

45 120,04 1,98 0,06 0,00 7,40 0,20

50 82,49 1,98 0,08 0,00 6,66 0,22

55 41,92 3,02 0,10 0,00 4,21 0,33

58 21,90 3,30 0,11 0,00 2,44 0,37




[ %] [ %] [ %] [ %] de Potencia [ %]

-0,06 0,00 -0,06 0,10 0,14

0,01 0,00 0,01 0,15 3,66

1,30 0,88 1,29 0,85 0,90

2,07 0,61 2,08 0,64 0,35

4,25 1,27 4,25 1,24 0,14

9,39 1,55 9,38 1,47 0,13

13,08 2,03 13,07 1,93 0,09

17,47 0,92 17,72 0,77 1,43

20,35 0,63 20,35 0,45 0,00

19,89 0,57 19,89 0,45 0,01

17,83 0,60 17,83 0,39 0,01

11,36 0,89 11,34 0,62 0,12

6,57 1,00 6,56 0,92 0,15



Seccion 6. Analisis de resultados 19

6. Analisis de resultados

Luego de tomadas las medidas a traves del Software en el computador conectado a la Interfaz Amplificadorade Senales IFD7 se evidencias las siguientes situaciones:

1. Para cada uno de los 3 valores definidos para las revoluciones por unidad de tiempo producidas por la helicede la turbina Pelton se aprecia en los graficos de la potencia calculada con respecto a la configuracionde freno porcentual, que para la medida de 40 revoluciones por unidad de tiempo la potencia tiende adisminuir a mayor porcentaje de freno ejercido, comportamiento que se aleja completamente del que sepuede aprecia en los mismos tipos de graficos para las medidas de 60 y 80 revoluciones por unidad detiempo: en estos se evidencia que al principio aumenta la potencia a medida que aumentan los valorespara el freno, pero llegado un valor especifico del freno, la potencia es maxima y luego de eso estacomienza a disminuir gradualmente. Esta diferencia entre una de las medidas con respecto a las otras2 puede atribuirse a un error en la digitalizacion de la Interfaz de los datos para la medida de 40, porlo que el software arrojo valores erroneos en este caso. Sin embargo, se podrıa tratar de explicar elcomportamiento de la potencia con respecto a los valores de frenado para las medidas de 60 y 80, lascuales pudieron ser tomadas correctamente. Al principio, a medida que aumenta el valor de frenadoporcentual aumenta el valor registrado para la potencia de la turbina, esto posiblemente se debe a quecomo el caudal aumenta, es decir, la velocidad aumenta; quiere decir que es razonable que la potenciaaumente hasta un valor maximo. Sin embargo, despues de que se ha alcanzado este punto, la potenciadisminuirıa probablemente porque la eficiencia de esta disminuirıa a medida que sigue aumentando elcaudal del chorro que impacta sobre la helice de la turbina (frenado).

2. Para los graficos obtenidos del torque con respecto al porcentaje de frenado para cada una de las 3medidas se evidencia en todas un claro ascenso del valor del torque ejercido por el chorro que impactasobre las paletas de la helice. Este comportamiento podrıa deberse a que obviamente cuando se aumentael porcentaje de frenado aumentando la velocidad del impacto de chorro que la bomba produce sobre laturbina, se aumenta a la vez la fuerza ejercida sobre los brazos de la helice, y como el brazo de torquese mantiene generalmente constante, se produce una proporcionalidad directa entre la fuerza y el torqueejercido.

3. En cuanto a los valores observados en los graficos de la eficiencia de la turbina con respecto al porcentajede frenado que se ejerce sobre esta. Se aprecia el mismo comportamiento que se constato con respecto a lapotencia. Esto podrıa ser consistente con la idea de que la potencia de una turbina Pelton esta relacionadacon el valor de su eficiencia (en terminos conceptuales y de formula) por lo que aceptada esta idea esevidente que la eficiencia seguira la misma curva de la potencia: se debe tener en cuenta que para lamedida de 40 si los datos para la potencia se digitalizaron fallidamente, entonces con mayor razon seranerroneos los valores para la eficiencia de la turbina; ası, la eficiencia para la medida de 40 presenta unadisminucion gradual y para las medidas de 60 y 80 se ve que la eficiencia aumenta hasta un puntomaximo y a continuacion disminuye (de la misma forma que lo hace la potencia para cada caso).


Seccion 7. Conclusiones 20

7. Conclusiones

Finalizada la actividad practica y analizados todos los datos y comportamientos relacionados a estos, cabedestacar los siguientes aspectos:

1. Aunque los errores arrojados por el Software con respecto a las medidas obtenidas y digitalizadas por laInterfaz hayan sido todos igualmente bajos, hubo una clara falla en la toma de datos para el caso de lamedida de 40 revoluciones por unidad de tiempo, lo que provoco un mal analisis del comportamiento parala potencia y la eficiencia de la turbina. Para un futuro, se podrıa corroborar la anterior mantencion de lamaquina, Software e Interfaz y posteriormente realizar varias mediciones de prueba y comparar que paradistintos valores de revoluciones por tiempo los datos para cada ensayo presentaran un comportamientosimilar.

2. A pesar del error detallado en el punto anterior, se cumplio uno de los objetivos fundamentales de estasesion de laboratorio que corresponde al estudio de las caracterısticas del flujo:

- Torque

- Potencia

- Rapidez

- Eficiencia

A partir de los datos arrojados con respecto a cada una de estas caracterısticas, se logro analizar las curvasde eficiencia, torque y potencia versus configuracion de freno (en terminos porcentuales). Se concluyeque el aumento de la rapidez de giro de la helice de la turbina provoca un aumento de la eficiencia yla potencia de la misma hasta un cierto punto, y luego ambas disminuyen en proporciones mutuamentesimilares. Vale decir, la turbina funciona de manera eficiente para un cierto rango de valores para larapidez de giro (valores que aumentan periodicamente).


laboratorio turbomáquinas

Documents

energa mecanica

forma de energa

transferencia de energa

energa utilizable

formas de energa

dispositivogenera energa

mecanica de fluidos

universidad de chileseccion