turbina peltion

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Facultad de Ingeniería Mecánica

Laboratorio Nº1

Curso : Laboratorio de Ingeniera I

Profesor : Ing. Pinto

Alumnos :Slide & Glide Tutorial

Sección: “ ”

Fecha de Presentación 12/04/2023

UNI - 2023 - I

Informe de Laboratorio Nº 1 TURBINA PELTON

INTRODUCCION

El presente informe tiene por finalidad el análisis de la variación de la eficiencia total de una

turbina Pelton con respecto a la velocidad de giro de su eje, así como el comportamiento de ésta

para diferentes alturas.

En esta ocasión se tuvo la oportunidad de analizar la potencia en el eje con un equipo que

consta de un generador conectado al eje de la turbina y a un banco de focos, la carga que se

aplicará en el eje dependerá del número de focos encendidos; a mayor número de focos

encendidos, mayor será la carga en el eje, debido a la fuerza contraelectromotriz la cual se

manifiesta en el torque.

El análisis de las gráficas obtenidas se hará en base a las tendencias del equipo usado, el cual

sólo trabaja en un determinado rango de velocidades, por lo tanto no se podrá determinar la

eficiencia máxima que puede generar la turbina en forma experimental.

Laboratorio de Ingeniería Mecánica II 2


OBJETIVO

- Hacer un estudio del comportamiento de la turbina Pelton, a una

determinada altura y caudal.

- Encontrar las curvas pedidas utilizando el generador y compararlas con

las curvas de experiencias pasadas (realizado con el freno Prony).



FUNDAMENTO TEORICO

Las Turbinas Pelton , se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona

del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo

una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales

y turbinas de acción, conceptos que analizaremos a su debido tiempo.

Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200m y mayores), y caudales

relativamente pequeños (hasta 10m3/s aproximadamente).

Por razones hidroneumáticas y por sencillez de construcción, son de buen rendimiento para

amplios márgenes de caudal (entre 30% y 100% del caudal máximo). Por ello se colocan pocas

unidades en cada central que requiere turbinas de estas características.

Puede ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo hasta última disposición

la más adecuada, la cual nos servirá de referencia para hacer las descripciones.

COMPONENTES DE UNA TURBINA PELTON

Los componentes esenciales de una turbina Pelton, enumerados, dentro de lo posible y cuan

corresponda, siguiendo la trayectoria del agua a través de la misma son.

- Distribuidor - Cámara de descarga

- Rodete - Sistema hidráulico de frenado

- Carcasa - Eje



A continuación hacemos una amplia descripción de cada uno de ellos.

1. DISTRIBUCIÓN DE UNA TURBINA PELTON

Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de dichos equipos,

formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente,

un chorro de agua, cilindrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el rodete, así como

también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo

totalmente cuando proceda.

El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete,

depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua. Así

mismo, se puede disponer de más de un rodete en el mismo eje, cada uno de ellos dotado del

distribuidor apropiado.

Hasta seis suelen ser los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete,

derivando y cada uno de ellos de la tubería forzada. Dicho número de equipos de inyección, se



instala en turbinas Pelton con eje vertical, siendo, normalmente, uno o dos inyectores los

instalados cuando la disposición del eje es horizontal.

Para mejor comprensión describiremos los elementos que forman un solo equipo inyección,

mediante el cual se obtiene un chorro de agua. Estos elementos son:

fig.4 PELTON de 1 chorro eje horizontal. fig. 5 PELTON de 2 chorros eje horizontal.

fig. 6 Detalle de una turbina PELTON de eje vertical. fig. 7 En esta fotografía se muestra la ventaja de tener la posición de eje en vertical.

a. Cámara de distribución

Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante unión,

posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, según trayectoria normal del

agua .También se nombra cámara de inyectores.

Tiene como misión fundamental, conducir el caudal de agua. Igualmente, sin de soporte a los

demás mecánicos que integran el distribuidor



b. Inyector

Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Está compuesto por:

C. TOBERA

Se entiende como tal, una boquilla, normalmente con orificio de sección circular (puede tratarse

de otra sección), de un diámetro aproximado entre 5 y 30cm, instalada en la terminación de la

cámara de distribución.

Proyecta y dirige, tangencialmente hacia la periferia del rodete, el chorro de agua, de tal modo

que la prolongación de éste forma un ángulo prácticamente de 90° con los imaginarios radios de

aquel, en los sucesivos puntos de choque o incidencia del agua. Con lo últimamente expuesto se

explica el concepto de turbina tangencial, del cual se hizo mención al iniciar el estudio de las

turbinas Pelton.

d. Aguja

Está formada por un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera,

guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene un libre movimiento de desplazamiento

longitudinal en dos sentidos

Uno de los extremos del vástago, el orientado hacia el orificio de salida de la tobera, termina en

forma esférico-cónica a modo de punzón, fácilmente recambiable, el cual regula el caudal de

agua que fluye por la misma, de acuerdo con el mayor o menor grado de acercamiento hacia el

orificio, llegando a cortar totalmente el paso de agua cuando se produce el asentamiento de

dicho punzón sobre el mencionado orifico, según las circunstancias de funcionamiento del grupo

.

En el otro extremo, están dispuestos mecanismos tales como un muelle de cierre de seguridad,

que tiende a cerrar el orificio de tobera, presionando el punzón sobre el mismo, cuando la

turbina está parada, o se pone fuera de servicio de manera brusca debido a un determinado

defecto que afecte al grupo. También, sobre dicho extremo, actúan una serie de palancas o de

servomecanismos, que regulan la posición del punzón, al que de ahora en adelante llamaremos



aguja o válvula de aguja, según las órdenes recibidas del regulador de velocidad, al que nos

referiremos más adelante.

E. DEFLECTOR

Tiene como misión desviar, total o parcialmente según proceda, el caudal de agua, impidiendo el

embalamiento del rodete al producirse un descenso repentino de la carga. Su intervención, evita

variaciones bruscas de presión en la tubería forzada, al permitir una respuesta más lenta de la

válvula de aguja, ante fuertes oscilaciones de carga.

La situación, del deflector se controla con el regulador de velocidad; al igual que las distintas

secciones de paso de agua por las toberas, al controlar las posiciones de la válvula de aguja.

Oportunamente se ampliarán estas situaciones.

F. EQUIPO DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD

Está constituido por un conjunto de dispositivos electro-mecánicos, a base de servomecanismos,

palancas y bielas. Su función, como veremos en el momento oportuno, es la de mantener

constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en

todas las circunstancias de carga, 50 períodos por segundo (p.p.s.) Este valor es general en toda

Europa; sin embargo, en América del Norte y algunos países de Hispanoamericana, el valor

normalizado es de 60 p.p.s.

2. RODETE DE UNA TURBINA PELTON

Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua, en su forma cinética, en

energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación.

Esencialmente consta de los siguientes elementos.



a. Rueda motriz

Está unidad rigidamente al eje, montada en el mismo por medio de chavetas y anclajes

adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los denominados

cangilones.

b. Cangilones

También llamados álabes, cucharas o palas.

Son piezas de bronce o de acero especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones y

cavitaciones, concepto este último que será tratado convenientemente.

Están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a al de

una doble cuchara, con una arista interior lo más afilada posible y situada centralmente en

dirección perpendicular hacia el eje, de modo que divide al cangilón en dos partes simétricas de

gran concavidad de cada una, siendo sobre dicha arista donde incide el chorro de agua. En

sección, el conjunto toma forma de (omega abierta) fig.10.

Su situación sobre la rueda motriz, se consigue por dos procedimientos. Uno de ellos consiste en

montarlos de uno en uno o de dos en dos, sobre la periferia de la misma, haciendo la fijación

mediante tornillos y cuñas, de tal manera que no existan juegos ni holguras (fig.11).

Modernamente, y para rodetes de cualquier tamaño, los cangilones están forjados con la misma

rueda, formando pieza única, lo cual permite una economía en la construcción; y mayor

seguridad de funcionamiento, dado el impacto inicial del agua que han de soportar en el

momento del arranque, la fuerza centrífuga alcanzada en caso de embalamiento, etcétera.

Cada cangilón lleva, en su extremo periférico, una escotadura en forma de (uve doble),

perfectamente centrada. Tiene como objeto conseguir que, la parte cóncava del cangilón

precedente, según el sentido de giro, reciba el chorro de agua cuando su arista se encuentra en

posición lo más perpendicular posible, respecto al eje del chorro, aprovechando el máximo el

caudal y el impulso que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto, razón por



a cual las turbinas Pelton se denominan turbinas de impulsión. Dichas escotaduras favorecen un

mayor acercamiento de las toberas hacia el rodete.

3. CARCASA DE UNA TURBINA PELTON

Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros elementos mecánicos de la

turbina.

Su misión consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando, después de incidir sobre los

cangilones, abandona a éstos.

Dispone de un equipo de sellado, en las zonas de salida del eje, a fin de eliminar fugas de agua.

Puede estar formado por un laberinto metálico, dotado de drenajes, o bien por juntas de

estanqueidad, prensaestopas, etc.

Cuando se trata de turbinas Pelton instaladas con el eje en posición vertical, la carcasa, situada

horizontalmente, tiene convenientemente distribuidos en su periferia unos conductos de paso de

aire para aireación del rodete, lográndose, alrededor del mismo, el adecuado equilibrio de

presiones. En el caso de turbinas con el eje horizontal, la aireación se efectúa desde al cámara de

descarga.

4. CÁMARA DE DESCARGA DE UNA TURBINA PELTON

Se entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de

haber movido al rodete (fig.1). También se conoce como tubería de descarga.

Para evitar deterioros debidos a la acción de los chorros de agua, especialmente de los

originados por la intervención del deflector, se suele disponer, en el fondo de la cámara de

descarga, de un colchón de agua de 2 a 3m de espesor. Con el mismo fin, se instalan blindajes o

placas, situadas adecuadamente, que protegen la obra de hormigón (fig.4).



5. SISTEMA HIDRÁULICO DE FRENADO DE UNA TURBINA PELTON

Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución.

El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones, favorece el rápido

frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen.

6. EJE DE UNA TURBINA PELTON

Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre cojinetes lubricados, transmite

el movimiento de rotación al eje del alternador .

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS PELTON

Una vez identificados los elementos componentes de las turbinas Pelton, y conocidas las

funciones respectivas, se comprende fácilmente el funcionamiento de las mismas.

La sucesiva transformación de la energía se efectúe del modo siguiente. La energía potencial

gravitatoria del agua embalsada, o energía de presión hasta lo orificios de las toberas, se

convierte, prácticamente sin pérdidas, en energía cinética, al salir el agua a través de dichos

orificios en forma de chorros libres, a una velocidad que corresponde a toda la altura del salto

útil, estando referida ésta, para el caso concreto de las turbinas Pelton, al centro de los chorros

considerados.

Se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente

sobre el rodete, empujando a los cangilones qu8e lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico

deseado.

Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua,

saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior



sobre los cangilones sucesivos. 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, 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 a cada cangilón 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, al

conseguir cambiar, simétrica y opuestamente, los sentidos de ambas láminas de agua (fig. 15).



EQUIPOS Y MATERIALES

Turbina Pelton: marca Armfield Hydraulic Engineering, England.

Tipo : O PeltonMK2 Serie : 2061 – 61

Altura : 175 pies < > 53 m Velocidad : 1160rpm

Potencia : 5 BHP

Motobomba : Motor : Neuman tipo : 215 DD 1881 BB N° P424701

Potencia : 7.5HP Velocidad : 3600rpm

Voltaje : 220V Fases : 3 fases

Factor de servicio : 1.15

Bomba : Sigmund punps Ltd.

Tipo : N – NL3 Serie : 147304

Manómetro : Chalince

Rango : 0 – 40 mH2O Aprox : 1 mH2O

Tacómetro : De no contacto

Vertedero : Weirs triangular

Escala : 0 – 30 cm Aprox : 0.1mm

= 90° Cd = 0.6



PROCEDIMIENTO

1. Precauciones antes de encender el equipo:

a. La aguja o punzón debe estar en posición totalmente abierta.

b. Debe chequearse el cero del linímetro.

2. Encender la bomba.

3. Abrir la válvula a la salida de la bomba y seleccionar una altura hidráulica que será

constante durante el ensayo, mediante la aguja inyectora.

4. Para dicha altura toman datos de la velocidad y al altura en el linímetro.

5. Calcular el torque que realiza el generador electrico.

6. Repetir lo anterior para otra altura hidráulica.



CALCULOS Y RESULTADOS

Por la gran cantidad de datos obtenidos, explicaremos a continuación la metodología seguida en

el cálculo de los diferentes parámetros solicitados para luego presentar los resultados respectivos

a cada una de las partes de las pruebas en forma de tablas y gráficas.

a. Cálculo de la Potencia hidráulica (HPa)

HPa= γQHun

Donde: HPa = Potencia hidráulica (HP)

= Peso específico (1000 kg/m3)

Q = Caudal (m3/s)

Hu = Altura útil (mH2O)

N = Factor de conversión (76)

La altura útil es la lectura que se obtiene de la lectura del manómetro que está en la entrada

de la turbina y que es graduada con la posición de la aguja inyectora. Como el manómetro

está graduado en psi (lb/ft2) debemos transformarla a mH2O:

1 psi=6894 ,75729Pa

γ=9810N

m3

0 ,70377 [ psi ]= [mH 2O ]

Por lo tanto, las alturas utilizadas son:

El caudal lo obtenemos mediante la altura medida en el linnímetro (h), ya que para el

vertedero de Weirs, la fórmula es:



Q=1 ,416 h5/2

Los caudales utilizados son:

b. Cálculo de la Potencia del rodete (HPr)

HPr=Q ρ U (C1−U ) (1+K1Cos β2)

U=π DN60

∧ C1=Cd√2gH

Donde: HPr = Potencia del rodete (W)

= Densidad del agua (1000 kg/m3)

U = Velocidad tangencial (m/s)

C1 = Velocidad absoluta del agua (m/s)

K1 = Constante de diseño del álabe (0,9)

2 = Angulo de salida del álabe (10º)

D = Diámetro del rodete (0,288925 m)

N = Velocidad de rotación del rodete (RPM)

Cd = Coeficiente de velocidad (0,98)

c. Cálculo de la Potencia al freno (BHP)

En este caso se utilizó un banco de resistencias (lámparas incandescentes) para simulara la

potencia al freno. La variación de la carga, producía un cambio en el torque del generador

eléctrico, lo cual era captado por un sensor piezoeléctrico del que se tomaron las lecturas de

voltaje mediante un multímetro, estos a su vez representan un valor en kg de la fuerza

producida por el cambio de torque. Así tenemos que:

BHP=T×ω



T=F×R ∧ ω= πN30

Donde: BHP = Potencia al freno (W)

T = Torque (Nm)

= Velocidad angular del eje (rad/s)

F = Fuerza medida por el sensor piezoeléctrico (mV kg N)

R = Distancia entre el eje y el sensor (m)

d. Cálculo de la Eficiencia Mecánica (m)

ηm=BHPHPr

e. Cálculo de la Eficiencia Hidráulica (h)

ηh=HPrHPa

f. Cálculo de la Eficiencia Total (T)

ηt=BHPHPa

RESULTADOS

1. Para (Hu = 35.1886 mH2O Q = 0,00404433 m3/s)

a) Cálculo de HPa

HPa=1000×0 ,0040433×35 .188676

HPa=1 ,925281 HP

b) Cálculo de HPr

C1=0 ,98√2×9 ,81×35 .1886

C1=25 . 749961ms



c) Cálculo de BHP

d) Cálculo de eficiencias



Gráficas:

1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 13200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

HPr (HP)Polynomial (HPr (HP))BHP (HP)Polynomial (BHP (HP))T (Nm)Polynomial (T (Nm))

RPM

HP

1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Mecánica

Polynomial (Mecánica)

Hidráulica

Polynomial (Hidráulica)

Total

Polynomial (To-tal)

RPM

Efi

cien

cia

h



2. Para (Hu = 42.2264mH2O Q = 0.0029827 m3/s)

a) Cálculo de HPa

HPa=1000×0. 0029827×42 . 226476

HPa=1. 6572195 HP

b) Cálculo de HPr

C1=0 ,98√2×9 ,81×42 . 2264

C1=28 . 207695ms

c) Cálculo de BHP



d) Cálculo de eficiencias

Gráficas:

1075 1100 1125 1150 1175 1200 12250.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

HPr (HP)Polynomial (HPr (HP))BHP (HP)Polynomial (BHP (HP))T (Nm)

RPM

HP



1075 1100 1125 1150 1175 1200 12250.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

MecánicaPolynomial (Mecánica)HidráulicaPolynomial (Hidráulica)TotalPolynomial (Total)

RPM

Efi

cien

cia

h

Comparación de la potencia del rodete para Hu = cte y diferentes caudales

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 13500.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3HPr (HP) Q=0,0048212 m3/sPolynomial (HPr (HP) Q=0,0048212 m3/s)HPr (HP) Q=0,0024839 m3/sPolynomial (HPr (HP) Q=0,0024839 m3/s)

RPM

HP



Conclusiones y Recomendaciones:

Según los libros de diseño de turbinas Pelton, los valores adecuados para el factor de

rozamiento o llamado en este informe como constante de diseño de los álabes, para un

mejor rendimiento, debería estar dentro del rango de [ 0 . 93−0 . 95 ] y para el ángulo de

salida de los álabes, el rango es de [ 6 °−7 ° ] . Los valores suministrados para el cálculo

fueron de K1=0.9 y β2=10° y no fueron los adecuados según los rangos de diseño óptimo.

Es por eso que las eficiencias tanto hidráulica como total son tan pequeñas ya que la

eficiencia total de una turbina Pelton debería ser superior al 85%.

A la conclusión que deberíamos llegar es que la máxima eficiencia no se logra ni

aumentando más el caudal ni disminuyéndolo, la eficiencia máxima de una turbina esta

definida para un determinado caudal y una determinada altura de succión, las gráficas de

eficiencia nos muestran una tendencia parabólica con lo cual estaríamos comprobando

la afirmación anterior.

También, según el diagrama Sankey o diagrama de energía de una turbina, la potencia al

rodete debe ser mayor que la potencia al freno, o en su defecto, la potencia al freno debe

tratar de consumir toda la potencia mecánica suministrada por la turbina, lo que sucede es

que el rodete estaba conectado con un generador, el cual era desconocida su eficiencia,

pero se asumió que no afectaba a los cálculos, pero aún despreciando las pérdidas que

pudieran obtenerse dentro del generador (ya sea por sobrecalentamiento o las llamadas

pérdidas en el hierro), la potencia al freno de ninguna manera puede sobrepasar la

potencia entregada. Como ya se explicó esto es debido a la mala toma de datos de la

tensión.

Se tuvo problemas al momento de querer tomar las RPM del rodete, debido a que el

sistema de fajas que unía al eje del rodete con el tacómetro no era el adecuado, por eso se

tuvo que utilizar un tacómetro digital.


hx

H

1

2

dHh

t


APÉNDICE

Demostración de la formula del caudal.

Considerando al flujo como no viscoso, adiabático incompresible, permanente y unidimensional. Aplicamos Bernulli entre los puntos 1 y 2.

P1

γ+v1

2

2 g+z1=

P2

γ+v2

2

2 g+ z2

P1 = P2 = 0

v1 0

z1=v2

2

2 g+z2

v2=√2g ( z1−z2 )1/2

sabemos que : dQ = v2 dA

dA1 = t dH

por semejanza de triángulos:

t=2(h−H ) tg( x2) → dA=2(h−H ) tg( x

2)dH

reemplazando:

dQ=√2g H1/2 . 2(h−H )tg( x2)dH

integrando:

Q=2√2g . tg( x2)∫0

h(hH1/2−H 3/2)dH



Q=2√2g . tg( x2)[ hH3 /2

3/2−H

5 /2

5 /2 ]0

H

Q= 815

√2 g .h5/2 .tg( x2)

CALCULO DE PÉRDIDAS EN LA TUBERÍA

Para Hu = 41.9734mH2OSe sabe que:

Δh= v2

2g [ f LD+Σλ ]donde :

v= 4Q

πD2; L = 2.76cm

ε= eD ; e = 0.4mm

D = 28.1mm

f−0. 5=−2 log [ 2. 51Re√ f

+ ε3 . 71 ]

f = 0.038502

luego: codos = 1.54

codo = 1.08

tes = 0.25625

union = 0.0915

= 2.96775

h = 1.819m

por lo tanto:



Pot = 0.113HP

Para Hu = 37.0954mH2O

Procediendo igual :

Pot = 0.1359HP


turbina peltion

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