LABORATORIO "TURBINA PELTON"
Hecho por: Crhistian Camilo Vargas Granados - Turbomaquinas - Fundación Universitaria Los Libertadores.
En el laboratorio de la materia de Turbo Maquinas, se realizo este experimento que consistía básicamente en un chorro de agua que salia por una pequeña tobera e impactaba una turbina pelton, este generaba un torque en cada una de las superficies de la rueda o turbina con forma de cuchara. Obteniendo resultados totalmente diferente para cada una de las iteraciones o posiciones de las válvula, observando resultados de potencia, torque, cabeza de presión y flujo volumétrico.
MARCO TEÓRICO
Tobera
Las toberas se utilizan generalmente en motores de propulsión por reacción, cohetes, vehículos espaciales e incluso en mangueras de jardín. Una tobera es un dispositivo que incrementa la velocidad de un fluido a expensas de la presión.
Fig. 1 - Diagrama de una Tobera.
El área de la sección transversal de una tobera disminuye en la dirección de flujo para flujos subsónicos y aumenta para los supersónicos.
Flujo Másico
El flujo másico, que es la cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo; y se relaciona con el flujo volumétrico, definido como el volumen de un
Fig. 2 - Tasas de flujo de masa y energía asociados
a un flujo de fluido en una tubería de
diámetro interno D con una velocidad
promedio de Vprom.
fluido que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo, mediante que es análogo a la masa igual a la densidad por el volumen (m= ρ∗ ∀), donde ρ es la densidad del fluido, At el área de sección transversal de flujo y Vprom es la velocidad media del flujo normal a At.
Momento torsión o par torsión
La transmisión de energía mediante un eje rotatorio (flecha) es una práctica muy común en la ingeniería. Con frecuencia el momento de torsión T aplicado al eje es constante, lo cual significa que la fuerza F aplicada también es constante.
Fig. 3 - Par de Torsión.
Para un determinado momento de torsión constante, el trabajo hecho durante n revoluciones se determina así: una fuerza F que actúa por medio de un brazo de momento r genera un momento de torsión T.
Chorro
Región dominada por fricción proveniente de un tubo u orificio y que se forma por capas límite superficiales que se barrieron por la velocidad media. Los chorros se caracterizan por corte alto con las mayores velocidades en el centro del chorro y las menores velocidades en los lados laterales. La fuerza de fricción, los esfuerzos viscosos y la vorticidad son significativos en los chorros.
Carga de Presión
Término en la forma de carga en la ley de conservación de la energía (vea carga) que involucra presión (P/rg).
Turbinas de impulsión o acción
En una turbina de impulsión, el fluido se envía por una tobera aceleradora de modo que la mayor parte de su energía mecánica se convierte en energía cinética. El chorro a alta velocidad choca con los álabes en forma de cubeta llamados cucharas o cucharones o cangilones ( cucharas) o paletas que transfieren la energía a la flecha de la turbina, como se ilustra en la figura 4. Lester A. Pelton (1829-1908) inventó en 1878 la turbina de impulsión moderna y más eficiente, y la rueda giratoria ahora se llama rueda de Pelton en su honor. Los cangilones de una rueda de Pelton están diseñados para que dividan el flujo a la mitad y cambien la dirección del flujo casi 180º.
Fig. 4 - Esquema de una turbina de impulsión tipo Pelton; la flecha de la turbina gira cuando el fluido de alta velocidad de uno o más chorros incide en los cangilones (cucharas) montados en el eje de la turbina.
Yunus Cengel, Termodinámica 7a Ed.
MONTAJE EXPERIMENTAL
Mediante el equipo del "Turbina Pelton" proporcionado por el laboratorio de Turbo Maquinas, se procedió a realizar este laboratorio, donde su funcionamiento consistía en un flujo de agua regulado por un válvula que determinaba el flujo másico de salida de la tobera de aguja. Este chorro impactaba la superficie frente a ella que es un cuchara, esta genera un torque a la rueda o turbina pelton.
Fig. 5 - Montaje experimental.
1. Dinamometro
2. Turbina de impulsión (Pelton)
3. Cangilon (Cuchara)
4. Manómetro
5. Válvula reguladora
6. Indicador de revoluciones
Se realizaron varias pruebas diferentes, los valores tomados fueron respecto al aumento de las fuerzas en Newtons en los dinamometros con menor flujo de agua hasta su mayor flujo de agua o la máxima apertura de la válvula.
A su vez en un aumento o en cada iteración de la válvula se tomo el tiempo en que se tardaba en dar varias vueltas con el indicador de revoluciones a un nivel de referencia que indicaba cero y por 5 segundos.
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Datos medidos y calculados.
La forma en que se midieron y calcularon los datos experimentales fueron en varias ocasiones, estos datos se tomaron aumentando el flujo volumetrico con la válvula de paso en diferentes iteraciones.
Durante el experimento se midieron varios datos principalmente, entre los cuales eran el diámetro de la tobera de salida, el área de salida de la tobera, el radio de la turbina pelton, las fuerzas mostradas en los dinamometros y la presión en el sistema.
Otros datos tomados fueron tenidos en cuenta fue:
- Densidad del fluido (Agua): 1000 kg/m^3
- Gravedad: 9,8 m/s^2.
- Diámetro de la Tobera: Ø 0,012 mm.
Dentro de lo datos calculados como se pueden observar el las siguientes tablas a continuación, se calculo, las fuerzas ejercida, la velocidad angular, el flujo másico y el torque y la potencial, entre otros.
Tabla. 1 - Datos Calculados.
Gráficas
Para un mejor análisis de los anteriores datos de las tablas, se gráfico algunas variables para observar su comportamiento y tendencia para cada uno de los intentos a diferentes posiciones de la válvula.
En la gráfica 1, se observa un comportamiento con tendencia lineal en las variables de "Potencia" y "Velocidad" en revoluciones por minuto. A medida que aumenta el flujo másico y la velocidad angular, aumenta la potencia en la turbina pelton, registrando el máximo valor de potencia de 1.1 Watts en un mayor flujo másico para velocidades mayores de 60 revoluciones por minuto en cada una de las 6 posiciones de las válvulas.
En la gráfica 2, se observa un comportamiento con tendencia lineal en las variables de "Torque" y "Velocidad" en revoluciones por minuto. A medida que aumenta el flujo másico y la velocidad angular, aumenta el torque en la turbina pelton, registrando el máximo valor de torque de 0.1700 Newtons por metro en un mayor flujo másico para velocidades mayores de 60 revoluciones por minuto en cada una de las 6 posiciones de las válvulas. En los primeros tres valores de la gráfica no se registro una velocidad angular (cero) pero si una tensión en la correas o fuerzas en la turbinas por lo cual si se registran valores de torque.
En la gráfica 3, se observa un comportamiento con tendencia lineal en las variables de "Cabeza de Presión" y "Velocidad" en revoluciones por minuto. A medida que aumenta el flujo másico y la velocidad angular, disminuye la cabeza de presión o altura equivalente en la turbina pelton, registrando el máximo valor de altura equivalente de 5 metro en un menor flujo másico para velocidades mayores de 0 a 5 revoluciones por minutos en cada una de las 6 posiciones de las válvulas. En los primeros tres valores de la gráfica no se registro una velocidad angular (cero).
Gráfica. 4 - Flujo másico Vs. Velocidad (rpm).
En la gráfica 4, se observa un comportamiento con tendencia lineal en las variables de "Flujo Másico" y "Velocidad" en revoluciones por minuto. A medida que aumenta la velocidad angular, aumenta el flujo másico en la tobera y por consiguiente en el chorro hacia la turbina pelton, registrando el máximo valor de flujo másico de 0,017 kilogramos por segundo para velocidades mayores de 60 revoluciones por minuto en cada una de las 6 posiciones de las válvulas.
CONCLUSIONES
- Debido a la geometría de los alabes o cucharas el flujo de fluido se dispersa y hace mas eficiente la rueda pelton debido al chorro de impacto generado por una tobera haciendo una turbina de impulsión eficiente.
- Se demostró mediante datos y gráficas que por consecuencia a mayor flujo másico y mayor revoluciones de giro había mayor torque y por consiguiente mayor potencia.
- Se observo que durante el laboratorio se registraron diferentes datos del montaje experimental dando un mayor rango de valores en revoluciones de hasta 60 rpm (revoluciones por minuto) y con picos máximos de torque 0,17 Newton metro y potencia de 1,1 Watts.
- Se demostró que la turbina pelton con geometría esta geometría es la una buena opción para el uso en este tipo de trabajos con chorros de impacto de un fluido y tal vez la mejor mejor forma de aprovechar la energía del impacto como se puede observar en maquinas de ingeniería y turbo maquinas de uso real en hidroelectricas.
- Debido a la forma en que se tomaron los datos, pueden producirse algún tipo de error en las medida y toma de estos.
- Resulta este laboratorio la manera mas instructiva y practica para entender muchos de los fenómenos o temas vistos de manera teórica en la materia de Turbomaquinas.
BIOGRAFÍA
LIBRO: Termodinámica, Yunus Cengel, 7a Edición.
LIBRO: Mecánica de fluidos - Fundamentos y Aplicaciones, Yunus Cengel, 1a. Edición.
LIBRO: Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas - Claudio Mataix , 2a. Edicion, Editorial Alfaomega.
PAGINA WEB: https://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton
No hay comentarios:
Publicar un comentario