1. No category

Manual de prácticas de
hidráulica de máquinas y
transitorios
Código
MADO-04
Versión
01
Página
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Sección ISO
7.3
08 de agosto de
Fecha de emisión
2016
Facultad de Ingeniería
Área/Departamento: Laboratorio de hidráulica
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Turbinas Hidráulicas
Elaborado por:
Revisado por:
Autorizado por:
Vigente desde:
M.I. Alexis López
Montes, M.I. Alejandro
Maya Franco e Ing.
Mónica Villa Rosas.
M.I. Alejandro Maya
Franco e Ing. Mónica
Villa Rosas.
Dra. Ma. del Rosio
Ruíz Urbano
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1. Seguridad en la ejecución
1
Peligro o Fuente de energía
Riesgo asociado
Sala de máquinas
Bajo
2. Objetivos de aprendizaje
I.
Objetivo general:
Observar el funcionamiento de la Turbina Francis.
II.
Objetivos específicos:
Determinar las curvas características de la turbina Francis.
3. Introducción o antecedentes





Concepto de turbina hidráulica
Velocidad específica y clasificación de las turbinas hidráulicas
Elementos principales de las turbinas de impulso y de reacción
Conceptos y unidades de energía, potencia y eficiencia en turbinas
Curvas características de una turbina
4. Material y Equipo




Turbina Francis
Tacómetro
Estroboscopio
Flexómetro
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5. Desarrollo
I.
Actividad 1
Turbina Pelton y Kaplan
1. Observar el funcionamiento de la turbina Pelton y Kaplan.
Manómetro
diferencial
abierto
Rodete
Desfogue
Generador
Generador
Figura 1. Turbina Pelton
I.
Figura 2. Turbina Francis.
Actividad 2
Turbina Francis
1. Abrir completamente la válvula que alimenta a la turbina Francis y verificar que todos los
interruptores de los focos se encuentren en posición de encendido.
2. Contar el número de focos que encienden, nfocos = _______
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3.
Sección ISO
Establecer en el vernier de los álabes del distribuidor, la primera abertura indicada en la
Tabla 2.
4. Fijar con el excitador una velocidad de angular N = 1300 rpm en la flecha y registrar en
la Tabla 2 las lecturas siguientes:
a) La columna de agua he y la diferencia de niveles de mercurio he, en m, del
manómetro diferencial abierto en la sección de entrada de la turbina.
b) La columna de aire hs y la diferencia de niveles de mercurio hs, en m, del
manómetro diferencial abierto en la sección de salida en el tubo de
aspiración.
c) La diferencia de potencial U, en volts (V) y la intensidad de corriente I, en
amperes (A), en las carátulas del tablero.
d) El gasto Q, en litros sobre segundo (l/s), que circula por la tubería, con el
medidor de flujo.
5. Repetir el inciso 4 para las siguientes aberturas de acuerdo con la Tabla 2.
Tabla 2. Registro de datos de la turbina Francis.
6.
Abertura
he
(m)
he
(m)
hs
(m)
hs
(m)
U
(V)
I
(A)
Q
(l/s)
3
3.5
4
4.5
I.
Actividad 3
1. Explicar el funcionamiento de una Central hidroeléctrica, con ayuda del sistema Turbina
Francis-Generador.
6. Obtención de las curvas características de la turbina Francis.
1. Para cada abertura del distribuidor de la turbina Francis:
a) Convertir las unidades del gasto medido a m3/s.
b) Calcular la presión p, en Pa, y la carga de presión p g , en m, en las
secciones e y s, entrada y salida de la turbina respectivamente.
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donde:
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒
𝜌𝐻𝑔
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𝑝𝑒 = 𝑔𝜌ℎ𝑒 + 𝑔𝜌𝐻𝑔 ∆ℎ𝑒
(1)
𝑝𝑠 = 𝑔𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 ℎ𝑠 − 𝑔𝜌𝐻𝑔 ∆ℎ𝑠
(2)
densidad del aire, 1.2 kg/m3.
densidad del mercurio, 13600 kg/m3.
c) La carga de la turbina HT, en m, a partir de la ecuación de energía entre las
secciones e y s, considerando el piso del laboratorio como plano de referencia, y
el diámetro en la entrada igual al diámetro a la salida.
𝑧𝑒 +
donde:
𝑧𝑒
𝑧𝑠
𝑝𝑒 𝑉𝑒2
𝑝𝑠
𝑉𝑠2
+
= 𝑧𝑠 +
++
+ 𝐻𝑇
𝜌𝑔 2𝑔
𝜌𝑔
2𝑔
(3)
carga de posición en la entrada, 0.91 m.
carga de posición en la salida, 1.01 m.
d) La potencia hidráulica Ph , en W, kW, HP y kgf m/s.
𝑃ℎ = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝑇
(4)
e) La potencia eléctrica Pe, en W, kW, HP y kgf m/s.
𝑃𝑒 = 𝑈𝐼
(5)
donde:
U
I
diferencia de potencial, en V.
intensidad de corriente, en A.
f) La potencia al freno 𝑃𝑓 , en W, HP y kgf m/s, considerar que la eficiencia del
generador, 𝜂𝐺 = 0.94.
𝑃𝑓 =
𝑃𝑒
𝜂𝐺
(6)
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g) La eficiencia de la turbina 𝜂𝑇 en por ciento.
𝜂𝑇 =
𝑃𝑓
𝑥100
𝑃ℎ
(7)
h) Presentar en una tabla los resultados del inciso a) al g).
i) La potencia eléctrica de cada foco, Pfocos, en W, sólo para el punto de mayor
eficiencia.
𝑃𝑓𝑜𝑐𝑜 =
𝑃𝑒
(8)
𝜂𝑓𝑜𝑐𝑜𝑠
j) Clasificar la turbina, sólo para el punto de máxima eficiencia, de acuerdo
con el criterio de la velocidad específica Ns, en rpmCV1/2m-5/4, de acuerdo a
los intervalos de la tabla 3.
𝑁𝑠 =
𝑁√𝑃𝑓
⁄4
𝐻𝑇5
donde
N
es la velocidad angular para cada turbina
Tabla 3. Clasificación del tipo de la turbina
Tipo
Pelton
Francis
Kaplan
Ns
0 – 100
50 – 400
> 400
k) Dibujar en un plano, las curvas características HT - Q, Pf - Q y 𝜂𝑇 - Q. El eje
de las abscisas deberá incluir una escala para las unidades de cada variable.
Figura 3.
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Q
T
Pf
HT
H T , Pf ,  T
Figura 3. Curvas características.
Notas para el informe: desarrollar la memoria de cálculo detallada para una abertura de
la turbina.
7. Conclusiones
8. Bibliografía
1. MATAIX C. (1990) Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Editorial Harla,
México.
2. CAFAGGI F. A., RODAL C. E. A., SÁNCHEZ H. A. (2011) Sistemas de Bombeo,
Facultad de Ingeniería, UNAM.
3. GARDEA V. H. (1992) Aprovechamientos Hidráulicos y de Bombeo, Editorial
Trillas, México.
4. SOTELO A. G. (1990). Hidráulica General Vol.1 Editorial Limusa, México.