INFORME DE LABORATORIO N° 4

PRACTICA N° 4 TURBINA FRANCIS

WILSON CAMILO CORONADO BOBADILLA CÓD.: 4122568

INTRODUCCIÓN

Esta práctica de laboratorio esta basada en la visualización de una turbina Francis,su funcionamiento y demás. Siendo una turbina hidráulica que hace parte de las centrales hidráulicas que tiene como fin principal transformar la energía potencial del agua sustraída de los canales, presas o ríos para producir energía mecánica y utilizada como propulsora de generadores eléctricos.

MARCO TEÓRICO

Turbina Francis: La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbo máquina motora a reacción y de flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los diez metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas.

Se emplea para caudales y alturas medias de una caída intermedia que se encuentra (entre 200 y 800 pies). Las Turbinas Francis son conocidas como turbinas de sobrepresión por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción.

Imagen 1. Turbina Francis

Fuente: http://www.hydrotu.com/photo/pl409024-large_francis_reaction_hydro_power_turbine_for_head_10m_300m.jpg

Imagen 2. Corte en turbina Francis

Fuente: http://es.slideshare.net/GersonLaTorre/turbina-francis-por-csar

Partes de la turbina:

1. Caja espiral: Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de una turbina.
2. Predistribuidor: Tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral, tienen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.
3. Distribuidor: Es el nombre con que se conocen los álabes directores de la turbo máquina, su función es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.
4. Rotor: Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo del número de giros específico para el cual está diseñada la máquina.
5. Tubo de aspiración: Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

Imagen 3. Partes de una turbina Francis

Fuente: https://public.bn1303.livefilestore.com/y2pgjskTjT26_xXTq3sozoD0VCbmdJjOgTW4Jg7lA4gSNEaDuAlFzGh4HHOAAQgHQJ-jmp3P5mmR_qapy-Gad9Mh_X9E50irENvfmU7_f9Yuv4/T23.jpg?rdrts=107659784

Se pueden clasificar en función de la velocidad específica del rotor y de las características del salto: 

1. Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más).
2. Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m).
3. Turbinas Francis rápidas y extrarrápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m).

Imagen 4. Central hidráulica

Fuente: http://www.alterima.com.br/wa_upload/images/mini_usinas_2.png

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS

La siguiente imagen describe al equipo usado en el laboratorio para realizar la simulación o demostración de el funcionamiento de una turbina Francis, este equipo se posa sobre el HM 150 equipo que se encuentra en la parte inferior y que contribuye con el bombeo de agua al sistema y la recolección del mismo.

Fotografía 1. Modelo de demostración de turbina Francis del laboratorio.

Con la ayuda de este equipo se simuló y conoció el funcionamiento de la turbina, además permitió la toma de datos para evidenciar lo que sucede.

A continuación se puede ver la rueda que permite tomar la medición de las rpm

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

1. Para el inicio de la práctica se debe tener cerrado el grifo del equipo inferior (HM 150) se debe encender la bomba y luego proceder a abrir el paso de agua lentamente hasta dejar o completamente abierto.
2. Después se procede a soltar la palanca que regula las paletas principales esto se hará con el fin de eliminar el aire que se ubique dentro del sistema.
3. Para la primera toma de datos se procede a colocar la fuerza pedida en el sistema a un caudal constante en este caso máximo de 30,7 lts/min, luego con la palanca de regulación se posiciona a: 5, 10, 15 y 20 grados y se toma en cada grados las rpm que se generan, además de las presiones.
4. Para la segunda y última toma de datos, se varia el caudal con el grifo a: 30, 60 y 90 grados, se regula nuevamente con la palanca a: 5, 10, 15 y 20 grados. En cada uno de estos puntos se realiza la medición correspondiente de caudal, rpm y presiones medidas en Bares.
5. Por último se apagará el equipo y se dejará que libere todo el liquido en su interior.

Para la toma de datos se hace uso de las siguientes fórmulas:

TOMA DE DATOS

Primera toma de datos: Para un caudal fijo de 30,7 lts/min

Segunda toma de datos: Para caudal variable.

ANÁLISIS DE DATOS

Primera toma de datos

• Potencia (W) vs rpm

Para una fuerza de 0,5 N

Para una fuerza de 1 N

Para una fuerza de 1,3 N

• Par en el árbol de la turbina (M) vs rpm: para este tipo de gráfica en las rpm se promedia entre los grados para graficar.

Segunda toma de datos:

• Potencia en (W) vs rpm: para un ángulo de apertura en la entrada de 30°

• Potencia en (W) vs rpm: para un ángulo de apertura en la entrada de 45°

• Potencia en (W) vs rpm: para un ángulo de apertura en la entrada de 60°

• Altura vs rpm: para un ángulo de apertura en la entrada de 30°

• Altura vs rpm: para un ángulo de apertura en la entrada de 45°

• Altura vs rpm: para un ángulo de apertura en la entrada de 60°

NOTA: Algunas gráficas no se encuentran ya que en el laboratorio los datos no fueron tomados y por lo tanto los demás cálculos que serían objetos de análisis y grafiacion no se pudieron efectuar.

CONCLUSIONES

• Se pudo visualizar en la gráfica del par en el árbol (M) vs rpm, que a medida que aumentan el par las revoluciones van disminuyendo.
• Se demostró que el cambio de grado en los álabes que se aplica con la palanca influyen en cada uno de los puntos de la turbina, como lo son: caudal, presiones y rpm.
• Se conoció el funcionamiento de una turbina Francis y sus aplicaciones en la industria actual.

BIBLIOGRAFÍA

Guías del 4to laboratorio de máquinas hidráulicas - Turbina Francis