1. OBJETIVO Conocer el funcionamiento de una microturbina pelton. Observar las curvas características de la turbina pelton. Conocer las ventajas y desventajas de una turbina pelton.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

Las turbinas de impulso o de acción tienen la peculiaridad de aprovechar solamente la energía cinética del fluido; no existe, pues, gradiente de presión entre la entrada y la salida de la máquina. El grado de reacción es cero.

La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908) quien buscando oro en California, concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovechara la energía cinética de un chorro de agua, proveniente de una tubería de presión, incidiendo tangencialmente sobre la misma. Ensayó diversas formas de alabes hasta alcanzar una patente de la rueda en 1880, desde cuya fecha ha tenido gran desarrollo y aplicación.

En la turbina Pelton actual le energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo el conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina.

RUEDA PELTON

El alabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua, produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección. Por ser el ataque del agua en sentido tangencial a la rueda se la denomina también turbina "tangencial"; por tener el fluido un recorrido axial a su paso por el álabe, se clasifica también entre las máquinas de tipo axial.

Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad específica es baja, entre 10 y 60 en el sistema métrico y entre 2 y 12 en el sistema inglés aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos límites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial.

Entre las turbinas Pelton más grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo 870 m de carga.

FORMA DEL CUCHARÓN

Para la instalación de la turbina en laboratorio tenemosLa velocidad del chorro de agua será;

Va = 0.97 √ 2 g H

Donde 0.97, es el coeficiente de descarga de la tubería La altura neta

HN = Z + H + v2 / (2 g )

El troqué del eje, estará determinado por un freno mecánico, el cual tiene un brazo (b) y una lectura de fuerza (f) dada en gramos.

Peje = 2π n f b / 60

n esta en r.p.m. y es medido por el mismo Instrumento utilizado en el ensayo anteriorEl caudal del chorro de agua

Q = v A = va ¼ π D2

La potencia entregada por el fluido al rodete

PHID = HN Q / 102

El rendimiento total de la turbinaη = PEJE / PHID

La velocidad máxima a la cual puede girar la turbina (velocidad de empalamiento) es la misma que la tangencial del agua, siendo la velocidad de trabajo la mitad de esta.

vEJE(MAX) = vA vEJE = ½ vA

Partes de una turbina PeltonCazoletas

En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros.El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al cauce inferior.

InyectorEl inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica.El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire.Con el fin de asegurar una buena regulación, conviene diseñar el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo.La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática mediante un servomotor.

Tiene además otro sistema de regulación por desviación del chorro, que consiste en una superficie metálica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil. De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubería, por cuanto el caudal que circula por ésta continua siendo el mismo, Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el eje de salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo diámetro se denomina diámetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo de la turbina, sin interferir el giro de la rueda.

Turbina Pelton

Forma de la cazoleta

Inyector

Turbina Pelton de 6 inyectores

Cuando el número de inyectores es dos, la turbina puede ser también de eje horizontal, disponiéndoselos chorros según dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton, inclinadas un mismo ángulo 30º, saliendo el agua de las cucharas sin interferir a la rueda. Para un número superior de inyectores, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser horizontal, sería imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las cucharas. Un chorro bien diseñado no debe tener un diámetro d superior a 27 cm, por lo que para establecer el número de inyectores hay que partir de la condición de que su diámetro no sea superior a este límite, teniendo en cuenta a su vez, el límite superior impuesto por la velocidad específica por chorro, en función del salto.El hecho de sustituir un número de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un mayor número de inyectores de dimensiones más pequeñas, permite construir turbinas de mayor diámetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos límites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, así como la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto más frecuentes cuanto mayor sea el número de chorros.

3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO EMPLEADO

Manómetro. El cual mide la altura de carga supuesta a la que trabaja nuestra turbina.Tacómetro. Es un instrumento para medir la velocidad angular con el cual la turbina esta girando, las unidades en que nos proporciona es en [rpm]Balanza.Elemento de freno.Micro turbina Pelton. Modelo pequeño y didáctico.

4. PROCEDIMIENTO

El procedimiento para esta práctica en laboratorio:- Se debe mantener al caudal y la altura neta constantes.- Variar la velocidad de rotación en RPM - Medir la torsión mediante una balanza y un freno para medir la fuerza ejercida.

4.1 EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Manómetro para medir la altura manométrica m.c.a. Balanza eléctrica para medir la fuerza en Kg. Freno para frenar la polea de la turbina. MicroTurbina Pelton ya instalada. Vertedero con marcas para el caudal

4.2 DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS

Datos de laboratoriof rpm

80 1350105 1330150 1310175 1300200 1280410 1210417 1150457 1130504 1110610 1040740 940820 920

1040 7501190 5601250 4601310 2001400 0

¿

F [N] T [Nm] PH [W] Pe [W]

H = 8 [mca]

m = 55 [g]

Q = 3 [l/s]

b = 157 [mm]

g = 9,775 [m/s2]

D = 14,24 cm

d = 1,58 cm

Ancho = 4,085 cm

0,782 0,122774 312,8 17,3567653 5,548838021,026375 0,16114088 312,8 22,4432618 7,17495583

1,46625 0,23020125 312,8 31,5796703 10,09580251,710625 0,26856813 312,8 36,5617048 11,6885245

1,955 0,306935 312,8 41,1419623 13,15280124,00775 0,62921675 312,8 79,728623 25,4886902

4,076175 0,63995948 312,8 77,0688594 24,63838224,467175 0,70134648 312,8 82,9926592 26,53218

4,9266 0,7734762 312,8 89,9080445 28,7429815,96275 0,93615175 312,8 101,954925 32,5942856

7,2335 1,1356595 312,8 111,790426 35,73862718,0155 1,2584335 312,8 121,24022 38,759661210,166 1,596062 312,8 125,354416 40,0749413

11,63225 1,82626325 312,8 107,097671 34,238385712,21875 1,91834375 312,8 92,4087044 29,542424712,80525 2,01042425 312,8 42,106227 13,46107

13,685 2,148545 312,8 0 0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

10

20

30

40

50

n vs rpm

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

20

40

60

80

100

120

140

Pe vs rpm

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.5

1

1.5

2

2.5

T vs rpm

5. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

Se puede apreciar viendo las gráficas que los resultados son aceptables teniendo en cuenta los factores que pudieron alterar los resultados, se puede apreciar por medio de las gráficas que la micro turbina tiene un rendimiento máximo aproximadamente a las 750 rpm con un T = 1,59 Nm.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESSe puede concluir que la práctica fue satisfactoria porque se pudo apreciar el funcionamiento de una micro turbina pelton, además de los resultados que puede considerarse aceptables teniendo en cuenta los errores que se pudieron cometer en las mediciones.Se puede recomendar el tener precaución al realizar las medidas, primero en revisar los instrumentos antes de hacer mediciones, luego revisar el equipo apagado antes de ponerlo en funcionamiento.

7. CUESTIONARIO7.1 Si la micro turbina evaluada en laboratorio dadas las dimensiones de la rueda y

cucharas, se instala a una H=53 m y caudal Q = 5 l/s, a qué velocidad debe trabajar la turbina? Y que generador recomienda?a) 1500 rpm y generador de 2 polosb) 3000 rpm y generador de 1 par de polosc) 1000 rpm y generador de 3 pares de polos d) Ninguno

C=0.98√2∙9,75 ∙53=31,54 ms

u=c2=15,77 m

s

n=u ∙60π ∙D

=4051 rpm

Ninguno debido a que la velocidad es muy alta

7.2 Si a la microturbina se agrega otro inyector de las mismas características (existe caudal sin restricción) Entonces: Subraye y justifiquea) Se dobla las rpm y la eficiencia disminuye.b) La potencia y las rpm aumentan.c) Se dobla la potencia y la eficiencia se mantiene constante.d) Se dobla el caudal Q y la eficiencia aumenta

Por qué?

Inciso a), porque el aumento de otro inyector sería duplicar la fuerza de impacto sobre la turbina, lo que causa, un valor mayor de velocidad (rpm), lo que podría bajar la eficiencia de la turbina notablemente, y por lo tanto la potencia en el eje, esto si se trabaja bajo las mismas condiciones en las que se encontraba con un solo inyector.

7.3 Según la curva obtenida en laboratorio (H = 8 mca) para la microturbina Pelton y se dispone de un generador de 1 par de polos de 2kW, eficiencia del generador de 0,85% entonces:a) Es posible acoplar el generador a la turbina directamente para obtener….W en sus

bornes.b) No es posible acoplar el generador directamente, sino mediante multiplicación de

velocidad de 1:…, para obtener …..W en sus bornesPorque?

η=0,85% ¿n=60 fp

=3000 rpm

3000750

=4 η=0 ,4 5→0,45=PE312,8

→PE=140,76W

PEreal=119,646W

No es posible acoplar el generador directamente, sino mediante multiplicación de velocidad de 1:4 para obtener 119,646 W en sus bornes.

Eso debido a que el generador necesita 3000 rpm y nuestra microturbina solo puede llegar a un rendimiento máximo con una velocidad de 750 rpm aproximadamente.

7.4 Se tiene una T. Pelton de 20cm de diámetro efectivo y puede admitir caudal de 50 l/s con 4 inyectores a una altura H = 60 m ¿A que rpm debe trabajar la turbina? Y que potencial se tendrá en bornes de generador?

D=20cmQ=50 lsN inyec=4H=60m

Q0=504

=12,5 ls

C=0.98√2∙9,75 ∙60=33,56 ms

u=c2=16,78 m

s

n=u ∙60π ∙D

=1602,57 rpm

Asumiendo rendimiento 85% PH=H ∙Q ∙ ρ∙ g=29430W

PE=η ∙ PH=23544W

.