diseÑo, construcciÓn y experimentaciÓn en turbinas …

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EXPERIMENTACIÓN EN TURBINAS AXIALES CON DIFERENTES PERFILES ALARES

LUDWING DARÍO GIRALDO ROJAS Ing. Mec, Universidad de los Andes

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA DC

DICIEMBRE DE 2004

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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EXPERIMENTACIÓN EN TURBINAS AXIALES CON DIFERENTES PERFILES ALARES

LUDWING DARÍO GIRALDO ROJAS Ing. Mec, Universidad de los Andes

Asesor ÁLVARO ENRIQUE PINILLA SEPÚLVEDA

MSc. Ing. Mec. PhD, Profesor Titular, Universidad de los Andes

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA DC

DICIEMBRE DE 2004

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Bogota, 20 de Enero de 2005 Doctor Álvaro Pinilla Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Director del Departamento de Ingeniería Mecánica Ciudad Apreciado Doctor: Por medio de la presente someto a consideración suya la Tesis titulada “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EXPERIMENTACIÓN DE TURBINAS AXIALES CON DIFERENTES PERFILES ALARES”, que adelanta el tema del desempeño de turbinas axiales utilizadas para la extracción de energía eléctrica a partir de un flujo de agua. Considero que este proyecto cumple con los objetivos propuestos y lo presento como requisito parcial para optar al titulo de Maestro en Ingeniería Mecánica. Cordialmente LUDWING DARIO GIRALDO ROJAS Ing. Mec, Universidad de los Andes

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A Dios, por todo lo que existe A mis padres por darme la oportunidad de vivir

A mi hermano, por servirle de mejor ejemplo A Aleja, por su apoyo en todo momento

A la Ingeniería Mecánica, por hacerme feliz

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AGRADECIMIENTOS El autor expresa sus agradecimientos a: Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda, director del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes y asesor de este proyecto, por su constante motivación y apoyo a lo largo del desarrollo del mismo A Jaime Enrique Loboguerrero Uscátegui, profesor del departamento, por su valiosa orientación y siempre acertados aportes, los cuales sirvieron de puntos de partida para solucionar diferentes aspectos del presente trabajo de Tesis A Jorge, Luis, Mateo y Yuri, pues su disposición en el laboratorio fue siempre la mejor.

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CONTENIDO

1. MARCO TEORICO 13 2. DISEÑO 15

2.1 PERFIL DE PRESION A LA ENTRADA DE LA TURBINA 16 2.2 DISEÑO INICIAL 17

3. Colocación del alternador 19 3.1 MONTAJE EN EL TUTOR GILKES 21

3.1.1 Toma de datos 21 4. PRUEBAS 23

4.1 PRUEBAS HIDRÁULICAS 23 4.1.1 Punto de Mejor Operación 25

4.2 PRUEBAS ELÉCTRICAS 25 4.2.1 Turbina Inicial 26 4.2.2 Falla de Alabe en la Turbina 33

4.3 REDISEÑO Y GENERACIÓN DE TURBINA MEJORADA 34 4.3.1 Pruebas 36 4.3.2 Falla de Turbina 43

4.4 TURBINA CORREGIDA 43 4.4.1 Pruebas 43

4.5 PUNTO DE MEJOR OPERACIÓN 49 4.6 TURBINA RECORTADA 49

4.6.1 Pruebas 50 4.7 PUNTO DE MEJOR OPERACIÓN 55 4.8 COMPARACION DE LAS TURBINAS CORREGIDA Y RECORTADA 55

4.8.1 Comportamiento del Sistema para diferentes condiciones de caudal 58

5. Mapa de diseño y ejemplos 60 5.1 Ejemplo 61

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 62 7. BIBLIOGRAFIA 64 8. ANEXOS 65

8.1 BRIDA 65 8.2 ACRILICO 66 8.3 EJE DE LA TURBINA 67 8.4 NORMAS 68 8.5 EQUIPO DE ADQUISICIÓN DE DATOS 74

8.5.1 Especificaciones 74

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TABLA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama de fuerzas en un perfil alar........................................................... 13 Figura 2. Montaje del tutor bomba-turbina axial Gilkes .............................................. 14 Figura 3. Parámetros geométricos de los álabes ........................................................ 14 Figura 4. Perfil de presión a la entrada de la turbina para diferentes condiciones de la válvula B1....................................................................................................................... 16 Figura 5. Vista de la turbina inicial ................................................................................. 18 Figura 6. Imagen del modelo de la turbina inicial ........................................................ 18 Figura 7. Montaje del tutor Gilkes .................................................................................. 19 Figura 8. Esquema del alternador Bosch 55A.............................................................. 20 Figura 9. Acople eje-alternador...................................................................................... 20 Figura 10. Vista frontal del acople.................................................................................. 21 Figura 11. H vs. Q para la turbina inicial....................................................................... 25 Figura 12. Corriente vs. Velocidad del eje para la turbina inicial.............................. 27 Figura 13. Potencia Eléctrica Generada para la turbina inicial ................................. 28 Figura 14. T/H vs. u/v para la turbina inicial ................................................................. 29 Figura 15. Potencia Unitaria vs. Velocidad especifica para la turbina inicial.......... 30 Figura 16. Q/√H vs. u/v para la turbina inicial .............................................................. 31 Figura 17. Eficiencia vs. u/v para la turbina inicial....................................................... 32 Figura 18. H vs Q para la turbina inicial (con alternador)........................................... 33 Figura 19. Falla en alabe de la turbina.......................................................................... 34 Figura 20. grafica polar para el perfil E387 y Re=500000.......................................... 35 Figura 21. Vista de la Turbina mejorada....................................................................... 36 Figura 22. Vista de la turbina E387, Re=500000......................................................... 36 Figura 23. H vs Q para la turbina inicial (con alternador)........................................... 37 Figura 24. Corriente vs. Velocidad del eje para la turbina mejorada....................... 38 Figura 25. Potencia Eléctrica Generada para la turbina mejorada........................... 39 Figura 26. Potencia Unitaria vs. Velocidad especifica para la turbina mejorada... 40 Figura 27. Q/√H vs. u/v para la turbina mejorada........................................................ 41 Figura 28. Eficiencia vs. u/v para la turbina mejorada................................................ 42 Figura 29. Falla en alabe de la turbina.......................................................................... 43 Figura 30. Turbina corregida........................................................................................... 43 Figura 31. Corriente vs. Velocidad del eje para la turbina corregida....................... 44 Figura 32. Potencia Eléctrica Generada para la turbina corregida........................... 45 Figura 33. Voltaje vs. Corriente para la turbina corregida.......................................... 46 Figura 34. Potencia Unitaria vs. v/u para la turbina corregida................................... 47 Figura 35. Q/√H vs. v/u para la turbina corregida........................................................ 48 Figura 36. Eficiencia vs. v/u para la turbina corregida................................................ 49 Figura 37. Vista de Turbina mejorada y recortada...................................................... 50

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Figura 38. Corriente vs. Velocidad del eje para la turbina recortada....................... 50 Figura 39. Potencia Eléctrica Generada para la turbina recortada........................... 51 Figura 40. Voltaje vs. Corriente para la turbina recortada.......................................... 52 Figura 41. Potencia Unitaria vs. v/u para la turbina recortada.................................. 53 Figura 42. Gráfico 27. Q/√H vs. v/u para la turbina recortada................................... 54 Figura 43. Eficiencia vs. v/u para la turbina recortada................................................ 55 Figura 44. Eficiencia Total sin Carga demandada....................................................... 56 Figura 45. Eficiencia Total para carga de 75W............................................................ 56 Figura 46. Eficiencia Total para carga de 150W.......................................................... 57 Figura 47. Eficiencia Total para carga de 225W.......................................................... 57 Figura 48. Eficiencia Total para carga de 300W.......................................................... 58 Figura 49. Diagrama de Cordier con los puntos correspondientes a las turbinas .60

TABLAS

Tabla 1. Variación del perfil de presión a la entrada de la turbina............................ 16 Tabla 2. Geometría de alabe con perfil E387, Re=375000........................................ 17 Tabla 3. Valores de la turbina inicial en desboque...................................................... 24 Tabla 4. Geometría de alabe con perfil E387, Re=500000........................................ 35

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LISTA DE SÍMBOLOS UTILIZADOS

A : área seccional Ag: área de la garganta = 0.00202683 m2 c(r): longitud de cuerda para la posición r CLopt : coeficiente de sustentación optimo Cv: coeficiente de pérdidas = 0.98 D1 : diámetro de tubería = 4 pulg (0.1016 m) D2 : diámetro de garganta = 2 pulg (0.0508 m) F: Fuerza (N) Fc : fuerza centrífuga g : gravedad= 9.81 m/s2 H : cabeza dada en metros m : masa N : velocidad en RPM PE/ PS : presión de entrada/salida Q : caudal en m3/s o L/s r : distancia radial rbase/rpunta : distancia radial en la base/punta Re : Número de Reynolds S0 : peso específico del Mercurio = 13.57 S1 : 1.0 peso específico del agua T: torque o par de fuerza u : velocidad del fluído en la tubería VE/ VS : velocidad de entrada/salida w : velocidad angular en rad/s W: potencia ZE/ZS : altura de entrada/salida αopt : ángulo de ataque óptimo β : ángulo de calaje ∆H : diferencia de altura en metros de mercurio η : eficiencia ρ : densidad del agua a 15°C= 999.1 kg/m3

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INTRODUCCIÓN

En este presente trabajo de tesis de maestría se muestra una aproximación exitosa de la optimización de generación de energía eléctrica por medio de turbinas axiales, mediante la utilización de elementos comerciales tales como alternadores automotrices y baterías. Dichos equipos pueden ser adquiridos a precios relativamente bajos en comparación con otros para generación eléctrica a partir de una fuente hídrica. El objeto de ello es la utilización de tecnologías para la generación hidroeléctrica en zonas de bajos recursos pero con un número importante de ríos, quebradas, riachuelos, arroyos, etc. La creciente necesidad de extracción de energía a partir de fuentes renovables, hace que la aplicación de las turbinas axiales para obtener electricidad sea de interés primordial para la sociedad en general. Con el fin de comprender este documento de manera adecuada, es de esperarse que el lector tenga conocimientos básicos de mecánica de fluidos y turbinas, o de lo contrario se sugiere la lectura previa de libros relacionados como el tema, citando como ejemplo los referidos en [5] y [6] En el Proyecto de Grado referido en [1], se generó una geometría particular de perfil de álabe y se comparó el rendimiento con uno que ya se encontraba instalado en el Tutor Gilkes del Laboratorio de Ingeniería Mecánica. El proceso de manufactura de las aspas fue largo y tedioso, pues abarcó días para la elaboración del molde y luego el curado del modelo positivo; Ya en el campo de las pruebas se procedió a encontrar el punto de funcionamiento óptimo, que resultó ser mejor que el de un álabe anteriormente dispuesto. Igualmente se han realizado diseños y experimentaciones en los trabajos [2], [3] y [4]. El paso a seguir fue el de generar aspas a partir de varios perfiles de ala y poder comparar su rendimiento; Para ello se hace uso del equipo de Prototipaje rápido, que puede reducir este tiempo a cuestión de horas. Por lo tanto es posible generar varios modelos de turbina rápidamente en polímero ABS macizo, mejorar el diseño, dibujar en el CAD y generar fácilmente una turbina mejor que la anterior. Entender cuáles son los parámetros determinantes, y en que forma deben variarse con el fin de generar turbinas mas eficientes; es el inicio de la optimización de este tipo de maquinaria en la generación de energía limpia y renovable. Entre aquellos parámetros importantes se encuentra el tipo de perfil, así como la rugosidad superficial y la terminación en el borde de fuga de cada aspa. También

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se cuenta en la extracción de la energía del eje motriz, el uso de un alternador con el fin de hacerla de manera mas eficiente. De esta manera el montaje completo de una central hidroeléctrica a escala, puede ser elaborado mediante elementos fácilmente disponibles en el mercado, para luego poderlos llevar a zonas alejadas del país. El algoritmo de optimización parte de diseñar una geometría de alabe a partir del elemento utilizado para extraer energía, y no como se hacia antes, en la que se tomaban las condiciones optimas de caudal y posteriormente se escogía un generador que convirtiera esta energía cinética en eléctrica así no fuera de la manera mas eficiente. En Europa, se han diseñado y fabricado sistemas que extraen energía de las olas del mar, y hay grandes incentivos tanto económicos como sociales para quienes deseen incursionar en este tipo de tecnología. Igualmente en Colombia y el area andina existen grandes oportunidades por la cantidad de recursos hídricos con los que se cuenta y la necesidad de disponer de energía en zonas distantes; Esto obviaría la instalación de montajes complejos o del tendido de largas redes de transmisión eléctrica.

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL

• Diseñar, construir y experimentar con turbinas axiales de diferentes perfiles de ala con el fin de extraer energía eléctrica por medio de un alternador conectado al eje motriz, y caracterizar dicho proceso a diferentes condiciones de carga.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Diseñar, dibujar y conformar la primera turbina mediante el uso de CAD y prototipaje rápido.

• Simular el comportamiento de la turbina en Fluent® y Ansys®, para hallar los esfuerzos y evaluar si el ABS es un material apropiado.

• Montaje de la turbina en el tutor bomba-turbina axial Gilkes, y determinación de la conveniencia del proceso de manufactura.

• Hallar el punto de máxima eficiencia al variar cabeza y caudal en el tutor bomba-turbina axial Gilkes.

• Conectar el eje motriz a un alternador y medir la potencia eléctrica generada para varias condiciones de caudal y carga, y hallar el punto de máxima eficiencia.

• A partir de dicho punto diseñar y repetir el proceso para turbinas con diferentes perfiles de ala, con el fin de generar unas más eficientes.

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1. MARCO TEORICO Las turbinas son una clase de turbo máquinas diseñadas para convertir la energía que lleva un fluido en movimiento en energía mecánica, las cual puede convertirse de nuevo en otra forma de energía, por ejemplo eléctrica. La ecuación que permite el cálculo de la energía disponible en el fluido, sigue el principio de Bernoulli [5]:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=−= E

EES

SSES Z

gV

gPZ

gV

gPEEH

22

22

ρρ

H representa el cambio de energía entre los puntos E y S, que corresponden a la entrada y la salida. Además el flujo de masa o caudal se conserva en la turbina

221121 AVAVQQ === Las aspas del rotor generan un cambio de presión en el fluido, es decir un delta de energía definido anteriormente como ∆H.

Figura 1. Diagrama de fuerzas en un perfi l alar

El la figura 1 se observa el perfil de las aspas del rotor; con esta geometría se logra una fuerza resultante F, de componentes de arrastre D y sustentación L. Esta fuerza mueve el álabe para transmitir potencia a través de un eje común al generador, que transforma esta energía mecánica en eléctrica. Este principio es utilizado ampliamente para generar energía eléctrica alrededor del mundo.

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Figura 2. Montaje del tutor bomba-turbina axial Gilkes

La válvula B1 es un by-pass que permite cambiar la condición hidráulica de la turbina, mientras que la B2 tiene que estar constatemente en la misma posición (ojalá abierta) para evitar un golpe de ariete. Entre los parámetros de la geometría del perfil alar se cuentan la cuerda (c), el ángulo de ataque (α) o ángulo entre la cuerda y la dirección de velocidad del fluido, y el ángulo de calaje (β), o existente entre la cuerda y el plano frontal del conjunto de álabes.; la distancia entre álabes es referida con la letra t.

Figura 3. Parámetros geométricos de los álabes

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2. DISEÑO El punto de funcionamiento óptimo para una turbina con perfil NACA 4412 obtenido en [1], resultó tener las siguientes condiciones: Q = 0.02112 m3/s Cabeza = 2.04 m, equivalente a una presión manométrica de 20012 Pa. Además con la condición de que no se presente cavitación y el perfil sea óptimo para un número Reynolds alrededor de 300.000, se toma: Velocidad en la punta del álabe = 10m/s

• Rota a 1527 RPM • Perfil Eppler 387 • Cubo 40% del radio (63.2 mm), 4 aspas

Para el perfil E387 y a un número de Reynolds de 375000, el ángulo de ataque óptimo (αopt) es de 4.5°, y CLopt 0.95 La cuerda c(r) queda definida para cada posición radial, según la siguiente ecuación [6]:

( )

( )

2

2

2

2

2

1

1

1

2

21

14

)(

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛+

∗

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛+

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛+

−+

∗−=

wru

wruwru

wrPP

wrPP

rCrBc

SE

SEoptL

ρ

ρπ

Igualmente el ángulo de calaje:

( )

( ) ⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−+

= −

2

1

21

tan

wrPP

wru

rSE

ρ

β

Las variables contenidas en las ecuaciones incluye el numero de aspas (B), presión a la entrada y salida PE y PS, velocidad del fluído en la tubería (u), velocidad angular en rad/s (w), densidad del agua (ρ), y posición radial (r) El algoritmo de diseño es el siguiente:

• Mediante el diagrama de Cordier, se especifica el tipo de turbomaquinaria para la cabeza, el caudal y la velocidad angular determinada

• Se calcula el área transversal del rotor

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• Se determina el numero de aspas • Se calcula la velocidad angular (rad/s) • Se halla la velocidad del flujo debida al caudal • Se escoge el perfil adecuado según el numero de Reynolds • A partir de las ecuaciones anteriores, se hallan los alabes de la turbina.

2.1 PERFIL DE PRESION A LA ENTRADA DE LA TURBINA Se ha colocado un tubo Pitot para medir la presión a varias distancias radiales de la turbina, con el fin de tener el perfil que allí se genera pues las ecuaciones de diseño originales asumen que la presión es constante a lo largo de una sección transversal a la entrada de la turbina.

Presión en KPa x radial (cm) Valv. cerrada Apertura 20% Ap. 40% Ap. 60% Ap. 80% Valv. abierta

5 22 22 15.1 13.1 13.1 11.7 4.25 26.2 24.1 17.2 8.9 12.4 11.7 3.5 28.9 25.5 18.6 13.7 12.4 11.7

2.75 29.6 24.8 18.6 13.7 12.4 11.7 2 28.9 24.8 17.2 13.7 12.4 11.7

Tabla 1. Variación del perfi l de presión a la entrada de la turbina

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

Distancia radial (mm)

Pres

ión

(kPa

) Cerrada

Apertura 20%

Apertura 40%

Apertura 60%

Apertura 80%

Abierta

Figura 4. Perfi l de presión a la entrada de la turbina para diferentes condiciones de la válvula B1

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Por lo tanto cuando la turbina opera con la válvula B1 cerrada (mayor caudal) genera valores de presión más altos a la entrada, y que a su vez varían mas pronunciadamente a diferentes posiciones radiales de una misma sección transversal. A mayor caudal la diferencia de presiones es de cerca del 16%, el mayor que se tiene. Por lo tanto las ecuaciones de diseño iniciales serán utilizadas y este error causado por la variabilidad del flujo a la entrada de la turbina es considerado despreciable.

2.2 DISEÑO INICIAL Con el fin de aumentar la precisión en las posiciones radiales de la turbina, se dibuja el perfil para condiciones de cuerda y ángulo de calaje cada 10% de radio del cubo, así desde el 40% hasta el 100%. La imagen del prototipo final1 se aprecia en la Figura 5. El primer diseño elaborado parte de un perfil E387 y esta especificado en el Proyecto de grado referido en [10]. La geometría es la siguiente:

Posición radial (x=r/R) radio (mm) Ut(m/s) c(mm) β (°) 0.4 20.0 3.19 37.42 22.3

0.45 22.5 2.83 39.43 22.2 0.5 25.0 2.55 40.80 21.8

0.55 27.5 2.32 41.64 21.2 0.6 30.0 2.12 42.05 20.6 0.7 35.0 1.82 41.97 19.1 0.8 40.0 1.59 41.08 17.6 0.9 45.0 1.42 39.74 16.2

0.95 47.5 1.34 38.98 15.5 0.99 49.0 1.30 38.50 15.1

1 50.0 1.27 38.18 14.8

Tabla 2. Geometría de alabe con perfi l E387, Re=375000

1 Turbina diseñada en el Proyecto de Grado referido en [10].

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Figura 5. Vista de la turbina inicial

Figura 6. Imagen del modelo de la turbina inicial

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3. COLOCACIÓN DEL ALTERNADOR

Figura 7. Montaje del tutor Gilkes

Para extraer la energía del eje motriz se utiliza un alternador comercial. Para poder escoger uno adecuado se calcula la potencia producida en un punto usual de funcionamiento de la turbina a partir de las graficas generadas para la turbina inicial. (Ver figura 18) Se tiene un eje que gira a relativa poca velocidad en términos de un eje automotriz, pero con bajo torque. Se descarta la utilización de un generador de imanes permanentes, pues el régimen de funcionamiento del mismo se encuentra a velocidades del eje motriz de alrededor de 700RPM. Con un alternador de cerca de 30A y 12V se puede extraer energía en forma eficiente para un eje que gira a cerca de 1500RPM. El alternador escogido es un BOSCH® con regulador incorporado, 55 A y 12 V. Es trifásico con 6 diodos, 3 de los cuales excitan al sistema al estar conectado al embobinado del estator. Estos diodos apagan la luz indicadora y suplen de potencia al regulador de voltaje mientras el eje esta girando. Los alternadores BOSCH® poseen transistores conectados de manera integral.

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Figura 8. Esquema del alternador Bosch 55A Por ser del tipo con circuito eléctrico inductor, este alternador requiere una batería para poder excitar la bobina de magnetización. Este procedimiento permite en el mismo instante de la puesta en marcha del eje, producir la corriente de carga que requiere este generador a muy pocas RPM.

acople de araña

eje alternador motriz

Figura 9. Acople eje-alternador El montaje del alternador incluye un juego de bombillos que hacen de carga del sistema, así como la batería que debe estar en un buen estado de carga. El montaje se encuentra descrito en la figura 1 del anexo 10.4, el cual es similar al de un alternador montado en un vehículo, con la batería, y los bombillos siendo la demanda energética (luces, aire acondicionado, equipo de sonido, etc)

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3.1 MONTAJE EN EL TUTOR GILKES La conexión del sistema consiste en instalar una lámpara de 12 V ”ojo de buey” (chivato de carga de los autos), y hacer pasar siempre una débil corriente por el rotor, para crear un cierto campo magnético. Así el alternador genera como en un automóvil, convirtiéndose el sistema en una central hidroeléctrica a escala. Para medir el voltaje se emplea un voltímetro entre las terminales + y – del alternador, e igualmente se mide la corriente abriendo el circuito en la conexión que va entre los bornes positivos de la batería y el alternador. Al colocar el montaje se espera un voltaje de salida que oscile entre 13.5 y 14.5 V para una batería con carga mínima de 11.9 V (valor ideal de 12.5V) Las conexiones y los datos de salida, siguen la norma SAE J56 especificada en el anexo 10.4

motor turbina alternador eje motriz

Figura 10. Vista frontal del acople

3.1.1 Toma de datos Se ha procedido a utilizar una tarjeta de adquisición de datos Labjack®, cuyas especificaciones se encuentran en el anexo 10.5. A partir del montaje se definen las terminales a ser medidas:

• Salida de voltaje entre los terminales + y – del alternador • Corriente en el cable que va entre las terminales + del alternador y la

batería • Suma de la caída de voltaje de los cables que unen las terminales + del

alternador y la batería, y las – de la batería y el alternador

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Medición de Voltajes Para procesar la caída de voltaje que según la norma SAE J56 no ha de ser mayor a 0.5V (V1+V2 en la figura 1 del anexo 10.4), se utiliza un diferencial de voltaje para de esta forma evitar un corto. El valor de todas las resistencias es de 100k para garantizar que el voltaje de salida es la diferencia de las entradas. Para tomar la medición del voltaje generado en las terminales del alternador, se hace necesario reducir la señal, porque de lo contrario se daña la tarjeta de adquisición. Se requiere al menos una reducción a la tercera parte para no sobrepasar los 5V que resiste la tarjeta. Se utiliza un reductor de voltaje, con la siguiente relación de resistencias:

VyVyVsalida *3076.03912

* ==

Velocidad del eje Se utiliza un seguidor Frecuencia Voltaje con el fin de poder medir la velocidad del eje motriz, mediante la obtención de un voltaje en la tarjeta de adquisición de datos Labjack®. A partir de un switch interruptor óptico H21A1 y mediante un disco sujeto al eje perforado en un punto, se toma el valor de la frecuencia en Hz. Posteriormente esta señal es convertida en un voltaje, que luego es filtrado y finalmente amplificado para poder tomar los datos en la tarjeta Labjack®.

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4. PRUEBAS

4.1 PRUEBAS HIDRÁULICAS Para posiciones fijas de las válvulas se procede a frenar el motor para medir los parámetros a cabeza constante. Se repite el proceso para varias condiciones de cabeza. Sobre el eje de la turbina se monta cada una de las aspas y se procede a hallar el punto de funcionamiento óptimo, es decir el de máxima eficiencia. Para ello se compara el valor de la potencia medida en el eje del motor, con la potencia que idealmente se generaría de acuerdo con la teoría, basada en la ecuación:

%100(%) ×−

==

×××=

ideal

realideal

ideal

WWW

eficiencia

HQgW

η

ρ

Para medir el caudal sobre el tutor, se mide el diferencial de presión en el venturi (entre la entrada y la garganta) por medio del manómetro en “U”.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−∆×

=

1

2

1

1

12

DD

SSHg

ACQ

o

gv

De manera abreviada:

HQ ∆= 0322.0 Igualmente el número de Reynolds es:

Q×= 22358226Re La cabeza viene dada por la caída de presión entre la entrada y la salida de la turbina.

HH ∆×= 136.0 Para medir el torque se utiliza un freno Prony de brazo 152 mm, y se mide la fuerza que este provee.

FT ×= 152.0 La medición de la velocidad angular del eje, se realiza utilizando el estroboscopio diferenciando el valor real de algún armónico. Para ello se distinguen los rangos de velocidad entre 0 y 3000 RPM.

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Se grafican los siguientes parámetros.

• HvsQ . que revela el rango de funcionamiento hidráulico de la turbina, A partir de allí se estima un valor típico de potencia hidráulica que es capaz de generar la turbina para seleccionar el alternador adecuado. Se encontraron los siguientes puntos

DESBOQUE BLOQUEADA

Q(L/s) w(RPM) H(cabeza en m) Q(L/s) H(cabeza en m) Potencia

hidr(Pot)-W T(N.m)

6,75 40 0,33 8,76 1,17 100,5 0,596448 7,89 78 0,44 9,22 1,2 108,26 0,671004 9,44 1300 0,68 9,33 1,28 117,04 0,820116 15,97 1830 1,22 9,66 1,14 108,26 0,93195 18,33 2130 1,52 9,55 1,14 107,05 0,969228 20,16 2500 1,8 10,58 1,14 118,59 1,11834 21,6 2690 2,04 11,06 1,31 141,67 1,192896 22,45 2820 2,2 11,87 1,6 186,95 1,453842 23,62 2930 2,39 12,8 1,88 235,65 1,565676 24,1 3020 2,53 13,74 2,12 285,91 1,938456 22,95 2800 2,28 14,04 2,38 327,7 2,087568 22,59 2770 2,23 12,96 1,85 235,16 1,640232 21,55 2660 1,96 11,34 1,55 172,46 1,379286 19,48 2450 1,69 10,08 1,22 121,04 1,081062 18,66 2320 1,52 9,11 0,98 87,49 0,894672 17,4 2130 1,31 8,4 0,73 60,49 0,708282 16,16 1890 1,06 7,89 0,63 48,41 0,596448 14,04 1620 0,84 7,62 0,54 40,66 0,55917 12,96 1410 0,65 7,48 0,46 33,94 0,521892 11,61 1230 0,6 7,48 0,41 29,95 0,484614 11,61 1220 0,54 7,52 0,39 28,58 0,484614 11,06 1100 0,52 10,78 1070 0,52 10,78 1070 0,52

Tabla 3. Valores de la turbina inicial en desboque

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25

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

5 10 15 20 25Q (L/s)

H (m

)

desboque

bloqueada

Polinómica(desboque)Polinómica(bloqueada)

Figura 11. H vs. Q para la turbina inicial

Esta gráfica muestra los puntos de operación dentro de los cuales se encuentra la turbina, y por lo tanto los rangos de potencia que puede generar la misma.

4.1.1 Punto de Mejor Operación

• Eficiencia máxima: 55%. • Velocidad: 1500 RPM • Caudal: 19.48 L/s. • Cabeza: 3.86 m. • Potencia: 403.74 W

Como la potencia fue medida con un freno PRONY, la potencia medida es menor que la potencia real, debido a perdidas por fricción y calor.

4.2 PRUEBAS ELÉCTRICAS Igualmente se procede a variar las condiciones de caudal y medir, según la norma SAE J56 referida en el anexo 10.4 el voltaje sobre los bornes de alternador, la corriente generada y la caída de voltaje, así como la velocidad a la que gira el eje.

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26

Se repite el proceso para condiciones de carga (bombillos encendidos) de 0, 75W, 150W, 225W y 300W Se grafican los siguientes parámetros2.

• HvsQ . que revela el rango de funcionamiento hidráulico de la turbina

• uv

vsH

W.

23 que corresponde a los números adimensionales potencia unitaria

vs. velocidad unitaria

• uv

vsH

T.

21 que corresponde a los números adimensionales torque unitario

vs. velocidad unitaria

• uvvs.η que corresponde a la eficiencia vs. velocidad unitaria

Para cada punto dentro de las graficas se ha tomado una nube de puntos, se promedian y se grafica la desviación estándar alrededor de dicho valor, utilizando el método de las secciones [7].

4.2.1 Turbina Inicial Tal como se ha de reportar el resultado de la prueba según la norma SAE J56, la generación de corriente eléctrica a partir de la velocidad del eje, revela entre otros el punto en el cual el alternador comienza a generar y la corriente máxima producida.

2 El valor de velocidad u=wR, o velocidad tangencial en la punta del aspa. El valor de v, es equivalente a Q/A, o la velocidad del flujo dentro de la tubería debido a la conservación del caudal

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27

0

5

10

15

20

25

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 N (rpm)

Cor

rient

e (A

)Sin Carga

75W

150W

225W

300W

Polinómica(sin carga)Polinómica(75w)Polinómica(150w)Polinómica(225w)Polinómica(300w)

Figura 12. Corriente vs. Velocidad del eje para la turbina inicial

Se observa que la mayor generación de corriente eléctrica corresponde a la carga de 75W, y es de cerca de 20 A. El crecimiento es sostenido y comienza alrededor de los 1000 RPM. El eje gira a cerca de 1400 RPM cuando genera la corriente máxima. Muchos de los puntos se encuentran por debajo de 10A, y solo unos cuantos superan este valor. También se observa que la generación de corriente siempre es creciente, pues a mayor velocidad del eje, es mayor la cantidad de corriente disponible. La corriente generada esta aun muy por debajo de la que es capaz de producir el alternador (55A). Por lo tanto al optimizar el proceso se espera estar mucho mas cerca a la corriente máxima teórica del alternador

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28

0

50

100

150

200

250

0 500 1000 1500 2000 2500 3000N (rpm)

Pote

ncia

(W)

Sin Carga

75W

150W

225W

300W

Polinómica(sin carga)

Polinómica(75w)

Polinómica(150w)

Polinómica(225w)

Polinómica(300w)

Figura 13. Potencia Eléctrica Generada para la turbina inicial

Se aprecia que nuevamente la mayor generación de potencia eléctrica ocurre a carga 75W, y se encuentra en unos 200W a 1400rpm. Igualmente mucho puntos se encuentran por debajo de 50W, ni siquiera suficientes para encender 1 bombillo. La mayor cantidad de energía requerida para mantener la carga por lo tanto, esta siendo extraída de la batería. Solo unos cuantos puntos muestran que el alternador suple directamente la demanda energética, sin estar descargando la batería. Igualmente la velocidad del eje para mayor potencia esta muy cerca del punto de máxima eficiencia para el cual se ha diseñado la turbina actual.

MIM-2004-II-08

29

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8

v/u

T/H

Bloqueada

75W

150W

225W

300W

sin carga


Figura 14. T/H vs. v/u para la turbina inicial

El torque unitario mayor es de 0.3 N, y corresponde a una relación de velocidades cercana a 3.6. En esta ocasión ocurre para cuando la carga es máxima (300 W) Existe una alta dispersión de los puntos sobre el eje x, principalmente cuando T/H se acerca a 0.

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30

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8v/u

W/H

^(3/

2)Sin Carga

75W

150W

225W

300W


Figura 15. Potencia Unitaria vs. Velocidad especifica para la turbina inicial

Igualmente la potencia unitaria es mayor cuando la carga es de 75W, la velocidad u/v es de 3.5 con un valor de cerca de 40, que revela de cierta manera que la eficiencia máxima alcanzada se origina cuando un solo bombillo esta encendido. Las graficas en general, muestran una continuidad de tendencia parabólica con un máximo alrededor de v/u=4

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31

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8v/u

Q/√

H

Sin Carga

75W

150W

225W

300W

Bloqueada

Polinómica (sincarga)Polinómica (75w)

Polinómic

Figura 16. Q/√H vs. v/u para la turbina inicial

Siguiendo el comportamiento de una turbina axial, se observa que el caudal unitario crece a medida que aumenta la relación de velocidades v/u. Cuando la

turbina esta bloqueada, el caudal unitario es cercano a 10.3E-03 sm 2

5

.

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32

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 1 2 3 4 5 6 7 8v/u

eff(%

)Sin Carga

150W

225W

300W

75w


Figura 17. Eficiencia vs. v/u para la turbina inicial

Igualmente para una carga de 75 W se encuentra la máxima eficiencia de la turbina, con un valor promedio cercano al 29.8% con relación de velocidades u/v de 3.4 Este efecto puede explicarse que para una condición mínima de magnetización de las escobillas, la resistencia que ofrece el alternador se hace pequeña. Al aumentar la carga, el alternador es “frenado” y por lo tanto cambian las condiciones de caudal que aumentan la potencia hidráulica disponible. Igualmente la potencia eléctrica cae pues el torque disponible para generar disminuye.

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33

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 5 10 15 20 25 30 35

Q(L/s)

H(m

)Sin Carga

75W

150W

225W

300W

desboque

bloqueada

Polinómica(desboque)

Polinómica(bloqueada)

Figura 18. H vs Q para la turbina inicial (con alternador)

Punto de Mejor Operación El punto de funcionamiento optimo de la turbina inicial, como ya se ha reportado en el numeral 2.1, resulto ser el siguiente

• Eficiencia máxima: 32.43%. • Velocidad: 1443 RPM • Caudal: 22.814 L/s. • Cabeza: 2.91 m. • Potencia: 211.4 W • Reynolds: 481675 • Condición de carga: 75W

4.2.2 Falla de Alabe en la Turbina Tras realizar las pruebas en el tutor Gilkes, al ser desmontada la turbina se ha notado que una de sus aspas se encuentra rota. Por lo tanto en los diseños subsiguientes se disminuirá el diámetro real de la turbina, pues es posible que

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34

este golpeando con el acrílico dentro del cual se encuentra. Hay que notar que el eje sobre el que esta montada la turbina esta en cantilibre y cualquier movimiento pequeño a las altas velocidades de operación, causa partición instantánea del material plástico. En la figura se puede ver el detalle de la falla.

Figura 19. Falla en alabe de la turbina

4.3 REDISEÑO Y GENERACIÓN DE TURBINA MEJORADA El punto de funcionamiento óptimo de la turbina inicial resulto ser el siguiente Eficiencia: 32.45% Reynolds: 481.675 Potencia generada: 211.4 W Caudal 22.814 L/s Cabeza: 2.91 m Velocidad 1443 RPM Por lo tanto a partir del mismo perfil E387, se muestran las graficas polares para Re=500000 y se encuentran CLopt y αopt

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35

Figura 20. grafica polar para el perfi l E387 y Re=500000 De aquí se encuentran los siguientes valores

• αopt 5° • CLopt 0.95

Con estos valores se procede a generar el valor de la cuerda y el ángulo de calaje como función del radio de la turbina

Posición radial (x=r/R) radio (mm) c(mm) φ0 β(°)

0.4 20.0 41.99 24.1 19.1 0.45 22.5 45.33 24.5 19.5 0.5 25.0 47.94 24.6 19.6

0.55 27.5 49.92 24.5 19.5 0.6 30.0 51.35 24.2 19.2 0.7 35.0 52.93 23.4 18.4 0.8 40.0 53.24 22.4 17.4 0.9 45.0 52.70 21.2 16.2

0.95 47.5 52.21 20.7 15.7 1 50.0 51.61 20.1 15.1

Tabla 4. Geometría de alabe con perfi l E387, Re=500000

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36

Figura 21. Vista de la Turbina mejorada

Figura 22. Vista de la turbina E387, Re=500000

4.3.1 Pruebas A partir de estos puntos, se diseña la turbina de la Figura 6, y se reproducen las pruebas del numerar anterior, con el fin de comparar su desempeño.

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37

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Q (L/s)

H (m

)

Sin Carga75W

150W225W

300Wdesboque

Figura 23. H vs Q para la turbina inicial (con alternador)

Comparada con la turbina anterior, se disminuye el caudal promedio de la turbina, pero se aumenta la cabeza de la misma. Además al comparar la curva H vs. Q para varias condiciones de carga, todas forman una nube de puntos bastante definida.

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38

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000N (rpm)

Cor

rient

e (A

)Sin Carga

75W

150W

225W

300W


Figura 24. Corriente vs. Velocidad del eje para la turbina mejorada

Se observa que la mayor generación de corriente eléctrica corresponde a la carga de 75W, y es de cerca de 29 A. Ahora el eje genera la mayor corriente a una velocidad cercana a los 3200RPM, superando ampliamente el diseño anterior.

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39

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000N (rpm)

Pot

enci

a (W

)Sin Carga

75W

150W

225W

300W


Polinómica(75w)

Polinómica(150w)

Polinómica(225w)Polinómica(300w)

Figura 25. Potencia Eléctrica Generada para la turbina mejorada

Nuevamente la mayor generación de potencia eléctrica ocurre a carga 75W, y se encuentra en unos 385W a cerca de 3200rpm, generando casi el doble de la turbina anterior. Se observa que la generación es sostenida y a medida que crece la velocidad del eje motriz, hay mas potencia disponible a la salida del alternador.

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40

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10

v/u

W/H

^(3/

2)Sin Carga

75W

150W

225W

300W


Figura 26. Potencia Unitaria vs. Velocidad especifica para la turbina mejorada

Igualmente la potencia unitaria es mayor cuando la carga es de 75W, la velocidad u/v es de 8 con un valor de cerca de 38

msN , que revela que la eficiencia

máxima alcanzada se origina cuando un solo bombillo esta encendido. Los valores mayores son similares al anterior diseño, pero se nota la mayor cantidad de puntos por encima de 20

msN

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41

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 2 4 6 8 10v/u

Q/√

HSin Carga

75W

150W

225W

300W


Figura 27. Q/√H vs. v/u para la turbina mejorada

La línea de caudal unitario se hace menos pendiente y se acerca siempre a 8.5E-

03 sm 2

5

. Comparado con el diseño anterior, el caudal unitario disminuye.

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42

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

0 2 4 6 8 10v/u

Efic

ienc

ia (%

)Sin Carga

75W

150W

225W

300W




Figura 28. Eficiencia vs. v/u para la turbina mejorada

Se nota un incremento sustancial en la eficiencia de la turbina mejorada. Ahora alcanza cerca de un 45% con una carga de 75W. La distribución para las diferentes cargas ahora muestra mayores eficiencias generales, y valores cercanos a 8 para 0W, 75W y 150W y 4 para las demás. En general la turbina se mueve mas suavemente, con menos ruido y menor generación de turbulencias (burbujas). Punto de Mejor Operación El punto de funcionamiento óptimo de la turbina inicial resulto ser el siguiente Eficiencia: 44.58% Reynolds: 986805 Potencia generada: 381.8 W Caudal 18.44 L/s Cabeza: 4.73 m Velocidad 3208 RPM

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43

4.3.2 Falla de Turbina Nuevamente al ser desmontada la turbina se ha notado que una de sus aspas se encuentra rota. Al analizar el tipo de falla sobre la superficie se infiere que ocurre por el concentrador de esfuerzos formado en la raíz de los alabes. Para los siguientes diseños se aumenta de 3mm a 8 mm con el fin de evitar que se fatiguen las aspas.

Figura 29. Falla en alabe de la turbina

4.4 TURBINA CORREGIDA Teniendo en cuenta el cambio en el diseño determinado en el numeral anterior, se reproduce la nueva turbina corregida.

Figura 30. Turbina corregida

4.4.1 Pruebas Por tener los mismos alabes de la turbina anterior, la curva de H vs. Q es igual (Figura 23). Nuevamente los puntos forman una línea mucho mas clara que antes.

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44

Comparada con la turbina anterior, se disminuye el caudal promedio de la turbina, pero se aumenta la cabeza de la misma. Además al comparar la curva H vs. Q para varias condiciones de carga, todas forman una nube de puntos bastante definida.

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

N (rpm)

I (A)

Sin Carga

75W

150W

225W

300W


Polinómica(75w)

Polinómica(150w)

Polinómica(225w)

Polinómica(300w)

Figura 31. Corriente vs. Velocidad del eje para la turbina corregida

Se observa que la mayor generación de corriente eléctrica corresponde a la carga de 300W, y es de cerca de 24 A. A medida que aumenta la demanda de carga, la corriente transmitida por el generador aumenta.

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45

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

N (rpm)

Pot (

W)

Sin Carga

75W

150W

225W

300W


Figura 32. Potencia Eléctrica Generada para la turbina corregida

Nuevamente la mayor generación de potencia eléctrica ocurre a carga 150W, y se encuentra en unos 316W a cerca de 2700rpm. Se observa que la generación es sostenida y a medida que crece la velocidad del eje motriz, hay mas potencia disponible a la salida del alternador, al igual que cuando crece la carga de los bombillos, el alternador entrega mas potencia.

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46

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30Corriente (A)

Volta

je (V

)Sin Carga

75W

150W

225W

300W


Figura 33. Voltaje vs. Corriente para la turbina corregida

En esta gráfica se detalla como aumenta el voltaje a medida que la corriente generada es mayor. El regulador de voltaje permite que la lectura del mismo se encuentre en un rango que oscila entre los 11.8 y 13.8 V. Cuando existen voltajes menores, el alternador empieza el proceso de descarga.

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47

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10

v/u

W/H

^(3/

2)Sin Carga

75W

150W

225W

300W


Figura 34. Potencia Unitaria vs. v/u para la turbina corregida

Igualmente la potencia unitaria es mayor cuando la carga es de 300W, la velocidad v/u es de 7 con un valor de cerca de 37

msN , que revela que la

eficiencia máxima alcanzada se origina cuando 4 bombillos de 75 W están encendidos.

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48

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 2 4 6 8 10

v/u

Q/√

HSin Carga

75W

150W

225W

300W

Polinómica(sin carga)Polinómica(75w)


Polinómica(300w)

Figura 35. Q/√H vs. v/u para la turbina corregida

La línea de caudal unitario se hace menos pendiente y se acerca siempre a 8.5E-

03 sm 2

5

. Esto ocurre porque la de caudal unitario contra v/u es directamente

proporcional a g2

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49

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 2 4 6 8 10v/u

eff (

%)

Sin Carga

75W

150W

225W

300W

Polinómica(sin carga)Polinómica(75w)

Polinómica(150w)


Figura 36. Eficiencia vs. v/u para la turbina corregida

Ahora la eficiencia total aumenta un poco hasta 45.15% con una carga de 300W. Igualmente las eficiencias aumentan a medida que se hace mas grande la demanda de carga, excepto para 150W, en donde la tendencia muestra una leve caída.

4.5 PUNTO DE MEJOR OPERACIÓN El punto de funcionamiento óptimo de la turbina inicial resulto ser el siguiente Eficiencia: 45.15% Potencia generada: 329.86 W Caudal 17.22 L/s Cabeza: 4.32 m Velocidad 2280 RPM

4.6 TURBINA RECORTADA A la turbina corregida se le recortan los alabes en un 10% del total de la cuerda hacia el borde de fuga, con el fin de comparar el desempeño. La Figura 37 muestra en detalle dicha variación de diseño.

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50

Figura 37. Vista de Turbina mejorada y recortada

4.6.1 Pruebas Por tener los mismos alabes de la turbina anterior, la curva de H vs. Q es igual (Figura 23). Nuevamente los puntos forman una línea mucho mas clara que antes.

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

N (rpm)

I (A

)

Sin Carga

75W

150W

225W

300W

375W

Polinómica(sin carga)Polinómica(75w)Polinómica(150w)Polinómica(225w)Polinómica(300w)Polinómica(375w)

Figura 38. Corriente vs. Velocidad del eje para la turbina recortada

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51

Se observa que la mayor generación de corriente eléctrica corresponde a la carga de 300W, y es de cerca de 27 A. A medida que aumenta la demanda de carga, la corriente transmitida por el generador aumenta.

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

N (rpm)

Pote

ncia

(W)

Sin Carga

75W

150W

225W

300W

375W


Figura 39. Potencia Eléctrica Generada para la turbina recortada

Nuevamente la mayor generación de potencia eléctrica ocurre a carga 150W, y se encuentra en unos 340W a cerca de 2500rpm. Se observa que la generación es sostenida y a medida que crece la velocidad del eje motriz, hay mas potencia disponible a la salida del alternador, al igual que cuando crece la carga de los bombillos, el alternador entrega mas potencia.

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0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30

I (A)

Volta

je (V

)Sin Carga

75W

150W

225W

300W

375W

sin carga


Figura 40. Voltaje vs. Corriente para la turbina recortada

En esta gráfica se detalla como aumenta el voltaje a medida que la corriente generada es mayor. El voltaje nunca esta por debajo de los 12V. No existe una caída significativa ni siquiera a valores pequeños de corriente como ocurría en el caso anterior.

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53

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

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0 2 4 6 8 10

v/u

W/H

^(3/

2)Sin Carga

75W

150W

225W

300W

375W


Figura 41. Potencia Unitaria vs. v/u para la turbina recortada

De nuevo la potencia unitaria es mayor cuando la carga es de 75W. Existe una caída en la potencia unitaria para valores intermedios de carga, pero a medida que esta aumenta crece también la potencia unitaria. Seria deseable conocer si se aumenta la carga es posible seguir aumentando la potencia unitaria hasta sobrepasar la correspondiente a 75W.

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7

8

9

10

0 2 4 6 8 10

v/u

Q/√

HSin Carga

75W

150W

225W

300W

375W


Figura 42. Gráfico 27. Q/√H vs. v/u para la turbina recortada

El caudal unitario se comporta de manera muy similar a la turbina anterior,

manteniéndose en un valor constante cercano a 8.5E-03 sm 2

5

.

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55

0%

10%

20%

30%

40%

50%

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0 2 4 6 8 10

v/u

efic

ienc

ia (%

)Sin Carga

75W

150W

225W

300W

375W


Figura 43. Eficiencia vs. v/u para la turbina recortada

La eficiencia total aumenta a 47.6% con una carga de 75W. Igualmente las eficiencias aumentan a medida que se hace mas grande la demanda de carga, excepto para 150W, en donde la tendencia muestra una leve caída.

4.7 PUNTO DE MEJOR OPERACIÓN El punto de funcionamiento óptimo de la turbina recortada resulto ser el siguiente Eficiencia: 47.69% Potencia generada: 273 W Caudal 16.03 L/s Cabeza: 3.64 m Velocidad 2640 RPM

4.8 COMPARACION DE LAS TURBINAS CORREGIDA Y RECORTADA Se procede a comparar las turbinas corregida y recortada con el fin de determinar el efecto de recortar los alabes hacia el borde de fuga un 10% del total de la cuerda.

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0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 2 4 6 8 10v/u

efic

ienc

ia (%

)

corregida

recortada

Polinómica(recortada)Polinómica(corregida)

Figura 44. Eficiencia Total sin Carga demandada

La eficiencia máxima ocurre cuando la relación v/u es aproximadamente igual a 6 para ambas turbinas. La velocidad máxima es mayor para la turbina recortada (pues v/u se hace mas grande), y la tendencia muestra una mayor eficiencia con los alabes recortados.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 1 2 3 4 5 6 7 8v/u

efic

ien

cia

(%)

corregida

recortada

Polinómica(recortada)

Polinómica(cor regida)

Figura 45. Eficiencia Total para carga de 75W

El punto de máxima eficiencia se mantiene en un valor v/u cercano a 6, con valores superiores al 50% en la tendencia para la turbina recortada. Igualmente se muestra que el diseño de alabes recortados es mas eficiente y alcanza una velocidad máxima mayor.

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5%

10%

15%

20%

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50%

0 1 2 3 4 5 6 7 8v/u

efic

ien

cia

(%)

corregida

recortada

Polinómica(recor tada)

Polinómica(corregida)


La turbina corregida presenta una tendencia en el punto de máxima eficiencia para una velocidad axial menor, mientras que la eficiencia de ambas turbinas sufre una leve disminución con respecto a la condición de carga 75W. La turbina recortada es mas rápida y la máxima eficiencia se mantiene en v/u cercano a 6.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

0 1 2 3 4 5 6 7v/u

efic

ien

cia

(%)

corregida

recortada




Para la condición de carga se mantiene la conveniencia para la turbina de alabes recortados, pero los puntos de máxima eficiencia ahora se alcanzan para una velocidad axial menos (la relación v/u de dichos puntos es menor que en casos anteriores, y cercano a 5). Nuevamente el valor de la eficiencia total presenta una leve disminución, alcanzando un valor máximo de 43% para la turbina de álabes recortados.

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0%

5%

10%

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50%

0 1 2 3 4 5 6 7v/u

efic

ien

cia

(%)

corregida

recortada



Figura 48. Eficiencia Total para carga de 300W Para la carga de 300W, la eficiencia nuevamente aumenta y se sitúa en valores cercanos al 45%. Esta vez la tendencia pareciera favorecer a la turbina corregida, aunque la recortada alcanza una velocidad máxima mas alta. Para corroborar la validez de la figura 48, se recomienda para futuros trabajos de tesis tomar mas puntos y realizar un análisis estadístico de los datos de forma completa.

4.8.1 Comportamiento del Sistema para diferentes condiciones de caudal En general la generación de energía eléctrica presenta el siguiente comportamiento a medida que se varían las condiciones de caudal. Mientras la válvula B2 esta abierta y las luces encendidas:

• A medida que se cierra la válvula B1, la turbina gira a mayor velocidad y la corriente pasa de 0.2 A a 15.8-16A.

• La corriente en el borne + entre la batería y la carga se mantiene constante mientras la misma está encendida en su totalidad (26.8A)

Mientras la válvula B1 esta cerrada y las luces encendidas:

• Al cerrar la válvula B2 el amperaje cae hasta 0 y nuevamente abierta encuentra su máximo de 16A.

• Igualmente para la corriente en el borne + entre la batería y la carga, al cerrar la válvula B2 se mantiene prácticamente igual el amperaje, con una leve tasa de descarga de aproximadamente 0.01 A/s

Mientras dejo la válvula B2 abierta y las luces apagadas

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• A medida que se cierra la válvula B1 la turbina gira a mayor velocidad y pasa la corriente de 0.2 A a 12.8-13A

• Igualmente el amperaje de los bornes + entre la batería y la carga se mantiene igual (0.07A)

Mientras la válvula B1 está cerrada y las luces apagadas

• Al cerrar la válvula B2 el amperaje cae de 12.6A a 0.6A en el borne + del alternador.

• Igualmente el amperaje de los bornes + entre la batería y la carga no muestran variación.

Por lo tanto es de esperarse que a mayor caudal se genera mas corriente con un valor máximo de 16A. Para el cable que une el borne + de la batería con la carga, la corriente no varia, pues si la batería esta cargada, adquiere la energía ya sea del alternador o de la batería si este se encuentra operando a muy bajas rpm.

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5. MAPA DE DISEÑO Y EJEMPLOS En el diagrama de Cordier se hallan los puntos de las turbinas para ser ubicadas dentro de este mapa de diseño. A partir de allí se pueden construir turbinas eficientes para ser utilizadas en condiciones de cauda y cabeza definidas por el usuario.

Figura 49. Diagrama de Cordier con los puntos correspondientes a las turbinas

Los puntos corresponden a las siguientes turbinas:

• Turbina original del tutor: azul • Diseño inicial: rojo • Mejorado: naranja • Corregida: verde • Recortada: lila

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De esta manera es posible observar que los mejores diseños son los de la turbina corregida y recortada, especialmente este último por encontrarse mas cerca de la curva óptima de funcionamiento.

5.1 Ejemplo Se desea colocar una turbina axial eficiente tipo Kaplan con alabes recortados utilizando tubería de 4”(0.1016m) con una condición de cabeza de 4m. A partir de allí se tiene un caudal de 16.21 L/s. Ubicando el punto lila y con las condiciones anteriormente mencionadas, se tiene que:

• Teniendo una velocidad específica de 0.803, la turbina girará a unas 2814 RPM

• Con un diámetro específico de 2.03, el diámetro óptimo de la turbina a ser instalada es de 9.8cm (0.098m)

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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES • El trabajo de tesis presenta un proceso exitoso en la optimización de la

extracción de energía a partir de una fuente hídrica, mediante el uso de un alternador vehicular. De la misma manera el diseño es escalable, para poder manejar caudales mucho mas grandes y almacenar la energía en un banco de baterías.

• Con el proceso de diseño se obtuvo una turbina mas eficiente que la anteriormente dispuesta, pues su eficiencia inicial hidráulica había sido de 55%. Esta misma turbina montada con alternador, arrojó eficiencias totales (incluyendo la del alternador y regular) en torno de 32%, y a partir de esta se construyo una mejorada que alcanza valores cercanos al 45%.

• Igualmente se aumentó la potencia producida de cerca de 200W a 380W. De esta manera se hace mas factible utilizar este tipo de turbina para aplicaciones domiciliarias. También es necesario poseer un banco suficiente de baterías para poder almacenar la energía cuando no está siendo demandada.

• A medida que aumenta la carga conectada a la batería, es mayor la corriente entregada y la potencia producida. La eficiencia aunque es alta para ausencia de carga, decae hasta unos 150 W y se recupera a medida que aumenta la carga. Seria deseable entonces continuar con las pruebas para mayores condiciones de carga, y conocer lo que sucede cuando se llegue al umbral teórico de la turbina (mas de 600W).

• Las pruebas resultado de comparar las turbinas corregida y recortada, muestran que es conveniente el diseño con alabes recortados, pues en la mayoría de las condiciones de carga tomadas en el proyecto, la eficiencia total es mayor, al igual que la velocidad máxima alcanzada. Por lo tanto es recomendable realizar más pruebas teniendo en cuenta este parámetro geométrico que resulto ser importante en el proceso de optimización, con el fin de corroborar los datos a altas condiciones de carga (mas de 300W).

• Se recomienda para futuros trabajos de tesis continuar con el proceso iterativo de diseñar a partir del punto de funcionamiento óptimo para poder obtener turbinas mas eficientes con el alternador BOSCH de 12V, 55A. Es necesario también hacer un mantenimiento adecuado del sistema, tales como lubricar el eje y limpiar las partes sometidas a corrosión, pues de lo contrario no será posible hacer el proceso de extracción de energía mas eficiente.

• En el futuro se podría continuar con el proceso de cambio de la geometría de la turbina, haciendo alabes mas gruesos, cortos, rugosos, intentar el uso de distintos perfiles alares, y hacer pruebas en campo para evitar cualquier

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daño que pueda ocasionarse al colocar la turbina dentro de un caudal lleno de partículas y demás elementos que transporta una fuente hídrica.

• Igualmente podría utilizarse un alternador mas pequeño que el actual, es decir que genere menos potencia y empiece a generar a menor velocidad del eje motriz. También se probaría generar a alto voltaje y corriente de tipo AC. Se aconseja evaluar la utilización de un generador automotriz de imanes permanentes, y probar la generación con y sin regulador de voltaje.

• Las pruebas se han realizado en un equipo voluminoso ubicado dentro de un laboratorio. Para generar un modelo comercial, seria deseable diseñar un equipo modular, compacto y portátil, que permita realizar pruebas en campo y seguir con el proceso de optimización.

• Se puede constatar que la manera apropiada de diseñar un equipo de turbomaquinaria, es que a partir de los generadores disponibles en el mercado diseñar la geometría del perfil mas adecuada. De esta manera se garantiza que la extracción de energía sea mayor y de manera mas eficiente.

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7. BIBLIOGRAFIA [1] Velásquez Castaño, Juan Carlos. Construcción y Caracterización de una Turb ina Axial. Departamento de Ingeniería Mecánica, Uniandes Bogota DC. 2003 [2] Cuervo Carmona, Ricardo Ernesto. Diseño de turb inas axiales según teorías del elemento de ala y de energías. Santa Fé de Bogotá. Uniandes. 2001 [3] Biscardi Laurent, Fabrice. Influencia del arrastre y de la sustentación en el comportamiento de una turb ina axial. Uniandes. 1997 [4] Ospina Bordamalo, Santiago. Diseño, Construcción y pruebas de una turb ina axial. Uniandes. 1992 [5] Street, Waters & Vennard. Elementary Fluid Mechanics. John Wiley & Sons. 7 Ed. 1996 [6] Shepherd, D.G. Principles of Turbomachinery. The MacMillan Company. New York. 1956. Pág 344 [7] Pinilla Sepúlveda, Álvaro Enrique. Notas de Clase del Curso Aerodinámica Básica. Uniandes. 2003 [8] SAE HANDBOOK. Society of Automotive Engineers. 2002. USA [9] http://www.audiurquattro.de/ralf/infos/pdf/Alternator.pdf [10] Rodríguez Aguilar, Jorge Andrés. ANALISIS, SIMULACION Y OPTIMIZACION DE TURBINAS AXIALES CON HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES. Universidad de los Andes. 2004

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8. ANEXOS

8.1 BRIDA

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8.2 ACRILICO

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8.3 EJE DE LA TURBINA

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8.4 NORMAS3

(R) Road Vehicles— Alternators with Regulators— Test Methods and General

Requirements 1. Scope— This SAE Standard specifies test methods and general requirements for the determination of the electrical characteristic data of alternators for road vehicles. It applies to alternators, cooled according to manufacturer’s instructions, mounted on internal combustion engines. This document attempts to follow ISO 8854, dated 1988. ISO 8854 has been modified herein to reflect local market requirements and historical precedent. 2. References 2.1 Applicable Publication— The following publication forms a part of this specification to the extent specified herein. 2.1.1 ISO PUBLICATION— Available from ANSI, 11 West 42nd Street, New York, NY 10036-8002. ISO 8854— Road vehicles— Alternators with regulators— Test methods and general requirements 3. Definitions— For the purposes of this document, all currents defined are considered to be net output of the machine (gross output minus the field excitation) with the regulator connected to the output. The following definitions apply. 3.1 Test Voltage, Vt— Specified value, in volts, at which the current measurements shall be carried out. 3.2 ISO 8854 Cut-In Frequency, nA— (Copied from ISO 8854, FOR REFERENCE ONLY). Alternator rotational frequency (i.e., speed), which is the number of revolutions divided by time, in minutes to the power minus one, at which it begins to supply current when frequency is increased for the first time. This depends on preexciting power (input), frequency changing velocity, battery voltage, and the residual flux density of the rotor (speed when the charge indicator system indicates the commencement of battery charging.) 3.3 Cut-Out Speed, n0— Alternator rotational speed, in Revolutions per Minute (rpm), at specified test voltage, Vt, where output falls to zero amperes as the speed is decreased. Historically, in North America, this point is referred to as “cut-in,” to remove the hysteresis from the alternator rating curve.

3 Extraído de [8]

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3.4 Rated Low Application Speed, nL— Alternator rotational speed, in rpm, which corresponds approximately to the idling speed of the engine. This rotational speed is set at 1500 rpm for the purpose of this specification. 3.5 Low Speed Rated Current, IL— Current, in amperes, which is delivered by the alternator at test voltage, Vt, and at rated low application speed, nL. 3.6 Rated Speed, nR— Alternator rotational speed, in rpm, at which it supplies its rated current, IR, The rated speed is specified as nR = 6000 rpm for the purpose of this specification. 3.7 Rated Current IR— Minimum current, in amperes, which the alternator shall supply at test voltage, Vt, and rated speed, nR. 3.8 Maximum Rated Speed, nmax— Maximum continuous rotational speed for generating electric power, in rpm, as specified by the alternator manufacturer. 3.9 Current at Maximum Rated Speed, In(max)— Current, in amperes, which the alternator supplies at test voltage, Vt and maximum rated speed, nmax. 3.10 Shaft Input Power, Pi— Power, in watts, required to turn alternator at required speed to generate measured current at specified Vt. 3.11 Maximum Drive Torque, Tmax— Maximum torque required to drive alternator, at a constant speed, under specified operating conditions. (Reference Only) 4. Test Conditions 4.1 The tests shall be carried out at an ambient temperature of 23 °C ± 5 °C. The actual test temperature shall be recorded on all published performance reports. 4.2 The direction of alternator rotation shall be as indicated by the manufacturer. 4.3 A battery and an adjustable resistor, R, shunted to the battery, are used in the measuring circuit, as shown in Figure 1. 4.4 The tests shall be conducted using a fully charged lead-acid battery of the correct nominal voltage having a nominal capacity, expressed in ampere-hours, of not less than 50% of the rated alternator current, IR (i.e.,100-A alternator will have at least a 50 A-h battery in the test circuit.) 4.5 The overall capability of the test equipment shall allow parameter measurements within the following tolerances: a. Voltage: ±0.3% b. Current: ±0.5% c. Torque: ±2.0% d. Rotational Speed: ±1.0% e. Temperature: ±1.0 °C 4.6 All measurements of current shall be carried out by adjusting the load resistor, R, to maintain a constant test voltage, Vt. Test voltages shall be recorded on all published performance reports. 4.7 The measurements shall be carried out with the regulator operating normally, with its power coming from the output of the machine being tested. 4.8 Measurements shall be made at the following test voltages: a. 13.5 V ± 0.1 V for 12-V nominal systems b. 27.0 V ± 0.2 V for 24-V nominal systems If test voltages other than 13.5/27.0 are used, they must be recorded on all published performance reports.

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NOTE— Existing ISO and JIS specifications use 13.5 and 27.0 V. 5. Test Equipment Connection Diagram— For alternator tests, connections shall be made in accordance with Figure 1.

FIGURE 1— TEST CONNECTION DIAGRAM

The voltmeter shall be connected directly to the alternator power output terminals. The voltage drop shall be 0.5 V or less for all test conditions. The voltage drop as shown in Figure 1, is defined as V1 + V2 which is the voltage from the alternator B+ to alternator ground, minus the load voltage drop. 6. Measurement Procedure 6.1 Current/Rotational Speed Characteristics 6.1.1 STABILIZED PERFORMANCE TESTS (REQUIRED FOR RATING)— Current measurement shall be taken at least at the following rotational speeds, in rpm. The current shall be allowed to reach equilibrium (within 2% of reading for 5 min) at each individual speed before current and torque values are recorded: a. 2-A speed, 1500, 1800, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 5000, 6000, nmax b. Cut-Out Speed, n0, (Indirect Measurement)— Reduce the alternator rotational speed until an alternator output current between 5% of IR and 2 A, but not less than 2 A, is reached. Record speed and current for graphic determination of the Cut-Out Speed: i.e., the Cut-Out Speed is determined by extension of the current/rotational speed characteristic until the abscissa is intersected. The graphic extrapolation shall be made after completing the measurements. The shaft input power shall be determined for each measurement point. 6.1.2 SWEPT SPEED, TEMPERATURE STABILIZED TEST— The alternator under test shall be warmed up for 30 min at 3000 rpm. It is, however, permissible to reduce this time if it can be shown that the temperature which would be reached

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after 30 min has been attained in a shorter period. The voltage and load shall be constant and equal to the test voltage, Vt, and load during the warm up and measuring period. After the warm up period, the rotational speed shall be reduced until the current is between 2 A and 0.05 IR. Record the current and rotational speed. Current measurements shall be taken while the speed is swept from n0 to no less than nR. The test time shall not exceed 30 s, with constant rate of change of speed. 6.1.3 SWEPT SPEED, NON-TEMPERATURE STABILIZED TEST— Same procedure as 6.1.2, except that temperature stabilization is not required. 6.2 Cold Temperature Stabilized Performance Test (Optional)— Same procedure as 6.1.1, except at 0 °C ambient. Recording torque data during this procedure is optional. 6.3 High Temperature Stabilized Performance Test (Optional)— Same procedure as 6.1.1, except at 100 °C ambient. Recording torque data during this procedure is optional. 6.4 Testing of Functional Ability of Regulator— The alternator shall be run at rated rotational speed and rated current until the temperature of the regulator becomes stable. The load shall then be reduced to 10% of IR, but not less than 5 A, and a check made to determine that the voltage does not rise above the alternator voltage specified by the alternator manufacturer. NOTE— The setting of the regulator is specific to the vehicle manufacturer. 7. Presentation of Results— Measurements of current, rotational speed, and torque characteristics shall be presented in accordance with Figure 2. Calculations of power and efficiency are optional on Figure 2. The tests described in 6.1.1 and 6.1.2 will produce different characteristic curves and therefore different maximum current values. The manufacturer shall indicate which test method has been used. 7.1 Displayed Rating Format— Any references to performance marked on an alternator shall follow this format: “ IL / IR A VT V” where: IL = Low Speed Rated Current IR = High Speed Rated Current VT = Test Voltage For example: “50/120A 13.5V” The sample size used to generate the curves in Figure 2 shall be reported on the curve.

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FIGURE 2— PRESENTATION OF RESULTS

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8. Notes 8.1 Marginal Indicia— The change bar (l) located in the left margin is for the convenience of the user in locating areas where technical revisions have been made to the previous issue of the report. An (R) symbol to the left of the document title indicates a complete revision of the report. PREPARED BY THE SAE VEHICLE ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEMS STANDARDS COMMITTEE Rationale— Not applicable. Relationship of SAE Standard to ISO Standard— This document attempts to follow ISO 8854, dated 1988. ISO 8544 has been modified herein to reflect local market requirements and historical precedent. Application— This SAE Standard specifies test methods and general requirements for the determination of the electrical characteristic data of alternators for road vehicles. It applies to alternators, cooled according to manufacturer’s instructions, mounted on internal combustion engines. Reference Section ISO 8854— Road vehicles— Alternators with regulators— Test methods and general requirements Developed by the SAE Vehicle Electric Power Supply Systems Standards Committee SAE Technical Standards Board Rules provide that: “This report is published by SAE to advance the state of technical and engineering sciences. The use of this report is entirely voluntary, and its applicability and suitability for any particular use, including any patent infringement arising therefrom, is the sole responsibility of the user.” SAE reviews each technical report at least every five years at which time it may be reaffirmed, revised, or cancelled. SAE invites your written comments and suggestions. QUESTIONS REGARDING THIS DOCUMENT: (724) 772-8512 FAX: (724) 776-0243 TO PLACE A DOCUMENT ORDER: (724) 776-4970 FAX: (724) 776-0790 SAE W EB ADDRESS http://www.sae.org Copyright 1999 Society of Automotive Engineers, Inc. All rights reserved. Printed in U.S.A.

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8.5 EQUIPO DE ADQUISICIÓN DE DATOS

El LabJack U12 es un periférico de medición y automatización que permite la conexión del PC al mundo real. Posee 7 canales en modo análogo e igual cantidad en modo digital. La señal es tomada en voltaje no mayor a +/- 5V y adquirida directamente en el computador.

8.5.1 Especificaciones

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(1) Current drawn by the LabJack through the USB. The status LED is responsible for 4-5 mA of this current. (2) Self-powered would apply to USB hubs with a power supply, all known desktop computer USB hosts, and some notebook computer USB hosts. Bus-powered would apply to USB hubs without a power supply and some notebook computer USB hosts. (3) This is the total current that can be sourced by +5V, analog outputs, and digital outputs. (4) The input current at each analog input is a function of the voltage at that input (Vin) with respect to ground and can be calculated as: (8.181*Vin - 11.67) µA. (5) Single-ended burst mode only returns even binary codes, and thus has a net resolution of 11 bits. In addition, extra noise in burst mode can reduce the effective resolution. (6) Maximum analog output voltage is equal to the supply voltage at no load. (7) Must also consider current due to 1 MΩ resistor to ground. (8) The IO lines each have a 1500 ohm series resistor. (9) These lines have no series resistor. It is up to the user to make sure the maximum voltages and currents are not exceeded. (10) CNT is a Schmitt Trigger input.

diseÑo, construcciÓn y experimentaciÓn en turbinas …

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