UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS FACULTAD DE INGENIERIA

LABORATORIO DE HIDRULICA

Teoria Bsica Para La Prctica 5 Definicin de bomba. Bomba es un dispositivo empleado para elevar, transferir o comprimir lquidos y gases, puesto que son herramientas que agregan carga al flujo y aaden energa a los lquidos intercambiando energa a travs del movimiento de los labes. Existen varias formas del comportamiento del sistema. Tipos de bombas Los tipos de bombas comnmente utilizados para la entrega de fluido pueden clasificarse de la siguiente forma: DESPLAZAMIENTO POSITIVO: ROTATORIAS De engranajes. De paleta. De tornillo. De cavidad progresiva. De lbulo o labe. RECIPROCANTES: De pistn. De inmersin. De diafragma.

CINTICAS: De flujo axial (centrfuga). De flujo axial (de impulsor). De flujo mixto. DE PROPULSIN O TIPO EJECTOR. En el campo de la hidrulica, cuando se trata especficamente del agua, las bombas ms comunes son las centrfugas. Por consiguiente, la atencin se centrar en este tipo de bombas. Ver figura 1

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Figura 1 Bomba centrfuga

a) Bomba y motor

c) Impulsor b) Corte de la bomba

La bomba centrfuga funciona bajo el principio de la centrifugacin, en estas bombas el motor o cualquier otro medio que las accione hace girar una hlice con las aspas sumergidas en agua y encerradas en un estuche. El agua penetra en la caja e inmediatamente es accionado por el impulsor que gira rpidamente. Este movimiento de rotacin origina el flujo del centro de dicho impulsor hacia los bordes del mismo o a la parte exterior de la caja, donde se eleva con rapidez la presin de la carga. Para aligerar esta presin, el agua escapa por el tubo de salida. La bomba centrfuga no funciona hasta que la caja quede totalmente llena de agua o cebada. Turbinas hidrulicas Las turbinas son mquinas que extraen energa de una corriente de fluido. El arreglo de paletas, aspas o cubetas unidas al eje de la turbina recibe el nombre de rotor, rueda o rodete. En las turbinas hidrulicas el fluido de trabajo es agua, por lo que el flujo es incompresible. En las turbinas de gas y en las turbinas de vapor la densidad del fluido de trabajo puede cambiar significativamente. Las turbinas hidrulicas convierten la energa potencial de agua almacenada en trabajo mecnico. Para maximizar la eficiencia de la turbina siempre es una meta de diseo descargar el agua desde una turbina a presin

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atmosfrica, lo ms cerca posible a la elevacin del canal de descarga, y con la energa cintica residual mnima posible. Principio de funcionamiento de la turbina pelton La turbina de impulso es una turbo mquina relativamente simple, de manera que la usaremos para ilustrar los resultados de prueba tpicos. Las turbinas de impulso se eligen cuando la carga disponible supera cerca de 300 m. la mayor parte de las turbinas de impulso empleadas hoy en da son versiones mejoradas de la rueda de Pelton desarrollada en la dcada de 1880 por el ingeniero de minas estadounidense Lester Pelton. Una turbina de impulso se alimenta con agua bajo carga elevada a travs de un largo conducto denominado tubo de carga. El agua se acelera a travs de una tobera y se descarga como un chorro libre de alta velocidad a la presin atmosfrica. El chorro incide desviando a los cangilones unidos al aro de una rueda rotatoria, Su energa cintica se entrega cuando lo desvan los cangilones. La salida de la turbina es controlada a velocidad de chorro esencialmente constante, cambiando la relacin de flujo del agua que incide sobre los cangilones. Una tobera de rea variable puede utilizarse para efectuar cambios pequeos y graduables en la salida de la turbina.ver figura 2

Generadores elctricos Un generador es una mquina elctrica generadora de corriente alterna que consiste en un dinamo cuyo inducido es un carrete abierto que gira entre uno o varios pares de polos alternados (norte-sur), o bien, inversamente, en un electroimn multipolar que gira dentro del inducido. Se encuentra ubicado dentro de la casa de mquina. Para mantener una corriente elctrica en el interior de un conductor es preciso que exista una diferencia de potencial constante entre sus extremos; hace falta, pues, un dispositivo que juegue un papel anlogo al de la bomba en el circuito hidrulico. Dicho dispositivo recibe el nombre de generador. Una asociacin de conductores con un generador constituye un circuito elctrico en donde puede tener lugar un movimiento continuado de cargas. El generador mantiene constante la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito, o dicho en otros trminos, genera un campo elctrico en el conductor que es el responsable de la corriente.

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Los generadores estn situados justo encima de las turbinas y van conectados con rboles verticales. Un generador consta, en su forma ms simple de. 1. Una espira que gira impulsada por algn medio externo. 2. Un campo magntico uniforme, creado por un imn, en el seno del cual gira la espira anterior. Ver figura 3. Figura 3 Esquema de un generador

Para que un generador funcione, hace falta una fuente externa de energa (hidrulica, etc.) que haga que la bobina gire con una frecuencia deseada. Centrales hidroelctricas Las instalaciones hidroelctricas comprenden, esencialmente, las siguientes partes: a) volumen de agua existente o establecido en cota adecuada; b) obras de derivacin y conduccin del agua; c) casa de mquinas, con una o ms turbinas; d) canal de desfogue. Las turbinas accionadas por la energa hidrulica son acopladas a los alternadores. En la prolongacin de cada eje existe adems un dnamo excitador destinado a producir la corriente continua necesaria para la formacin de los campos del alternador. En las siguientes figuras se muestra un esquema de una central hidroelctrica.

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Figura 4.1 y 4.2 Instalacin Tpica de un Hidroelctrica

Definicin de curvas caractersticas o de rendimiento de bombas y turbinas Una vez definido el proyecto de bombeo debe buscarse el tipo y marca de bomba o bombas que ms convengan. Para esto se recurre a las llamadas curvas caractersticas que proporciona el fabricante y que son bsicamente las representaciones grficas de las siguientes leyes: H - Q, ya vista anteriormente y que se llama curva de carga; - Q, llamada curva de eficiencia y P - Q, curva de potencia. Las curvas caractersticas las obtiene el fabricante ensayando la bomba en un banco de pruebas, y se obtienen normalmente para una velocidad de giro constante, pero es posible referir la misma bomba a diferentes valores de velocidad de giro N. Si as se hace, el fabricante proporciona este nuevo parmetro adems del dimetro del impulsor. En la figura 20, se representan curvas caractersticas tpicas para bombas centrfugas. Para determinar las caractersticas de operacin en forma completa, es necesario usar las tres curvas mencionadas. En la figura 4 puede verse el punto ideal de operacin 0 con una eficiencia alta y no ms potencia de la necesaria.

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Figura 4 Superposicin de las curvas caractersticas de la bomba, con la curva de carga del proyecto

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PRCTICA No. 5 ENSAYO DE MAQUINARIA HIDRULICA (BOMBA, CENTRIFUGA, TURBINA PELTON, GENERADOR ELECTRICO) FUNCIONANDO EN UNA HIDROELCTRICA Descripcin del equipo para la realizacin de las pruebas. Para la realizacin de los ensayos se cuenta con un sistema de tuberas, en la cual est ubicada una bomba centrfuga, una turbina Pelton, un generador, un panel de control, dos medidores de flujo, los cuales son una placa de orificio y un vertedero. Todos estos artefactos conforman el modelo de una mini-hidroelctrica, en la cual la bomba centrfuga saca el agua del tanque cisterna y la entrega a la turbina Pelton, haciendo el papel del nivel de una represa, en la cual la energa de elevacin o potencial est dada por la energa de presin a la salida de la bomba. La turbina Pelton es puesta en marcha mediante el flujo entregado por la bomba y sta hace girar el eje del generador el cual, para cierto rango de velocidad de giro del eje produce potencia elctrica, la cual puede ser medida mediante un medidor de intensidad de corriente (ampermetro) y otro medidor de potencial (voltmetro) los cuales estn ubicados en el panel de control junto con unos bombillos que se encienden con dicha energa elctrica. Tambin se cuenta con un medidor de velocidad de giro (tacmetro digital) con escala en revoluciones por minuto (rpm). Los ensayos para cada una de las tres mquinas se pueden realizar por separado o sea, tomando los datos de las caractersticas de cada instrumento.

Los ensayos a realizar son los siguientes: a) Bomba centrfuga: determinacin de las curvas caractersticas de la bomba: caudal-carga, caudal potencia hidrulica, caudal velocidad de giro. b) Turbina Pelton: determinacin de las curvas caractersticas de la turbina: caudal-carga, caudal-potencia hidrulica, caudal velocidad de giro, caudal-eficiencia. c) Generador: determinacin de las curvas: velocidad de giro potencia elctrica (desarrollada), velocidad de giro-eficiencia, potencia elctricapotencia del eje.

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Ensayo 1 Bombas Centrfugas Entre los objetivos de este ensayo estn: a) Determinar las relaciones que existen entre la potencia desarrollada por la bomba, la velocidad de rotacin del eje de la misma, con la carga y el caudal que entrega al sistema. b) Construir las curvas caractersticas a ensayar. c) Determinar la ecuacin de la carga desarrollada por la bomba en funcin del caudal. La bomba est colocada en forma no ahogada o sea que la misma est ubicada arriba de la superficie libre del cisterna de donde se expirar el agua (Ver figura 5)

Figura 5. Esquema del sistema para el ensayo de la bomba centrfuga

BOMBA 1

1. Realizacin del ensayo o toma de datos: 1.1 Una vez arrancada la bomba abrir completamente la vlvula reguladora para obtener el caudal mximo Q. 1.2 Tomar las lecturas de los manmetros de succin Ps y descarga Pd colocados antes y despus de la bomba especficamente en kPa. Determine la altura del nivel de la superficie libre en el canal, mediante el pozo tranquilizador.

1.3

1.4

Estrangular la vlvula reguladora y repetir los pasos anteriores para el nuevo caudal, hasta obtener una serie de seis a ocho tomas.

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2

Obtencin de datos o clculos: 2.1 la carga que la bomba desarrolla con la Pd - Ps en metros. frmula: H B = Determinar el caudal que circula por el sistema con la frmula Q = 0.6 * [0.01* (H vertedero - 30.3 )5 / 2 ] para el vertedero, el caudal est dado en l/s y las alturas en cm, Determine la potencia hidrulica desarrollada por la bomba: PHID = QH B , la cual est dada en watts, recordar que el caudal debe estar en m/s y en N/m. Determine la eficiencia de la bomba as =Pbomba *100 , tomar Pelectrica la potencia elctrica constante de 240 kW.(2400 w)

Determine

2.2

2.3

2.4

2.5

Plotee en papel milimetrado y en forma individual los siguientes grficos: 2.5.1 Carga HB vrs. Q 2.5.2 Caudal Q vrs. Potencia Hidrulica 2.5.3 Caudal Q vrs. Eficiencia Determine la ecuacin de la carga que desarrolla la bomba en funcin del caudal con la frmula general HB = H0 kQ por el mtodo de mnimos cuadrados, donde H0 y k son constantes a determinar (ver figura 6) y grafique dicha ecuacin.

2.6

Figura 6. Presentacin grfica del ajuste para la curva caudalcarga de la bomba por el mtodo de mnimos cuadradosHHB=Ho-KQAJUSTE POR MINIMOS CUADRADOS

H

Ho

m=K

Q

Q

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Ensayo 2 Turbinas Pelton. Objetivos Especficos. a) Determinar las relaciones entre la potencia extrada por la turbina del sistema de tuberas, la potencia que sta desarrolla (potencia del eje) y la eficiencia, con el caudal que circula en el sistema. b) Construir las curvas caractersticas de las turbinas Pelton a ensayar. c) Determinar la ecuacin de la carga de la turbina en funcin del caudal. En la figura 7 se muestra el diagrama de la instalacin para el ensayo de la turbina Pelton

Figura 7. Esquema del sistema para el ensayo de la turbina Pelton.

TURBINA A VERTEDERO

EJE MANOMETRO

TUBO DE ENTRADA

1

Realizacin del ensayo o toma de datos. 1.1 Una vez que la turbina est en marcha abrir completamente la vlvula reguladora para obtener el caudal mximo. 1.2 Determine con el tacmetro digital la velocidad de rotacin del eje de la turbina, en rpm. Tomar la lectura del manmetro a la entrada de la turbina, el cual representa la presin entregada a la misma en kPa. Tome el valor de la diferencia de alturas en el manmetro de mercurio, que est conectado al medidor de flujo de placa de orificio.

1.3

1.4

10

1.5

Tomar la altura del nivel de la superficie libre en el canal, mediante el pozo tranquilizador. Tome la lectura en el dinammetro el valor de la fuerza que provoca el torque en el eje de la turbina en libras.

1.6

2. Obtencin de datos o clculos. 2.1 Determine la carga extrada PD frmula HT = en metros.

por la turbina con la

2.2

Determinar el caudal que circula por el sistema con la frmula Q = 0.6 * [0.01* (H vertedero - 30.3 )5 / 2 ] para el vertedero, el caudal est dado en l/s y las alturas en cm, Determine la potencia hidrulica extrada por la turbina, mediante la frmula: Phid = QH T , la cual est dada en watts, recordar que el caudal debe estar en m/s y en N/m.

2.3

2.4

Determine la potencia en el eje con la frmula Peje = , donde el torque se saca multiplicando la fuerza leda en el dnamo por el brazo que es 0.30 metros, recordar que para que la potencia del eje, que es la potencia que la turbina desarrolla est en watts, el torque debe estar dado en N-m y la velocidad angular en rad/s. Peje Determine la eficiencia de la turbina as = *100 Phidrulica 2.5.1 Carga HB vrs. Q 2.5.2 Caudal Q vrs. Potencia en el eje. 2.5.3 Caudal Q vrs. Velocidad de rotacin del eje rpm 2.5.4 Caudal vrs. Eficiencia

2.5

2.6

Determine la ecuacin de la carga extrada por la turbina en funcin del caudal con la frmula general HB = H0 kQ con el mtodo de mnimos cuadrados, donde H0 y k son constantes a determinar (ver figura 6) y grafique dicha ecuacin.

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Ensayo 3 Generador elctrico El ensayo del generador elctrico est ligado al ensayo de la turbina Pelton, puesto que sta es el motor que hace trabajar al generador. Objetivos Especficos. a) Determinar la relacin entre la potencia brindada al generador (potencia del eje) y la potencia que ste desarrolla (potencia elctrica). b) Construir la curva de la eficiencia del generador. En la figura 8 se muestra el diagrama del montaje para el ensayo del generador. Figura 8. Diagrama del ensayo del generador.EJE GENERADOR DINAMOMETRO

A PANEL DE CONTROL

0.25

1

Realizacin del ensayo o toma de datos: 1.1 Se abre la vlvula reguladora a fin de obtener el caudal mximo. 1.2 Tomar la velocidad de giro del eje con el tacmetro digital. 1.3 Leer en el dinammetro la fuerza que provoca el torque en el eje la cual est en libras. 1.4 Leer en el tablero de control el valor de la intensidad de corriente (en amperios) y el potencial (en voltios) que desarrolla el generador para cada velocidad de giro. 1.5 Estrangular la vlvula a manera de disminuir el caudal y la velocidad de giro del eje y repetir los pasos anteriores hasta obtener una serie de cinco o seis tomas. Obtencin de datos o clculos. 2.1 Al igual que en el ensayo de la turbina Pelton, la potencia en el eje se determina con la frmula Peje = , donde el torque se saca multiplicando la fuerza leda en el dnamo por el brazo que es 0.30 metros, recordar que para que la potencia del eje, que es la potencia que la turbina desarrolla est en watts, el torque debe estar dado en N-m y la velocidad angular en rad/s.

2

12

2.2

2.3 2.4

Determine la potencia elctrica que desarrolla el generador con la frmula Pelec = I * V donde I es la intensidad de corriente (en amperios) y V es el potencial en Voltios. P Determine la eficiencia del generador con la frmula = elec *100 Peje Grafique en papel milimetrado los siguientes grficos. 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. Velocidad de giro vrs. Potencia elctrica. Velocidad de giro vrs. Eficiencia. Caudal vrs. Eficiencia.

Comparacin de resultados En las figuras 9 y 10 se muestra la comparacin de las caractersticas desarrolladas por las tres mquinas en funcin del caudal.

Figura 9. Comparacin de la carga entregada por la bomba con la carga extrada por la turbina al sistema en funcin del caudal.45.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0 2 4 6 8 10 CAUDAL Q (l/s)

CARGA H (m)

carga de la bomba carga de la turbina

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Figura 10. Comparacin de la potencia desarrollada por la bomba, la turbina y el generador en funcin del caudal.2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0.00

Potencia (Watts)

Potencia de la Bomba Potencia de laTurbina Potencia del Generador

2.00

4.00

6.00

8.00

CAUDAL Q (l/s)

Ante toda cosa que cuides, cuida tu corazn porque de l bombea la vida (Prov. 4:23)

TABLAS PARA LA TOMA DE DATOS ENSAYO DE LA BOMBA CENTRIFUGADATOS LECTURAS DE MANOMETROS P entrada P salida (inHg) (psi) CALCULOS H vertedero (cm) Q (l/s) Carga de Potencia Eficiencia la bomba Hidrulica( de la (m) Watt) bomba %

No.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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ENSAYO DE LA TURBINA PELTON

DATOS No. Presin a la H entrada de vertedero la Turbina (cm) (psi)Velocidad de rotacin del eje (rpm)

CALCULOS Fuerza del torque (lb) Carga de la Turbina (m) Potencia Potencia de la en el Eje Turbina (Watt) (Watt) Eficiencia de la turbina %

Q (l/s)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ENSAYO DEL GENERADOR ELCTRICODATOS No. Caudal (l/s)Velocidad de rotacin del eje (rpm)

CALCULOS Potencia en el Eje (Watt) Eficiencia del generador %

Diferencia Intensidad Fuerza del de potencial Carga de la de Corriente torque (lb) o Voltaje Turbina (m) (amperios) (Voltios)

1 2 3 4 5 6 7

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