informe de investigación de turbomáquinas hidráulicas (michell banki)

Universidad Nacional de Trujillo 1

INFORME DE INVESTIGACIN DE TURBOMQUINAS HIDRULICAS:

TURBINA MICHELL-BANKI

2011

INTEGRANTES:

AVILA CORTIJO DEIVY

BARDALES TOMAS CARLOS

CENTURION ALVA PAUL

MAGUIA CACEDA NICOLAS

PAZ NAVARRO JAVIER ENRIQUE

VARAS GALVEZ JHONNY ALEX

VASQUEZ ARRIBASPLATA GLMER


PRESENTACIN

El presente proyecto que se muestra a continuacin fue realizado con la finalidad

de afianzar los conocimientos adquiridos dentro del rea de turbomquinas,

especficamente en estudio y posterior diseo de una turbina Michell Banki, esperamos

sea de gran ayuda para el desarrollo de futuros proyectos dentro del rea de energa de la

Escuela Acadmico Profesional de Ingeniera Mecnica de la Universidad Nacional de

Trujillo.


INDICE ANALITICO PRESENTACION 2 INDICE..... 3 RESUMEN 4 I. GENERALIDADES............................................................................................... 5

1.1 Introduccin. 1.2 Objetivos. 1.3 Identificacin de las aplicaciones de la mquina hidrulica.

II. RECOPILACION DE INFORMACIN.. 7 - 25

2.1 Descripcin de partes y componentes 2.2 Operacin y funcionamiento de la maquina hidrulica 2.3 Fotos, imgenes, planos y esquemas reales de la mquina y componentes.

III. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACION TEORICA..... 26 - 31 3.1 Algoritmo de diseo de la maquina hidrulica 3.2 Consideraciones pertinentes adicionales al diseo 3.3 Disertacin de aspectos referentes al diseo

IV. DESARROLLO E INNOVACIN TECNOLGICA 32 - 43 4.1 Clculo de dimensiones de componentes y parmetros de flujo. 4.2 Elaboracin de software o programa de clculo. 4.3 Especificaciones del diseo final. 4.4 Diseo e implementacin de sistemas de bancos de ensayo para su estudio.

V. INVESTIGACIN

5.1 Consideraciones desfavorables o fallas que se presentan durante el funcionamiento.

5.2 Metodologa de tratamiento de las variables o parmetros de operacin a ser investigados para optimizacin de la maquina o solucin de posibles fallas.

5.3 Curvas de ensayo o resultados de investigaciones experimentales o simulacin VI. CONCLUSIONES VII. SUGERENCIAS O RECOMENDACIONES

VIII. ANEXOS

IX. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS. 45


RESUMEN El presente trabajo describe el trabajo de investigacin realizado a una turbina Michell-

Banki en el cual vamos a describir su funcionamiento, partes y el desarrollo del algoritmo

de clculo de esta turbina.

La turbina de flujo transversal o Michell-Banki es una mquina utilizada principalmente

para pequeos aprovechamientos hidroelctricos. Sus ventajas principales estn en su

sencillo diseo y su fcil construccin lo que la hace atractiva en el balance econmico de

un aprovechamiento a pequea escala. No obstante esto no impide que la turbina se

utilice en grandes instalaciones.

Las turbinas Michell-Banki se adaptan muy bien para la generacin en mini y micro

centrales hidroelctricas, son sencillas, tienen bajos costos de fabricacin, de instalacin y

de mantenimiento, pueden ser utilizadas en amplios intervalos de caudal y altura sin

disminuir de manera apreciable su eficiencia.

La turbina Michell-Banki, tambin conocida como: de Flujo cruzado, Michell, Ossbeger, es

clasificada como una turbina de accin, entrada radial, de admisin parcial y flujo

transversal.


I. GENERALIDADES:

1.1 INTRODUCCIN:

Antes de empezar con la descripcin detallada de una turbina Michell Banki consideramos adecuado dar unas definiciones previas que ayuden al buen entendimiento del proyecto desarrollado.

a) MOTORES HIDRAULICOS

Son aquellas maquinas que tienen por funcin principal aprovechar la energa cintica producida por el movimiento del agua al desplazarse entre dos alturas diferentes, es decir, los que aprovechan la energa cintica del agua al caer desde una cota elevada a otra cota ms baja.

b) TURBOMAQUINAS

Son mquinas rotativas que permiten una transferencia energtica entre un fluido y un rotor provisto de alabes o paleta, mientras el fluido pasa a travs de ellos. Si la transferencia de energa se efecta de la mquina a fluido se le da el nombre genrico de Bomba; si por el contrario el fluido cede, energa al rotor de la mquina se denomina Turbina.

c) TURBINA HIDRAULICA

Las turbinas hidrulicas son Turbomquinas motoras. As como una bomba absorbe energa mecnica y transfiere dicha energa al fluido: una turbina absorbe energa del fluido y transfiere dicha energa en algn movimiento mecnico. La funcin de una turbina y de toda mquina hidrulica es efectuar un cambio de energa entre un sistema mecnico y un sistema fluido. Los elementos fundamentales de una turbina hidrulica son los siguientes:

Tubera de transicin o de admisin. Inyector. Rotor o rodete. Eje. Alabe directriz Canal de fuga.

Existen distintas clasificaciones de las turbinas hidrulicas, para nuestro inters adoptaremos la siguiente clasificacin:


i. SEGN LA VARIACIN DE LA PRESIN ESTTICA A TRAVS DEL RODETE:

A. TURBINAS DE IMPULSIN O DE ACCIN. B. TURBINAS DE REACCIN.

En especfico hablaremos de las turbinas de impulsin o de accin

d) TURBINAS DE IMPULSIN O DE ACCIN

Se llama Turbina de impulsin a aquella en la que la energa de presin o potencial del agua se convierte en energa cintica antes de que esta agua incida sobre una limitada porcin perifrica de un elemento rotativo, sin que haya un cambio posterior de presin. Entre las Turbinas de Impulsin tenemos:

Turbina Michell Banki Turbina Pelton de uno o ms inyectores Turbina Turgo

Las actuales mquinas de impulsin se vienen utilizando del tipo Michell-Banki, en las zonas de bajos recursos econmicos en el Per, siendo ests las ms convenientes por la sencillez de su manufactura y porque aprovechan pequeas cotas de altura.

1.2 OBJETIVOS:

Describir los componentes de una turbina Michell-Banki. Describir la fabricacin de cada una de las piezas de una turbina

Michell-Banki. Describir el funcionamiento del sistema mecnico. Ampliar nuestro conocimiento acerca de las aplicaciones de la

turbina Michell-Banki.

1.3 IDENTIFICACIN DE LAS APLICACIONES O UTILIZACIN DE LA MQUINA HIDRULICA:

Aunque la turbina de flujo transversal o Michell-Banki se conoce como una mquina de pequea escala, existen actualmente mquinas de este tipo de hasta 6 MW. Las principales caractersticas de esta mquina son las siguientes:

La velocidad de giro puede ser seleccionada hasta 1000 rpm, este dato lo demuestra la prctica.

El dimetro de la turbina no depende necesariamente del caudal.

Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeas turbinas.

Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un labe ajustable.


II. RECOPILACIN DE INFORMACIN

2.1 DESCRIPCIN DE PARTES Y/O COMPONENTES

Los elementos tpicos que constituyen una Turbinas Michell-Banki son:

1. Tubera de Transicin. 2. Inyector. 3. Rotor o rodete. 4. Eje. 5. Alabe directriz. 6. Deflector.

1. TUBERA DE TRANSICIN.

Se usa cuando la turbina est ligada a una tubera forzada. Su funcin es la de cambiar la seccin circular del tubo en rectangular, conforme al del inyector sin que ocurra prdidas significativas de carga

Fig.II-01


2. INYECTOR. Su funcin es convertir la energa disponible, en energa cintica. Es un elemento encargado de encausar el flujo de agua al ingreso del rodete, de manera que no ocurran choques a la entrada de este. El, este flujo de agua se gobierna por medio de palas directrices perfiladas de fuerza compensada.

Las pala directriz dividen y dirigen la corriente de agua que proviene de la bomba haciendo que sta llegue al rodete sin efecto de golpe con independencia de la abertura de entrada.

La pala directriz puede servir de rgano de cierre. De esta manera no es preciso que se prevea ninguna vlvula de cierre entre la tubera de presin y la turbina. La palas directriz puede regularse independientemente entre s mediante una palanca reguladora a la que se acopla la regulacin manual.

Fig.II-02 Fig.II-03

En las figuras anteriores se muestra la forma y ubicacin del inyector as como un ejemplo geomtrico de la pala directriz.

3. ROTOR O RODETE. Es el que recibe el impulso del agua para luego convertirlo en energa mecnica o potencia. El rodete constituye la parte esencial de la turbina. Est equipado con palas, que estn fabricadas en acero perfilado estirado y ajustadas y soldadas a ambos lados en discos terminales segn un procedimiento especial. Segn sea su tamao, el rodete puede poseer un nmero de labes especfico. Las palas producen un empuje axial pequeo, este empuje axial es amortiguado por medio de los rodamientos.

Antes del montaje final el eje de la turbina es sometido a un balanceo y un perfecto alineamiento.


4. EJE. Se usa siempre en posicin horizontal, normalmente es pasante a travs del centro del rodete. Permite transmitir la potencia generada por el rodete, por medio de elementos de transmisin al generador.

Fig.II-03

5. LABE DIRECTRIZ. Su funcin es la de controlar el paso del agua hacia el rodete en funcin de la carga necesaria. Divide el flujo en dos partes, ambas reas transversales decrecen en direcin del flujo.

Fig.II-04


COTAS PARA EL DISEO DEL LABE DIRECTRIZ


DIMENSIONES DEL PERFIL DEL INYECTOR Y DEL ALABE DIRECTRIZ.

COTA (mm) DIAMETRO DEL RODETE EN mm

200 300 400 500

a 261 348 435 522

b 195 260 325 390

c 31 41 52 62

d 102 136 170 204

e 85 113 142 170

f 55 73 92 110

RI 168 224 280 336

RII 151 201 252 302

RIII 28 37 47 56

R1 133 177 138 161

R2 75 100 96 111

R3 110 110 138 160

R4 70 80 83 126

R5 35 50 52 66

R6 45 77 52 29

R7 100 90 101 126

x 40 47 48 63

y 120 136 147 211

L1 98 111 122 179

L2 60 70 90 136

L3 24 27 25 64


6. DEFLECTOR. Envuelve toda la turbina, es la que da la forma estructural del sistema, protege el ambiente del agua que pueda salpicar de los labes del rodete conducindola al compartimiento del tubo de succin o al canal de fuga conforme sea el caso.

L as partes generales de una turbina Michell-Banki.

Fig.II-05


Forma comn de disposicin de la turbina y las piezas correspondientes.

Fig.II-06

2.2 OPERACIN Y O FUNCIONAMIENTO DE UNA MQUINA HIDRALICA

Es una turbina de admisin radial y parcial. Debido a su nmero especfico de revoluciones cuenta entre las turbinas de rgimen lento. El distribuidor imprime al chorro de agua una seccin rectangular, y ste circula por la corona de paletas del rodete en forma de cilindro. La mquina se clasifica normalmente como una turbina de impulso. Esto no es estrictamente correcto y probablemente est basado en el hecho que el diseo original fue verdaderamente una turbina de presin constante. Un espacio suficientemente grande se deja entre el inyector y el rotor, de modo que el chorro entra al rodete sin presin esttica. Los diseos modernos se construyen usualmente con un inyector que cubre un mayor arco de la periferia del rodete. Con esta medida se incrementa el flujo unitario, permitiendo mantener pequeo el tamao de la turbina.


Estos diseos trabajan como turbinas de impulso solo con pequeas aberturas de compuerta cuando el flujo reducido no llena completamente el pasaje entre labes y la presin dentro del rodete es, entonces, la atmosfrica. Con caudales crecientes, que llenan completamente los pasajes entre labes, hay una pequea presin positiva; la turbina trabaja ahora como una mquina de reaccin. Fig.II-07 La turbina de flujo cruzado puede aplicarse sobre un rango de alturas de cada desde menos de 2 m a ms de 100 m. Una gran variedad de caudales pueden acomodarse con un dimetro constante del rotor. En la imagen anterior se muestra el funcionamiento de forma general.


En las figuras se puede apreciar el funcionamiento de la turbina.

Fig.II-08

Debido a que no se pudo tener acceso a una turbina en la industria entonces se trabajar con los datos que nos brinda una bomba ya diseada en una tesis hecha en la escuela de Ingeniera Mecnica la cual tiene los siguientes parmetros de diseo:


La turbina que se tiene es la siguiente:

Fig.II-09

PARMETROS ENERGTICOS Y DE DISEO. RESULTADOS UNIDADES H (ALTURA) 8 m N(REVOLUCIONES) 560 rpm Q (CAUDAL) 0.09 m3/s it (RENDIMIENTO INTERNO TEORICO) 0.86 a (COEFICIENTE DE FUGA DE CAUDAL) 0.95 i (RENDIEMIENTO INTERNO) 0.82 m (RENDIMIENTO MECNICO) 0.86 t (RENDIMIENTO DE LA TURBINA) 0.71 P (POTENCIA NOMINAL AL EJE) 4.98 Kw

La instalacin para esta turbina sera la siguiente:


Fig.II-10

Fig.II-11


Fig.II-12 Donde se muestra el flujo de agua a travs de la bomba.

Fig.II-13


Donde se muestra el flujo de agua a travs de la bomba y la instalacin de desage de la misma A continuacin se presentan algunas fotos de la turbina fabricada y del slido en Solidworks

Fig.II-14 Base de la turbina.

Fig.II-15 Carcasa (I)


Fig.II-16 Carcasa (II)

Fig.II-17 Rodamientos, pernos y carcasa.


Fig.II-18 Tubo de admisin (Tobera)

Fig.II-19 Base de la turbina.


Fig.II-20 Rodete.

Fig.II-21 labe directriz.


Fig.II-22 Entrada de la turbina

Fig.II-23 Rodamientos.


Fig.II-24 Carcasa III


Los slidos de Solidworks son los siguientes:

Componentes de la carcasa

Deflector.


Rotor y chumacera.

Tubera de admisin.


Ensamble.


III. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACIN TERICA 3.1 ALGORITMO DE DISEO DE LA MAQUINA HIDRULICA.

3.1.1 DATOS DE DISEO

Altura: H Caudal: Q Velocidad de giro: n

3.1.2 Datos asumidos Coeficiente de velocidad del inyector: , esta constante

toma diferentes valores, en nuestro pas el valor asumido es de 0.967.

Aceleracin de la gravedad: = 9.81 2 . Angulo formado entre la velocidad total y la velocidad de

arrastre: 1, este ngulo vara entre 14 y 17, se asumir un angulo de 16.

Espesor de la tubera: ep Relacin entre el nmero de alabes en la admisin y el

nmero total de alabes: Xz, este coeficiente es una relacin entre el nmero de labes en la admisin y el nmero de alabes totales, vara entre 0.05 y 0.35, se asumir el valor mximo de 0.35.

3.1.3 CLCULOS Los parmetros a encontrar son referentes a las siguientes figuras:


Tringulos de velocidades en la turbina Banki.

Parmetros caractersticos en el trazado de los alabes de una turbina Banki.


Parmetros que permiten el trazado del inyector.

Velocidad de entrada: 1 = 2 ngulo formado entre la velocidad relativa y la velocidad

de arrastre a la entrada: 1 Velocidad de arrastre a la entrada: 1 = 2.127 Velocidad relativa a la entrada: 1 = 2.458 Componente de la velocidad total en la direccin de

arrastre: 1 = 1.229 Dimetro del rotor: = 601

Nmero de alabes del rotor: = 0.1

Nmero de alabes en la admisin: = Ancho del rodete: =

1(1180) Paso: = rea de admisin: = Angulo entre alabes: = 360

= 30 2

= 60 2

= 150 2

= + 60 Radio del rotor: = 2 Ancho radial: = (1sin(180)

sin(180

) ) Cuerda del alabe: = (sin(180)

sin(180

)) Radio del alabe: = sin(180) sin(180)

sin(180

) sin(180

)


Longitud de admisin: = + . Angulo de admisin: = 360 .

3.2 CONSIDERACIONES PERTINENTES ADICIONALES AL DISEO.

3.2.1 INYECTOR CON REGULACIN Existen varias geometras de inyectores y sistemas de regulacin como los que se aprecian en la figura de abajo. Se expondr en esta seccin un sistema de regulacin mediante alabe director recomendado por la organizacin latinoamericana de energa (O.LA.D.E.). En este diseo, el alabe regulador divide el flujo en dos partes, una superior y otra inferior, con la finalidad de disminuir la cupla de accionamiento de dicho alabe. Se verifica que la cupla nula se manifiesta para un 50% de apertura aproximadamente. Las maquinas que tienen esta geometra de inyector y funcionan con saltos mayores a 25 m pueden tener problemas causados por la presencia de cavitacin en zonas a bajas presiones, como la superficie inferior del alabe regulador.

3.2.2 TUBO DE ASPIRACIN La turbina de flujo transversal generalmente trabaja sin tubo de aspiracin como cualquier mquina de impulsin, por lo tanto se instalan a una altura considerable sobre el nivel de agua de restitucin y de acuerdo a las variaciones del mismo, desaprovechando dicha altura. No obstante un tubo de aspiracin es conveniente para cadas medianas y pequeas. Este tubo permite realizar un montaje a prueba de crecidas con un aprovechamiento de toda la altura


disponible en el salto. El tubo de aspiracin se instala con el extremo inferior sumergido en el canal de restitucin y el agua contenida en su interior genera una presin negativa en la zona del rodete, por lo cual la carcasa debe tener un cierre hermtico. La regulacin del nivel de agua generalmente se realiza por medio de una valvula de aireacin regulable que influye sobre el vaco en la carcasa de la turbina. Este tipo de valvula trae aparejado el inconveniente que se manifiesta cuando asciende el nivel de restitucin en periodo de crecidas y no se logra alcanzar la diferencia de presin para el ingreso de aire previamente ajustada, con lo que el nivel del agua inunda el rodete. Para evitar este problema es necesario regular el nivel de agua utilizando sistemas que no dependan de la presin interior sino directamente del nivel en el interior del tubo. En la puesta en marcha, la velocidad de cada del agua arrastra el aire hacia el exterior y llega a una posicin de equilibrio al cabo de un cierto tiempo que se reduce con la disminucin del dimetro del tubo.

Tanque auxiliar cargado parcialmente con agua y conectado por medio de dos conductos de aspiracin. Al ascender el nivel de agua, el flotador es desplazado verticalmente, accionando una

valvula para el ingreso del aire.


3.2.3 VELOCIDAD DE EMBALAMIENTO En el funcionamiento de una turbina hidrulica acoplada a un generador elctrico, el par motor se mantiene siempre igual gracias al sistema de regulacin al par originado por las resistencias pasivas y la carga til del generador. Si la turbina queda sin carga y fallan los mecanismos de seguridad que complementan normalmente todo sistema de regulacin la velocidad del grupo aumenta, aumentando el par de las resistencias pasivas hasta que se hace igual al par motor y la aceleracin se reduce a cero. Si no existiesen las resistencias pasivas la aceleracin nunca se reducir a cero y tericamente se hara infinita, sobreviniendo antes la destruccin del grupo. A la velocidad mxima que adquiere la turbina en marcha en vacio se la denomina velocidad de embalamiento. Esta velocidad es distinta para cada apertura del alabe regulador. El rotor del grupo incluyendo el rotor del alternador, ha de estar diseado para resistir la velocidad de embalamiento. En las turbinas de flujo transversal la velocidad de embalamiento mxima corresponde al 100% de apertura del alabe regulador y disminuye a medida que se cierra el mismo.

3.3 DISERTACIN DE ASPECTOS REFERENTES AL DISEO PROPUESTO EN 2.1-2.2.


IV. DESARROLLO E INNOVACIN TECNOLGICA a. Calculo de dimensiones de componentes y parmetros del flujo (resultados

coherentes con una maquina hidrulica existente) Luego del anlisis matemtico de los diferentes mtodos de dimensionamiento explicados anteriormente obtenemos un cuadro de resultados, los cuales muestran los parmetros de diseo, teniendo en cuenta los siguientes parmetros de entrada.

N = 560 RPM.

H = 8m.

Q = 0.09 m3/s

El cuadro se muestra a continuacin:

DESCRIPCION RESULTADOS UNIDADES

H (Altura) 8.00 m

N (Revoluciones) 560.00 rpm

Q (Caudal) 0.09 m3/s

nq(Velocidad Especfica del Caudal) 115.95

(ngulo De Ataque) 16.00 grados

Kc (Coeficiente de Perdida Del Inyector) 0.97

it (Rendimiento Interno Terico) 0.86

a (Coeficiente De Fuga De Caudal) 0.95

i (Rendimiento Interno) 0.82

m (Rendimiento Mecnico) 0.86

t (Rendimiento De La Turbina) 0.71

P (Potencia Nominal Al Eje) 4.98 Kw

C1 (Velocidad Absoluta) 12.15 m/s

U1 (Velocidad Tangencial) 5.84 m/s

D (Dimetro Externo Del Rotor) 0.20 m

Di (Dimetro Interno Del Rotor) 0.12 m

Z (Nmero De Alabes) 24.00


ep (Espesor Del Material) 0.0025 m

Tt (Paso Externo De Los labes) 0.03 m

Bi (Ancho Del Inyector) 0.17 m

B (Ancho Del Rotor) 0.24 m

r (Radio Medio De Los labes) 0.04 m

Dp (Dimetro Primitivo) 0.14 m

(ngulo Entre Velocidad Tangencial Y Relativa) 32.00 grados

L (Distancia Del Filete Interno) 0.05 m

dmin (dimetro min. del eje del rotor) 0.02 m

Cuadro 1. Resultados de los parmetros de diseo de la Turbina Michell Banki

De acuerdo a la tabla 3 el dimensionamiento del inyector y del labe directriz son los parmetros que se muestra segn el dimetro 200mm del rodete.

COTA (mm)

DIAMETRO DEL RODETE EN mm

200 300 400 500

a 261 348 435 522

b 195 260 325 390

c 31 41 52 62

d 102 136 170 204

e 85 113 142 170

f 55 73 92 110

RI 168 224 280 336

RII 151 201 252 302

RIII 28 37 47 56

R1 133 177 138 161

R2 75 100 96 111

R3 110 110 138 160

R4 70 80 83 126

R5 35 50 52 66


R6 45 77 52 29

R7 100 90 101 126

x 40 47 48 63

y 120 136 147 211

L1 98 111 122 179

L2 60 70 90 136

L3 24 27 25 64

Tabla 3

b. Elaboracin del software o programa para el clculo de componentes y simulacin de su funcionamiento.

Ver anexos.

c. Especificaciones del diseo final

Ver anexos

d. Diseo e implementacin de sistemas o bancos de ensayo para su estudio experimental (propuesta de construccin con tecnologa actualizada)

CONSIDERACIONES PARA EL DISEO DEL BANCO DE PRUEBA

Presentamos la descripcin del banco de pruebas, la determinacin de salto y caudal, el anlisis de la geometra del rodete, el anlisis de la geometra del inyector y de las diferentes zonas posibles de trabajo de la turbina y resultados de la simulacin.

El diseo de la unidad de prueba se ejecutara teniendo como requisitos, ser una unidad compacta, verstil y la posibilidad de fcil fabricacin local del equipo, en donde se puede obtener 5kW de energa elctrica, mediante un generador trifsico comercial de 1800rpm, utilizando un acople directo para la conexin con el rodete de la turbina. Esta propuesta permitir poder visualizar la transformacin de energa mecnica en energa elctrica mediante resistencias y bombillas de luz, determinar las zonas de aplicacin de la turbina hidrulica, las curvas de funcionamiento y evaluar el comportamiento de la turbina.


DESCRIPCION Y FUNCIONES DEL BANCO DE PRUEBA

Un banco de pruebas es el conjunto de equipos, dispositivos de regulacin y control as como instrumentos de medicin que permite simular un recurso hidrulico y su aprovechamiento en la generacin de energa elctrica mediante una turbina hidrulica. El registro de las variables: caudal, presin y entre otras permitirn la evaluacin del funcionamiento y la determinacin de las curvas de operacin de la turbina.

El banco de pruebas que se desarrolla permitir:

o Visualizar el proceso de transformacin de energa. o Determinar las zonas de aplicacin de la turbina hidrulica. o Determinar las curvas de funcionamiento y evaluar el

comportamiento de la turbina.

El banco de prueba consta de las siguientes partes (Fig. 1.1)

El sistema de simulacin del recurso hidrulico compuesto por:

a: Bomba centrfuga: equipo que genera la presin que normalmente se produce por la cada que presentan diversos ros en el interior del pas.

b: El depsito: componente donde se descarga el flujo de agua, que tambin funciona como tanque para la toma de la bomba.

c: Circuito cerrado de recirculacin: conjunto de tuberas que conduce el agua del tanque hacia la turbina por medio de la bomba.

El sistema de transformacin de la energa hidrulica en energa

mecnica, compuesto por:

a: Turbina Michell Banki, turbomquina que realiza la labor de transformar la energa hidrulica en energa mecnica.

El sistema de transformacin de la energa mecnica en energa elctrica, compuesto por:

a: Generador elctrico: Equipo que convierte la energa mecnica de la turbina en energa elctrica.

b: Carga elctrica y sistema de regulacin por medio de un banco de resistencias para la operacin de la turbina a cargas parciales.


ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS

En el captulo se presenta el ensamble de la turbina, la descripcin de los componentes ms importantes que forman parte del conjunto y la secuencia que sigue en el montaje; el orden y la posicin final para el correcto funcionamiento del banco de pruebas.

Para el diseo de los componentes se tuvo como referencia las recomendaciones de Centro Suizo de Tecnologa apropiada en el ILE, Instituto de Investigacin sobre Amrica Latina y de Cooperacin al desarrollo, Universidad de Sankt Gallen SKAT.

Recomendamos en la construccin utilizar los materiales, procesos de fabricacin y procedimiento de soldadura designado en los captulos anteriores, as como ajustarse a las tolerancias y acabado superficiales mencionados en los planos adjuntos.

Fig. 1.1 ESQUEMA DEL BANCO DE PRUEBAS DE UNA TURBINA MICHELL-BANKI


PROTOCOLO DE EVALUACION Y MANUAL DE OPERACIONES DEL BANCO DE PRUEBAS

En este punto se presentar la propuesta de una gua de Ensayo, en donde se incluirn los siguientes puntos:

1.- Objetivos del ensayo

2.- Los fundamentos tericos

3.-Esquema del Banco de Pruebas

4.- La descripcin del equipo

5.- El procedimiento de ensayo

6.- Los clculos y grficos

7.- El anlisis de ensayo

8.- Los protocolo de pruebas

9.- Las conclusiones del ensayo.

Este material permitir al estudiante poder observar el funcionamiento de la turbina y verificar las relaciones bsicas que gobiernan su operacin en los diferentes proyectos hidrulicos.

Adems, se deber presentar el manual completo de operaciones de la maquina, en donde se especifique:

1.- Una breve introduccin

2.- La descripcin del equipo

3.- La operacin del equipo

4.- Ensamble del equipo

5.- El control del banco de pruebas

6.- Los equipos de medicin a utilizar

Todos estos parmetros permitirn una buena operacin durante el ensayo y las pautas necesarias para un mantenimiento aceptable del banco de pruebas.


ESQUEMA DEL BANCO DE PRUEBAS

1. Turbina Michell-Banki.

2. Bomba Centrfuga.

3. Tubera de Ingreso de la Turbina.

4. Alternador Sncrono Trifsico.

5. Tanque de Almacenamiento de Agua.


DESCRIPCIN DEL BANCO DE PRUEBAS

Equipos del banco de pruebas:

I. Turbina Michell-Banki con caractersticas nominales:

Dimetro Externo del rotor: 111mm Nmero de labes: 24 Ancho del rotor: 91mm Angulo del alabe: 74 Velocidad angular: 1800rpm Caudal de agua: 2.25m3/min. Salto neto: 25m Potencia Elctrica: 5kW

II. Bomba centrifuga para generacin del salto, de las siguientes caractersticas nominales:

Velocidad angular: 1750rpm Potencia Mecnica: 20 HP Altura total: 35m Caudal desplazado: 2.25m3/min. Tamao: 4 x 6-13

III. Tubera de ingreso a la turbina con un dimetro de 6

IV. Alternador sncrono trifsico auto-excitado, de las siguientes caractersticas:

Velocidad: 1800rpm Frecuencia: 60Hz Voltaje: 440/220v Salida: 6.7kW Eficiencia: 78.3%

V. Banco de luminarias de 150W, para cada foco.

VI. Banco de resistencias resistivas.

VII. Tablero elctrico de mando y control.

VIII. Tanque de almacenamiento del agua circulante, para un volumen de 3m3, fabricada de plancha de acero SA285C y de espesor de 3m


EL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

I. Verificar que el nivel de agua en el canal sea el adecuado, en caso contrario, llevar el nivel a la altura del vrtice del vertedero. El agua deber estar libre de impurezas, cambiar el agua si es necesario.

II. Regular las escalas de los instrumentos al punto cero, tanto para la medicin de caudal como para la medicin de la fuerza.

III. Cerrar completamente el distribuidor de caudal de la turbina y abrir totalmente las vlvulas instaladas en la tubera de succin y descarga.

IV. Conectar a la lnea de suministro de energa el regulador de velocidad del motor de accionamiento de la bomba centrifuga. Poner en funcionamiento la bomba centrifuga aumentando la velocidad hasta obtener la presin requerida para el ensayo.

V. Abrir gradualmente el distribuidor de caudal girando las vueltas necesarias segn manda en el protocolo de pruebas, para obtener los valores de caudal necesarios para el ensayo, regulando tambin la velocidad de la bomba para obtener una presin de entrada constante.

VI. Verificar la estabilidad de la frecuencia, en el generador.

VII. Encender las cargas elctricas correspondientes, para cada valor del caudal, siempre a una presin de entrada constante, para el cual simularemos la demanda de electricidad en una micro central hidrulica.

VIII. Medir la velocidad de rotacin del eje de la turbina.

IX. Medir la fuerza en el dinammetro para as poder calcular el torque y as poder calcular la potencia mecnica entregada.

X. Medir el caudal, en el vertedero para verificar las condiciones iniciales del ensayo.

XI. Repetir los pasos del V al X para tres diferentes saltos.

LOS CLCULOS Y GRFICOS

Para un salto constante, debemos evaluar para cada caudal lo siguiente:

- Torque producido en la turbina

- Potencia Mecnica Desarrollada

- Rendimiento total del grupo generador

- Rendimiento total de la turbina

- Rendimiento hidrulica de la turbina

- La velocidad especifica


Adems se debe graficar:

- Torque vs Caudal

- Potencia Mecnica vs Caudal

- Rendimiento total de la turbina vs Caudal

EL ANLISIS DE ENSAYO

En base a los resultados del ensayo se debe analizar el comportamiento de la turbina y comparar con las tendencias previas y el modelo terico.

LAS CONCLUSIONES DEL ENSAYO

Se debe elaborar conclusiones especficas acerca del anlisis del funcionamiento de la turbina, de posibles incongruencias, aplicaciones y performance del equipo en estudio.

V. INVESTIGACION

5.1) CONSIDERACIONES DESFAVORABLES O FALLAS QUE SE PRESENTAN DURANTE EL FUNCIONAMIENTO.

Las Turbinas Michell Banki requieren poco mantenimiento. El eje desalineado o un mal montaje de la turbina daaran los cojinetes muy rpidamente. Si los cojinetes no tienen la lubricacin adecuada producir excesivo rozamiento haciendo que los cojinetes fallen. De vez en cuando debe verificarse el deterioro de los labes, inyector, labe directriz as como de la carcasa y de los puntos en que el agua la golpea, pues pueden generar desgaste por cavitacin.

5.2) METODOLOGA DE TRATAMIENTO DE LAS VARIABLES O PARMETROS DE OPERACIN A SER INVESTIGADOS PARA OPTIMIZACIN DE LA MAQUINA O SOLUCIN DE LAS POSIBLES FALLAS.


5.3) CURVAS DE ENSAYO O RESULTADOS DE INVESTIGACIN EXPERIMENTALES O SIMULACIN.

Las siguientes curvas fueron obtenidas en un ensayo de una micro-hidroelctrica Michell Banki, Universidad de San Carlos de Guatemala.

Del ensayo hecho a la turbina Michell Banki, observamos que cuando el caudal aumenta, la potencia que desarrolla es proporcional al caudal que circula, de igual forma la velocidad de rotacin del eje. Si mayor es el caudal, mayor ser el


impacto producido por ste en el rodete.

Otra curva obtenida en un ensayo micro-hidroelctrico:

La eficiencia de la turbina vara con el porcentaje de flujo, el cual se puede ajustar para adaptarse a las caractersticas de una turbina en particular.

VI. CONCLUSIONES. En el presente proyecto se pudo aprender el diseo y funcionamiento de la

turbina Michell Banki; as como aprender algunas generalidades acerca de esta

turbina, como por ejemplo sus caractersticas, principios bsicos entre otros.

De todo lo aprendido al realizar este proyecto podemos afirmar que el diseo y construccin de una turbina Michell Banki es sencillo.

Tambin se debe observar la gran importancia que tiene esta turbina al aplicarse en zonas urbanas que an no cuentan con un servicio elctrico

estable (pero que cuentan con alguna fuente de agua), todo esto es debido a la

sencillez con se puede manipular.


VII. SUGERENCIAS O RECOMENDACIONES. (POSIBLES TESIS DE INVESTIGACIN, PROYECTOS DE DESARROLLO, MANEJO DE PARMETROS DE FUNCIONAMIENTO U OTROS REFERENTES)

Para facilitar la operacin y mantenimiento de la Turbina Michell Banki es

conveniente tener instrucciones bsicas y fciles para el usuario, un juego de

planos, una lista de repuestos as como llevar un diario (bitcora) de ocurrencias.

La turbina Michell Banki posee un diseo simple que hace accesible su construccin en talleres de mecnica convencionales.

Se recomienda como gua la tesis de diseo de un banco de pruebas para la turbina Michell-Banki dada en la bibliografa.

VIII. ANEXOS.

Junto con el presente informe del proyecto, se hace entrega de los planos de los componentes de la turbina Michell Banki, adems se hace entrega de un CD, as como una recopilacin de la bibliografa utilizada en el presente informe, adems tambin se incluyen una serie de tips que ayudaran a dar un buen mantenimiento de esta turbina Michell Banki.


IX. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS. (CITAR LIBROS, TEXTOS, ARTCULOS, PGINAS WEB, BLOG SPOT, ETC.

Libros:

Dr. Giovani Zucchi, Libro de Turbomquinas", UNT - Trujillo.

Mataix Claudio, 1985, Turbomquinas Hidrulicas, Madrid, Editorial Icai.

"Manual de la Mini y Microcentrales Hidrulicas: Una gua para el

desarrollo de proyectos." Lima 1996.

Jinchuk Daro, Diseo de Turbinas Pelton Michel Banki, Lima.

Shigley J. Mitchell L. "Manual del Diseo Mecnico", Tomo IV Mxico D.F. 1989.

Tesis:

Diseo de un banco de pruebas de una turbina Michell Banki.

Linkografia:

http://members.tripod.com/hydrodocs_1/turbines.html

INFORME DE INVESTIGACIN DE TURBOMQUINAS HIDRULICAS: TURBINA MICHELL-BANKIPRESENTACINRESUMEN

informe de investigación de turbomáquinas hidráulicas (michell banki)

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