INTRODUCCION

EL experimento consiste en la medición de la fuerza de impacto de un chorro de agua sobre superficies sólidas.  El aparato permite la medición de la fuerza del impacto del chorro sobre cuerpos sólidos de distinta forma, además de las variables necesarias para la comparación de los resultados experimentales con predicciones teóricas, tales como el caudal del chorro, etc.  Posee cuerpos de distintas formas (plana, cónica, semicircular, etc.) Dentro del estudio del flujo de fluidos encontramos el impacto de un chorro sobre una superficie, base principal para el desarrollo de la teoría de turbo maquinas. Es mediante las turbo maquinas, que se realiza la realización de un trabajo a partir de la energía que trae un fluido, como también la aplicación de un trabajo a un fluido, para agregarle una energía mayor. Por ello nos enfocaremos en determinar la fuerza de reacción que se genera por un impacto de chorro a una superficie, se aplana o semicircular.

OBJETIVOS

Determinar la magnitud de la fuerza de impacto de un chorro de agua al salir por un orificio y chocar con un alabe de diferentes formas: plano, hemisférico, copa cónica.

Calcular velocidad del chorro a la salida de la boquilla. Analizar la relación existente entre la fuerza sobre el alabe y la

cantidad de energía entregada a este.

MARCO TEORICO

La VELOCIDAD La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que expresa el desplazamiento de un objeto por unidad de tiempo.

LAS TURBINASSon dispositivos que producen energía a partir de un fluido que pasa por ella, están constituidos por un conjunto de álabes ajustados al eje de la turbina recibiendo el nombre de rodete o rotor.

PRINCIPIO DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO

Las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones, cohetes, hélices, barcos, etc., por lo cual, la ecuación fundamental de la energía no es suficiente para resolver todos los problemas que se presentan y por lo tanto se necesita el auxilio del principio de la cantidad de movimiento.

Ecuación de momento para un volumen de control:

Esta ecuación establece la suma de las fuerzas (de superficie y másicas) que actúan sobre un volumen de control no acelerado, es igual a la relación de cambio de momento dentro del volumen de control, más la relación neta de flujo de momento que sale a través de la superficie de control

APLICACIONES

Las turbinas son dispositivos que producen energía a partir de un fluido que pasa por ella, están constituidos por un conjunto de álabes ajustados al eje de la turbina recibiendo el nombre de rodete o rotor.

El flujo a través de una turbo máquina puede ser: axial, radial o mixto. La máquina de flujo axial (turbina Francis) maneja grandes gastos, con alto rendimiento. Para una turbina de impulso o de reacción (turbina Pelton) no existe aceleración del fluido respecto al álabe, es decir, trabaja a velocidad constante.

En general, la energía del fluido que se transmite a los álabes (o rotor) es convertida en energía mecánica y ésta a su vez puede ser transformada en energía eléctrica, como sucede en las plantas hidroeléctricas.

Considere una placa simétrica alrededor del eje y como muestra la Un flujo de chorro a una rata de m [kg/s] a lo largo del eje y con una velocidad V1 [m/s] golpea la placa y es desviado por esta un ángulo β, de manera que el fluido deja la placa con una velocidad V2 [m/s] a un ángulo β respecto al eje y. Los cambios en la elevación y en la presión piezométrica del chorro desde que golpea la placa hasta su salida son despreciables para el caso.

FUERZA PRODUCIDA POR UN CHORRO DE AGUA

La velocidad v del fluido que sale de la boquilla de sección A, se calcula como: v = Qt A .

Se supone que la magnitud de la velocidad no varía al pasar el flujo por el deflector, cambiando sólo su dirección. La segunda ley de Newton aplicada al flujo una vez desviado, proporciona:

Fy = Qmv (cos θ + 1),

Donde• Fy es la fuerza ejercida por el deflector sobre el fluido.• Qm es el flujo másico. Qm = ρQt = ρAv.• Qt el el flujo volumétrico.

En una situación de equilibrio estático, Fy queda compensada por la carga aplicada W = mg, con loQue:W = ρAv2 (cos θ + 1)La pendiente s de un gráfico que represente la fuerza W en función de v2, es por tanto s = ρA (cos θ + 1)

Nótese que θ = 180◦ − α, donde α es el ángulo de deflexión.

EQUIPOS Y ELEMENTOS

Banco hidráulico. Equipo de impacto de chorro. Pesas. Cronometro.

CUESTIONARIO CUESTIONARIO 1 Calcular la velocidad a la salida del orificio (V) y la velocidad del chorro (Vo). 2 Calcular la fuerza desarrollada sobre el alabe. 3 Graficar la fuerza sobre el alabe (F) Vs (Qm x VO). Analizar su comportamiento para cada uno de los álabes Idealmente la pendiente de las gráficas de ser: Plato llano=1, Cono=1.5 y Hemisférico=2. 6¿Qué sugerencias tiene para mejorar la práctica? 1. Realizar ajustes en el sistema de desagüe del banco de pruebas. Esto es determinante para obtener valores de caudal creíbles.2. Tener un sistema de comprobación de balance de fuerzas mucho más completo.3. Sustituir la placa plana por una nueva, cuando se realizó la experiencia la placa plana estaba7 ¿Cuál sería el efecto sobre el valor del cálculo de la eficiencia en los siguientes errores sistemáticos de medición? Error de 1g en el peso ajustable. Error de 1mm en la distancia del centro del orificio al nivel del pivote (L).

8 Si el experimento se realizara con un cono de 60°. ¿Cómo cree usted que serían los resultados representados en las gráficas anteriores? Si el experimento se realizara con un cono mayor en este caso de 60° los datos relacionados con las gráficas aumentarían.9 Si el alabe estuviera sometido a un desplazamiento con una velocidad constante, por ejemplo en una turbina o rueda Pelton; como cree que sería la componente de la fuerza resultante que opone el alabe y la velocidad de salida del chorro ya impactado. si el alabe estuviera sometido a un desplazamiento con una velocidad constante, la fuerza iría en aumento, pero en un aumento menor del que obtuvimos en el experimento10 Aplicando la ecuación de Bernoulli demuestre la ecuación (8). 11 Describir en qué consiste la teoría de cascada.Para los procedimientos de cálculo en el diseño y el comportamiento de flujo en la entrada y salida de la turbomaquinaria, se requiere conocer los cambios en las diferentes relaciones termodinámicas, así como los cambios de energía de acuerdo con los campos limitados por la frontera del sistema. Lo anterior puede ser analizado mediante la teoría bidimensional o tridimensional, tomando en cuenta las variaciones angulares del flujo. Mientras la transformación de la energía ocurra con procesos de flujo adiabático, las formas de energía cinética, potencial y térmica se encuentran en estado de cambio constante. Para analizar un sistema en forma no estacionaria en relación con un sistema bajo condiciones de suposición de flujo estacionario, se realiza la transformación del sistema en relativo y absoluto; en ambos casos, la transformación de la energía se considera cuasiestacionaria. Con la ayuda de la definición de la energía cinética del flujo a través de la cascada de álabes se desarrolla el método de configuración meridional del flujo, que puede utilizar hasta tres dimensiones, tomando en cuenta las condiciones del flujo a la entrada y salida en su dirección axial, radial o una mezcla de ellas. La caracterización de una cascada de álabes fija y una giratoria a velocidad tangencial, permite formular un paso de turbomáquina para así conocer un número determinado de variables en ella. 12 Describir los tipos de turbinas hidráulicas de uso actual en hidroeléctricas. Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía En un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido

mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.

Se clasifica

Por ser turbomáquinas siguen la misma clasificación de estas, y pertenecen, obviamente, al subgrupo de las turbomáquinas hidráulicas y al subgrupo de las turbomáquinas motoras. En el lenguaje común de las turbinas hidráulicas se suele hablar en función de las siguientes clasificaciones:

De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción

Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior.

De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción

Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior.

De acuerdo al diseño del rodeteCarta para seleccionar turbinas hidráulicas en función del caudal y el salto.Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de cada género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los àlabes o cangilones, o de otras partes de la turbomáquina distinta al rodete. Los tipos más importantes son:

Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales.(Turbina de reacción)

Turbina Hélice: son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas.

Turbina Pelton: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la evolución de los antiguosmolinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños.(Turbina de acción)

Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios.

Turbina Ossberger / Banki / Michell: La turbina OSSBERGER es una turbina de libre desviación, de admisión radial y parcial. Debido a su número específico de revoluciones cuenta entre las turbinas de régimen lento. El distribuidor imprime al chorro de agua una sección rectangular, y éste circula por la corona de paletas del rodete en forma de cilindro, primero desde fuera hacia dentro y, a continuación, después de haber pasado por el interior del rodete, desde dentro hacia fuera.

Es una turbina hidráulica de impulso diseñada para saltos de desnivel medio.El rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad. Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del diámetro que el de un rodete Pelton y dobla la velocidad específica

RECOMENDACIONES

• Mayor precisión en la toma de los tiempos para la determinación de los caudales.

• Que varias personas sean las que verifiquen que marca el nivel

• Realizar dos o más mediciones del caudal para así obtener un valor promedio más cercano al verdadero.