Universidad Tecnológica de Panamá Campus Víctor Levi Sasso Facultad de Ingeniería Eléctrica Carrera de: Licenciatura en Ingeniería Electromecánica Grupo: 1IE-251 (A) Asignatura de: Turbomaquinarias (3952) Profesor: Irving Villarreal Instructor: Teresin Almanza Laboratorio #1 “Introducción General a las Turbomáquinas Hidráulicas” Realizado por: Guerra, Kathyuska 9-759-395 Martínez, Joel 9-752-61 Mendoza, Einer 8-964-1569 Romero, Reinier 8-967-1508 Sánchez, José 8-967-568 1. DESARROLLAR EL SIGUIENTE CUESTIONARIO. 1.1. Investigar sobre la clasificación de las bombas hidráulicas según su funcionamiento, y luego investigue las subclasificaciones ya sea de acuerdo con el tipo de movimiento que presentan, la dirección del flujo de fluido y la velocidad específica, según sea el caso. Indique sus aplicaciones según carga y caudal. R/. Según su funcionamiento podemos encontrar dos tipos de bombas dentro de la industria: Bombas de desplazamiento positivo: son aquellas bombas donde el fluido es forzado a pasar por medio de un mecanismo, como aspas, pistones o engranes. Estas bombas desplazan la misma cantidad de fluido por cada ciclo de rotación del elemento que se encarga del bombeo. Son utilizadas para manejar grandes cargas a bajos caudales. A su vez las bombas de desplazamiento positivo se subdividen en: Reciprocantes: imprimen presión mediante la compresión del fluido, esto lo logra ya sea con un pistón o émbolo con un movimiento alternativo, al moverse en un sentido succiona y en el sentido inverso expulsa, son utilizadas para obtener altas presiones y fluidos con una viscosidad elevada. Estas bombas entregan un flujo pulsante durante su funcionamiento, debido al movimiento rotativo del mecanismo. Rotatorias: este tipo de bomba entrega un flujo constante mediante el movimiento de rotación de los engranes a altas velocidades. Pueden manejar casi cualquier tipo de líquido que esté sin presencia de sólidos desarrollando presión en una sola dirección. Bombas dinámicas: estas bombas imparten velocidad y presión al fluido por el impulsor de la bomba (rodete o alabes), los cuales giran a altas revoluciones y convierten la velocidad del fluido en energía de presión. Son muy versátiles para trabajar tanto a diferentes caudales como a diferentes alturas. A su vez las bombas dinámicas se subdividen en: Centrifugas: las bombas centrífugas son un tipo de bomba hidráulica que transforma energía mecánica en energía cinética de presión a un fluido. Las bombas centrífugas aumentan la velocidad de los fluidos para que estos puedan desplazarse grandes distancias. Además, permiten movilizar grandes cantidades de agua. Periféricas: Son capaces de entregar gran presión de descarga con motores de baja potencia. Adecuadas para uso doméstico, aumento de presión de la red de agua potable, típicamente automatizada con un kit hidroneumático o controlador eléctrico. Especiales (electromagnéticas): Una bomba electromagnética es una bomba que mueve metal líquido, sal fundida, salmuera u otro líquido conductor de electricidad usando electromagnetismo. Se establece un campo magnético en ángulo recto a la dirección del flujo del líquido y se hace pasar una corriente a través de él. Esto provoca una fuerza electromagnética que mueve el líquido. 1.2 Explique las diferencias fundamentales entre una bomba rotodinámica (cinética) y una bomba de desplazamiento positivo. R/. Las bombas dinámicas funcionan mediante un rotor o impulsor que aplica energía constantemente al líquido. Su diseño es más simple, cuentan con pocas piezas móviles y los costos de mantenimiento y reparación son limitados; son más compactas, por lo que son ideales en instalaciones donde el espacio es limitado. Bombean líquidos de baja y media viscosidad a presiones bajas con un caudal alto, las encontramos en aplicaciones como potabilización del agua, desalinización, minería, etc. Por su parte, las bombas de desplazamiento positivo se basan en atrapar un volumen fijo de líquido y forzarlo a través de la descarga de la bomba. Son ideales para caudales de forma constante y con viscosidades más altas a comparación de las dinámicas. Las encontramos en la industria petroquímica o en el manejo de aguas residuales. 1.3 Mencione las partes importantes que conforman una bomba hidráulica rotodinámica. R/. Las partes más importantes de una bomba rotodinámica son: Carcasa Impulsor o rodete Difusor Eje Cojinetes o rodamientos Motor Entrada y Salida 1.4 Explique en términos generales, cómo se puede identificar el tipo de bomba instalada y/o en operación en campo. R/. Generalmente es posible identificarlas por el tipo de mecanismo que utilizan, ya sean engranes o aspas, pero a simple vista lo más recomendable sería guiarse por el tipo de uso que se le da en la instalación y el tipo de líquido, si estamos en campo y observamos una bomba para elevar un liquido a determinada altura y este líquido sea agua lo más probable es que sea una bomba dinámica, además este tipo de bombas son las más utilizadas en ese contexto, si vemos que se opera con una bomba tiene un tamaño demasiado grande podríamos identificarla como una bomba de desplazamiento positivo, ya que estas bombas suelen usar grandes mecanismos y la forma de su carcasa es diferente al de una bomba dinámica. 1.5 Investigar sobre el fenómeno de cavitación, explicando su formación y consecuencias en las turbomáquinas hidráulicas. R/. La cavitación es la formación y explosión de las burbujas de vapor producidas en el interior de una turbomáquina, esto ocurre debido a las caídas de presión que quedan por debajo de la presión de vapor del liquido bombeado. La cavitación produce grandes daños a las turbomáquinas, deteriorando el material y causando daños irreparables, lo cual se representa en pérdidas y costos adicionales. 1.6 ¿Qué es cebar una bomba y cuando es necesario hacerlo? R/. El cebado es el proceso de eliminar el aire de la bomba y la línea de succión para permitir que la presión atmosférica y la presión de inundación hagan que el líquido fluya hacia la bomba. Se debe cebar cuando el nivel del liquido que se desea bombear sea superior al eje de la bomba. 1.7 Explique en qué consiste un arreglo de bombas en serie y en paralelo y sus aplicaciones de carga y caudal, respectivamente. R/. Un arreglo de bombas en paralelo consiste en transportar el líquido a la misma tubería mediante dos caminos, en este tipo de arreglo no hay un aumento en la presión de descarga, mientras que un arreglo en serie se utiliza para transportar un liquido a mayor altura con respecto a una bomba individual. En un arreglo en paralelo se pueden utilizar diferentes caudales mientras que en serie se maneja un solo caudal. 1.8 Explique qué es el golpe de ariete y qué efectos tiene. R/. Un golpe de ariete es un aumento repentino de la presión causado por un cambio rápido en la velocidad de caudal de la tubería. Si el Golpe de Ariete no es efectivamente controlado puede producir la rotura de la tubería por sobrepresión o por depresión, así como generar serios problemas de operación. Las principales consecuencias de los transitorios hidráulicos son: altas presiones, presiones negativas, separación de la columna de agua llegando inclusive a valores de cavitación, riesgo sanitario asociado a la intrusión de contaminantes como consecuencia de las presiones negativas, y como consecuencia de lo anterior rotura de la tubería o fatiga de la misma a lo largo del tiempo. 1.9 Explique qué es un ariete hidráulico y cómo funciona. R/. Es una bomba hidráulica cíclica que utiliza la energía cinética de un golpe de ariete sobre un fluido para subir una parte de ese fluido a un nivel superior. No necesita por lo tanto aporte de otra energía exterior. El funcionamiento de una bomba de ariete es bastante sencillo. El agua pasa por un conducto a una velocidad determinada que consigue que se cierre una de las válvulas. Al cerrarse la válvula, el fluido se detiene de golpe. La fuerza del fluido deteniéndose hace que se abra la segunda válvula y que el fluido pase a un depósito hasta equilibrar las presiones. Posteriormente, vuelve a abrirse la primera válvula y se repite el ciclo de nuevo. 1.10 Investigar sobre la clasificación general de las turbinas hidráulicas según la dirección del flujo de fluido y según el grado de reacción. Indique sus aplicaciones según carga y caudal. R/. Según la dirección del fluido, las turbinas se pueden clasificar en: - Turbinas Radiales-Axiales: Es cuando el agua entra en el rodete de forma radial para posteriormente cambiar de dirección y salir paralela al eje de rotación de la turbina. - Turbinas Axiales: Es cuando el agua entra y sale paralela a la dirección del eje de la turbina. - Turbinas tangenciales: Es cuando el agua golpea la periferia del rodete para hacerlo girar. Según el grado de reacción las turbinas se pueden clasificar en: - Acción o impulsión: Son aquellas en las cuales el fluido mueve el rodete golpeándolo directamente en las paletas que el mismo posee. En este caso es necesario que haya una caída alta del fluido para que golpee fuertemente para que toda la energía potencial del salto sea transmitida al rodete. - Reacción: El fluido mueve el rodete, no por golpe, si no por la reacción provocada por la salida del fluido sobre el rotor. Es necesario contar con un gran caudal de agua para que empuje el agua a la tuberías, salga con mucha presión y mueva el rotor con fuerza. Las turbinas más utilizadas son la Pelton, utilizada en saltos de agua de gran altura y con pequeños caudales de agua de menos de 50 m3/s. La turbina Francis, utilizada para saltos de altura media y caudales de agua de entre 2 a 100 m3/s. Y finalmente la turbina Kaplan utilizada para saltos de pequeña altura y caudales que suelen superar los 200 m3/s. Otras turbinas serian la turbina Ossberger/Banki/Michell, esta 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. Y la turbina Turgo, esta es una turbina hidráulica diseñada para saltos de nivel medio. El rodete utilizado en las turbinas Turgo es similar a utilizado en las turbinas Pelton, pero partido por la mitad. 1.11 Mencione las partes fundamentales que conforman una turbina, indique su función. R/. Las partes fundamentales que componen una turbina son: - Rodete: Este esencialmente es un disco con un sistema de paletas, álabes o cucharas. La energía hidráulica que proviene por el movimiento del fluido o por el impulso producido por el salto de agua es transformada en energía mecánica justamente en este dispositivo. - Distribuidor: Esta es una pieza que se encuentra fija dentro del cuerpo de la turbina, es decir, no cumple ningún trabajo mecánico dentro del funcionamiento de la turbina. Su función es la de distribuir el flujo de agua al rodete y así regular la cantidad de liquido que pasa a través de la turbina hidráulica. - Tubo de aspiración: Es la parte por la que sale el fluido de la turbina. La función de esta parte es la de dar continuidad al fluido y recuperar el salto que se ha perdido en las instalaciones que están por encima del nivel del agua de salida. En general se construye en forma de difusor para que genere un efecto de aspiración que ayuda a recuperar parte de la energía. - Carcasa: Es el componente que se encarga de soportar y cubrir las partes de la turbina, en ciertos modelos como la Kaplan y la Francis, tienen forma de espiral. 2. DESCRIBA TÉCNICAMENTE UN EQUIPO/MÓDULO DEL LABORATORIO Máquina elegida: Turbinas Francis. Figura 1. Equipo del Laboratorio de Turbomáquinas. Turbina Francis La turbina Francis es una combinación entre las turbinas de impulso y de reacción, donde los alabes giran usando la fuerza de reacción e impulso del agua que las atraviesa produciendo electricidad de manera más eficiente. Es utilizada comúnmente en hidroeléctricas de mediana y gran escala. Uno de sus beneficios es que puede instalarse con el eje de forma vertical u horizontal sin afectar su rendimiento. El agua que pasa por una turbina Francis pierde presión, pero se mantiene más o menos a la misma velocidad, por lo que se consideraría una turbina de reacción. Fue la primera turbina hidráulica que tuvo un flujo radial, diseñada por el científico estadounidense James Francis. Las principales partes una turbina Francis son las siguientes: Cámara espiral Paletas de estancia Alabes guía Rodete Tubo de aspiración Figura 2. Diagrama las principales partes de una turbina Francis Las ventajas que presenta esta turbomáquina son: Es muy fácil de controlar incluso con alturas variables. La variación de su eficiencia es muy baja con el paso del tiempo. El tamaño del corredor es pequeño comparado con otros tipos de turbinas. Tiene un costo de mantenimiento menor con respecto a los otros tipos de turbinas. Mientras que sus desventajas son: Las turbinas francis se diseñan para un determinado caudal. No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal ya que el rendimiento baja. Presenta problemas cuando trabaja con alturas mayores de 800 m. Presenta un problema de cavitación. La entrada de agua sucia con partículas puede generar importantes problemas a la turbina. Las turbinas Francis tienen una alta eficiencia, más del 90%. Además, este tipo de turbinas hidráulicas se pueden diseñar con una variada gama de cabezales y flujos. Tienen una amplia gama de actividades en comparación con la altura del fluido que fluye a través de la turbina. Trabajando con agua, esta turbina logra un rendimiento óptimo en una caída de 20 metros hasta 700 metros. La potencia de salida varía de un par de kilovatios a 750 MW. El diámetro del rotor puede ser de 1 a 10 m y la velocidad de rotación es de 83 a 1000 rpm. Figura 3. Rango de Aplicación de la Turbina Francis (Extraído de la ficha técnica) En contraste con la turbina Pelton, la turbina Francis funciona en su mejor momento completamente llena de agua en todo momento. El funcionamiento de las turbinas Francis: 1. El agua entra por la tubería de admisión y es dirigida hacia la carcasa de la turbina. 2. La carcasa de la turbina está diseñada para dirigir el agua hacia las palas del rodete (parte giratoria de la turbina), con la finalidad de que el agua impacte en ellas. 3. La forma de las palas del rodete es curva, lo que hace que el agua cambie su dirección y velocidad a medida que pasa a través de ellas. Este cambio de dirección y velocidad provoca una fuerza que hace girar el rodete. 4. El eje del rodete está conectado a un generador eléctrico, el cual convierte la energía mecánica generada por la turbina en energía eléctrica. 5. Después de pasar por el rodete, el agua sale a través de la tubería de descarga y vuelve al río o al embalse. En resumen, la turbina Francis aprovecha la fuerza del agua para hacer girar el rodete, y a su vez, generar energía eléctrica. Este tipo de turbina es muy eficiente a bajas y medianas caídas de agua, y es ampliamente utilizada en centrales hidroeléctricas. Las turbinas Francis se utilizan principalmente en centrales hidroeléctricas, donde se aprovecha la energía hidráulica para generar energía eléctrica. Además de este uso, estas turbinas también se pueden emplear en otras aplicaciones, como: 1. Bombeo de agua: Las turbinas Francis también se pueden utilizar para bombear agua en sistemas de abastecimiento de agua potable, riego y otros usos similares. 2. Industria: Las turbinas Francis se pueden utilizar en la industria para generar energía mecánica que se puede utilizar para accionar maquinaria y equipos. 3. Generación de energía en pequeña escala: Las turbinas Francis también se pueden utilizar para generar energía eléctrica en pequeña escala en lugares donde no hay acceso a la red eléctrica, como en zonas rurales o remotas. 4. Control de inundaciones: En algunas situaciones, las turbinas Francis se pueden utilizar para controlar las inundaciones. Por ejemplo, se pueden instalar turbinas en las presas para regular el flujo de agua y reducir el riesgo de inundaciones. En resumen, las turbinas Francis son adecuadas para una amplia variedad de aplicaciones en las que se necesita aprovechar la energía hidráulica para generar energía mecánica o eléctrica, o para controlar el flujo de agua. El costo de operación y mantenimiento de las turbinas Francis puede variar dependiendo de varios factores, como la capacidad de la turbina, la calidad del agua, la ubicación geográfica y el tipo de operación. En general, el costo de operación de una turbina Francis incluye el costo de la electricidad utilizada para hacer funcionar la turbina, el costo de los trabajadores necesarios para operar y monitorear la turbina, el costo de los productos químicos y lubricantes necesarios para el mantenimiento de la turbina y los costos de los equipos de protección y seguridad necesarios para garantizar una operación segura. El costo de mantenimiento de una turbina Francis incluye el costo de las piezas de repuesto, el costo de las reparaciones y el costo de la inspección y el mantenimiento preventivo. El mantenimiento preventivo es esencial para garantizar que la turbina funcione correctamente y para evitar costosos tiempos de inactividad. En general, se espera que el costo de operación y mantenimiento de una turbina Francis sea relativamente bajo en comparación con otras formas de generación de energía, como la energía nuclear o la energía de combustibles fósiles. Sin embargo, los costos de operación y mantenimiento pueden aumentar significativamente si la turbina no se mantiene adecuadamente o si se encuentra en un entorno de alta corrosión o desgaste. Figura 4. Turbina Francis marca Voith Durante más de 140 años, las centrales hidroeléctricas de todo el mundo han sido equipadas con componentes de Voith. Como proveedor de línea completa para equipos de centrales hidroeléctricas, Voith es uno de los principales fabricantes mundiales en este campo. Esto se aplica a la energía hidroeléctrica tradicional.