UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA

Facultad de Ingeniería
Departamento de Mecánica
Laboratorio de Maquinas Hidráulicas.

EXPERIENCIA N°3

“LABORATORIO DE TURBINA
FRANCIS”

Nombre: Francisco Duque Norambuena.

Rut: 19.092.649-4.
Profesor: Wilfredo Jara T.
Fecha de entrega: Marzo 2017.
 Introducción

En esta experiencia utilizaremos el banco de ensayo de la turbina Francis, donde

pondremos en práctica lo aprendido en la catedra, como lo son el determinar las curvas
características de la turbina ya sea en el ensayo modelo y en el ensayo de campo mediante
la toma de diversos datos entregados por el equipo, con esto determinaremos la velocidad
optima de rotación, la velocidad de embalamiento y el tipo de rodete (ns).

Objetivos

 Observa y experimentar el funcionamiento real de una turbina hidráulica de

reacción (Francis), a través de sus curvas características, tanto en modelo como en
campo.

Objetivos específicos

 Comprobación de la teoría de las turbinas de reacción (Francis) a través de ensayos

modelo.
- Velocidad de rotación (RPM) optima.
- Velocidad (RPM) de embalamiento.
- Número específico.

 Ensayo de campo
- Curvas características para altura neta y velocidad de rotación constantes.
- Aplicación de las leyes de semejanza en turbinas hidráulicas.

Marco teórico

Las turbinas son máquinas que transforman la potencia hidráulica en potencia mecánica. El
elemento de la turbina que realiza esta transformación se denomina rodete (algunos autores
también le llaman rueda hidráulica). Según el comportamiento de la presión del agua en la
entrada y salida del rodete, las turbias hidráulicas se clasifican en Turbinas de Acción
(Pelton) y de Reacción (Francis y Kaplan).
En las turbinas de Acción (Pelton) la presión e entrada del rodete es igual a la salida del
mismo, por lo tanto, trabajan a la presión atmosférica. De esta forma su grado de reacción
es cero.
En las turbinas de Reacción (Francis y Kaplan) la presión de entrada del rodete es mayor
que a la salida del mismo, por lo tanto, su grado de reacción es mayo que cero.
Los componentes básicos de una turbina de Reacción corresponden a:
- Caracol
- Distribuidor (álabes móviles).
- Rodete (álabes fijos).
- Difusor (salida del agua).

En el siguiente esquema se aprecia el recorrido del agua por los diferentes componentes de
una turbina Francis.

La potencia teórica que desarrolla una turbina hidráulica queda determinada por la ecuación
fundamental de las turbomaquinas (ecuador de Euler), cuya expresión corresponde a:

Nteorico = ρQ(U1 Cu1 − U2 Cu2 )

- Q: Caudal.
- ρ: Densidad del agua.
- U1,2 : Velocidad tangencial del flujo en el rodete (entada y salida).
- Cu1,2 : Velocidad absoluta del agua, proyectada en la línea de acción de U.
En el siguiente cuadro se pueden observar los triángulos de velocidades en el rodete de la
turbina Francis:

Las velocidades tangenciales se determinan con la velocidad de rotación (RPM) del rodete
y los diámetros de entrada (D1) y salida (D2) del mismo. De esta forma se tiene:

U1 = D1 π n⁄60
U2 = D2 π n⁄60

El rendimiento que se obtiene con las turbinas hidráulicas está asociado a las perdidas en el
proceso de transformación de la potencia hidráulica en mecánica. Estas pérdidas, en las
turbinas de reacción (Francis y Kaplan), son de tres tipos: Perdidas hidráulicas,
volumétricas y mecánicas.

De esta forma, teóricamente, el rendimiento global de una turbina (η) corresponderá a:

η = ηh ηv ηm

- ηh : Rendimiento hidráulico
- ηv : Rendimiento Volumétrico
- ηm : Rendimiento Mecánico
En la práctica, el rendimiento global de una turbina (η) queda determinado por:

N N: Potencia mecanica.
Ƞ= NH : Potencia hidráulica.
NH
τ: Torque.
N=τ∗ω ω: Velocidad angular.

N = τ ∗ 2πn ⁄60
PE: Peso específico del liquido
Nh = PE ∗ Q ∗ H Q: Caudal
H: Altura

La altura neta (Hn ) corresponde a las diferencias de energías (potencial, cinética, presión)
entre la entrada (e) y salida (s) de la turbina. De esta forma, la expresión de altura
corresponde a:

Pe −Ps Ce 2 −Cs 2
H n = Ze − Zs + + (m.c.a.)
γ 2g

- Ze − Zs : Diferencia de energías potenciales.

Pe −Ps
- : Diferencia de energías de presión.
γ
Ce 2 −Cs 2
- : Diferencia de energías de velocidad
2g
- 𝛾: Peso específico del agua.

Para el caso del laboratorio de Turbina Francis del Departamento de Mecánica de la

UTEM, las diferencias de energías potenciales se desprecian (pequeñas) y la diferencia de
energías de velocidad es cero (igual diámetro de tuberías entre la entrada y salida de la
turbina). Por lo tanto, la expresión general de la altura neta reducida a:

Ps − Pe
Hn =
γ

De las leyes de semejanza (geométrica, cinemática y dinámica) de las turbinas hidráulicas

se deduce el numero especifico (ns ) de las mismas, resultando la siguiente expresión:

n ∗ √N
ns = n: Velocidad de rotación (RPM).
5
Hn 4 N: Potencia mecánica (CV).
Hn : Altura (metros columna de agua).
Para el caso de las Turbinas Francis, el rango de sus numero específicos corresponde a:

60 < ns < 400

En el siguiente recuadro se observa la clasificación según su número específico:

 Ensayos de modelo y de campo en las turbinas hidráulicas

En los ensayos de modelo reducido se busca determinar la velocidad optima de rotación

(potencia y rendimiento máximo), manteniendo constante la altura neta, para distintas
aberturas del distribuidor de la turbina. En la siguiente imagen se muestran los resultados
de ensayos para una turbina de reacción (Francis). Estos ensayos de modelo son básicos
para el diseño de la turbina, y cumplir así con los valores de potencia y rendimiento, que
garantizan los fabricantes de las mismas, en la imagen se aprecia la potencia mecánica en
función de la velocidad de rotación, para distintas aberturas (xi) del distribuidor, para altura
neta constante.

En los ensayos de campo, lo que se persigue es determinar las curvas características,

rendimiento, potencia y caudal, para distintas posiciones (abertura) del distribuidor, y para
altura neta y velocidad (RPM) constante. En la práctica, este tipo de ensayo se realiza en la
recepción de la turbina, para verificar los valores garantizados por el fabricante de las
mismas, en especial el rendimiento. Luego durante la operación de la turbina, también se
realizan estos ensayos, para hacer un seguimiento de los desgastes de los elementos que
inciden principalmente en la disminución del rendimiento; y determinar el momento
oportuno de los mantenimientos mayores, de manera de optimizar el inventario de
repuestos, mejorando la disponibilidad de los grupos turbina generador. Por otro lado, el
control periódico del rendimiento de una central hidroeléctrica, con más de un grupo
turbina generador, permite realizar el reparto económico de carga, logrando optimizar los
recursos hidráulicos, y por lo tanto una mejor rentabilidad del negocio.

Método seguido

Se comenzó por ver la instalación (banco de Turbina Francis Gunt Hamburg-hm430c) que
se utilizó en la experiencia, junto con el comprender su funcionamiento, para cada ensayo
ya sea de modelo o de campo se tomaron los datos de presión y temperatura del laboratorio,
luego se designó la tarea de cada integrante durante la experiencia, luego antes de encender
el banco se deben realizar algunos trabajos de puesta en marcha como lo son el purgado de
la bomba y difusor, luego reconocer los instrumentos y componentes del banco, para el
ensayo de modelo de dejo la abertura de alabe móvil fija en una posición y se varió el
caudal con el cuidado de no sobrepasar la presión de 2 bar en la entrada, esto para
determinar el n optimo, luego con el n optimo determinado se procedió a desarrollar el
ensayo de campo donde se utilizara durante todo el ensayo el n optimo encontrado en el
ensayo modelo y se repetiría las variante del ensayo anterior manteniendo la revoluciones
fijas.

Datos obtenidos:

En la siguiente tabla se presentan las temperaturas medidas al inicio y final, junto con la
presión atmosférica medida de igual manera al inicio y termino de la experiencia, para los
cálculos se utilizará el promedio entre el inicio y el termino:

- Ensayo modelo:
Inicio Final
Pb (hPa) 945,7 945,8
Tagua (°C) 24,4 25,2

- Ensayo campo:
Inicio Final
Pb (hPa) 945,8 945,5
Tagua (°C) 25,2 26,1
Las siguientes tablas representan los datos medidos durante la experiencia:

-Modelo: se deja fija la posición de los alabes móviles (K=6)

N° P1 (Bar) P2 (Bar) Q (Lt/min) n (RPM) M (Nm) N (w)

1 1,5 -0,14 546 806 7 590,8
2 1,5 -0,13 560 1000 7,1 743,5
3 1,5 -0,03 584 1201 7 880,4
4 1,5 -0,05 588 1400 6,3 923,6
5 1,5 -0,01 557 1600 5,1 854,5
6 1,5 0,04 502 1801 3,3 622,4

-Campo: con el noptimo determinado se varían las posiciones de los alabes móviles y las
RPM se mantienen constantes (1400 RPM), con esto se recopilan los siguientes datos.

N° P1 (Bar) P2 (Bar) Q (Lt/min) n (RPM) M (Nm) K NG (w)

1 1,33 -0,05 824 1400 7,9 10 970
2 1,45 -0,05 802 1400 8,2 9 1000
3 1,46 -0,05 735 1400 7,6 8 920
4 1,5 -0,05 675 1400 7,1 7 900
5 1,5 -0,05 596 1400 6,6 6 790
6 1,5 -0,05 513 1400 5,6 5 640
7 1,5 -0,05 433 1400 4,4 4 480
8 1,5 -0,03 333 1400 3 3 270
9 1,5 -0,01 228 1394 1,5 2 54

Características de los instrumentos utilizados

Característica turbina Francis:

Diámetro exterior Rodete (D1) mm 120

Diámetro interior Rodete (D2) mm 80
Ancho del alabe del rodete (b) mm 10
Alabes del rodete cantidad 15
Distribuidor, alabes directrices cantidad 10
Distribuidor, Angulo de incidencia, ajuste grados 0-23

Características de la bomba:

Caudal Lt/min 900

Altura m 42
Características del freno:

Potencia a 1500 RPM kW 1,5

Gama velocidades RPM 500-2500
Tipo Motor corriente continua

Instrumental:

Manómetro P1 Bar 0-6 Tipo Bourdon

Manómetro P2 Bar ´-1 - +1 Tipo Bourdon
Caudalimetro Lt/min 0-1000 Tipo magnético inductivo
Dinamómetro Newton 0-500 Brazo de palanca 50 mm

Esquema y fotografías de la instalación

 Datos calculados

Mediante los datos tomados en el laboratorio se llega a la siguiente tabla de datos:

-Modelo:
P1 (kg/m2) P2 (kg/m2) Hn (m) Q (m3/seg) Nh (w) eficiencia %
15295,5 -1427,58 16,72308 0,009100 1491,96 39,60
15295,5 -1325,61 16,62111 0,009333 1520,89 48,89
15295,5 -305,91 15,60141 0,009733 1488,76 59,13
15295,5 -509,85 15,80535 0,009800 1518,55 60,82
15295,5 -101,97 15,39747 0,009283 1401,37 60,98
15295,5 407,88 14,88762 0,008367 1221,17 50,97
-Campo:
P1 (kg/m2) P2 (kg/m2) Hn (m) Hnc (m) Qc (Lt/min) N (w) Nc (w)
13562,01 -509,85 14,07186 15,5 864,80 1158,200 1338,92
14785,65 -509,85 15,2955 15,5 807,34 1202,183 1226,37
14887,62 -509,85 15,39747 15,5 737,44 1114,218 1125,37
15295,5 -509,85 15,80535 15,5 668,45 1040,914 1010,90
15295,5 -509,85 15,80535 15,5 590,21 967,611 939,71
15295,5 -509,85 15,80535 15,5 508,02 821,003 797,33
15295,5 -509,85 15,80535 15,5 428,80 645,074 626,47
15295,5 -305,91 15,60141 15,5 331,92 439,823 435,54
15295,5 -101,97 15,39747 15,5 228,76 218,969 221,16
 Curvas características

-Modelo:

N (w) v/s n (RPM)

1000.0
900.0
800.0
700.0
600.0
500.0
400.0
300.0
200.0
100.0
0.0
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

η (%) v/s N (RPM)

100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
700 900 1100 1300 1500 1700 1900

-Según los datos tomados en el laboratorio se determinó que la velocidad optima de

rotación es:
noptimo = 1400 RPM

-Según los datos obtenidos se puede determinar que la velocidad de embalamiento según lo
aprendido en catedra es aproximadamente 1,5 veces la velocidad optima de rotación, por lo
tanto:

nembalamiento = 1,5 ∗ 1400 = 2100 RPM

-También podemos determinar la velocidad de embalamiento gráficamente según los datos
tomados en el laboratorio quedando:

-Determinación del número específico según el ensayo modelo de la turbina Francis. Este
se determina a través de los datos que entregan mejor rendimiento, los cuales son:
-n=1400 RPM.
-Hn= 15,8 m
-N=923,6 W=1,26 CV

n ∗ √N 1400 ∗ √1,26
ns = 5 = 5 = 49,8875
Hn 4 15,84
-Campo:
Q (Lt/min) v/s K
1000.00
900.00
800.00
700.00
600.00
500.00
400.00
300.00
200.00
100.00
0.00
0 2 4 6 8 10 12

N (w) v/s K
1400.000

1200.000

1000.000

800.000

600.000

400.000

200.000

0.000
0 2 4 6 8 10 12
 Hn (m) v/s K
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 2 4 6 8 10 12

-Rendimiento del generador según los resultados del ensayo de campo de la turbina:

NG (w) Nc (w) ηG ηG (%)

970 1338,918 0,724 72,447
1000 1226,373 0,815 81,541
920 1125,366 0,818 81,751
900 1010,896 0,890 89,030
790 939,706 0,841 84,069
640 797,326 0,803 80,268
480 626,471 0,766 76,620
270 435,542 0,620 61,992
54 221,160 0,244 24,417

ηG (%) v/s k
100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
0 2 4 6 8 10 12
 Conclusiones

En esta experiencia en el banco de turbina Francis hemos puesto en práctica lo aprendido

en catedra como lo es el poner a prueba un modelo de turbina y determinar sus valores
óptimos de funcionamiento, luego en el ensayo de campo se determinó en qué posición de
los alabes móviles resultaba la mejor eficiencia de la turbina manteniendo constante la
altura neta y la velocidad de rotación.
Cuando en el ensayo de modelo determinamos la velocidad optima de rotación la cual
obtenida a través de los datos tomado en el laboratorio resulta 1400 RPM, luego
determinamos la velocidad de embalamiento la cual se presenta cuando la potencia
mecánica es igual a cero, esta velocidad obtenida gráficamente de los datos obtenidos
resulto 2070 RPM y al compararla con la forma “teórica” de obtenerla la cual resulta 2100
RPM, por esto podemos decir que la forma teórica es una forma confiable de determinar la
velocidad de embalamiento.
Al momento de determinar las curvas características, estas resultaron como eran esperadas
y como resultan comúnmente, el ns resultante es inconsistente esto se puede deber a algún
error en los caculos.
Respecto a la eficiencia en el ensayo de campo, la mejor eficiencia resulto con los alabes
móviles dispuestos en su posición N° 7.