2. Objetivo general del proyecto.

Determinar la potencia disponible, aprovechada y la eficiencia de las turbinas: Pelton, Francis y Kaplan para la
obtención de las curvas características mediante la recopilación de datos al variar el caudal y el tirante con las
diferentes aperturas de la válvula de control.

3. Material y Equipo.

Figura 1. Figura 2.

Banco de pruebas de turbina Pelton, con sus Banco de pruebas de turbina Francis, con sus
respectivos sistemas de medición. respectivos sistemas de medición.

Figura .

Banco de pruebas de turbina Kaplan, con sus

respectivos sistemas de medición.
 Figura 4. Figura 5.
• Cronometro. Masas.
• Escuadra.
• Tacómetro Digital o medidor de rpm.
• Cinta métrica.

4. Introducción.

Una máquina es un transformador de energía ya que absorbe la energía y la res restituye en otro tipo de
energía. Las máquinas se clasifican en grupos: máquinas de fluido, máquinas herramientas, Máquinas eléctricas,
etc.

Las maquinas de fluidos son aquellas máquinas en el que el fluido proporciona la energía que absorbe la
máquina o bien son aquellas en las que el fluido es el receptor de energía al que la máquina restituye la energía
mecánica absorbida. Las máquinas de fluidos se clasifican en máquinas, hidráulicas y máquinas térmicas.

Una máquina hidráulica es aquella en que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente su
densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual el diseño y estudio de la misma se hace con la hipótesis
de qué la densidad es constante.

Para clasificar las máquinas hidráulicas, se atiende al órgano principal de la máquina, o sea el que intercambia
la energía mecánica en energía de fluido o viceversa. Una turbina hidráulica es una turbomaquina motora
hidráulica, que aprovecha la energía de 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 eléctrico que transforma
la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.

Elementos constitutivos:

• Canal de llegada o tubería forzada: Corresponde a la tubería de impulsión de una bomba. Al final de la
tubería se instala una válvula y detrás de la válvula esta la entrada de la tubería.

• Caja espiral: Transforma presión en velocidad.

• Distribuidor: Corresponde a la corona directriz en una bomba, en una turbina transforma presión en
velocidad y actúa como tobera.

• Rodete: Su flujo del rodete es hacia el interior.

 • Tubo de aspiración: es el órgano de desagüe pero se llama tubo de aspiración porque crea una aspiración
o depresión a la salida del rodete. Las turbinas de acción carecen de tubo de aspiración, en ellas el agua
sale del rodete directamente al canal de salida.

Clasificación y tipos actuales.

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 sí 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.
 Es un elemento esencial de las centrales hidroeléctricas y muestra un rendimiento altísimo: se estima que
las turbinas son capaces de convertir más del 90 % de la energía cinética del agua que captan en energía
mecánica. Una turbina hidroeléctrica está formada por una parte fija, llamada estator, y por la rueda o rotor. El
primero sirve para dirigir y regular el caudal de agua y el segundo transfiere la energía cinética del agua al eje en
el que está montado.

Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora,
de flujo tangencial (transversal), admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de
cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua
que incide sobre las cucharas.

Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales
hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, en su mayoría, con una larga tubería llamada galería de
presión para transportar el fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de 1500 metros. Al final de la
galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas
inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.

Ventajas de las Turbinas Pelton:

• Eficiencia en Altas Caídas: Son altamente eficientes en lugares con altas caídas de agua, aprovechando
la energía potencial gravitatoria.

• Adaptabilidad a Caudales Variables: Funcionan bien con caudales variables, permitiendo un rendimiento
estable incluso cuando el flujo de agua fluctúa.

• Bajo Impacto Ambiental: Comparadas con algunas otras formas de generación de energía, las turbinas
Pelton tienden a tener un bajo impacto ambiental, ya que no generan emisiones contaminantes.

• Durabilidad y Bajo Mantenimiento: Suelen ser duraderas y requieren un mantenimiento relativamente bajo,
lo que contribuye a una operación más económica a largo plazo.

Desventajas de las Turbinas Pelton:

• Limitación en Bajas Caídas: No son eficientes en lugares con bajas caídas de agua, ya que necesitan una
cantidad significativa de energía cinética para funcionar eficazmente.

• Tamaño y Costo Inicial: En comparación con otras tecnologías, las turbinas Pelton pueden ser grandes y
costosas de instalar inicialmente.

• Sensibles a Variaciones en el Caudal: Pueden experimentar disminuciones de eficiencia si el caudal de

agua varía considerablemente, lo que puede ocurrir en ciertos entornos.

• Requieren una Infraestructura Hidráulica Compleja: La instalación de una turbina Pelton puede requerir
una infraestructura hidráulica compleja para garantizar un flujo de agua constante y eficiente.
La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomáquina motora a reacción y de
flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y
caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de
metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea la más ampliamente usada en el
mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.

Ventajas de las Turbinas Francis:

• Versatilidad en Caídas de Agua: Funcionan bien en una amplia gama de caídas de agua, lo que las hace
adecuadas para distintos entornos hidroeléctricos.

• Eficiencia en Caudales Variables: Mantienen una eficiencia relativamente alta incluso con variaciones en
el caudal de agua, lo que las hace flexibles en la gestión de flujos.

• Amplio Rango de Potencia: Las turbinas Francis son capaces de generar una amplia gama de potencias
eléctricas, desde pequeñas instalaciones hasta grandes centrales hidroeléctricas.

• Menor Impacto Ambiental que Alternativas Térmicas: En comparación con las centrales térmicas, las
turbinas Francis suelen tener un menor impacto ambiental y no generan emisiones de gases de efecto
invernadero durante la operación.

• Su diseño es robusto, con lo que se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con
respecto a otras turbinas.
 • Sus pequeñas dimensiones, con lo que la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones físicas,
permiten altas velocidades de giro.
• Gracias a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos
mantenimiento.

Desventajas de las Turbinas Francis:

• Sensibles a Variaciones en el Caudal: Al igual que las turbinas Pelton, pueden experimentar disminuciones
de eficiencia si el caudal de agua varía considerablemente.

• Necesitan Infraestructura Hidráulica Compleja: Requieren una infraestructura hidráulica compleja para
garantizar un flujo constante y eficiente de agua.

• Costo Inicial y Mantenimiento: La instalación inicial puede ser costosa, y el mantenimiento periódico
también puede requerir inversiones considerables.

• Impacto Ambiental Local: Aunque su impacto ambiental es menor que el de algunas alternativas, todavía
pueden afectar los ecosistemas locales y la fauna acuática.

• Su diseño no está recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos
de la turbina.
• Hay que controlar el comportamiento de la cavitación.
Las turbinas Kaplan son unas de las más eficientes turbinas de agua de reacción de flujo axial, con un rodete
que funciona de manera semejante a la hélice del motor de un barco

Se emplean en saltos de pequeña altura y grandes caudales. Las amplias palas o álabes de la turbina son
impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta.

Los álabes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una hélice, mientras que
los álabes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos son regulables, se dice que la turbina es
una turbina Kaplan verdadera; si solo son regulables los álabes del rodete, se dice que la turbina es una turbina
Semi-Kaplan. Las turbinas Kaplan son de admisión axial, mientras que las semi-Kaplan puede ser de admisión
radial o axial.

Para su regulación, los álabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas manijas, que son
solidarias a unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del
eje hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor hidráulico, con la turbina en
movimiento.

Ventajas de las Turbinas Kaplan:

Adaptabilidad a Caudales Variables: Son altamente eficientes en una amplia gama de caudales, lo que las hace
adecuadas para sitios con variaciones significativas en el flujo de agua.

Eficiencia en Bajas Caídas: Funcionan bien en lugares con bajas caídas de agua, ofreciendo rendimiento incluso
en condiciones donde otras turbinas podrían no ser tan eficientes.

Compactas y Livianas: Las turbinas Kaplan tienden a ser más compactas y livianas en comparación con algunas
otras turbinas hidroeléctricas, facilitando su instalación en espacios limitados.

Mayor Control de la Potencia: Pueden ajustar más fácilmente su potencia de salida mediante la regulación de las
palas de la turbina, permitiendo un control más preciso en respuesta a la demanda de energía.

Desventajas de las Turbinas Kaplan:

Mayor Complejidad Mecánica: Su diseño más complejo puede aumentar la necesidad de mantenimiento y
reparaciones, lo que podría incrementar los costos operativos.

Sensibles a Sedimentos y Obstrucciones: Las turbinas Kaplan pueden ser sensibles a la acumulación de
sedimentos y obstrucciones en las palas, lo que podría afectar su rendimiento.

Costo Inicial: Aunque suelen ser más compactas, la instalación inicial de turbinas Kaplan puede ser costosa,
especialmente en comparación con turbinas de flujo libre como las Pelton.

Impacto Ambiental en Ecosistemas Acuáticos: Como cualquier instalación hidroeléctrica, las turbinas Kaplan
pueden tener impactos ambientales en los ecosistemas acuáticos locales.
Modelos matemáticos a utilizar en la presente practica.

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑜 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 = 𝜌 𝑔 𝐻 𝑄 = 𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − (−𝑠𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛)

𝑄; = 𝐶𝑑 =2 𝑔 ℎ?

𝑣 A BCD = 𝐶𝑣 =2 𝑔 ℎ

𝜂D = (𝜂F ) (𝜂G ) (𝜂H )

𝑃I
𝜂D =
𝑃J
𝜋 O
𝐴L = (𝐷 )
4

𝑃𝑎𝑟 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑇 = 𝐹 𝑑 = 𝑚 𝑔 𝑑

𝑄𝜌𝐻
𝑃T = 𝜂DWD
75

𝜌𝑔𝐻𝑄
𝑃XJL =
𝜂D

𝑃= 𝜌𝑔ℎ

𝑃IYYZWGTHZCGDW = 𝑃T[\WFCY]T^T = 𝑇 𝜔

1 𝑓𝑡 𝑚 𝑎 = 0.3048 𝑚𝑐𝑎

𝐾𝑔
1 = 10 𝑚𝑐𝑎
𝑐𝑚O

𝑓𝑡 g 𝑚g
1 = 0.000472
𝑚𝑖𝑛 𝑠

𝑉 𝜋 ∆𝐷O ℎ
𝑄= = = 𝐴𝑣
𝑡 4𝑡

2 𝜋 𝑟𝑎𝑑
1 𝑅𝑃𝑀 =
60 𝑠
 5. Análisis.

1._ Una masa de agua es succionada del depósito o fuente y transportada a través de la tubería de succión por
una presión negativa o vacuométrica que provoca una succión del líquido hacia el interior de la turbina con un
distribuidor o inyector donde se transforma parte de la energía de presión en energía cinética o en velocidad,
dentro de la caja espiral o carcasa transforma la presión en velocidad, así como el distribuidor o inyector. El
distribuidor de alabes orientables o la válvula sirven también para reducir el caudal cuando la carga disminuye. El
rodete absorbe este caudal y esta energía o velocidad mediante el impacto del chorro con las paletas de la turbina
haciendo que gire, convirtiendo la energía hidráulica en energía mecánica. Posteriormente, esta energía mecánica
se transmite a un generador que la convierte en energía eléctrica, el agua luego se libera de la turbina por la
tubería de descarga y se retorna a su curso natural, cerrando ciclo.

._ Datos Principales.

Temperatura del fluido • 22 C

Densidad a 22 C • 997.86
 Turbina Pelton.

n = 700 rpm = 73.304 rad / s

Brazo = 25.5 cm = 0.255 m
Vertedero triangular

Apertura Vena contracta Masa Salto Q

(Vueltas) (cm) (kg) Ft c a m3 / s

0 0 0 160 = 48.768 mca 0

1 5.1 = 0.051 m 1.5 160 = 48.768 mca 2.60 x 10-3

2 6.9 = 0.069 m 3.25 158 = 48.1584 mca 5.54 x 10-3

3 7.8 = 0.078 m 5.51 155 = 47.244 mca 7.53 x 10-3

4 8.5 = 0.085 m 6.1 152 = 46.3296 mca 9.33 x 10-3

5 9 = 0.09 m 7.4 150 = 45.72 mca 0.011

Apertura Par motor T Potencia Potencia de Eficiencia

(Vueltas) Nm Disponible Aprovechada Total
W W
0 0 0 0 0
1 3.75 1242.17 274.89 0.22
2 8.13 2611.68 595.96 0.22
3 13.78 3482.413 1010.13 0.30
4 15.26 4231.35 1118.62 0.26
5 18.51 4923.088 1356.85 0.27
 Turbina Francis.

n = 700 rpm = 73.304 rad / s

Brazo = 5.5 cm = 0.055m
Vertedero triangular

Apertura Masa Tirante Q

2
(Vueltas) (kg) Kg / cm m3 / s

0 0 1.75 = 17.5 mca 0

1 1.9 1.35 = 13.5 mca 3.25 ft3 / min = 1.1534 x 10-3

2 2 1.3 = 13 mca 3.5 ft3 / min = 1.652 x 10-3

3 2.35 1.15 = 11.5 mca 4.2 ft3 / min = 1.98 x 10-3

4 2.6 1 = 10 mca 5 ft3 / min = 2.36 x 10-3

5 2.5 0.9 = 9 mca 5.8 ft3 / min = 2.737 x 10-3

Apertura Par motor T Potencia Potencia de Eficiencia

(Vueltas) Nm Disponible Aprovechada Total
W W
0 0 0 0 0
1 1.025 152.42 75.1366 0.5
2 1.08 210.23 73.16 0.348
3 1.28 222.9 93.83 0.44
4 1.4 231.02 102.62 0.44
5 1.35 241.13 98.96 0.41
 Turbina Kaplan.

n = 700 rpm = 73.304 rad / s

Brazo = 15 cm = 0.15 m
Vertedero triangular

𝑄 = 𝐴𝑣 = 10.746 𝑋 m.?mgn
X = mm

Grados de Masa Tirante X Q

2
Abertura (kg) Kg / cm mm Lt / s

Cerrada 0 0.825 = 8.25 mca 0 0

10 10 0.699 = 6.99 mca 60 84.50

20 15 0.556 = 5.56 mca 70 91.332

30 20 0.550 = 5.5 mca 75 94.56

40 21 0.550 = 5.5 mca 80 97.68

50 20.5 0.550 = 5.5 mca 90 103.66

Apertura Par motor T Potencia Potencia de Eficiencia

(Vueltas) Nm Disponible Aprovechada Total
W W
0 0 0 0 0
1 14.715 5781.9 1078.66 0.19
2 22.07 4970.9 1617.82 0.32
3 29.43 5091 2157.33 0.42
4 30.9 5259 2265.1 0.43
5 30.16 5581 2210.85 0.39
 6. Conclusiones.

Con base a los resultados obtenidos tras la elaboración de la presente practica se puede concluir que las
eficiencias de la turbina Pelton, Francis y Kaplan son muy bajas, son hasta mas de 2 veces mas bajas que las
teóricas puesto que se trata de un equipo e instalaciones muy vetusto, por otra parte se tienen perdidas en el
accionamiento de válvulas, hermeticidad, así́ como bajas eficiencias mecánicas, error de paralelaje, perdidas en
las tuberías, perdidas en los mecanismos, también se podría observar como una de las turbinas presentaba
cavitación.

En conclusión, las turbinas Pelton son ideales para altas caídas de agua, ya que utilizan chorros de alta
velocidad para hacer girar las palas. Las turbinas Francis son versátiles y se adaptan a una variedad de
condiciones, siendo efectivas en caídas de agua moderadas. Por otro lado, las turbinas Kaplan son eficientes en
caídas de agua bajas y son ajustables, lo que las hace adecuadas para variaciones en el flujo de agua. Cada tipo
de turbina se elige según las condiciones específicas del sitio hidroeléctrico.

7. Comentarios.

8. Referencias.

Mataix, C. (1986). Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. España: Ediciones del Castillo S. A.

Mott, R.L. y Untener, J.A. (2015) Mecánica de fluidos. México: Pearson.