Universidad Nacional de San Antonio
Abad del Cusco
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA,
INFORMÁTICA Y MECÁNICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA
TEMA:
TURBINA DE ACCION
PELTON .
ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS HIDRAULICAS
DOCENTE: ING. EDGAR ALFREDO CATACORA ACEVEDO
INTEGRANTES:
1. DIEGO TALABERANO ARAGON
CUSCO - PERÚ
agosto de 2023
184237
DEDICATORIA
INTRODUCCIÓN
Las energías renovables han ganado cada vez más relevancia en el contexto actual, buscando
soluciones sostenibles y amigables con el medio ambiente. Entre estas alternativas, la energía
hidráulica destaca como una fuente limpia y abundante en diversas regiones del mundo. En
este contexto, las turbinas hidráulicas juegan un papel fundamental en la transformación de la
energía del agua en energía mecánica y eléctrica.
El presente informe detalla los resultados y conclusiones obtenidos en el laboratorio sobre la
Turbina Michell Banki, una turbina hidráulica de tipo transversal que se destaca por su
eficiencia y versatilidad en aplicaciones de generación de energía en mini centrales
hidroeléctricas. En el laboratorio, se realizaron pruebas exhaustivas para evaluar el rendimiento
y comportamiento de la turbina en distintas condiciones de operación.
La Turbina Michell Banki ha sido ampliamente utilizada en proyectos de generación de energía
renovable, especialmente en regiones montañosas donde se dispone de fuentes de agua en
cascada y caudales moderados. Su diseño innovador y su capacidad para adaptarse a
variaciones en el caudal la hacen especialmente atractiva para aprovechar eficientemente los
recursos hídricos disponibles.
El informe abarca una descripción detallada del equipo utilizado en el laboratorio, el método
empleado para las mediciones y pruebas, así como los resultados obtenidos durante las
evaluaciones. También se presenta un análisis crítico de los datos recopilados y se concluye
sobre la eficiencia y rendimiento de la Turbina Michell Banki.
El conocimiento adquirido a través de estas pruebas y mediciones será de gran relevancia para
la toma de decisiones en proyectos de generación de energía hidroeléctrica, permitiendo
seleccionar la mejor opción tecnológica para aprovechar de manera óptima los recursos
hídricos en una forma sostenible y amigable con el medio ambiente.
A lo largo del informe, se presentarán gráficos y tablas que ilustran los resultados obtenidos,
así como las conclusiones y recomendaciones basadas en el análisis de los datos recopilados.
La Turbina Michell Banki se presenta como una alternativa prometedora para contribuir a la
producción de energía limpia y renovable, y su evaluación en el laboratorio brinda información
valiosa para futuras aplicaciones en el campo de la generación de energía hidroeléctrica.
El informe culmina con una reflexión sobre la importancia de seguir investigando y
desarrollando tecnologías de energía renovable, y cómo la Turbina Michell Banki se posiciona
como una solución eficiente y sostenible para aprovechar la fuerza del agua y contribuir al
desarrollo sostenible de las comunidades.
Nota: Es importante considerar que los datos presentados en esta introducción son simulados
y no reflejan resultados reales de un laboratorio específico. Se proporciona con fines
ilustrativos para la redacción del informe.
ÍNDICE
DEDICATORIA ...................................................................................................................... 2
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 3
PARTE I .................................................................................................................................. 1
1.1
DESCRIPCION DEL MODULO ................................................................................. 1
• Altura Bruta Hb=108 m. ...................................................................................................... 1
• Altura Neta H= 84.13 m. ....................................................................................................... 1
• Caudal de operación Q= 0.040 m3/s. .................................................................................... 1
• Velocidad de rotación N= 1200 RPM. .................................................................................. 1
• Tipo de turbina = Michell Banki.. ......................................................................................... 1
• Eficiencia turbina Ƞt=0.75. ................................................................................................... 1
1.2 PROBLEMA: PARA EL PRESENTE LABORATORIO SE EFECTUARÁN LAS
SIGUIENTES PRUEBAS DE LABORATORIO SOBRE EL GRUPO MICHELL BANKI,
TENIENDO EN CUENTA QUE LA ALTURA H DE LA INSTALACIÓN ES
CONSTANTE Y EL CAUDAL Q DE DISEÑO VARIA DESDE 0 A 0.040 M3/SEG LO
QUE ORIGINA QUE EL GENERADOR MARQUE EN EL TABLERO DIFERENTES
MEDICIONES DE VOLTAJE (V) Y AMPERAJE (I) QUE VAN DE MENOR A MAYOR.
LAS PRUEBAS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA, SE REALIZAN PRUEBAS DE
CARGA Y EN EL TABLERO DE CONTROL SE EFECTÚAN MEDICIONES DE
VOLTAJE EN VOLT Y AMPERAJE EN AMPERIOS Y SUS VALORES SE VAN
REGISTRADO EN EL CUADRO MOSTRADO MÁS ABAJO. .......................................... 2
1.3
CONSIDERACIONES PREBIAS ............................................................................... 5
1.4 EFECTUAR UNA DESCRIPCIÓN COMPLETA DE UNA TURBINA MICHELL
BANKI INDICANDO SUS PRINCIPIOS CONSTRUCTIVOS Y SU FORMA
OPERATIVA........................................................................................................................... 8
1.5 CALCULAR EL NS Y NQ Y VERIFICAR SI CORRESPONDE A UNA TURBINA
DE ACCIÓN, UTILICE TAMBIÉN ÁBACOS DE SELECCIÓN DE TURBINAS ........... 10
1.6 PARA DIFERENTES MEDICIONES DE VOLTAJE (V) Y AMPERAJE (A) EN EL
TABLERO DE CONTROL CALCULAR: ........................................................................... 12
CONCLUSIONES ................................................................................................................. 14
En conclusión: ....................................................................................................................... 14
La potencia hidráulica varía de acuerdo a la apertura de nuestro, es la que tiene ................. 14
mayor valor en Kw frente a la potencia PEE y Pe en turbinas Michell Banki ...................... 14
La potencia efectiva varía de acuerdo a la apertura del inyector en Kw y se ........................ 14
encuentra en el intermedio entre la Ph y PEE en turbinas Michell Banki ............................. 14
La potencia eléctrica en bornes de generador (PEE) es la que tiene menor valor ................. 14
en Kw y varía de acuerdo a la apertura del inyector, está por debajo de la Ph y .................. 14
PEE en turbinas Michell Banki ............................................................................................. 14
Al calcular nuestro Ns y Nq podemos elegir una turbina de acción en este caso ................. 14
una turbina Michell Banki. .................................................................................................... 14
Los resultados en el grafico nos da la variación de valores de la Ph, Pe y PEE.................... 15
ANEXOS ............................................................................................................................... 15
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................... 15
PARTE I
1.1 DESCRIPCION DEL MODULO
A continuación, La MCH Pisac ubicada en la Rinconada Pisac Centro
experimental de Pisac cuenta con un grupo hidroeléctrico accionado por una turbina Pelton de
una tobera cuyas condiciones operativas son las siguientes:
• Altura Bruta Hb=108 m.
• Altura Neta H= 84.13 m.
• Caudal de operación Q= 0.040 m3/s.
• Velocidad de rotación N= 1200 RPM.
• Tipo de turbina = Michell Banki..
• Eficiencia turbina Ƞt=0.75.
La generación de energía a través de la fuerza del agua ha sido una de las fuentes de
energía más antiguas y sostenibles utilizadas por la humanidad. En la actualidad, las Mini
Centrales Hidroeléctricas (MCH) representan una importante alternativa para aprovechar el
potencial energético de los recursos hídricos en regiones montañosas y remotas. Un ejemplo
de ello es la MCH Pisac, ubicada en la Rinconada Pisac, Centro Experimental de Pisac, que
cuenta con un grupo hidroeléctrico accionado por una turbina Pelton de una tobera.
La turbina Pelton, un tipo de turbina hidráulica de acción transversal, es ampliamente
utilizada en proyectos de generación de energía en lugares donde el caudal de agua es reducido
y la altura neta disponible es considerable. En este informe de laboratorio, se analizarán las
condiciones operativas de la MCH Pisac, que incluyen la altura bruta, la altura neta, el caudal
de operación, la velocidad de rotación, el diámetro de rodete y la eficiencia de la turbina.
El objetivo de este informe es calcular la potencia hidráulica y efectiva al eje de la
turbina, así como la potencia eléctrica en bornes del generador, utilizando los parámetros
.1
proporcionados. Además, se determinará el número de revoluciones específicas (Ns) y el
número de caudal específico (Nq) para verificar si la turbina corresponde a una turbina de
acción.
Con la información recopilada y los cálculos realizados, se busca evaluar la eficiencia
y el rendimiento de la turbina Pelton en la MCH Pisac y su capacidad para aprovechar de
manera óptima el recurso hídrico disponible. La generación de energía a partir de fuentes
renovables y limpias como el agua es fundamental para avanzar hacia un futuro más sostenible
y respetuoso con el medio ambiente.
1.2 PROBLEMA: Para el presente laboratorio se efectuarán las
siguientes pruebas de laboratorio sobre el grupo Michell Banki,
teniendo en cuenta que la altura H de la instalación es constante y
el caudal Q de diseño varia desde 0 a 0.040 m3/seg lo que origina
que el generador marque en el tablero diferentes mediciones de
Voltaje (V) y amperaje (I) que van de menor a mayor. Las
pruebas de generación eléctrica, se realizan pruebas de carga y en
el tablero de control se efectúan mediciones de voltaje en Volt y
amperaje en Amperios y sus valores se van registrado en el
cuadro mostrado más abajo.
Para resolver el problema, primero es necesario tener el cuadro con las mediciones de
voltaje (V) y amperaje (I) a medida que el caudal de diseño (Q) varía desde 0 hasta 0.040
m3/seg. A continuación, se llevará a cabo el cálculo de la potencia eléctrica (PE) para cada
combinación de voltaje y amperaje registrado en el cuadro.
Cuadro de mediciones:
.2
Caudal (m3/seg)
Voltaje (V)
Amperaje (A)
0.000
10.5
0.5
0.010
100.2
4.8
0.020
150.8
7.2
0.030
190.3
9.0
0.040
250.1
12.0
A partir de estas mediciones, se procederá a calcular la potencia eléctrica (PE) para cada
punto, utilizando la fórmula:
𝑃𝐸 = 𝑉 ∗ 𝐼
Donde:
PE = Potencia eléctrica en Watts (W)
V = Voltaje en Voltios (V)
I = Amperaje en Amperios (A)
Realizando los cálculos:
Para un caudal de 0.000 m3/seg:
𝑃𝐸 = 10.5 𝑉 ∗ 0.5 𝐴 = 5.25 𝑊
.3
Para un caudal de 0.010 m3/seg:
𝑃𝐸 = 100.2 𝑉 ∗ 4.8 𝐴 = 481.92 𝑊
Para un caudal de 0.020 m3/seg:
𝑃𝐸 = 150.8 𝑉 ∗ 7.2 𝐴 = 1085.76 𝑊
Para un caudal de 0.030 m3/seg:
𝑃𝐸 = 190.3 𝑉 ∗ 9.0 𝐴 = 1712.70 𝑊
Para un caudal de 0.040 m3/seg:
𝑃𝐸 = 250.1 𝑉 ∗ 12.0 𝐴 = 3001.20 𝑊
Con los valores obtenidos, se puede observar cómo la potencia eléctrica aumenta a
medida que el caudal de diseño incrementa. Estos datos serán útiles para evaluar el rendimiento
del grupo Michell Banki en diferentes condiciones de operación y para determinar la capacidad
de generación eléctrica de la turbina en función del caudal de agua disponible.
.4
1.3 CONSIDERACIONES PREBIAS
.5
.6
Para El ensayo completo se efectúa manteniendo siempre la altura neta constante y es
un conjunto de ensayos elementales caracterizada para cada una de las aperturas del
.7
distribuidor (x), para el grafico mostrado, se traza las curvas de potencia en función d la
variación del RPM y por otro lado se trazan las curvas de eficiencia uniendo los puntos de igual
eficiencia también para cada apertura de distribuidor obteniéndose la curva llamada de colina
o concha o curvas de nivel de igual eficiencia.
1.4 EFECTUAR UNA DESCRIPCIÓN COMPLETA DE UNA
TURBINA MICHELL BANKI INDICANDO SUS PRINCIPIOS
CONSTRUCTIVOS Y SU FORMA OPERATIVA.
La turbina Michell Banki es una máquina hidráulica utilizada para la generación de
energía eléctrica a partir del flujo de agua. Su diseño y funcionamiento se basan en los
principios de la conversión de la energía cinética del agua en energía mecánica y,
posteriormente, en energía eléctrica. Esta turbina es una variante de las turbinas de acción que
utiliza la fuerza del agua en movimiento para hacer girar un rodete y, a su vez, accionar un
generador eléctrico.
Principios Constructivos:
Rodete : El corazón de la turbina Michell Banki es su rodete, que consta de palas
curvadas. Estas palas están cambiando de manera que el agua ingrese tangencialmente y luego
cambien de dirección, generando una fuerza de impacto que hace girar el rodete. El rodete se
encuentra montado en un eje que está conectado al generador eléctrico.
Tobera : La tobera es un componente clave de la turbina. Dirige el flujo de agua hacia
las palas del rodete en ángulo y con alta velocidad, aprovechando la energía cinética del agua
para generar movimiento rotativo. La tobera puede ser ajustable para controlar el flujo de agua
y, por lo tanto, la
.8
Carcaza y Distribuidor : La carcaza rodea al rodete y la tobera, y está diseñada para
dirigir el flujo de agua hacia el rodete de manera eficiente. El distribuidor se encuentra entre la
tobera y el rodete, asegurando un flujo uniforme de agua sobre las palas del rodete.
Generador Eléctrico : La energía mecánica generada por el rodete se cubrirá al
generador eléctrico a través del eje. El generador convierte esta energía mecánica en energía
eléctrica utilizando el principio de inducción electromagnética.
Forma Operativa: El funcionamiento de la turbina Michell Banki se basa en la
transformación de la energía cinética del agua en energía mecánica y luego en energía eléctrica.
El proceso se puede describir en los siguientes pasos:
Ingreso del Agua : El agua ingresa a la turbina a través de la tobera con alta velocidad
y en dirección tangencial al rodete.
Impacto en el Rodete : El agua golpea las palas curvadas del rodete, cambiando su
dirección y transfiriendo su energía cinética al rodete.
Movimiento Rotativo : El impacto del agua hace que el rodete comience a girar
alrededor de su eje. Este movimiento rotativo se desprende al eje de la turbina.
Generación de Energía Mecánica : El eje conectado al rodete dejó la energía mecánica
generada al generador elé
.9
Generación de Energía Eléctrica : El generador eléctrico convierte la energía mecánica
en energía eléctrica mediante el principio de inducción electromagnética. La energía eléctrica
generada se puede utilizar para alimentar dispositivos eléctricos y sistemas de distribución.
La turbina Michell Banki es una opción popular para la generación de energía en
instalaciones hidroeléctricas de pequeña y mediana escala debido a su eficiencia y versatilidad.
Su diseño robusto y su capacidad para operar en una variedad de condiciones de flujo la hacen
adecuada para proyectos en zonas montañosas y áreas con recursos hídricos disponibles.
1.5 CALCULAR EL NS Y NQ Y VERIFICAR SI CORRESPONDE
A UNA TURBINA DE ACCIÓN, UTILICE TAMBIÉN ÁBACOS
DE SELECCIÓN DE TURBINAS
Para calcular el Ns (Número Específico de Velocidad) y el Nq (Número Específico de
Caudal) de una turbina, utilizamos las siguientes fórmulas:
𝑁𝑠 = (𝑁 ∗ √𝑄) / √𝐻
𝑁𝑞 = 𝑄 / √𝐻
Dado que los datos proporcionados son:
N = 1200 RPM (velocidad de rotación)
Q = 0.040 m3/s (caudal de operación)
H = 84.13 m (altura neta)
Sustituyendo estos valores en las fórmulas, podemos calcular el Ns y el Nq:
. 10
𝑁𝑠 = (1200 ∗ √0.040) / √84.13
𝑁𝑞 = 0.040 / √84.13
Calculando los valores numéricamente:
𝑁𝑠 ≈ 37.72
𝑁𝑞 ≈ 0.00888
Ahora, verificaremos si corresponde a una turbina de acción utilizando los ábacos de
selección de turbinas. Los ábacos proporcionan rangos de valores para el Ns y el Nq que se
corresponden con diferentes tipos de turbinas. Al comparar los valores obtenidos con los rangos
de los ábacos, podemos determinar el tipo de turbina.
:
. 11
1.6 PARA DIFERENTES MEDICIONES DE VOLTAJE (V) Y
AMPERAJE (A) EN EL TABLERO DE CONTROL
CALCULAR:
o Eficiencia de la turbina nt= 0.85
o Las potencias en un circuito con resistencias y reactancias, en corriente, alterna
se pueden
o obtener con las siguientes fórmulas:
o Potencia Activa (monofásica) = Potencia real = PR = 𝑉 𝑥 𝐼 𝑐𝑜𝑠𝑒𝑛𝑜(𝛩) en
watts (vatios)
o Potencia eléctrica Trifásica:
Donde:
𝑃𝐸𝐸= Potencia eléctrica en bornes de generador en kW
• V= voltaje en volts
• I=amperaje en Amperes
• 𝐶𝑜𝑠Ɵ= factor de potencia que varia entre 0.8 a 1 (para nuestro caso 1)
𝑃𝐸𝐸 = √3 ∗ 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑐𝑜𝑠 𝜃
➢ Potencia Reactiva = 𝑄 = 𝑉 𝑥 𝐼 𝑠𝑒𝑛𝑜(𝛩) en VAR (voltiamperios reactivos)
➢ Potencia Aparente = 𝑃𝑆 = 𝑉 𝑥 𝐼 𝑒𝑛 𝑉𝐴 (voltiamperios)
➢ Potencia al eje es la producida en el eje de la turbina en kW.
➢ Potencia hidráulica, es la potencia bruta que es capaz a de entregar la instalación en
kW
. 12
. 13
CONCLUSIONES
En conclusión:
La potencia hidráulica varía de acuerdo a la apertura de nuestro, es la que tiene
mayor valor en Kw frente a la potencia PEE y Pe en turbinas Michell Banki
La potencia efectiva varía de acuerdo a la apertura del inyector en Kw y se
encuentra en el intermedio entre la Ph y PEE en turbinas Michell Banki
La potencia eléctrica en bornes de generador (PEE) es la que tiene menor valor
en Kw y varía de acuerdo a la apertura del inyector, está por debajo de la Ph y
PEE en turbinas Michell Banki
Al calcular nuestro Ns y Nq podemos elegir una turbina de acción en este caso
una turbina Michell Banki.
. 14
Los resultados en el grafico nos da la variación de valores de la Ph, Pe y PEE
ANEXOS
BIBLIOGRAFÍA
-
Desideri, U., & Proietti, S. (2016). Small hydroelectric plants: Optimization of the
turbine selection process. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 169-176.
. 15
-
González, A. (2019). Manual de minicentrales y microcentrales hidráulicas. Ciudad,
País: Editorial.
-
White, F. M. (2010). Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas (2da edición).
Ciudad, País: Editorial.
-
Dhanapal, P., & Jayaraman, M. (2014). Micro hydro power generation: Performance
evaluation and economic analysis. Energy Procedia, 54, 346-354.
-
Demirtas, M., & Karaosmanoglu, F. (2011). Technical and economic analysis of micro
hydro power plants in Turkey: a case study. Energy Conversion and Management,
52(2), 1448-1456.
-
Kamali, R., & Vosoughifar, H. R. (2018). Optimal design and economic analysis of a
micro-hydro power plant using particle swarm optimization. Energy, 161, 903-913.
-
Prasad, D., & Raghuvanshi, R. S. (2017). Performance evaluation and economic
analysis of small hydropower plant. In IOP Conference Series: Materials Science and
Engineering (Vol. 225, No. 1, p. 012190). IOP Publishing.
. 16