curvas características de turbina pelton (1)

Universidade Federal de Juiz de ForaFaculdade de Engenharia

Departamento de Engenharia de Produção e MecânicaDisciplina de Laboratório de Sistema Fluido Mecânicos

Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez

Curvas Características de Turbina Pelton

Data do ensaio: 23/10/2014Aluno: Gilson Sebastião BernardoMatrícula: 201071031Data: 30/10/2014

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SUMÁRIO

1 Introdução .................................................. 42 Objetivo ...................................................... 63 Relação do Material .................................. 74 Procedimento ............................................. 95 Tabela de Dados ........................................ 126 Formulário ................................................. 137 Resultados .................................................. 148 Conclusão ................................................... 18

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LISTA DE SÍMBOLOS

Symbol Details Units

P2 Pump Inlet Pressure Pa

P4 Turbine Inlet Pressure Pa

ΔP1 Pressure difference Across the venturi Pa

Cd Coefficient of discharge -

A1 Area at inlet to the venturi m2

A2 Area at the venturi throat m2

Qv Volumetric flow rate m3∗s−1

N Pump speed rad∗s−1

W TH Hydraulic Power at the Turbine W

W TS Turbine Shaft Power W

ηT Efficiency of pump %

D Pump impeller diameter m

H Pump total head Pa or N∗m−2

g Acceleration duo to gravity m∗s−2

μ Viscosity Pa*s

ρ Water density kg∗m3

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1 INTRODUÇÃO

No ensaio de curvas características de turbina Pelton, trabalhamos com uma bomba rotodinâmica, sendo uma máquina hidráulica que esta no grupo de operatrizes, ou seja, transforma energia mecânica em energia de fluido. É uma bomba centrífuga radial, sendo que o fluido move-se do centro à periferia do rotor conforme a (Figura 1) e utilizamos juntamente com a bomba, uma turbina Pelton (Figura 3), que é uma máquina hidráulica que é do grupo de Motrizes, ou seja, transforma a energia de fluido em energia mecânica, sendo que o fluido que entra radialmente nas conchas da turbina Pelton e sai radialmente da turbina e o fluido de trabalho de ambas é à água.

Figura 1: Esquema das partes principais da Bomba.

A bomba possui um impulsor com seis pás, conforme a (Figura 2).

Figura 2: Impulsor com seis pás.

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Sendo que a turbina Pelton (Figura 3), o seu eixo esta conectado em um dinamômetro de turbina.

Figura 3: Turbina Pelton.

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2 OBJETIVO

Determinar as curvas características da turbina Pelton, para diferentes ajustes da válvula de agulha, sendo que à abertura da válvula agulha fique em 100%, 75%, 50% e 25%. Calcular potência de eixo, eficiência da turbina Pelton e altura de carga.

E construir as curvas características da turbina Pelton para cada abertura da válvula de agulha, sendo os gráficos de potência de eixo versus velocidade, eficiência versus velocidade e altura de carga versus velocidade.

Iremos comparar com os dados do software VDAS, veja (Figura 4).

Figura 4: Software VDAS que ligado ao Display, coleta dados de forma instantânea ao experimento.

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3 RELAÇÃO DO MATERIAL

Foi utilizado um equipamento, que é um sistema de TQ MFP 101 (Figura 5), que constitui de bomba centrífuga compacta, reservatório de água, suporte de instrumentos, dinamômetro universal, dinamômetro de turbina, display digital de pressão, medidor tipo Venturi, tubulação com válvula, sistema de aquisição de dados versátil e turbina Pelton (Figura 6).

Figura 5: Equipamento TQ MFP101.


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A bomba rotodinâmica possui as seguintes características na (Tabela 1).

Item DetalhesDimensões Largura: 1800 mm

Altura: 1670 mmProfundidade: 800 mm

Alimentação Elétrica Fornecida a partir do dinamômetro universal.

Diâmetro do Impulsor da Bomba 142 mmVelocidade Máxima da Bomba 2800 rpmTaxa Máxima de Vazão 4 L s−1

Pressão Máxima de Entrega 2.5 bar (nominal)Coeficiente de Descarga do Venturi 0,97Display de presão Peso: 4kg

Alimentação: 100 VCA a 260 VCA; 50 Hz a 60 Hz; 1 A Fusível: F6.3 AΔP1: Transdutor de pressão (diferencial) 2barP2: Entrada simples (medida) 2 barP4: Entrada simples (medida) 6 bar

Tabela 1: Características da bomba rotodinâmica

As características do dinamômetro de turbina (Tabela 2) e turbina Kaplan na (Tabela 3).

Item DetalhesDinamômetro Peso: 7,5 Kg

Altura: 540 mmLargura: 260 mmProfundidade: 110 mm

Absorção Máxima de Potência Aproximadamente 300 WTabela 2: Dinamômetro de Turbina

Dimensões 550 mm x 230 mm x 240 mmPeso Líquido 10 KgAjustes da Válvula Guia 16 voltas (+/-2 oltas)

Tabela 3: Turbina Pelton.

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4 PROCEDIMENTO

Para a realização do experimento, primeiro foi aberta totalmente as duas válvulas, a válvula unidirecional de entrada da bomba girando-a completamente no sentido anti-horário e a válvula de entrega que deve ser aberto até ficar paralela a tubulação e ajustar a válvula de agulha para abertura de 100%, a (Figura 9) é um layout do sistema da bomba e turbina Pelton, já no dinamômetro da turbina (Figura 7), foi desatarraxado o controle de ajuste de torque, de forma que o freio da correia fique solto (nenhum torque), logo após, foi ajustado o controle de velocidade do Dinamômetro Universal ao mínimo (não precisa zerar), no sentido anti-horário, ligar a chave principal do acionador do motor e esperar por no mínimo cinco minutos, para aquecer e estabilizar os instrumentos de medição, em seguida conectar os tubos de medição de pressão no display, que será conectado em ΔP1, P2 e P4, que são respectivamente a variação de pressão no tubo de Venturi, a pressão de entrada da bomba e a pressão de entrada da turbina Kaplan, se precisar podemos pressionar um botão de zerar no display (Press and Hold to zero), para aumentar a precisão dos dados gerados pelos sensores e sendo assim, podemos começar aumentando lentamente a velocidade de rotação da bomba rotodinâmica, até próximo de 2000 rpm, para que a pressão de entrada da turbina Pelton fique em 0,50 bar e sendo assim podemos fazer a sangria, uma linha de drenagem (Bleed Line) nas portas de drenagem (Bleed Port), para drenar o ar acumulado nos tubos de medição de pressão, em ΔP1, P2 e P4.

Feito todo este procedimento, podemos começar a realizar os ensaios, começando por ajustar o torque do dinamômetro da turbina até a turbina obter uma velocidade que seja um múltiplo de 100, conferir se a pressão de entrada ainda é a mesma, ou seja, esteja constante, e reajustando a velocidade da bomba se fosse necessário, e seguindo estes passos e ao mesmo tempo anotando os dados do Display da bomba e da turbina Pelton (Figura 8), foram feitos

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Figura 7: Dinamômetro da Turbina Pelton.


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oito medidas para as quatro diferentes ajustes da válvula de agulha, aberturas em 100%, 75%, 50% e 25%.

Figura 9: Layout do Sistema da Bomba e Turbina Pelton.

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5 TABELA DE DADOS

Com a ajuda do display, foi anotado os seguintes valores para as quatro aberturas da válvula de agulha da turbina Kaplan, que se encontra na (Tabela 4) para à abertura de 100%, (Tabela 5) para à abertura de 75%, (Tabela 6) para à abertura de 50% e (Tabela 7) para á abertura de 25%.

Tabela 4: Abertura de 100%



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6 FORMULÁRIO

QV =Cd∗A1√ 1ρ ( 2∗Δ P1

A12

A22−1 )

Sendo que a densidade da água a temperatura de 20,0 ºC,

ρ=998,23 Kg∗m−3

Sendo a aceleração da gravidade:g=9,81m/ s2

Sendo 1 ¿̄1,0∗105 N /m2

Altura de carga total da turbina Pelton:

H=W TH

ρ∗g∗Q v

Potência hidráulica na turbina Pelton:

W TH=P4∗Qv

Potência Mecânica no eixo:

O Display de velocidade e torque mede este parâmetro a partir do dinamômetro de turbina. È potência disponível no eixo da turbina.

Eficiência da turbina:

ηT=W TS

W TH

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7 RESULTADOS

Feito os cálculos das anotações no software Excel, para cada abertura da válvula de agulha de altura de carga, eficiência da turbina, potência hidráulica na turbina e vazão volumétrica se encontra na (Tabela 7) para a abertura de 100%, (Tabela 8) para a abertura de 75%, (Tabela 9) para a abertura de 50% e (Tabela 10) para a abertura de 25%.

Tabela 7: Resultado para 100% de abertura da válvula de agulha.



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Com estes resultados, é possível gerar os seguintes gráficos de potência versus velocidade (Figura 10), eficiência versus velocidade (Figura 11) e altura de carga versus velocidade (Figura 12), para as quatro aberturas da válvula de agulha.

Figura 10: - Gráfico das quatro aberturas da válvula de agulha para potência versus velocidade.

Figura 11: Gráfico das quatro aberturas da válvula de agulha para Eficiência versus velocidade.

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Figura 12: Gráfico das quatro aberturas da válvula de agulha para altura de carga versus velocidade.

Figura 13: Gráficos VDAS

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8 CONCLUSÃO

Analisando os gráficos da potência versus velocidade, nota-se que para qualquer abertura da válvula de agulha a potência permanece constante ao longo do aumento de velocidade. Já nos gráficos de eficiência, a abertura da válvula de agulha que possui melhor desempenho é a abertura de 50%. Oferecendo uma eficiência de quase 80%.

Já no gráfico de altura de carga, para as quatro aberturas tem-se a mesma altura de carga, ou seja, para qualquer abertura da válvula de agulha, a altura de carga será a mesma, dentro do intervalo de abertura feito, que entre 25% à 100%.

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