Curso Turbomáquinas I 2015-1 SGCH (semanas 1 y 2).pdf

8/16/2019 Curso Turbomáquinas I 2015-1 SGCH (semanas 1 y 2).pdf

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

TURBOMAQUINAS I

Dr. Salome Gonzáles Chávez

UNI-FIM 2015

TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS


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UNI-FIM Dr. Salome Gonzáles Chávez TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS: TURBOMAQUINAS I

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

SILABO P.A. 2015

1. INFORMACION GENERAL

Nombre del curso : TURBOMAQUINAS ICódigo del curso : MN232Especialidad : M3, M4Condición : OBLIGATORIO

Ciclo de estudios : 7º Y 8 ºPre-requisitos : MN217Número de créditos : 04Total de horas semestrales: 84Total de horas por semana: 06

Teoría : 04Práctica : 02

Duración : 17 SEMANASSistema de evaluación : FSubsistema de evaluación: DProfesor de teoría y práctica: DR. SALOME GONZALES CHAVEZ

2. SUMILLAIntroducción. Cinemática del flujo en las turbomáquinas. Criterios de semejanzaen turbomáquinas. Transferencia de energía en las turbomáquinas. Rotores deflujo radial. Rotores de flujo axial. Elementos estáticos. Degradación de energíaen turbomáquinas. Curvas características de las turbomáquinas. Cavitación enturbomáquinas.

3. OBJETIVO

El estudiante al finalizar el curso debe conocer las bases conceptuales ytecnológicas de la teoría generalizada de las turbomáquinas, eficiencias y curvascaracterísticas de las turbomáquinas y, el fenómeno de cavitación en bombas yturbinas hidráulicas.

4. PROGRAMA

SEMANA N°1.

INTRODUCCION.- Generalidades. Conformación y elementos de laturbomáquinasClasificación de las turbomáquinas. Principio de funcionamiento


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SEMANA N°2.CINEMATICA DEL FLUJO EN LAS TURBOMAQUINAS. Nomenclatura ygeometría de los elementos del rotor y estator. Diagrama de velocidades ensistemas de alabes radiales y axiales.

SEMANA N°3.

CINEMATICA DEL FLUJO EN LAS TURBOMAQUINAS. Análisis dimensional yparámetros característicos en turbomáquinas. Números específicos derevoluciones Nq y Ns.

SEMANA N°4.

TRANSFERENCIA DE ENERGIA EN LAS TURBOMAQUINAS Análisis aero –termodinámico del fluido de una etapa de una turbomáquina.Ecuación de Euler de las turbomáquinas.

SEMANA N°5.

TRANSFERENCIA DE ENERGIA EN LAS TURBOMAQUINAS. Ecuación de flujode una turbomáquina. Altura estática y grado de reacción.

SEMANA N°6.

ROTORES DE FLUJO RADIAL. Grado de Reacción y disposición de sistemasde álabes radiales. Influencia del número finito de álabes, efecto deresbalamiento. Número óptimo de álabes

SEMANA N°7.

ROTORES DE FLUJO RADIAL. Efecto del espesor de álabe en la cinemática ytransferencia de energía en el rotor. Cálculo y diseño de rotores radiales.Ejemplos de caso en bombas, ventiladores y turbinas hidráulicas

SEMANA N°8.

EXAMEN PARCIAL

SEMANA N°9.

ROTORES DE FLUJO AXIALEcuación del equilibrio dinámico del flujo axial. Grado de Reacción y disposiciónde sistemas de álabes axiales.

SEMANA N°10.

ROTORES DE FLUJO AXIAL Aplicación de la teoría del ala de avión al estudio, cálculo y diseño de rotoresaxiales

SEMANA N°11.

ELEMENTOS ESTATICOS. Difusores. Toberas. Carcasas. Otros.


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SEMANA N°12.DEGRADACION DE LA ENERGIA EN TURBOMAQUINASPérdidas internas y externas, identificación y cuantificación. Balance energéticoen bombas y turbinas. Eficiencias.

SEMANA N°13.

CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS TURBOMAQUINASPredicción analítica de la curva altura - caudal en bombas y ventiladores. Ensayode bombas y ventiladores, determinación de sus curvas características.Diagramas topográficos.

SEMANA N°14.

CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS TURBOMAQUINASPunto de operación de una instalación de bombeo. Métodos de regulación de

bombas. Bombas en serie y en paralelo. Ensayo de turbinas hidráulicas ydeterminación de sus curvas características. Velocidad de embalamiento. Golpede Ariete

SEMANA N°15.

CAVITACION EN TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS. Formulación delfenómeno de cavitación y efectos en bombas y turbinas. Altura Neta Positiva deSucción (NPSH) en bombas y turbinas. Consideraciones de diseño y selección.

SEMANA N°16.

EXAMEN FINAL

SEMANA N°17.

EXAMEN SUSTITUTORIO.

5. ESTRATEGIAS DIDACTICAS

Utilizando el método enseñanza-aprendizaje, el profesor ha de transmitir al alumnoen cada clase: la motivación del tema en estudio, la información teórica y deexperiencia del tema a tratar y, la orientación al alumno para realizar su aprendizaje

de cada punto tratado. La exposición didáctica del tema a tratar, su importancia

La formulación teórica, con ejemplos, discusión e interpretación del caso

Incentivo para el logro de clase dictada-clase aprendida

6. MATERIALES EDUCATIVOS Y OTROS RECURSOS DIDACTICOS.

6.1 Medios o Procedimientos Didácticos


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- Exposición de bases teóricas en aula de clases, presentación de datos,estadísticas y discusiones técnicas en torno a ellas

- Desarrollo de casos aplicativos, propuestos como trabajo de aplicación- Visita a Plantas Hidroeléctricas de Lima y Laboratorio de Energía de la FIM- Presentación y sustentación de casos aplicativos asimilados por el alumno.

6.2 Materiales del Proceso de Enseñanza - Aprendizaje- Separatas del curso- Exposición del profesor en pizarra- Uso de presentaciones en PowerPoint

7. EVALUACIÓN

a. Sistema de Evaluación: FExamen parcial (EP): Peso 1

Examen final (EF): Peso 2Promedio de monografías (Mo): Peso 1

b. Nota Final (NF):

4

Mo2EFEPNF

8. BIBLIOGRAFIA

MATAIX, C. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Alfaomega, Madrid, 2000 PFLEIDERER, C. Bombas Centrifugas y Turbocompresores, Ed. Labor, Barcelona

1960 POLO ENCINAS, M. Turbomáquinas Hidráulicas, Ed. Limusa, México, 1984 VIEJO ZUBICARAY, M. Bombas, Teoría, Diseño y aplicaciones, Ed. Limusa México,

1977 JARA, W. Maquinas Hidráulicas. Fondo Editorial INIFIM, UNI, Lima 1998 HICKS, T. Bombas su selección y aplicación, Ed. CECSA, México 1977 CHERKASSKI, V.M. Bombas Ventiladores Compresores, Ed. MIR, Moscú 1986 F.M. GOLDEN, L. BATRES V.G. TERRONES M. Termofluidos, Turbomáquinas y

Maquinas Térmicas, Ed. CECSA, México, 1991. FRANZINI, J. Mecánica de Fluidos con aplicaciones en ingeniería, Ed. MC GRAW HILL.

Madrid 1999

GONZALES, S. Turbomáquinas Hidráulicas: Turbomáquinas I, Texto referencia deClase, 2011

Lima, marzo 2015


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PROLOGO

El presente documento constituye la estructura básica del dictado del curso deTurbomáquinas I en la Universidad Nacional de Ingeniería-Perú, UNI-FIM, para losestudiantes de Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica, Ingeniería Naval e IngenieríaMecatrónica.

El contenido de este material tiene como finalidad mostrar al alumno, los fundamentos

teóricos básicos de las Turbomáquinas Hidráulicas, que han de servir como pautas pararealizar el dimensionado, cálculo, diseño, selección y operación de bombas, ventiladoresy turbinas hidráulicas, según el tipo de requerimiento.

Por supuesto que este documento conforma una parte complementaria, dentro de latransferencia del conocimiento al estudiante de Turbomáquinas I, y alcanzará su objetivosólo cuando se complete con las actividades realizadas por el profesor en el aula; estoes: ampliación y detalle de conceptos teóricos, ejemplos de caso, resolución deproblemas, transmisión de experiencias ingenieriles e investigación en los temas y,actividades de campo.

En el aula, la estrategia didáctica se ha de basar en el método enseñanza-aprendizaje,

en el que el profesor ha de transmitir al alumno en cada clase: la motivación del tema enestudio, la información teórica, los cálculos y la experiencia profesional del tema a tratar. Asimismo el alumno ha de actuar de manera dinámica, clarificando sus interrogantes yparticipando en la discusión del caso tratado.

Si bien bajo normativa de la universidad peruana, la presencia del alumno en clase notiene carácter obligatorio y menos impositivo; sin embargo a mi modesto parecer, el aulay la pizarra son elementos vitales insustituibles, para la síntesis en la asimilación delconocimiento, especialmente en lo que a ingeniería se refiere.

Dr. Salome Gonzáles ChávezProfesor del Curso Turbomáquinas I

UNI-FIM


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1 INTRODUCCION

1.1. GENERALIDADES

El Perú es un país tradicional en el uso de la tecnología de las turbomáquinas, lasmismas que sirven en diversas aplicaciones, por ejemplo para:

Generación de electricidad mediante centrales hidroeléctricas, en dondeprincipalmente se utilizan las turbinas hidráulicas Pelton y Francis

Generación de electricidad mediante centrales termoeléctricas, en donde

principalmente se utilizan las turbinas a gas y turbinas a vapor Producción de potencia mecánica para generación eléctrica y fuerza motriz en la

industria azucarera, utilizando principalmente turbinas a vapor

Propulsión de aviones, en donde se utilizan turbocompresores axiales y turbinas agas

Transporte de petróleo a grandes distancias (Oleoducto Nor peruano), utilizandograndes sistemas de rebombeo, con bombas hidráulicas centrífugas

Transporte de pescado desde las bolicheras hasta las plantas de producción deharina de pescado, utilizando bombas hidráulicas para flujo bifásico

Impulsión de agua mediante electrobombas centrífugas, indispensableprácticamente en todo proceso industrial, ya sea extractivo, manufacturero o

ambos Impulsión o extracción de aire y otros fluidos gaseosos, utilizando ventiladores y

sopladores, centrífugos o axiales, prácticamente en todo proceso industrial

El transporte neumático de sólidos (como cemento, granos, etc. En mezcla conaire), utilizando sopladores

El curso de Turbomáquinas I comprende el estudio de las TURBOMAQUINASHIDRAULICAS o TURBOMAQUINAS FRIAS, es decir:

Las turbinas hidráulicas

Las bombas hidráulicas

Los ventiladores

Los sopladores

1.2. CONFORMACION Y ELEMENTOS DE LAS TURBOMAQUINAS

A continuación se presentan diversos tipos de turbomáquinas utilizados en la generaciónde potencia eléctrica, la propulsión de aviones, el bombeo de agua y, de usoinstruccional:


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Esquema de una planta hidroeléctrica

Rodete de una turbina Pelton


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Turbina Francis

Turbina Kaplan


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Rodete de una turbina Turgo

Rodete de una turbina Michell-Banki


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Esquema de turbina Turgo

Aerogenerador de 500 W


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Turbocompresor a gas con compresor centrífugo y turbina axial (ejemplo el existente en la Turbinaa gas instruccional del Laboratorio de Energía de la FIM-UNI

Bomba hidráulica centrífuga

En términos generales se puede decir que una turbomáquina, cualquiera sea sucaracterística, está conformada por los siguientes elementos básicos

EL ROTOR. Llamado también rodete o impulsor, es el corazón de la

turbomáquina y conforma el elemento móvil EL ESTATOR. Conforma el elemento fijo de la turbomáquina y cumple la

función auxiliar de ordenar y orientar el flujo hacia o desde el rotor de laturbomáquina


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LA CARCAZA. Llamada también voluta o envolvente, dependiendo del tipode turbomáquina, cumple la función de colección y confinamiento del flujo.

1.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBOMAQUINA

Una turbomáquina es un dispositivo rotodinámico mecánico que transforma la energía(de energía de fluido a energía mecánica o viceversa) en su rotor, en donde el flujocontinuo de un fluido cambia de momentum angular (momento de cantidad demovimiento) entre la entrada y salida de dicho rotor.

O también se puede decir que; una turbomáquina es un dispositivo mecánico cuyocomponente principal es un rotor a través del cual pasa un fluido de forma continuacambiando su momento de cantidad de movimiento, siendo esto aprovechado como unaentrega de energía del fluido a la máquina (turbomáquinas motrices o motoras, o activas)o de la máquina al f luido (turbomáquinas movidas o pasivas).

Turbomáquina motriz

Turbomáquina movida

1.4. CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS

CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS MECANICAS

Bajo un plano general una máquina mecánica se puede clasificar de acuerdo suprincipio de funcionamiento en:

1) Máqu inas mecáni cas ro to di nám icas . Son las turbomáquinas propiamentedichas, materia del curso

2) Máqu inas r ecipr ocantes o de pis tón . Transfieren la energía en un dispositivocilindro pistón, bien de energía de fluido a energía mecánica o de energía

mecánica a energía de fluido. Su característica particular frente a lasturbomáquinas es que su transformación lo hacen bajo un fluido intermitente odiscontinuo.

ENERGIA DEUN FLUIDO

ROTORENERGIAMECANICA

ENERGIAMECANICA ROTOR

ENERGIA DEUN FLUIDO


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Entre estas maquinas se tiene a los motores de combustión interna MCI, loscompresores de aire de pistón o reciprocantes, las bombas hidráulicas de pistónaspirante-impelente, los motores de vapor de pistón (en actual extinción)

Motor MCI

3) Máqu inas mecáni cas ro tat iv as . Conforman aquellas maquinas que transfierenla energía en forma intermitente mediante dispositivos rotativos. Se tiene comomaquinas motrices al denominado motor de combustión de paletas, el motorWankel, y como maquinas movidas las bombas hidráulicas utilizadas para altaspresiones y bajos caudales (por ejemplo las bombas de lóbulos, engranajes, etc.)

Motor rotativo Wankel

CARACTERISTICAS COMPARATIVAS DE LAS TURBOMAQUINAS FRENTE A OTRASMAQUINAS MECANICAS:

En cuanto al flujo. Las turbomáquinas son de flujo continuo, mientras las otrasmaquinas son de flujo discontinuo, lo cual se refleja como una ventaja de lasturbomáquinas en lo que se refiere a la regulación del caudal.

En cuanto a presión. Las turbomáquinas comparativamente tienen limitacionesen los niveles de presión del flujo, sin embargo su ventaja es de trabajar congrandes niveles de flujo


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En cuanto a mantenimiento. El costo de operación y mantenimiento de unaturbomáquina es menor al de una máquina rotativa o de pistón, ello considerandoa igualdad de capacidad de requerimiento

CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS

Se puede clasificar a las Turbomáquinas bajo diversas formas, por ejemplo acontinuación se realiza el siguiente ordenamiento:

1) De acuerdo a la temperatura e incompresibilidad del flujo2) De acuerdo a la transferencia de la energía3) De acuerdo a la forma del rodete y dirección del flujo

1) DE ACUERDO A LA TEMPERATURA E INCOMPRESIBILIDAD DEL FLUJO

Se clasifican en:

Turbomáquinas hidráulicas o frías. El flujo de fluido de trabajo, a supaso por el rodete, se comporta como incompresible (líquidos) o cuasi-incompresibles (aire). Cuando se trata de líquidos como el agua estamosen el campo de las turbinas hidráulicas (Pelton, Francis, Kaplan, de Bulbo,Michell-Banki, Turgo) y, las bombas hidráulicas radiales y axiales. Cuandose trata de fluidos cuasi-incompresibles, nos encontramos en el campo delos ventiladores y sopladores, radiales o axiales

Turbomáquinas térmicas o calientes. El flujo de fluido de trabajo, a supaso por el rodete, se comporta como compresible, por endeincrementando su temperatura superior a la del ambiente. Este es elcampo de las turbinas a gas, turbinas a vapor, compresores de aire

2) DE ACUERDO A LA TRANSFERENCIA DE LA ENERGIA

Se clasifican en:

Turbomáquinas motrices o activas. Son aquellas que reciben la energíadel fluido y la transforman en energía de movimiento de un rotor y de éstea un eje; esto es, generan potencia mecánica en su eje. Corresponde alcampo de las turbinas de todo tipo, rotodinámico

Turbomáquinas movidas o pasivas. Reciben la energía por elmovimiento a través de un eje, que a su vez mueve un rotor y entregan alfluido; es decir reciben energía mecánica para convertirla en energía defluido. Se trata de bombas, ventiladores, sopladores y compresores

3) DE ACUERDO A LA FORMA DEL ROTOR Y DIRECCION DEL FLUJO

Se clasifican en:

Turbomáquinas de rotor radial o flujo radial. Esto es, cuando latransferencia de energía del fluido a la turbomáquina lo realiza de forma

perpendicular a su eje. Se tiene el campo de las turbinas hidráulicasFrancis, las turbinas a gas centrífugas, bombas centrífugas, compresoresde aire centrífugos, etc.


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Turbomáquinas de rotor axial o flujo axial. Cuando la transferencia deenergía del fluido a la turbomáquina lo realiza de forma paralela a su eje;acá se tienen a las turbinas hidráulicas Kaplan, de Bulbo, las turbinas

axiales térmicas a gas y a vapor, los compresores axiales de aire, lasbombas de agua axiales, los ventiladores de hélice, etc.

Turbomáquinas de flujo tangencial. Cuando el flujo de fluido ingresa deforma tangencial al rotor; este es un caso particular propio de la turbinaPelton

Turbomáquinas de flujo transversal. Cuando el flujo de fluido atraviesa alrotor en el mismo plano de giro de la turbina, generando dos entradas ydos salidas. Es el caso propio de la turbina Michell-Banki

Turbomáquinas de flujo cruzado. Cuando el flujo de fluido es inyectado al

rotor bajo un determinado ángulo respecto al plano del rotor. Es el casotípico de la turbina Turgo

1.5. SEMINARIO 1

Repaso

Proyección multimedia de turbomáquinas

Ejercicios


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CARACTERISTICAS TECNICAS DE LA CENTRAL HIDROELECTRICA DEL MANTARO

Central Hidroeléctrica Santiago Antúnez de Mayolo, C.H. Mantaro


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2 CINEMATICA DEL FLUJO EN LAS TURBOMAQUINAS2.1. GEOMETRIA Y NOMENCLATURA DE LOS ELEMENTOS DEL ROTOR Y

ESTATOR

Para el conocimiento de la cinemática y dinámica de las turbomáquinas hidráulicas, se hade utilizar vistas reales y de corte de la geometría de sus rotores y componentes, asícomo vistas de corte-sección

GEOMETRIA

Para una mejor visión introductoria de las características de las turbomáquinas

hidráulicas, a continuación se muestran figuras de turbinas hidráulicas, las mismas queformarán parte del Laboratorio de Microhidráulica y Aerogeneración de nuestra Facultadde Ingeniería Mecánica- UNI.

Rotor de una turbina hidráulica Turgo de un kW

Rotor de una turbina hidráulica Michell- Banki de un kW


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Rotor de una turbina hidráulica Pelton de un kW

Vista virtual ex-ante del Túnel de Viento para pruebas e investigación de micro-aerogeneradores

Vista real ex-post del Túnel de Viento para pruebas e investigación de micro-aerogeneradores


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Geometrías en corte de rotores de turbinas hidráulicas: axial, radial y tangencial

Turbina Pelton de un chorro, vista de frente y de perfil

Vista en corte de una turbina Pelton de cuatro chorros


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Turbina Michell-Banki, vista de frente y de perfil

Vista en corte de una turbina Francis de eje vertical

Vista en corte de una turbina axial Kaplan de eje vertical


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NOMENCLATURA

La nomenclatura y simbología será común a la utilizada en las bibliografías y catálogos

existentes en el mercado nacional e internacional.

A continuación se presenta la nomenclatura a utilizar en el estudio de la cinemática ydinámica de flujo en las turbomáquinas hidráulicas

c: velocidad absoluta del fluidou: velocidad tangencial del rotorw: velocidad relativa del fluidoα: ángulo absolutoβ: ángulo relativoN: Velocidad de giro del rotorD: Diámetro del rotor

cm: Velocidad meridiana

Subíndice 1:- entrada al rotor cuando se trata de una bomba radial- salida del rotor cuando se trata de una turbina radial

Subíndice 2:- salida del rotor cuando se trata de una bomba radial- entrada al rotor cuando se trata de una turbina radial

2.2. DIAGRAMA DE VELOCIDADES EN SISTEMAS DE ALABES RADIALES YAXIALES

TRIANGULO DE VELOCIDADES EN UN ROTOR RADIAL

Esquema del rotor de una turbomáquina radial


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Triángulo de velocidades en el corte de un rotor radial en el punto 2

Triángulo vectorial de velocidades

Bomba Turbina

Esquema elemental de un rotor de flujo radial

ß

Cm

u

c = u + w

u

cw

ß

alabe

1

2


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Triángulos de velocidades en el corte de un rotor radial en los puntos 1 y 2

Triángulo vectorial de velocidades en los puntos 1 y 2

TRIANGULO DE VELOCIDADES EN UN ROTOR AXIAL

u

cw

ß

alabe N

1

ß

cw1

1

1

2

2

22

2

u u

w wc c

1

11

2

22

ß ß211 2

21

alabesrotor

cubo

estator

r

D

d

m


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Ubicación de los puntos 1 y 2 a un determinado radio de un rotor axial

Triángulo vectorial de velocidades en 1 y 2 para un radio de un rotor axial

TRIANGULO DE VELOCIDADES EN UNA TURBINA TANGENCIAL

En la cuchara de la turbina Pelton, se tiene:

Corte de la cuchara y triángulo vectorial de velocidades en una turbina tangencial Pelton

Triángulo vectorial de velocidades en una turbina tangencial Pelton

wwc c

u = u

c c

1 21 2

1 2

m1 m2

ß2ß 1

ß

w

c

u

u = u

cw1 1

1 2

2 22

2

oc

wc

c

u

1

u

1

1

ß2

2

2w2c

= u2

ßß1 2


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Ejercicio:Dada las características de la trayectoria del fluido y el álabe en una turbina Turgo y unaPelton, determine el triángulo de velocidades correspondientes a la entrada y salida delálabe

Trayectoria del fluido sobre el álabe en una turbina Turgo y Pelton

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