Informe-nº2 Labo de Mecanica

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Informe Nº2 Laboratorio de Ingeniería Mecánica I

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

INFORME N°2 DE LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA

MEDICIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD

CURSO, CÓDIGO Y SECCIÓN:

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA I MC412-C

EQUIPO EJECUTOR:

HERNÁNDEZ ARANYA, Jorge Alex 20120255K

GARAY SALAZAR, Rolando Junior 20120259F

HUAYAS INGA, Rommel Ángel 20121084E

FECHA DE EJECUCIÓN: Lunes 13 de abril del 2015

FECHA DE ENTREGA: Lunes 20 de abril del 2015

LIMA-PERÚ

2015

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ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

EXPERIENCIA Nº1: MEDICIÓN DE POTENCIA EN UNA TURBINA FRANCIS

1. OBJETIVOS……………………………………………………………….………….…..4

2. FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………………….………………………..5

3. MATERIALES E INSTRUMENTOS...…………………………....………….…………...7

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL……………………………………….…….…...8

5. DATOS EXPERIMENTALES………………………………………………….….…….9

6. CÁLCULOS Y RESULTADOS…………………………………………….....…….….10

7. GRÁFICAS EXPERIMENTALES…………………………………………….………..11

8. RECOMENDACIONES…………………………………………..…………….………13

9. CONCLUSIONES……………………………………………………….….….……..…14

10. OBSERVACIONES………………………………………………….…………….........15

EXPERIENCIA Nº2: MEDICIÓN DE POTENCIA EN UN COMPRESOR DE DOS ETAPAS

1. OBJETIVOS……………………………………………………….……………………..16

2. FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………………………….…………….…17

3. MATERIALES E INSTRUMENTOS...…………………………....……….……………19

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL…………………………………………..……...22

5. DATOS EXPERIMENTALES……………………………………………………….……..23

6. GRÁFICAS EXPERIMENTALES ……………………………………………………...23

7. CÁLCULOS Y RESULTADOS…………………………………………………….…...24

8. RECOMENDACIONES…………………………………………..………………….….25

9. CONCLUSIONES……………………………………………………….….…………....26

10. OBSERVACIONES……………………………………………………….………...…...27

11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………….……………..28

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INTRODUCCIÓN

En la vida laboral de un ingeniero mecánico o ramas afines es importante conocer la potencia en

cualquier motor, compresor, turbina, etc.; como también la eficiencia de este. En esta experiencia de

medición de potencia y velocidad analizaremos una turbina Francis y un compresor de dos etapas

(baja y alta presión).

El siguiente informe está compuesto de dos partes, la primera haciendo referencia a la experiencia

con la turbina Francis y la segunda al compresor de dos etapas, en cada parte se darán a conocer los

objetivos, para así basar la dirección de cada experiencia.

Luego pasaremos al fundamento teórico, que nos servirá para entender un poco más acerca de

cómo está enfocada nuestra experiencia e indicaremos los materiales o equipos usados

Pasaremos al procedimiento experimental que se tuvo que seguir para una correcta ejecución,

indicaremos los datos obtenidos en ésta, cálculos y resultados, gráficas experimentales, y sus

respectivas conclusiones, observaciones y recomendaciones.

Se espera que el presente informe sea del agrado del lector y cubra todas las expectativas y dudas

acerca de este tema.

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MEDICIÓN DE POTENCIA EN UNA TURBINA FRANCIS

I. OBJETIVOS

Mediante el uso de una cinta o faja encontrar la potencia al eje, potencia indicada, potencia

al freno y potencia de fricción en la turbina Francis.

Analizar la variación de la velocidad angular del eje de la turbina Francis, respecto a

diferentes cargas que está sometida.

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II. FUNDAMENTO TEÓRICO

La turbina Francis fue inventada por James B. Francis a finales del siglo XX. Es una

turbina de reacción, radial, de admisión total y descarga axial con tubo de aspiración.

La turbina Francis ha evolucionado mucho en el curso de este siglo, encontrando buena

aplicación en aprovechamientos hidráulicos de características muy variadas de carga y

caudal, tal es así, que existen dichas turbinas con saltos de agua de 30 metros, como

también en saltos de 550 metros y a caudales que a veces alcanzan 200m3/s y otras de

sólo 10m3/s.

Esta versatilidad ha hecho que esta turbina sea la más generalizada en el mundo hasta

estos momentos.

Los órganos o componentes principales de la turbina son:

Carcaza o caja espiral.

Distribuidor o alabes directrices.

Rodete móvil o rotor.

Tubo de aspiración.

El rodete o parte móvil de la turbina, constituido por un cierto número de paletas o

alabes que, en este tipo de turbinas, tienen sus extremidades externas inferiores unidas

por una corona que les envuelve; el número de alabes oscila, por lo general entre 16 y

21 y depende del tipo de construcción. Este rodete se construye de chapa de acero para

las turbinas de pequeña potencia y de fundición para las de potencia mediana y de

acero colado para las de gran potencia.

Para regular el caudal que entra en el rodete, se utilizan las paletas directrices situadas

en forma circular, y cuyo conjunto se denomina distribuidor. Cada una de las paletas

directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posición

de cerrado, en cuyo caso el caudal recibido por el rodete es máximo. El conjunto de

paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil al que están

unidas todas las paletas directrices, y este anillo móvil, a su vez esta accionada por el

regulador de velocidad de la turbina. El agua después de pasar por el rodete,

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impulsando este y haciéndolo girar, sale por un tubo que se denomina tubo de

aspiración el cual cumple un doble propósito.

a) Utilizar la diferencia de niveles que existen entre el punto de salida de la turbina y

el nivel agua a bajo, denominada altura estática de succión.

b) Recuperar por su forma divergente parte de la energía cinética que lleva el agua al

salir de la turbina. La altura recuperada es denominada como altura dinámica de

succión.

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III. MATERIALES E INSTRUMENTOS

Freno de fricción tipo Prony; el freno Prony consta de un brazo, sobre el van montados un

dinamómetro y una rueda sobre la cual va una faja de alto rozamiento. La rueda se conecta

al eje del motor ya partir de ello se puede medir su potencia.

Tacómetro óptico; mide con precisión la velocidad rotatoria (RPM) usando un haz

de luz visible, puede ser usado a una distancia hasta de 8 mm en un elemento

rotatorio.

Pesas variadas (2 Kg, 1 Kg y 0.5 Kg).

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IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Verificar que la válvula de acceso a la turbina Francis este cerrada para poder abrir la

bomba de alimentación.

2. Se abre la llave del depósito para expulsar agua, de esta manera esperamos a que el

flujo de agua se estabilice (observamos el vertedero).

3. Abrir la válvula de la turbina Francis que permite el ingreso de agua a este.

4. Colocar la correa sobre el volante y echar agua en ésta.

5. Se miden las RPM con el tacómetro.

6. Añadimos una carga inicial de 2 Kg, para luego medir nuevamente las RPM.

7. Repetimos el paso 6, haciendo variar la carga de manera ascendente.

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V. DATOS EXPERIMENTALES

W (Kgf) Fd (Kgf) w (RPM)

0 0 1284

2.08 4.9 1213

4.08 6.9 1130

6.14 10.5 1017

8.18 13.8 916.3

10.24 18 606.7

Donde:

W=peso sostenido

Fd= fuerza señalada en el dinamómetro

w= nº de revoluciones por minuto

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VI. CÁLCULOS Y RESULTADOS

Se sabe:

𝑃 = 𝑇. 𝑤

𝑃 = 𝑓. 𝑅. 𝑤

𝑃 = (𝐹𝑑 − 𝑊). 𝑅. 𝑤

Donde:

P: Potencia al eje.

T: Torque.

w: Velocidad angular.

f: Fuerza de fricción.

R: Radio.

Fd: Fuerza del dinamómetro.

W: Peso.

R= 0.1524 m

A partir de esta ecuación se puede completar la siguiente tabla:

f (Kgf) T (Kgf.m) Pot (W)

0 0 0

2.82 0.429768 535.488177

2.82 0.429768 498.847189

4.36 0.664464 694.140557

5.62 0.856488 806.146513

7.76 1.182624 737.013926

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VII. GRAFICAS EXPERIMENTALES

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VIII. OBSERVACIONES

La volante no solo gira alrededor de su eje, sino que también vibra, esto se debe

evitar para efecto de la toma de datos.

Debido a la observación anterior se prefirió tomar los datos de rpm óptico a las del

tacómetro.

Todas las mediciones se realizaron, teniendo en cuenta que el flujo que se dirigía a

la turbina era constante, y que solo variaban las cargas y con esto también las

revoluciones de la volante.

La potencia al freno a medida que aumenta genera un calentamiento en la cinta de

freno; para evitar el calentamiento y desgaste de ésta será necesario suministrarle

agua a la faja.

Debemos ir añadiendo en forma ascendente, pero gradual las pesas al dinamómetro,

para evitar incremento brusco de la fuerza de fricción

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IX. CONCLUSIONES

Se concluye que la potencia mecánica puede ser determinada de una manera

indirecta usando el freno Prony, pero esto es sólo aplicable a turbinas de pequeñas

potencias.

A medida que aumentamos la carga las RPM aumentan hasta un valor para luego

disminuir.

A menor número de revoluciones aumenta la potencia al freno.

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X. RECOMENDACIONES

Cuando se utiliza el motor que permite la entrada de agua al tanque, es preferible que el

profesor o técnico de turno nos ayude en este paso ya que se debe encontrar un correcto

caudal.

La cantidad de masa que indican las pesas no es correcta, pesar nuevamente para una

correcta experiencia.

Cuando se usa el tacómetro es necesario que al momento de medir las revoluciones sin

que la mano se mueva, ya que provocaría una incorrecta medición.

Al momento de medir la fuerza en el dinamómetro, el miembro del grupo debe

agacharse y observar de manera horizontal dicho dinamómetro.

Controlar regularmente la bomba, ya que un mal uso de esta podría ocasionar un

accidente.

Enfriar regularmente con agua la faja de rozamiento.

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MEDICIÓN DE POTENCIA EN UN COMPRESOR

I. OBJETIVOS

Determinar la potencia indicada, potencia al eje y potencia eléctrica en un compresor de

alta presión y un compresor baja presión.

Conocer el funcionamiento de los equipos a emplear para poder hallar la potencia.

Hallar la eficiencia en los compresores de alta y baja presión.

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II. FUNDAMENTO TEÓRICO

La energía es una magnitud almacenada, en forma similar a un volumen; su cualidad de

producir trabajo o su propiedad de incrementarse, es lo único que nos interesa.

La potencia es un flujo de energía, toda la energía almacenada no puede transportarse

instantáneamente a otro lugar, tiene que hacerlo en forma de un flujo.

Ocurre que en algunas fuentes de energía, esta no está almacenada en éste, sino que

debe producirse constantemente en forma de un flujo. Por ello se habla de potencia

(flujo de energía) de un motor (fuente de energía).

La energía mecánica se presenta como el producto de dos factores:

El producto de una fuerza por una velocidad longitudinal o el producto de un momento

torsor por una Velocidad angular si el movimiento es rotacional.

Potencia = Movimiento longitudinal

Potencia = Movimiento rotacional

La potencia se desarrolla, transmite y absorbe en máquinas rotativas y otros

dispositivos. Algunas máquinas (por ejemplo, turbinas, máquinas de vapor y motores

de combustión interna) desarrollan potencia. Otras la utilizan para producir efectos

útiles. En todas las máquinas rotativas y alternativas hay siempre alguna forma de

transmisión de potencia. En la transmisión de esta potencia, una parte de ella se pierde

inevitablemente a causa de la fricción. Al ingeniero le interesa la potencia que puede

desarrollarse, la que puede transmitirse y la que se utiliza para producir efectos dados.

La importancia de un equipo se da por la capacidad de trabajo en la unidad de tiempo

que pueda entregar.

VF

T

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La potencia desarrollada por la maquina no es la misma que se le da debida a las

pérdidas que se suscitan durante su funcionamiento. Sin embargo existe, una potencia

entregada al pistón por la sustancia de trabajo que es determinado mediante los

llamados indicadores, conociéndose esta potencia como la potencia indicada; para

cuya determinación se pueden usar:

Indicadores de tipo pistón

Indicadores de diafragma equilibrado

Indicadores ópticos

Indicadores electrónicos

Para el presente laboratorio usaremos el indicador tipo pistón. Estos se utilizan en

máquinas alternativas de baja velocidad, tales como máquina a vapor, bombas,

compresores y motores de combustión interna. Para el caso de compresores, que es la

máquina que utilizaremos en la experiencia, el motor es el que entrega potencia, en

este caso al aire para comprimir el mismo.

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III. MATERIALES E INSTRUMENTOS

Fuente de energía (motor eléctrico).

Regla

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Equipo compresor (baja y alta presión).

Planímetro.

Dinamómetro

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Contador de revoluciones.

Indicador de diagrama tipo pistón.

Cronómetro.

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IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Se enciende la fuente de energía (motor eléctrico).

2. Regulamos las válvulas para encontrar presiones específicas de trabajo (8 kg/cm2), tanto

para el compresor de baja como el de alta presión.

3. Se nivela la punta del motor con el brazo de torque para así poder calibrar el

dinamómetro (esto se hace para el compresor de alta y de baja presión).

4. Se mide las revoluciones con un contador durante un minuto, este paso se realiza tanto

para el compresor de alta como el de baja presión y para diferentes presiones indicadas

(4 y 2.8 kg/cm2).

5. Se instala el indicador de tipo pistón sobre un compresor de baja presión, colocamos un

pedazo de papel blanco junto a uno de calca.

6. Abrimos la válvula de entrada al indicador, unimos el gancho del pistón a una cuerda

instalada junto al brazo del compresor; notaremos que el pistón y el brazo se mueven.

7. Acercamos la punta del pistón al conjunto de papel blanco con calca y de esta manera

encontramos una gráfica (diagrama indicado).

8. Repetimos los pasos 6, 7 y 8 para el compresor de alta presión y a diferentes presiones

indicadas.

9. Usamos un planímetro para hallar la potencia indicada (4 gráficas).

10. Apuntamos la tensión y corriente del motor eléctrico en cada caso.

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V. DATOS EXPERIMENTALES

VI. GRÁFICAS EXPERIMENTALES

RPM Fuerza (Kgf) V (v) I (A)

C. baja (4

kg/cm2) 1036 6.8 178 16

C. alta (4

kg/cm2) 803 3.9 151 14.1

C. baja

(2.8 kg/cm2) 940 2.5 121 9.5

C. alta

(2.8 kg/cm2) 781 2.7 155 9.5

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VII. CÁLCULOS Y RESULTADOS

Hallaremos primero la potencia al eje:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑗𝑒 = 𝑇. 𝑤

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑗𝑒 = 𝐹. 𝑅. 𝑤

Dónde:

Poteje: Potencia al eje

T: Torque

w: Velocidad angular

F: Fuerza en el dinamómetro

R: Radio

R= 0.254 m

A continuación se halla la potencia del motor con la siguiente formula:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑉. 𝐼

Para poder hallar la potencia indicada solo es necesario usar el planímetro en el

diagrama correspondiente y efectuar la siguiente ecuación:

𝑃𝑜𝑡𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 =(𝐴𝑑𝑖𝑎𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎 .𝐾𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒)

𝐿𝑑𝑖𝑎𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎

A partir de ello se completa la siguiente tabla:

Área (cm2) Poteje (W) Poteléctrica (W) Potindicada (W) Eficiencia

Mecánica

C. baja

(4 kg/cm2) 3.7 1623.568 2848 1517.20671 0.93448917

C. alta

(4 kg/cm2) 5 794.4518 2129.1 492.418913 0.61904306

C. baja

(2.8 kg/cm2) 7 657.86 1149.5 359.892531 0.54706553

C. alta

(2.8 kg/cm2) 3 535.6098 1472.5 294.54071 0.54991658

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VIII. OBSERVACIONES

La temperatura en las tuberías aumenta considerablemente.

En los cálculos no se cuenta la perdida que ocurre en las tuberías, codos, válvulas, etc.

Durante toda la experiencia se trabaja con una presión en el tanque (regulada

constantemente por un miembro del grupo) de 8 Kgf/cm2.

Según el cuadro se observa que la potencia eléctrica es mayor a la potencia al eje,

también que la potencia al eje es mayor a la indicada.

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IX. CONCLUSIONES

Se concluye que al momento de realizar la experiencia el compresor de alto entrego más

potencia que el compresor de baja.

Se pudo encontrar satisfactoriamente la potencia indicada, potencia al eje y potencia

eléctrica según el cuadro en de cálculos y resultados.

La eficiencia promedio del compresor de baja presión es 74.077%.

La eficiencia promedio del compresor de alta presión es 58.447%.

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X. RECOMENDACIONES

Para una correcta experiencia un miembro del grupo debe estar observando continuamente

la presión en el tanque (8 Kg/cm2), para ello debe abrir y cerrar la válvula de este tanque.

Al momento de nivelar las puntas, el miembro del grupo que lo haga debe estar agacha y

mirar de manera horizontal este hecho.

Se trabajó con potencias indicadas de 2.8 y 4 Kg/cm2, para que esto ocurra se debe variar la

tensión y la corriente en la fuente de energía, para ello se debe pedir asistencia al técnico de

turno encargado, ya que una mala manipulación de este dispositivo provocaría que este se

malogre.

Colocar de manera segura y correcta el juego de papel con la calca para una correcta gráfica

y posteriormente un buen hallazgo de la área.

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XI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

“Biografía de Gaspar de Prony”

http://es.wikipedia.org/wiki/Gaspard_de_Prony

“Tacómetro”

http://es.slideshare.net/AndresRodriguez18/tacometro

“Turbina Francis”

http://files.pfernandezdiez.es/Turbinas/Hidraulicas/PDFs/04Turb.Hidr.pdf

“Turbina Francis”

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis

http://es.wikipedia.org/wiki/Gaspard_de_Prony

http://es.slideshare.net/AndresRodriguez18/tacometro

http://files.pfernandezdiez.es/Turbinas/Hidraulicas/PDFs/04Turb.Hidr.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis

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