Ensayo de una picoturbina pelton compacta, de fabricacion local

Resumen

Se presenta en este trabajo los ensayos de una pico
turbina tipo PELTON, llevados a cabo en el Banco de Ensayos para
Pequeñas Turbinas, instalado en el Laboratorio de
Máquinas Hidráulicas de la Facultad de
Ingeniería, dependiente de la Universidad Nacional del
Comahue, Neuquén, Argentina.

Los ensayos fueron realizados, con el fin de determinar
la performance, campo de operación y punto óptimo
de trabajo, de una turbomáquina generatriz compacta, del
tipo Pelton. Se determinó además el campo de
operación de la máquina para alturas y caudales
distintos de los de diseño.

El rodete de la turbina analizada, se encuentra montado
directamente sobre el eje de un motor eléctrico
común, del tipo a inducción o jaula de ardilla, que
auspicia de generador asincrónico de bajo
costo.

Dada las características constructivas del grupo
turbogenerador; no fue posible aplicar algún tipo de freno
mecánico, para determinar la potencia mecánica en
el eje. Por esta razón, y a fin de tener un panorama
general de comportamiento del conjunto turbina-generador, el
ensayo se realizó midiendo la potencia eléctrica
generada, utilizando lámparas incandescentes como carga, y
adaptando las mediciones a este conjunto, por lo que se midieron
variables eléctricas y mecánico-hidráulicas
mediante técnicas adaptadas ad-hoc.

Los resultados fueron altamente satisfactorios poniendo
de manifiesto un funcionamiento estable y de buena calidad, en un
amplio rango de caudales.

Palabras Claves (Key
Words): Pico turbinas hidroeléctricas,
Alternadores asincrónicos, Pequeñas turbinas
hidráulicas. Medición de potencia
eléctrica.

Introducción

Dada las características constructivas del grupo
turbogenerador; no es posible o se hace muy complicado, aplicar
algún tipo de freno mecánico, para determinar la
potencia mecánica disponible en el eje. Por esta
razón, y a fin de tener un panorama general de
comportamiento del conjunto turbina-generador, el ensayo se
realizó midiendo la potencia eléctrica generada,
utilizando lámparas incandescentes como carga, y adaptando
las mediciones a este conjunto.

En el diagrama en bloque de la figura 1, se representan
las magnitudes en juego para el sistema bajo ensayo.

Con el valor medido del caudal y altura, es posible
determinar la potencia hidráulica Ph. Mientras
que con la intensidad de corriente y tensión generada, se
determina la potencia generada Pg. Relacionando ambas
potencias, se halla el rendimiento del sistema.

La velocidad de rotación se compara con el valor
de la frecuencia generada, con el fin de establecer el punto de
trabajo de la maquina.

Fundamentos
teóricos

Potencia Eléctrica

La expresión más simple de la potencia en
juego en un circuito eléctrico, está dada por la
expresión:

La expresión anterior es válida para
circuitos que trabajan en corriente continua. Cuando la corriente
es alternada, con cargas lineales (sin armónicos), como en
este caso, la ecuación 1 se le afecta de un factor
denominado cos f, coseno de "fí" o factor de
potencia.

En los equipos que funcionan con corriente alterna, como
por ejemplo motores, generadores, transformadores, coexisten tres
tipos diferentes de potencia.

Potencia activa

La denominada "potencia activa" representa en realidad
la "potencia útil", o sea, la energía que realmente
se aprovecha cuando se pone a funcionar un equipo
eléctrico y realiza un trabajo.

Potencia reactiva

La potencia reactiva es la consumen los motores,
transformadores y todos los dispositivos o aparatos
eléctricos que poseen algún tipo de bobina o
enrollado para crear un campo electromagnético.

Potencia aparente

La potencia aparente o potencia total es la suma
vectorial de la potencia activa y la aparente. Estas dos
potencias representan la potencia que se toma de la red de
distribución eléctrica, que es igual a toda la
potencia que entregan los generadores en las plantas
eléctricas.

Potencia en Circuitos
Trifásicos

La potencia activa desarrollada por un sistema de tres
fases, con cargas lineales alimentadas con fuentes sinusoidales,
es posible expresar conforme al teorema de Boucherot [4], como la
suma de las potencias desarrolladas por cada una de las
fases.

Los subíndices 1, 2 y 3, corresponden a las tres
impedancias de cargas, sin importar la forma en que estén
conectadas.

Para el caso de cargas conectadas en estrella
equilibrada. Las tres tensiones son iguales y las tres corrientes
también, la expresión de la potencia activa
es.

Para el caso particular, en que las cargas sean
resistivas puras (circuito ohmico), el factor de potencia es
igual o próximo a 1, la ecuación 6 se reduce
a:

Medición de la Potencia.

En este caso, la medición de la potencia
consumida por la carga, se puede realizar, utilizando tres
voltímetros y tres amperímetros, conectado como se
indica en la figura 4.

Por otro lado, tomando cuidado en cargar en forma
equilibrada al generador, es posible reducir los instrumentos de
medición a tres voltímetros y un
amperímetro, sin cometer mucho error (método muy
apropiado para mediciones en campo).

Motor Asincrónico como
Generador.

Para que un motor asincrónico tipo jaula de
ardilla, funcione como generador, es necesario conectar
capacitores en paralelo con los bornes del motor.

La conexión de los capacitores, en un circuito
trifásico pueden ser en estrella "Y" o en triangulo "? ".
La potencia reactiva para cada caso se puede expresar, partiendo
de la ec.9.

La relación entre la potencia activa y la
reactiva es:

Determinación del Capacitor de
Excitación

Para la determinación del valor del capacitor
conectado al motor como generador, se puede determinar
recurriendo al siguiente razonamiento [2].

Conociendo la intensidad de la corriente que toma el
generador conectado como motor, sin carga I0. Se elige
un capacitor que consuma igual o menor corriente por
fase.

Determinación de la Máxima Potencia
Generada

Un motor a inducción conectado como generador,
proporciona menor potencia, que la que consume como
motor.

Existen varias técnicas para determinar la
potencia máxima, que puede generar un motor conectado como
generador. En este caso se opta por el método de la
diferencia de corriente [2], esto es; La diferencia de corriente
que toma el generador como motor en vacío, respecto a la
que toma a plena carga por fase.

Velocidad de Rotación

En grupos hidrogeneradores compactos, donde la
máquina hidráulica se encuentra directamente
acoplada al eje del generador, la velocidad de rotación de
la turbomáquina será igual a la del
generador.

Para este caso, como se trata de una
electromáquina asincrónica, el equivalente de la
velocidad del campo rotante, es distinta a la velocidad de
rotación del eje.

La velocidad de giro de la turbina, se puede determinar,
entonces, con la ayuda de la ecuación 26.

Potencia Hidráulica

La expresión de la potencia hidráulica en
juego, en una turbomáquina está dada por la
ec.27

Rendimiento del Sistema

Materiales y
métodos

El procedimiento experimental, contempló la
realización de ensayos de rendimiento para distintas
velocidades de rotación y saltos de 45m, 50m y 55m, y la
determinación del punto de óptimo rendimiento. Esto
es a fin de determinar los parámetros óptimos de
funcionamiento de la máquina.

Para la determinación de la potencia
eléctrica generada, se utilizó el circuito
presentado en la figura 6, con los instrumentos de
medición conectados como muestra la figura 4.

En la figura 8, se observan el circuito utilizado y el
banco de cargas con sus respectivos instrumentos de
medición.

Utilizando un manómetro diferencial de columna de
mercurio abierto a la atmósfera y con escala calibrada
para tal fin. El rango de medición de 0 a 4000 mmHg ,
disponible en el banco de ensayos.

El caudal fue medido con una placa orificio de
diámetro 6". La presión diferencial a través
de las placas orificio se midió mediante manómetros
diferenciales de 200 mm Hg de escala. La medición del
caudal se realiza directamente sobre la escala del
manómetro.

La velocidad de rotación de la
turbomáquina se midió con un taquímetro
digital, equipado con un sensor de proximidad magnética,
marca RHOMBERG –BRASLER, modelo R14-1805FNO-NTC.

El sensor magnético de rotación, del
medidor electrónico de RPM, se montó de forma tal
que detecte el pasaje de una lengüeta metálica sujeta
provisoriamente al ventilador del motor que auspicia como
generador, al cual se le quitó provisoriamente la cubierta
protectora de dicho ventilador.

Características de la máquina
ensayada

Entre las principales características de la
maquina ensayada, se pueden destacar: Altura Neta HN = 60m,
Caudal Q= 2.5 l/s, Nro. de revoluciones n = 910 RPM, Potencia
prevista en eje Pe: 500W, Diámetro primitivo de 120 mm, 1
inyector, y 16 álabes.

Resultados
obtenidos

Los resultados obtenidos en los ensayos con saltos de de
45m, 50m y 55m se analizaron agrupándolos, según la
variable o parámetro cuyo estudio de detalle quisiera
realizarse.

En la Tabla 1 se da un ejemplo de los datos relevados
durante el ensayo, y en la figura 10 se observan los resultados
de potencias y rendimientos, obtenidos para diferentes
velocidades de rotación de la turbina.

La frecuencia no se pudo mantener en valores standards,
alcanzándose valores entre 58 y 62 Hz para los mejores
rendimientos y potencias, dependiendo del salto de
ensayo.

Conclusiones

Los rendimientos observados relativamente bajos pueden
deberse a que se utilizó un motor como generador, con la
consabida reducción del rendimiento cuando se utiliza de
esta forma.

Sin embargo, los resultados fueron altamente
satisfactorios poniendo de manifiesto un funcionamiento estable y
de buena calidad, en un amplio rango de caudales.

Por otro lado, se estima que el grupo hidrogenerador
ensayado, tomando en cuenta, de manera preliminar, el costo del
sistema, representa una interesante solución para el caso
que se utilice como cargador de baterías (acumuladores),
ya que a pesar de los valores de rendimientos obtenidos, estos
son mayores que si se utiliza una dinamo o alternado de
automóvil como generador y cargador.

Referencias
bibliográficas

Autor:

Víctor H.
Kurtz(*)(**);

Ariel R. Marchegiani(**);

Orlando A. Audisio

Fernando
Botterón(*)(***)