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Banco de Pérdidas de Carga, Impacto de un chorro, Turbinas y Ariete hidráulico

1. Objetivos


1.1. Visualizar pérdidas de carga regulares y singulares.
1.2. Conocer las turbinas Pelton y Francis.
1.3. Analizar el principio de funcionamiento del Ariete Hidráulico.



2. Banco de pérdidas de carga

Las pérdidas de carga en las tuberíasson regulares y singulares. Supongamos una tubería horizontal de diámetro constante D por la que circula un fluido cualquiera, cuya velocidad media en la tubería es . La energía en el punto 2 será igual a la energía en el punto 1 menos la pérdida
de carga entre ellos. Se cumple:

= +
+

2
2
+ + −donde, corresponde a la pérdida primaria entre 1 y 2. Para estimar la pérdida regular se
usa la ecuación de Darcy-Weissbach:



=

donde:


: Pérdida de carga regular

: Coeficiente de pérdida regular

: Longitud de la tubería

: Diámetro de la tubería

: Velocidad media del fluido

Las pérdidas singulares se calculan según:



donde:
,Pérdida de carga singular



= 2
, Coeficiente adimensional de pérdida de carga singular
, velocidad media en la tubería





3. Impacto de un chorro y turbinas

Se considerará un chorro de agua que impacta, permanentemente, sobre una superficie tipo vano, simétrica con respecto al eje x, como la mostrada esquemáticamente en la figura 2.1. El chorro, develocidad inicial u0 (m/s) paralela al eje x, choca con la superficie y cambia su dirección en un ángulo β, de modo que el fluido deja el vano a una velocidad u1 (m/s) inclinada en un ángulo β con respecto al eje x.



Figura 2.1. Vano simétrico con respecto al eje x formado por el impacto de un chorro de fluido sobre una superficie.


Si se desprecia la fricción entre la superficie de impacto yel chorro de fluido, entonces la fuerza necesaria para desviar el chorro (cambiar su momentum) puede estimarse aplicando la ecuación de la cantidad de movimiento. Esto es,
!" = # ∙ &" ∙ '&( ∙ )* + -.
$

!/ = ∙ 01 ∙ '0 ∙ 2−.13+ + ∙ 0 ∙ '0 ∙ . +
Donde A0 y A1 corresponden a la sección de chorro inicial y final, las cuales tendrían una formacircular y de anillo, respectivamente.

Si se asume que la magnitud de la velocidad no cambia a medida que el chorro de fluido es desviado, se tiene:
!/ = −01 ∙ '4+ + 01 cos 8 ∙ '4+
Donde Q es el gasto, que por continuidad es dado por:
4 = ∙ 01 .1 = ∙ 0 .

Finalmente:
9 = :; ∙ <'=>? @ − A+



En esta experiencia se analiza el funcionamiento de turbinasPelton y Francis. La expresión que relaciona la potencia generada con la energía del flujo es:
B = C ∙ D ∙ < ∙
donde:
E, GH IJ KLG)MNJ G)GOJ-J,
P, GH GI OG)-NQNG)LK -G IJ L0ORN)J 'MK) 0) JIKO G)LOG 0 T 1+.
W, GH GI GHK GH GMíYNMK -GI YI0N-K.
4, GH GI MJ0-JI.
, GH IJ G)GO íJ GH GMíYNMJ -GI GHM0OONQNG)LK.
La Turbina Pelton pertenece al grupo de las turbinas deimpulsión o de acción. Con estas se
produce la transformación completa de la energía de presión del agua en energía cinética en el distribuidor. Las turbinas Pelton se utilizan con saltos grandes y caudales de agua relativamente reducidos.



Figura 2.3. Turbina Pelton. Figura 2.4. Principio de funcionamiento de la Turbina Pelton.

La Turbina Francis pertenece algrupo de las turbinas de reacción. Con estas se produce la transformación de la energía de presión del agua en energía cinética en el distribuidor y en la rueda. Las turbinas Francis se utilizan con saltos medios y grandes caudales de agua.





Figura 2.5. Turbina Francis. Figura 2.6. Principio de funcionamiento de la Turbina Francis.

En la Turbina Pelton,...