1. TURBINA FRANCIS

2. INTRODUCCION
 TURBOMAQUINA
Es una maquina en la cual se recibe o se transfiere energía de un fluido
 CLASIFICACION
 POR EL SENTIDO DE TRANSFERENCIA DE ENERGIA
 TURBINAS
 BOMBAS
 POR LA VARIACION DE LA PRESION A TRAVEZ DEL ROTOR
 ACCION
 REACCION
 POR LA DIRECCION DEL FLUJO EN EL ROTOR
 RADIAL
 AXIAL
 DIAGONAL

3. OBJETIVOS
•Conocer y analizar el principio de funcionamiento de la turbina Francis.
•Determinar las características de operación a diferentes presiones de entrada.
•Estudiar la variación de sus respectivas potencias y eficiencias generadas para
cada presión e ingreso del flujo del caudal dado por los álabes de la turbina.

4. TURBINA FRANCIS
 Es una turbina hidráulica de Reacción, Radial y descarga axial.
ELEMENTOS
 ROTOR
 Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de
energía entre la máquina y el fluido.
 ESTATOR
 Parte estatica que proyecta el fluido hacia el rotor
 ALABES DIRECTORES
 Los álabes directores también pueden llegar a funcionar como
reguladores de flujo, abriéndose o cerrándose a manera de válvula para
regular el caudal que entra a la máquina
 CARCAZA
 Cubre el rotor y el estator

5. MATERIALES Y EQUIPOS USADOS
 Turbina Francis.-
 Marca :ARMFIELD HIDRAULIC ENGINEERING Co.
 Tipo : Ns 36 MK2.
 Potencia : 2,5 BHP.
 Velocidad : 1000 RPM.
 Tamaño nominal del rodete :6 “.
 Velocidad especifica :36 RPM.
 Altura neta :20 pies.
 Velocidad de embalamiento máximo:1800 RPM.
 Diámetro de la volante :12 “.
 Diámetro de la entrada :6 “.

6.  Bomba.-
 Motor: Neman Motor INC
 Casco: 2560/DD 2182 BB
 RPM: 3600BB voltaje: 220v
 Ciclo: 60 amperaje: 26A
 Fase: 3 HP=10
 Factor de servicio: 1.15
 Bomba: SIGMUND PUMP LTD.
 Tipo: MN63
 N° serie: 147305

7. FRENO DE CINTA BALANZA
PROUNY
BHP ( LD c arg a).r.w BALANZA SALTIN
Rango: 0-20Kg
Aprox: 100g

8. PESAS REGLA TACOMETRO
Rango1m TACOMETRO SMITH
Aprox: 1mm Rango: 0-2000RPM
APROX: 20RPM

9. ESQUEMA TURBINA FRANCIS DEL LABORATORIO
PROCEDIMIENTO
Tacómetro
Manómetro
1
Volante
(Freno
Turbina
prony)
1.21-h
Pesas
Tanque medidor de
caudal (weirs)
2
Bomba

10. PROCEDIMIENTO

11. TABLA 1. DATOS DEL LABORATORIO
•A una presión de 6psi.
•A 20%, 50% y totalmente abierto, se refiere a las posiciones de los álabes directrices.
TABLA DE DATOS
POSICIÓN 1 (20% abierto) POSICIÓN 2 (50% abierto) POSICIÓN 3 (totalmente abierto)
ALTURA DEL
ALTURA DEL
ALTURA DEL
VELOCIDAD
VELOCIDAD
VELOCIDAD
LINIMETRO
LINIMETRO
LINIMETRO
ANGULAR
ANGULAR
ANGULAR
BALANZA
BALANZA
BALANZA
CARGA
CARGA
CARGA
h1 (cm) D (kg) W (kg) n (RPM) h1 (cm) D (kg) W (kg) n (RPM) h1 (cm) D (kg) W (kg) n (RPM)
1 16.2 0 0 1329 18 0 0 1459 21.5 0 0 1458
2 16.8 1 0.5 1238 18.8 1 0.5 1405 22.5 0.8 0.5 1393
3 17 1.7 1 1213 19.4 1.8 1 1355 22.7 1.7 1 1369
4 17 1.5 1.5 1145 19.8 2.7 1.5 1310 22.9 2.6 1.5 1360
5 17.2 2 2 1051 20 4.2 2.5 1274 23.3 3.4 2 1333
6 17.5 2.5 2.5 1030 20.2 5.9 3.5 1417 23.47 4.2 2.5 1291
7 17.9 3 3 1000 20.6 7.6 4.5 1150 23.9 6 3.5 1212
8 18 3.5 3.5 920 21 9.7 5.5 1119

12. CÁLCULOS Y RESULTADOS
Relaciones utilizadas en los cálculos
CONSTANTES
Peso Específico del AGUA γ 9806,65 N / m3 POTENCIA AL EJE
Aceleración de la gravedad g 9,80665 m / s2 PEJE = T . ω
Presión de INGRESO P2 6 Psi <> 41368.55 Pa D: Lectura del dinamómetro
Diámetro del ducto de ingreso Φ2 0,152 m T = ƒ .R W: Peso de la carga
Diámetro del ducto de salida Φ1 0,25 m
Altura del punto de ingreso h2 1,865 m ƒ=D-W n: RPM
ω = 2 . π . n / 60 R: Radio de la volante
Altura del punto de inicio del linímetro hA 0,655 m
Radio de la volante R 0,152 m PEJE = ( D - W ) . R . 2 . π . n / 60
PEJE = f ( D; W; n)
ÁLABES DIRECTRICES: POSICIONES 1, 2 y 3.
POTENCIA HIDRÁULICA
PH = γ . Q . HT
PH = γ . 1,416 . h15/2 . [ ( P2 - P1) / γ + ( v22 - v12 ) / (2 . g) + ( z2 - z1 ) ]
P1 = 0
Q = vi . Ai
Ai = π . Φi
z2 - z1 = h2 - hA - h1 = 1,21 - h1
PH = γ . 1,416 . h15/2 . [ P2 / γ + ( 1,0025 . h15 ) . ( Φ2-4 - Φ1-4) / ( π2 . g ) + ( 1,21 - h1 ) ]
PH = f (h1)

13. EJEMPLO DE CÁLCULO
Como se repiten los mismos pasos en los cálculos, trabajaremos con un dato y calcularemos todas
sus potencias y eficiencias para así comprobar nuestra veracidad en los resultados. Dato a utilizar:
P= 6 psi, h= 0.170 m, ω= 1213 RPM, LD= 1.7 kgf con una carga de 1 kgf
AL 20 % abiertos los alabes directrices
• Cálculo de la Potencia hidráulica (HPa)
QH E
HPa
n
Donde: HPa = Potencia hidráulica (HP)
= Peso específico (1000 kg/m3)
Q = Caudal (m3/s)
HE = Altura efectiva (mH2O)
N = Factor de conversión (76)
La altura efectiva la definimos mediante la fórmula de Bernoulli aplicada a la disposición que se tiene en el laboratorio:
5
2 2 2
P V1 V 2 Q 1,416h
HE Z V
2g A D2
4
Donde:
Z = Altura geodésica La altura geodésica hace referencia a la diferencia física real en
D1 = Diámetro de entrada = 6’’ altura entre el nivel del líquido en el pozo y el punto más elevado
D2 = Diámetro de salida = 9’’ de la tubería de descarga o el nivel del agua a la salida.
Q = Caudal
P/ = Altura estática
La altura estática que se mide con el manómetro a la entrada de la turbina se mantuvo constante e iguala a 6 psi durante
toda la experiencia, siendo este valor igual a 4,2223 mH2O.

14. Ahora con los datos de cálculo:
2 2
P V1 V 2
HE Z
2g
Z 1.865 0.655 h 1.21 0.170 1.04m
P 6 psi 1kgf 6894.7593Pa
x x 4.223mH 2O
1000 kgf 9.8 N 1 psi
m2
5
Q 1, 416(0.170) 2
V1 0.925 m
A 0.0254m 2 s
(6'' x )
4 1'' 5
Q 1, 416(0.170) 2
V1 0.411 m
A 0.0254m 2 s
(9'' x )
4 1''
HE 5.909m
Entonces la Potencia Hidráulica será:
kgf 9.81N 5
1000 3
x x(1.416h 2 ) x5.909m
QH E m 1kgf
HPa 902.824W Considerando una eficiencia hidráulica de 90%
n 0.9
•Potencia al Freno (BHP)
BHP ( LD c arg a).r.w ………. (3)
Donde: LD: Lectura del dinamómetro
carga: pesas
ω: velocidad angular.
r = 15.5 cm

15. Ahora considerando los datos:
2.
rad / s
9.81N 60
BHP (1.7 1)kgf . .0.155m.1213RPM . 135.203W
1kgf 1RPM
•Eficiencia Total (ηT)
BHP
T
HPa ………. (6)
135.203
T 0.14975 14.98%
902.824

16. EFICIENCIA TOTAL (η)
POSICIÓN 1 POSICIÓN 2 POSICIÓN 3
EFICIENCIA TOTAL
EFICIENCIA TOTAL
EFICIENCIA TOTAL
POTENCIA AL EJE
POTENCIA AL EJE
POTENCIA AL EJE
HIDRÁULICA
HIDRÁULICA
HIDRÁULICA
VELOCIDAD
VELOCIDAD
VELOCIDAD
POTENCIA
POTENCIA
POTENCIA
ANGULAR
ANGULAR
ANGULAR
(en %)
(en %)
(en %)
n (RPM) PH (W) PEJE (W) η n (RPM) PH (W) PEJE (W) η n (RPM) PH (W) PEJE (W) η
1 1329 694,98095 0 1459 1045,07801 1458
0 0 0 0 1772,87045 0
2 1238 760,81147 98,564291 12,9551532 1405 1167,53368 111,54165 9,5536137 1393 635,437845 1995,38934 0,318453063
3 1213 779,66667 135,20345 17,3411872 1355 1265,226 172,60693 13,642379 1369 1457,143065 2042,50461 0,713409929
4 1145 779,66667 182,32005 23,3843592 1310 1333,24292 250,31190 18,774665 1360 1672,605 2090,44219 0,800120189
5 1051 807,99013 266,99936 33,0448787 1274 1368,14 344,86355 25,206744 1333 1937,1807 2188,84819 0,885022865
6 1030 841,09792 328,01686 38,9986537 1417 1403,63978 465,08333 33,134094 1291 1861,1532 2213,98905 0,840633425
7 1000 893,26951 382,15557 42,7816651 1150 1476,47964 567,66025 38,446873 1212 1938,70125 2343,03857 0,827430362
8 920 907,53008 395,53101 43,5832404 1119 1551,82934 748,35615 48,224127
Llenamos la tabla con los cálculos de las potencias y eficiencias
y a continuación presentamos los gráficos
Azul: Posición 1
Rojo: Posición 2
Verde: Posición 3

17. 2500
2000
1500
1000
500
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-500

18. 2500
2000
1500
1000
500
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-500

20. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
•En el punto 6 para la posición 2, se observa que la velocidad de rotación aumenta cuando debería seguir la tendencia de
disminuir, esto arrastra error en el calculo para dicho punto como se puede observar en las graficas, esto ocasiona que las
graficas de la posición 2 sean cóncavas hacia arriba cuando deberían ser iguales a las otras posiciones (cóncavo hacia abajo).
•Las concavidades hacia abajo en las potencias al eje y por lo tanto en las eficiencias indican que a medida que se aumenta la
carga, disminuyen las velocidades de rotación pero aumentan las potencias, de esta manera hasta llegar a una eficiencia
máxima y luego decrecer.
•Los valores mismos de la eficiencia, podemos ver que son bastante bajos, en su mayoría menores a 45% e incluso tan bajos
como 10%. Esto no coincide con las altas eficiencias que las turbinas Francis suelen tener.
•Se observa claramente que a medida que se va abriendo los alabes directrices, las potencias al eje y por tanto las eficiencias
aumentan, cosa que es obviamente lo lógico.
RECOMENDACIONES
•Para obtener un valor más exacto de la eficiencia hidráulica se debe tener las siguientes consideraciones:
• Calibrar el dinamómetro cuando la rueda gire sin carga.
• Colocar las pesas una sobre otra, sin retirar ninguna ya puesta, ya que la variación de presión des calibra el
dinamómetro.
• Conseguir un dinamómetro lo más preciso posible.
• Evitar el calentamiento en la volante, echando agua como líquido refrigerante.
• Teniendo en cuenta la antigüedad de los equipos, asumir que en los resultados existirá un error, ya sea pequeño o
grande, en nuestros resultados finales.
• Es recomendable que la presión de entrada de la turbina sea de 3 o 4 psi, para que la bomba no tenga problemas
de mantenerla por faltas de caudal y hace poder tener más puntos en la tercera serie de datos.