Instrumentación de la instalación de la Facultad de Ingeniería que trabaja con una turbina Francis

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Título :	Instrumentación de la instalación de la Facultad de Ingeniería que trabaja con una turbina Francis
Autor :	Carmona Paredes, Libia Georgina
Fecha de publicación :	2013
Resumen :	Instrumentar la instalación de la Facultad de Ingeniería que trabaja con una turbina tipo Francis para medir durante un transitorio generado por rechazo o demanda de carga las variables hidráulicas y mecánicas en tiempo real y registrarlas en forma digital. Esta instalación está instrumentada únicamente con aparatos analógicos lo que limita que los alumnos de la carrera de Ingeniería Civil puedan observar, medir y analizar las variaciones del gasto, la presión y el par de la turbina durante un transitorio. Disponer de una instalación como la que actualmente tiene el laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería con la instrumentación que se plantea, permitirá además de diseñar nuevas prácticas de laboratorio, realizar pruebas que permitirán validar y calibrar modelos numéricos de simulación de la operación transitoria en turbinas tipo Francis. En este proyecto se aprovechará la experiencia docente y conocimiento del personal académico de la Facultad de Ingeniería que tiene del funcionamiento y operación de la instalación en particular y del laboratorio de Hidráulica en general y la experiencia que tiene el personal del Instituto de Ingeniería para diseñar y desarrollar instrumentos de medición, modelos numéricos de transitorios hidráulicos, software, realizar medidas en laboratorio de transitorios hidráulicos, calibrar y validar sistemas de simulación.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5353
metadata.dc.contributor.responsible:	Carmona Paredes, Libia Georgina
metadata.dcterms.callforproject:	2013
metadata.dc.coverage.temporal:	2013-2015
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura nivel superior
metadata.dc.description.objective:	Instrumentar el modelo del laboratorio de hidráulica de la Facultad de Ingeniería que contiene una turbina tipo Francis, para que los estudiantes de la carrera de Ingeniería Civil puedan realizar prácticas que les muestren la magnitud de los transitorios generados por rechazo y demanda de carga. Esto se realiza registrando en tiempo real las variaciones de las variables hidráulicas y mecánicas durante un transitorio. Disponer de una instalación en Ciudad Universitaria como la que actualmente tiene el laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería con la instrumentación que se plantea, para que además de diseñar nuevas prácticas de laboratorio, se puedan realizar pruebas que permitan validar y calibrar modelos numéricos de simulación de la operación transitoria en turbinas tipo Francis. Este tipo de instalación sería único en su tipo para cualquier institución de docencia y de investigación, y como ya se ha expresado, tendría el doble objetivo de apoyar la docencia de alto nivel y permitir validar modelos matemáticos.
metadata.dc.description.hypothesis:	Los cambios en las condiciones de operación de los sistemas hidráulicos, tanto en los sistemas hidroeléctricos como en los sistemas de bombeo, se conocen como transitorios. Éstos ocurren de manera programada y controlada por los operadores o de manera súbita como consecuencia de eventos imprevistos. En los sistemas hidráulicos que contienen tuberías a presión, los transitorios hidráulicos producidos por cambios súbitos (transitorios rápidos o golpe de ariete) producen grandes variaciones en la presión interna de las tuberías, en el gasto que fluye a través de éstas y en la velocidad de los elementos rodantes de bombas y turbinas. Cambios súbitos en el consumo de energía eléctrica en la red alimentada por un sistema hidroeléctrico y fallas en el suministro de energía eléctrica en plantas de bombeo, generan golpes de ariete. Un golpe de ariete que ocurre en un sistema hidráulico puede causar daños con costos económicos y sociales muy altos. El fenómeno del golpe de ariete se analiza a partir de las ecuaciones dinámica y de continuidad, las cuales son de difícil comprensión a nivel licenciatura, y sólo se dan soluciones simplificadas a este nivel. Este proyecto pretende que a partir de las medidas directas en prototipo el estudiante comprenda mejor el fenómeno, y a la par, se valide un modelo matemático completo a partir de la experimentación.
metadata.dc.description.strategies:	Durante la vida útil de los sistemas hidráulicos se presentan operaciones a gasto establecido y transitorio. Tanto las variables hidráulicas presión y gasto como las mecánicas asociadas a las turbomáquinas instaladas en el sistema en cuestión (velocidad del rotor de la turbina, la posición de los álabes y el par aplicado en la flecha de la turbina, velocidad de las bombas, etc.) se pueden medir manualmente durante la operación a gasto establecido con instrumentos de medición convencionales, como: manómetros (de Bourdón, de U o de U invertida), medidores de gasto (placas orificio, venturi, annubar, medidor de ultrasonido, medidores de propela), tacómetros mecánicos u ópticos, transportador y brazo de palanca con báscula. Durante un transitorio hidráulico, esas mismas variables se registran en tiempo real con instrumentos electrónicos y la información obtenida se almacena en archivos digitales para posteriormente ser analizados. Actualmente, la turbina Francis que se encuentra en la Facultad de Ingeniería no cuenta con los instrumentos adecuados para registrar medidas durante un transitorio. Para poder registrar el transitorio en el modelo físico, las mediciones en tiempo real o dinámicas se obtendrán con un sistema de registro por computadora, incorporando un sistema de adquisición de datos y sensores o transductores para cada una de las variables a medir. Para medir la presión en la instalación se requieren transductores de presión absoluta a la entrada y salida de la turbina y otro transductor de presión diferencial para registrar la caída de presión en la máquina. El gasto se medirá en la tubería de succión instalando un transductor de presión diferencial en un tubo venturi o en una placa orificio y con un medidor de propela con salida electrónica. Para medir la velocidad de rotación de la turbina se instalará un tacómetro electrónico en su flecha, la apertura de los álabes se medirá con un sensor electrónico de posición. El par aplicado a la flecha de la turbina es la variable más compleja de medir, ya que primero se requiere reinstalar el generador eléctrico acoplado a la flecha sobre una base basculante soportada en sensores carga, para que se transmita el contrapar mecánico de la base a los sensores. Finalmente, se instalarán sensores de voltaje y corriente para registrar la carga eléctrica conectada al generador. Todas la señales electrónicas asociadas a cada una de las variables, provenientes de los sensores, se conectarán a un sistema electrónico de amplificación y filtrado (acondicionadores de señal) para posteriormente conectarlas a una tarjeta de adquisición de datos (o tarjeta de conversión analógico digital) que le transmitirá la información a la computadora para su registro. Para registrar los datos en la computadora, se desarrollará un programa de cómputo sobre la plataforma de programación LabVIEW, de National Instruments. El transitorio por rechazo de carga eléctrica se producirá apagando todos los focos del panel conectado al generador, mismos que se encienden con la energía eléctrica que se produce en la instalación. El transitorio por demanda de carga se producirá encendiendo todos los focos. Debido a que la instalación no cuenta con un servomotor que comande el cierre y la apertura de los álabes del distribuidor, se registrarán los transitorios con los álabes del distribuidor fijos. Respecto al modelo matemático para simular la operación transitoria de la turbina, éste estará basado en el propuesto por Wylie y Streeter para simular la operación transitoria de turbinas tipo Francis. Éste se plantea con las ecuaciones característica de la carga en la turbina, característica del par en la flecha de la turbina, dinámica de las masas rotantes del conjunto turbina-generador y la ecuación del gobernador. La simulación de la operación de la turbina como frontera aguas abajo en un sistema con tuberías a presión, se plantea con el modelo para la turbina más las ecuaciones d
metadata.dc.description.goals:	Primer año. 1. Adquirir y en su caso, diseñar y construir los instrumentos para tomar medidas en tiempo real. 2. Realizar las adecuaciones necesarias al modelo hidráulico del laboratorio e instalar los instrumentos de medición. 3. Diseñar prácticas de laboratorio. 4. Implementar en el sistema Trans un modelo matemático de la operación transitoria de turbinas tipo Francis. Segundo año. 1. Desarrollar el software y la electrónica necesarios para la adquisición de datos y su almacenamiento en archivos digitales que puedan ser procesados con cualquier computadora tipo PC. 2. Poner a punto la instalación. 3. Ejecutar las prácticas diseñadas y comparar los registros obtenidos con resultados de simulaciones.
metadata.dc.description.selfAssessment:	Consideramos que el avance y logros del proyecto son muy buenos. Las cuatro metas propuestas para el primer año ya se alcanzaron. El software y la electrónica desarrollados para la adquisición de datos y almacenamiento de información en archivos digitales están concluidos y operando correctamente, aún falta realizar las prácticas de laboratorio propuestas y con los resultados de la práctica de transitorios se podrá valorar el software desarrollado para la simulación de transitorios.
metadata.dc.description.goalsAchieved:	1. Adquirir y en su caso, diseñar y construir los instrumentos para tomar medidas en tiempo real. Se compraron los siguientes instrumentos: ? Tarjeta de adquisición de datos ? Sensor de propela para medir gastos en tiempo real ? Sensor de presión diferencial ? Tacómetro electrónico ? Celda de carga para medir el par en el dinamómetro Se diseñaron, construyeron e instalaron: ? Un dinamómetro-generador ? Una transmisión mecánica para que el generador gire a mayor velocidad de rotación que la turbina hidráulica 2. Realizar las adecuaciones necesarias al modelo hidráulico del laboratorio para instalar los instrumentos de medición e instalarlos. Se desarmó el generador y se le dio mantenimiento general (limpieza, rectificado de colector, cambio de carbones y baleros). Se diseñaron y fabricaron elementos mecánicos para cambiar el soporte fijo del generador a un soporte embalado (baleros exteriores) que permite que su carcasa transmita la fuerza de reacción a la celda de carga a través de un brazo de palanca para conocer el par transmitido de la turbina al generador. Se modificó la transmisión turbina-generador 3. Diseñar prácticas de laboratorio. Se diseñó una práctica para que los alumnos obtengan el diagrama de colina de la turbina del laboratorio con las características como la presentan los fabricantes de turbinas; a diferencia de como la obtienen, que corresponde a la presentación de una bomba. Se diseñó una práctica para generar una operación transitoria, registrar la variación de las variables hidráulicas y mecánicas con la nueva instrumentación y realizar una simulación numérica con el software desarrollado para este propósito. Esta práctica aún no se ha realizado. 4. Implementar en el sistema Trans un modelo matemático de la operación transitoria de turbinas tipo Francis. Se desarrolló un sistema de simulación de transitorios hidráulicos en tuberías a presión en el que el transitorio es producido por la demanda o rechazo de carga en una turbina tipo Francis. 5. Se instalaron los instrumentos analógicos, se obtuvieron los primeros registros y se probó el buen funcionamiento del software y la electrónica desarrollados para la adquisición de datos y almacenamiento en archivos digitales.
metadata.dcterms.provenance:	Instituto de Ingeniería (II)
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ingenierías
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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