IMPACT JET

EFECTO DEL CHOQUE DEL FLUIDO SOBRE EL ÁLABE

Una forma de producir trabajo a partir de un fluido a presión, es incrementar su velocidad haciéndolo pasar a través de un jet (reducción del área en una tubería). El chorro de agua a velocidad V  impactará las paletas o álabes de la rueda pelton, y generará un par haciendo que la ruda gire y genere energía.

EQUIPO

Consta de una boquilla de agua, un conjunto de álabes con diferentes superficies de impacto, un peso, un soporte que permite la variación de la posición del peso y una cobertura para permitir la recirculación del agua y evitar pérdidas.

Imagen 1. Máquina para experimento Impact Jet.

Imagen 2. Partes del Impact Jet.

El equipo ofrece la posibilidad de cambiar el álabe sobre el cual impacta el chorro de agua. El primero tiene la superficie de impacto plana, y el segundo tiene la superficie de impacto cóncava. Se pueden apreciar en las imágenes 3 y 4.

Imagen 3. Álabe plano

Imagen 4. Álabe esférico

Imagen 5. Peso (600gr).

Es importante destacar que a la barra de soporte del peso esta colgado un pequeño cilindro que tiene la marca referencia, es decir, tiene dos muescas que tienen una distancia con la cual posteriormente se calculará la velocidad del fluido.

Imagen 6. Referencia. (Distancia entre muescas = 1.155 cm)

EXPERIMENTACIÓN

Materiales:

• Equipo Impact Jet
• Tanque de almacenamiento de agua con bomba de agua.

Procedimiento:

Imagen 7. Montaje experinemtal

Primero, se hace el montaje del equipo Impact Jet sobre el tanque de almacenamiento de agua de la misma manera como se monto en el equipo de la rueda petlon. Se conecta la manguera de suministro a la entrada del equipo y el tubo de desagüe se pone sobre el orificio de recirculación del tanque de almacenamiento como se muestra en la imagen 7.

Con la maquina apagada, se pone el álabe de superficie plana y se posiciona el peso de 600 gr en la posición de inicio y=0. Se enciende la bomba y se abre la válvula de manera constante y se mide el tiempo que toma le toma a la referencia hacer el recorrido entre sus muescas. Una vez el chorro de agua impacta el álabe, este comenzara a subir junto con la el soporte y la referencia, la imagen 8 muestra resaltada la referencia y la distancia entre sus muescas.

Imagen 8. Posicionamiento del peso y la distancia entre las muescas.

Luego, se posiciona el peso cada 10 milímetros a los largo del brazo hasta que el chorro no sea capaz de levantar el peso. (En cada posición es necesario medir el tiempo).
Después de tomar los tiempos con el álabe plano se cambia el por el de forma esférica y se repite el procedimiento descrito anteriormente para tomar los tiempos en cada posición del peso.

Imagen 9. Medición del tiempo en diferentes posiciones del peso con el álabe esférico. 

Datos obtenidos:

• Velocidad: para el calculo de la velocidad se divide la distancia entre las muescas de la referencia entre el tiempo para cada posición del peso.
• Flujo másico: el flujo másico de agua se calcula multiplicando la velocidad por la densidad del agua por el área de la sección transversal de la boquilla.   

                                                                ṁ=V*ρ*A

• Fuerza: la fuerza esta relacionada con la gravedad y la distancia Y (posición del peso).

                                                                F= 4*g*Y

Posición Y (mm)	Tiempo t (s)	Velocidad (m/s)	Flujo (Kg/s)	Fuerza (N)
0	6,23	0,001853933	0,000145608	0
10	7,643	0,001511187	0,000118688	0,3924
20	10,1	0,001143564	8,98153E-05	0,7848
30	10,473	0,001102836	8,66165E-05	1,1772
40	13,263	0,000870844	6,83959E-05	1,5696
45	15,22	0,00075887	5,96015E-05	1,7658

           Tabla 1. Datos obtenidos en azul y datos calculados en rojo para el álabe plano.

Posición Y (mm)	Tiempo t (s)	Velocidad (m/s)	Flujo (Kg/s)	Fuerza (N)
0	6,185	0,001867421	0,000146667	0
10	6,22	0,001856913	0,000145842	0,3924
20	7,166	0,001611778	0,000126589	0,7848
30	7,206	0,001602831	0,000125886	1,1772
40	7,745	0,001491285	0,000117125	1,5696
50	7,84	0,001473214	0,000115706	1,962
60	8,59	0,001344587	0,000105604	2,3544
70	8,613	0,001340996	0,000105322	2,7468
80	9,326	0,001238473	9,72694E-05	3,1392
90	10,023	0,00115235	9,05053E-05	3,5316
100	10,333	0,001117778	8,77901E-05	3,924
110	11,423	0,001011118	7,9413E-05	4,3164
120	12,376	0,000933258	7,32979E-05	4,7088
130	15,393	0,000750341	5,89316E-05	5,1012
140	18,493	0,000624561	4,90529E-05	5,4936

            Tabla 2. Datos obtenidos en azul y datos calculados en rojo para el álabe esférico.

GRÁFICAS

Las siguientes gráficas muestraan el desempeño de el equipo Impact Jet con cada álabe.

A la izquierda las gráficas de Impact Jet con álabe plano y a la derecha con Impact Jet con álabe esférico. 

CONCLUSIONES 

Evidentemente la forma de la superficie de choque en el álabe influye en el aprovechamiento de la fuerza que ejerce el chorro de agua. En el álabe plano el agua que choca contra la superficie se dispersa de manera desordenada sin aprovechar la totalidad de la energía que lleva el chorro de agua. Mientras que en el álabe esférico la superficie de choque OBLIGA a que el chorro de agua cambie su sentido de flujo en 180° lo que hace un aprovechamiento máximo de la energía que tiene.

Con el álabe plano, el peso solo se puede poner hasta la posición Y=45 mm, por otro lado, con el álabe esférico, el peso se puede poner hasta la posición Y=140 mm, lo que quiere decir que la fuerza que ejerce el fluido es mas aprovechable con el alabe esférico,

Los resultados de la experimentación se ven afectados porque la apertura de la válvula de la bomba se hace de manera manual, y no se puede controlar la velocidad de apertura, que para este ejercicio es necesario que siempre sea constante. Por esto, fue necesario tomar varios tiempos en cada posición y los valores registrados en la tabla son el el valor promedio de estos.

VIDEOS

El funcionamiento del equipo Impact Jet se puede apreciar en los siguientes videos.

Funcionamiento de Impact Jet con álabe plano.

Funcionamiento de Impact Jet con álabe plano

Funcionamiento de Impact Jet con álabe esférico