Progettazione Turbine Idrauliche: Principi Fondamentali
Fin dalle origini, quella idroelettrica è stata ed è ancora, fra le più importanti e primissime fonti di energia rinnovabile al mondo. In Italia, copre il 10-15% del fabbisogno energetico nazionale.
Principi di Funzionamento delle Turbine Idrauliche
Nel campo delle piccole portate, si collocano molto bene le turbine a vite idraulica e le micro-turbine, prodotte in base alla disponibilità dell’acqua dovuta alle fluttuazioni del territorio. L’energia potenziale e cinetica dell’acqua si trasforma in energia meccanica disponibile all’albero della turbina e quindi, mediante il generatore, in energia elettrica.
Una turbina è costituita di un complesso detto generalmente stadio, formato da una parte fissa detto distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina, viene regolato mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento. Nel caso della produzione elettrica il movimento rotatorio del rotore viene quindi trasferito mediante un’albero ad un alternatore che produce quindi energia elettrica.
Le turbine idrauliche appartengono alla categoria delle macchine motrici e possono essere classificate in base a vari criteri ma quello più comunemente usato è relativo alla trasformazione dell’ energia che in esse avviene. Le distinguiamo quindi in turbine ad AZIONE e a REAZIONE.
Turbine ad Azione
Nelle turbine ad azione l’energia cinetica del fluido viene incrementata esclusivamente nel distributore e poi il fluido viene utilizzato per far muovere la girante. Appartengono alla prima categoria le PELTON dove l’energia potenziale, Ep = mgH (m=massa, g= accelerazione di gravità, H= salto) si trasforma in energia cinetica con v= velocità del fluido prima di agire sulle pale della ruota.
Turbina Pelton
La turbina Pelton è tipo di turbina ad azione attualmente più utilizzato. La turbina di tipo Pelton è la più semplice nel funzionamento. Per essere chiari il suo principio di funzionamento rispecchia quello della classica ruota a pale dei vecchi mulini, solo che qui è rivisto e corretto per aumentarne l’efficenza. In pratica l’acqua viene convogliata nella condotta forzata la quale ha alla fine un’ugello, ossia una strozzatura che fa aumentare la velocità dell’acqua indirizzandone i filetti fluidi.
In pratica l’acqua viene incanalata in una condotta forzata, al termine della condotta è presente un’ugello regolabile. Le turbine Pelton vengono utilizzate soprattutto nei bacini idroelettrici alpini, per salti d’acqua medio alti che vanno dai 50 ai 1200 metri. Il distributore a più getti consente la migliore regolazione della portata allo scopo di ottimizzare l’efficienza energetica dell’intera macchina.
Per aumentare l’efficenza del getto è necessario che l’ugello si trovi il più vicino possibile alla girante in modo tale da minimizzare la perdita di pressione. Per far questo i cucchiai vengono sagomati in modo opportuno con una scanalatura al centro per consentire che il getto colpisca una pala alla volta e per far si che tutta l’energia del getto non vada sprecata ma venga ceduta alla superficie del cucchiaio durante il suo movimento.
Turbine a Reazione
Nelle turbine a reazione l’energia cinetica del fluido viene incrementata anche o esclusivamente nel rotore. Sono a REAZIONE le turbine FRANCIS e le turbine KAPLAN. Alle rispettive giranti è demandato il compito di trasformare in energia cinetica la restante parte di energia potenziale ancora disponibile.
Turbina Francis
Le turbine Francis sono molto diffuse e sfruttano il dislivello d’acqua compreso tra una decina e qualche centinaio di metri. Il distributore vero e proprio, solitamente con pale regolabili, indirizza invece l’acqua verso le palette della girante. In base alla potenza, possono essere considerate piccole, medie e grandi. su un ampio campo di portate.
Turbina Kaplan
Le turbine Kaplan permettono numerose applicazioni, anche in settori molto diversi. Sono utilizzate in presenza di salti generalmente piccoli e fino a una cinquantina di metri. che può giungere fino a un centinaio di metri cubi al secondo. Possono essere costruite con l’asse verticale, orizzontale o inclinato, nonché in camera asciutta o bagnata.
Con la doppia regolazione si possono ottenere maggiori vantaggi, sia sulla modulazione delle portate che sulle prevalenze. fisso e le pale regolabili, in questo caso la turbina risulta a semplice regolazione, detta anche mono-regolante.
Turbina a Bulbo
Le turbine a Bulbo sono ricavate dalle turbine Kaplan e risultano molto più semplici. La turbina a bulbo è un tipo di turbina appartenente alla famiglia delle Kaplan, molto semplice in quanto è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Vengono solitamente utilizzate su livelli di qualche metro. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro).
Altre Turbine
Le turbine a Vite idraulica o Coclea sono conosciute anche come ruota di Archimede. Le Mini turbine sono la soluzione ideale per disporre di energia elettrica soprattutto nelle zone non asservite dalla rete di distribuzione.
La turbina Ghatta è una turbina ad asse verticale solitamente usata per azionare direttamente macchine utensili o mulini.
Considerazioni sulla Progettazione
Le turbine prodotte da Misa, sono macchine speciali customizzate, adatte alle più svariate applicazioni e con ottimi rendimenti in ampi range di portate e salti geodetici. velocità di rotazione, unitamente allo studio fluidodinamico C.F.D. sono i fattori determinanti in grado di garantire un elevato standard di qualità, richiesto per servizio H24.
La plausibile regolazione avviene con l’impiego di azionamenti a velocità variabile. di energia elettrica, per il settore Pubblico e Privato. manutenzione di tutte le opere costruite, compreso il contratto di sorveglianza. L’attestazione SOA in categoria OG9 class.
Supponiamo di avere una turbina funzionante con H, Q, n e di voler utilizzare la stessa girante con un salto H’ diverso da H. Trattasi di velocità periferica u, assoluta v e relativa w. Dato che la girante non è cambiata anche la portata attraverso il canale palare dovrà variare in funzione della nuova velocità w’.
La stessa girante anziché operare sotto il salto H facciamola funzionare sotto il salto di 1 m. Ora vediamo come le relazioni precedenti ci permettono di scriverne quelle relative al cambiamento del diametro della girante passando dal valore D al valore di 1 m. Tutte le dimensioni geometriche della ruota varieranno nello stesso rapporto fino ad ottenere il diametro di 1m.
Sappiamo che il salto è H =1 m e quindi la velocità assoluta all’ingresso della nuova ruota sarà la stessa rispetto a quella di diametro D. Ciò ci permette di affermare che anche le altre velocità rimarranno invariate perché legate fra di loro dal triangolo delle velocità.
Le velocità abbiamo visto che non sono cambiate pertanto necessariamente dovrà variare la portata maltita dalla nuova girante nello stesso rapporto della variazione delle rispettive sezioni di passaggio dell’acqua e quindi anche nel rapporto dei rispettivi diametri.
Una delle espressioni più usate per classificare una girante è quella che ci permette di calcolare il suo “ Numero di Giri Caratteristico” . Esso rappresenta la velocità n in rpm (revolution per minute) di una girante simile a quella che si considera sotto il salto di H = 1 m e la portata Q=1 m3/s. La classificazione lente, medie, veloci non è legato al numero di giri di funzionamento ma al valore di nq .
Sia data una turbina funzionante con H-Q-n e con ruota di diametro D. Alimentiamo la stessa ruota con H=1 m (ricaviamo Q1 e n1) e quindi con Qc=1 m3/s . I costruttori di turbine idrauliche hanno a disposizione per una serie discreta di nq uno o più modelli testati in laboratorio. In funzione dei dati di progetto si calcola velocemente nq e si sceglierà quello più prossimo a disposizione.
Le prove di laboratorio hanno soprattutto lo scopo di determinare i rendimenti che la turbina può fornire. Questa campagna di prove oltre a fornire numerose indicazioni di comportamento della turbina permette di disegnare un diagramma detto “ collinare “ che in funzione di H e Q o altre grandezze a loro legate ci permettono di determinare il rendimento della turbina in quel punto di funzionamento.
In genere il rendimento del prototipo è superiore rispetto a quello ottenuto dal modello perché per esempio le perdite di attrito nei passaggi idraulici hanno una influenza minore.
Le prove su modello oltre ad essere un potente strumento di indagine per chi studia nuove macchine può essere altrettanto utile ed importante per i committenti che vogliono accertarsi prima della costruzione della turbina industriale il suo futuro comportamento su scala ridotta, ovvero testare la fascia di operazione a cui è chiamata ad operare la futura macchina.
Una delle prove standard è quella di determinare in quali condizioni di salto e portata si maifesta la “Torcia” ovvero quella specie di coda di bollicine che si origina sotto la ruota. Tale fenomeno produce instabilità operativa e fluttuazioni di potenza più o meno evidenti.
Importante è accertarsi che l’ insorgere della torcia sia fuori dalla fascia normale di operazione. Come sopra accennato i coefficienti che possono essere utilizzati per la determinazione degli assi di un collinare e/o di individuazione del tipo di macchina son vari.
Quando abbiamo a che fare con le turbine a reazione un componente di grande importanza è costituito dal Gomito di Scarico a cui è demandato soprattutto il compito di recuperare l’energia cinetica all’uscita della girante in energia di pressione, ovvero recupero del salto che contrariamente andrebbe perso. Questa trasformazione diventa vitale nelle turbine a basso salto come per es. le Kaplan poiché la percentuale di energia persa sarebbe significativa comparata al salto disponibile.
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