Turbine Idrauliche a Basso Salto: Funzionamento e Tipologie
Fin dalle origini, l'energia idroelettrica è stata ed è ancora una delle più importanti fonti di energia rinnovabile al mondo. In Italia, copre il 10-15% del fabbisogno energetico nazionale.
Principio di Funzionamento
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.
Tipologie di Turbine Idrauliche
Le turbine idrauliche si dividono in tre grandi tipologie, che variano a seconda della quantità d’acqua (portata) e del dislivello o ‘salto idraulico’ disponibili.
Turbine Pelton
In presenza di grandi salti, superiori ai 100/150 m e con portate contenute, normalmente inferiori ai 10 m3/s, si utilizza la turbina Pelton. Le turbine Pelton vengono utilizzate soprattutto nei bacini idroelettrici alpini, per salti d’acqua medio-alti che vanno dai 50 ai 1200 metri. Sono usate per le centrali idroelettriche a grande salto, da alcune centinaia di metri fino a un chilometro, che sorgono nelle zone di montagna dove vengono sfruttate cascate naturali con piccole portate d’acqua.
Le turbine Pelton possono essere dotate di 1 o più ugelli di iniezione (max 6). Il distributore a più getti consente la migliore regolazione della portata allo scopo di ottimizzare l’efficienza energetica dell’intera macchina. Devono essere adeguatamente protette dal distacco del carico, manovra che potrebbe portare la turbina a velocità di fuga distruttive. Sono dotate allo scopo di tegolo deviatore. All’uscita della pala la velocità dell’acqua è quasi nulla, per cui la cassa che contiene ruota e ugelli iniettori non deve resistere a nessuna pressione particolare e può quindi essere di costruzione leggera.
Turbine Francis
In presenza di un salto medio, compreso tra i 20 m ed i 100/150 m circa e di una portata d’acqua media, generalmente viene utilizzata la turbina Francis. Le turbine Francis sono molto diffuse e sfruttano il dislivello d’acqua compreso tra una decina e qualche centinaio di metri. Le Francis sono adatte se il dislivello d’acqua è contenuto, da una decina a qualche centinaio di metri, la centrale è detta a medio salto e, situate in zone di montagna, utilizza turbine a reazione di questa tipologia.
Questo tipo di macchina ha una sola regolazione: le pale del distributore si muovono per gestire al meglio il flusso di acqua e lo indirizzano alla girante che è costituita da profili idraulici fissi. Le turbine Francis sono infatti turbine a reazione, dove l’acqua si muove come in una condotta in pressione. Il distributore a pale regolabili (cassa a spirale), convoglia l’acqua alla girante a pale fisse. Il distributore vero e proprio, solitamente con pale regolabili, indirizza invece l’acqua verso le palette della girante. La cassa a spirale ha dimensioni notevoli rispetto alla girante. In questo tipo di turbine l’alimentazione è quasi sempre radiale mentre lo scarico è assiale.
In base alla potenza, possono essere considerate piccole, medie e grandi.
Turbine Kaplan
Per piccoli salti e portate molto grandi la tipologia più usata è la turbina Kaplan, dalla forma molto simile alle eliche delle barche. 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. Le Kaplan sono idonee per le centrali idroelettriche ad acqua fluente, il salto è generalmente piccolo, fino a una cinquantina di metri, perché si sfrutta la grossa portata del fiume, che può giungere fino a centinaia di metri cubi al secondo e le turbine che vengono utilizzate in questi casi sono chiamate Kaplan.
Le turbine Kaplan sono turbine a reazione a flusso assiale, utilizzate generalmente per bassi salti. 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.
Esistono modelli con il distributore fisso e le pale regolabili; in questo caso la turbina risulta a semplice regolazione, detta anche mono-regolante.
Turbine a Bulbo
Le turbine a Bulbo sono ricavate dalle turbine Kaplan e risultano molto più semplici. Vengono solitamente utilizzate su livelli di qualche metro.
Turbine a Vite Idraulica (Coclea)
Le turbine a Vite idraulica o Coclea sono conosciute anche come ruota di Archimede. Le turbine a coclea sono utilizzate persalti da 1 a 10 metri e portate d’acqua da 0,5 a 6 m3/sec. La caratteristica più importante di queste turbine è che, diversamente da Kaplan e Francis, continuano a funzionare anche con minime portate d’acqua. Ciò le rende particolarmente adatte a corsi d’acqua con portate irregolari. Non necessitano inoltre di grandi opere civili per le operazioni di filtrazione e grigliatura.
Turbine Banki-Michell
Questa turbina ad azione, conosciuta anche come turbina Banki - Michell (gli inventori), utilizza una gamma molto ampia di portate (tra 20 l/s e 10 m3/s) e salti tra 5 m e 200 m. Il suo rendimento massimo è inferiore ad altre macchine ad azione (circa l’87%) però si mantiene quasi costante fino a portate molto basse (16% della portata nominale). L'acqua entra nella turbina attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota. Il flusso che abbandona il primo stadio, cambia direzione al centro della ruota e si infila nel secondo stadio. Questo avviene in due passaggi: prima attraverso un distributore e poi attraverso una girante.
Mini Turbine
Le Mini turbine sono la soluzione ideale per disporre di energia elettrica soprattutto nelle zone non asservite dalla rete di distribuzione.
Turbine Speciali Customizzate
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.
Considerazioni Finali
L'acqua è la fonte rinnovabile per eccellenza per produrre energia pulita e rinnovabile, da sempre utilizzata dall'uomo in molteplici applicazioni ancor prima della conoscenza e sfruttamento per generare l’energia elettrica.
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. La plausibile regolazione avviene con l’impiego di azionamenti a velocità variabile.
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.
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