Turbine Idrauliche a Reazione: Funzionamento e Caratteristiche
Le turbine idrauliche sono componenti fondamentali degli impianti idroelettrici. Esse appartengono alla categoria delle macchine motrici e possono essere classificate in base a vari criteri, tra cui la trasformazione dell'energia che avviene al loro interno. In generale, le turbine si dividono in due categorie principali: turbine ad azione e turbine a reazione.
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. Un esempio tipico è la turbina Pelton, attualmente la più utilizzata tra le turbine ad azione.
Turbine a Reazione: Principio di Funzionamento
Nelle turbine a reazione, l'energia cinetica del fluido viene incrementata anche, o esclusivamente, nel rotore. Tali turbine sono chiamate in questo modo perché nel distributore non tutta l'energia potenziale di pressione viene trasformata in cinetica; la parte restante si trasforma nella girante. Questo implica che esse presentano un grado di reazione diverso da zero (generalmente compreso tra 0.3 e 0.8).
Componenti e Funzionamento Dettagliato
Una turbina è costituita da uno stadio, formato da una parte fissa detta distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina e viene regolato mediante il distributore, agendo sulle pale del rotore e mettendolo in movimento. Nel contesto della produzione elettrica, il movimento rotatorio del rotore viene trasferito tramite un albero a un alternatore, che produce energia elettrica.
L'acqua, percorrendo la chiocciola "C", arriva nel distributore "D". Le pale del distributore presentano un restringimento della sezione che serve a ridurre la pressione dell'acqua, al fine di aumentarne la velocità all'entrata della girante "G". Anche nella girante è presente una riduzione radiale delle pale per trasformare in cinetica l'energia di pressione non trasformata dal distributore.
Tipologie di Turbine a Reazione
Tra le turbine a reazione più comuni troviamo:
- Turbina Francis: Considerata una "miniturbina" adatta per potenze di almeno 100 kW e salti d'acqua indicativamente tra 10 e 350 metri. In questa turbina, l'acqua che attraversa il distributore giunge alla girante in pressione e non entra in contatto con l'aria esterna.
- Turbina Kaplan: Il principio di funzionamento di una turbina di tipo Kaplan è simile a quello dell'elica di una nave. In alcuni casi, sia le pale della girante che quelle del distributore possono essere regolate, configurando una Kaplan "a doppia regolazione". Esiste anche una variante semplificata chiamata turbina "ad elica", con distributore e pale della ruota completamente fisse e non regolabili.
- Turbina a Bulbo: Appartenente alla famiglia delle Kaplan, questa turbina è molto semplice perché è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Viene impiegata su dislivelli ridotti, di pochi metri.
Altri Tipi di Turbine
- Turbina Ghatta: Una turbina ad asse verticale solitamente usata per azionare direttamente macchine utensili o mulini.
- Microturbina Pelton: Utilizzata comunemente negli impianti con salti notevoli (dai 20 ai 200 metri) ma con portate d'acqua anche limitate (da 0,5 a 100 litri al secondo). Disponibile in diverse taglie e versioni (asse orizzontale e verticale), è caratterizzata da pale a doppio cucchiaio realizzate in acciaio inox.
- Microturbina Banki (Cross-Flow): Adatta per salti d'acqua tra 5 e 100 metri e portate da 20 a 1000 litri al secondo. Questa turbina a due stadi consente una doppia azione dell'acqua sulle pale, mantenendo un rendimento elettrico attorno all'87%.
Importanza del Gomito di Scarico
Nelle turbine a reazione, un componente di grande importanza è il gomito di scarico. Esso ha il compito di recuperare l'energia cinetica all'uscita della girante trasformandola in energia di pressione, recuperando così il salto che altrimenti andrebbe perso. Questa trasformazione è vitale nelle turbine a basso salto, come le Kaplan, dove la percentuale di energia persa sarebbe significativa rispetto al salto disponibile.
Numero di Giri Caratteristico
Un'espressione utilizzata per classificare una girante è il "Numero di Giri Caratteristico", che rappresenta la velocità (in rpm) di una girante simile a quella considerata sotto un salto di H = 1 m e una portata Q = 1 m³/s. La classificazione (lente, medie, veloci) è legata al valore di questo numero.
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