Le turbine idrauliche sono macchine motrici di fondamentale importanza nel settore dell'energia idroelettrica. La loro classificazione può avvenire in base a diversi criteri, ma il più comune riguarda la trasformazione dell'energia che avviene al loro interno. Distinguiamo quindi le turbine in due categorie principali: turbine ad AZIONE e turbine a REAZIONE.
Turbine ad Azione (Pelton)
Le turbine ad azione, come le Pelton, trasformano l'energia potenziale Ep = mgH (dove m è la massa, g è l'accelerazione di gravità e H è il salto) in energia cinetica. In queste turbine, la velocità del fluido (v) è calcolata prima che esso agisca sulle pale della ruota.
Turbine a Reazione (Francis e Kaplan)
Le turbine a reazione, come le Francis e le Kaplan, utilizzano le giranti per trasformare in energia cinetica la restante parte di energia potenziale ancora disponibile. Alle rispettive giranti è demandato il compito di trasformare in energia cinetica la restante parte di energia potenziale ancora disponibile.
Calcolo della Potenza del Gruppo Generatore
L'espressione usata per il calcolo della potenza del gruppo generatore è simile a quella delle turbine, ma in questo caso il rendimento della turbina va sostituito con quello complessivo, ottenuto dal prodotto dei rendimenti dei singoli componenti (turbina, alternatore, trasformatore). Alla potenza ottenuta dovrà essere sottratta quella relativa alle perdite meccaniche e volumetriche.
Rendimento
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.
Numero di Giri Caratteristico
Un'espressione usata per classificare una girante è quella che 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 .
Variazioni del Diametro della Girante
Considerando una turbina funzionante con specifici valori di H, Q e n, e volendo utilizzare la stessa girante con un salto H' diverso da H, è necessario considerare le variazioni 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’.
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.
Gomito di Scarico
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.
Test di Laboratorio e Curve Collinari
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.
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.
Torcia
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.
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