Una turbina idraulica è un dispositivo in grado di trasformare l'energia cinetica dell'acqua in energia meccanica. Si tratta di un elemento imprescindibile delle centrali idroelettriche, dal rendimento molto elevato.
In base a quanto spiegato da Enel, il rendimento delle turbine è molto elevato: “Si stima che le turbine siano in grado di convertire in energia meccanica oltre il 90% dell’energia cinetica dell’acqua che intercettano”.
Cos'è una Turbina Idraulica?
La turbina è un elemento chiave delle centrali idroelettriche. Raccoglie l’energia cinetica dell’acqua e la trasforma in energia meccanica.
Com'è fatta una turbina
La turbina serve a convertire l’energia cinetica dell’acqua, ossia la forza legata al movimento. È costituita da due diverse parti: un distributore che serve a regolare il flusso d'acqua che entra nella turbina e una ruota (detta anche girante), installata per trasferire l’energia cinetica sottratta all’acqua all’albero su cui è montata la ruota.
Come Funziona una Centrale Idroelettrica?
Stiamo parlando di un impianto che trasforma l'energia cinetica dell'acqua in energia meccanica e infine in elettricità. Innanzitutto serve un bacino d'acqua creato da uno sbarramento artificiale (diga): da qui, attraverso una condotta forzata, l'acqua a grande velocità fa girare una turbina idraulica che attraverso un generatore e un trasformatore produce energia elettrica.
Tipologie di Turbine Idrauliche
I tipi principali di turbina, a seconda della portata dell'acqua o del dislivello, sono tre: turbina Francis, turbina Pelton e turbina Kaplan. Sono tre le tipologie di turbina idroelettrica più usate nelle centrali italiane e si tratta dei modelli Francis, Pelton e Kaplan.
Turbina Pelton
La turbina Pelton è stata realizzata nel 1879 dal carpentiere e inventore americano Lester Allan Pelton, da cui appunto deve il nome. Sostanzialmente funziona come una ruota di un vecchio mulino: l’acqua viene spinta nella condotta che, attraverso una strozzatura, ne aumenta la velocità del flusso. Il getto colpisce quindi delle grandi pale fatti come dei grandi cucchiai.
La Pelton è usata nelle centrali realizzate su grandi dislivelli - tra i 300 e i 1400 metri - e con portate di acqua intorno ai 50 metri cubi al secondo, così da ottenere velocità più elevate.
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.
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.
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. La turbina Pelton è tipo di turbina ad azione attualmente più utilizzato.
Nella figura sottostante è schematicamente rappresentata una turbina Pelton ad asse orizzontale e ad un getto: come si può osservare dalla figura, l'acqua, incanalata per mezzo di una condotta, giunge al livello della macchina in condizioni di elevata pressione che viene trasformata in energia cinetica nella parte terminale del distributore (boccaglio o ugello), a sezione decrescente e che scarica in aria alla pressione atmosferica.
All'interno del boccaglio è presente un otturatore (spina Doble) a bassa resistenza che permette la regolazione della portata erogata: l'avanzamento o l'arretramento della spina determina, infatti, la variazione della sezione di passaggio, a velocità d'efflusso pressoché costante, con conseguente variazione della portata fluente.
Il getto in uscita dal distributore alimenta tangenzialmente la girante ed interagisce con le pale che, come si può osservare dalla figura, hanno la forma di un doppio cucchiaio. Il getto, che colpisce la pala quasi centralmente, è ripartito nei due cucchiai ed è deviato di quasi 180°, conservando una componente ortogonale al getto che consente lo smaltimento laterale della portata.
Il numero ed il passo delle pale saranno determinati in modo che il getto agisca su tutte le superfici delle pale senza che una parte passi liberamente fra esse e che la portata possa essere liberamente smaltita, passando fra una pala e quella adiacente, senza pericolo d'urto sul dorso di questa.
Turbina Francis
La turbina Francis è stata inventata nel 1848 ed è chiamata così dal nome dell’ingegnere angloamericano che l’ha studiata. È il tipo più usato e funziona a flusso centripeto: l'acqua entra nella turbina, raggiunge la ruota girante attraverso condotto a chiocciola e delle palette che spingono il flusso.
Viene usata per i dislivelli di media profondità: dai 10 ai 400 metri. Ha una capacità di portare acqua fino a 100 metri cubi al secondo.
La turbina Francis, schematicamente rappresentata qui di seguito, è una macchina a reazione a vena chiusa, vale a dire senza punti di contatto con l'atmosfera e con pressione variabile da punto a punto tra l'ingresso del distributore e l'uscita della girante. Nella figura sono evidenziati il distributore a chiocciola che distribuisce l'acqua a tutta la periferia, il distributore palettato (2) che indirizza il fluido alla girante con un'appropriata direzione.
Le pale del distributore possono essere ruotate mediante un sistema di leveraggi servo- comandati attorno ad un asse uscente dalla cassa della macchina (vedi le figure affianco) in modo da variare l'inclinazione delle pale stesse e, quindi, la portata fluente. Come si può osservare dalla figura accanto, in tal modo si alterano i triangoli di velocità in ingresso della girante, le cui pale sono fisse, con conseguente caduta del rendimento ai carichi parziali più sensibile che nel caso della turbina Pelton.
Turbina Kaplan
È invece la più ‘recente’ la turbina Kaplan, in funzione fin dal 1913. Deve il suo nome al professore austriaco Viktor Kaplan e funziona sul principio dell’elica di una nave.
La Kaplan è una turbina di tipo assiale, ossia il flusso dell’acqua che entra fa girare le pale dell’elica ed esce dalla turbina in ‘direzione assiale’ rispetto all’asse di rotazione della ruota girante. La Kaplan è una turbina ad ottimo rendimento in qualsiasi condizione del bacino: sia in presenza di piccoli dislivelli e sia con portate più importanti, a partire dai 200 metri cubi al secondo.
Il principio di funzionamento di una turbina di tipo Kaplan è quello dell’elica di una nave.
Le turbine Kaplan sono turbine a reazione a flusso assiale, utilizzate generalmente per bassi salti.
Altri tipi di turbine
- Turbina ad azione sviluppata nel 1919 da Gilkes: una Pelton modificata. Il primo brevetto di questa turbina è ad opera dell’australiano Antony Michell del 1903.
- 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. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro).
- Turbina Ghatta: è una turbina ad asse verticale solitamente usata per azionare direttamente macchine utensili o mulini.
- Turbina 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.
- 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.
Classificazione delle Turbine Idrauliche
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: 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.
- Turbine a REAZIONE: 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.
Secondo questo criterio, le turbine idrauliche si suddividono in turbine radiali (centripete) e a flusso misto (turbine Francis), assiali a pale fisse o mobili (Kaplan) e ruote tangenziali (Pelton).
In base a questo criterio le motrici idrauliche possono essere inoltre suddivise in motrici ad asse orizzontale o verticale, a vena (o camera) libera o chiusa, semplici o pluristadio.
Secondo questo criterio le turbine sono classificate in base al salto motore o, preferibilmente, al numero di giri caratteristico.
È un criterio basato sul grado di reazione, vale a dire sulla quantità dell'energia messa a disposizione della macchina che è trasformata in energia cinetica nel distributore o a cavallo della girante. Se tutto il salto motore è trasformato in energia cinetica nel distributore, la macchina è detta ad "azione", a "reazione", invece, quando il salto è trasformato in parte nel distributore ed in parte nella girante.
A pari velocità periferica, le macchine ad azione forniscono i lavori maggiori o a pari lavoro fornito, richiedono le minori velocità periferiche.
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