Le turbine idrauliche sono macchine motrici che sfruttano l'energia dell'acqua per produrre energia meccanica, la quale viene poi convertita in energia elettrica. Esistono diversi criteri di classificazione per le turbine idrauliche, ma il più comune si basa sulla modalità di trasformazione dell'energia.
Classificazione delle Turbine Idrauliche
Si distinguono principalmente due categorie di turbine:
- Turbine ad azione: L'esempio principale è la turbina Pelton, dove l'energia potenziale (Ep = mgH, dove m è la massa, g l'accelerazione di gravità e H il salto) si trasforma in energia cinetica prima di agire sulle pale della ruota.
- Turbine a reazione: Comprendono le turbine Francis e Kaplan. In queste turbine, le giranti trasformano in energia cinetica la restante parte di energia potenziale ancora disponibile.
Numero di Giri Caratteristico (nq)
Una delle espressioni più utilizzate per classificare una girante è quella che permette di calcolare il suo "Numero di Giri Caratteristico" (nq). Esso rappresenta la velocità n in rpm (revolution per minute) di una girante simile a quella che si considera, operante sotto un salto di H = 1 m e con una portata Q = 1 m³/s.
In altre parole, il numero di giri specifico (Nq) è un parametro adimensionale che consente di confrontare le prestazioni di diverse turbine idrauliche, indipendentemente dalle loro dimensioni e dalle condizioni operative.
Per intenderci, è un numero che esprime la velocità che avrebbe un modello in scala della turbina reale per avere un rendimento max con un salto di 1 metro e la portata di 1 metro cubo al secondo. A tal proposito, tra le definizioni il numero di giri specifico è definita come la velocità che avrebbe un modello in scala della stessa turbina per sviluppare la potenza di 1 HP con un salto di 1 metro.
La classificazione in turbine lente, medie e veloci non è legata al numero di giri di funzionamento effettivo, ma al valore di nq.
Gli indici di similitudine geometrica e cinematica sono efficacemente riassunti dal numero caratteristico di giri. Il numero definito secondo l’equazione precedente, non è un parametro adimensionale.
Per determinarne il valore, occorre inserire il numero di giri reale in rpm, la portata volumetrica e la prevalenza. Può essere considerato un parametro caratteristico della macchina. Spesso infatti viene espresso in funzione esclusivamente degli indici di similitudine geometrica e cinematica.
Inoltre emerge che la forma della girante e il numero caratteristico di giri sono strettamente correlati. Di conseguenza, il numero caratteristico di giri svolge un’importante funzione progettuale e di indirizzo nella scelta della macchina adatta a un particolare scopo.
Occorre però tener presente che un elevato numero caratteristico di giri non implica un’elevata velocità di rotazione nel funzionamento della macchina. Per spiegare questo apparente paradosso, si consideri che le macchine radiali sono normalmente in grado di smaltire portate modeste a fronte di un’elevata prevalenza. Per contro, le macchine assiali elaborano grandi portate con modeste prevalenze.
Calcolo di nq
Consideriamo una turbina funzionante con parametri noti H (salto), Q (portata) e n (velocità di rotazione) e con una ruota di diametro D. Per calcolare nq, si immagina di alimentare la stessa ruota con un salto di H = 1 m, determinando i corrispondenti valori di Q1 e n1. Successivamente, si normalizza la portata a Qc = 1 m³/s.
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.
Importanza delle Prove di Laboratorio
Le prove di laboratorio sono fondamentali per determinare i rendimenti che la turbina può fornire. Queste prove permettono di disegnare un diagramma "collinare" che, in funzione di H e Q (o altre grandezze correlate), consente di determinare il rendimento della turbina in un determinato punto di funzionamento.
Questa campagna di prove oltre a fornire numerose indicazioni di comportamento della turbina permette di disegnare un diagramma detto “ collinare “ vedi figura sotto, 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 a quello ottenuto dal modello in scala ridotta, poiché le perdite di attrito nei passaggi idraulici hanno un'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 manifesta 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.
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.
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