Turbine Idrauliche a Basso Salto: Funzionamento e Tipologie

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. La forza dell’acqua è stata tra le prime che l’uomo ha imparato a sfruttare, fin dall’antichità, dapprima per ricavarne potenza meccanica e poi anche potenza elettrica. Fin dalle origini, quella idroelettrica è stata ed è ancora, fra le più importanti e primissime fonti di energia rinnovabile al mondo. In Italia, copre il 10-15% del fabbisogno energetico nazionale.

Una massa d’acqua posta in quota possiede una certa energia potenziale. Quando cade verso il basso trasforma l’energia potenziale in energia cinetica aumentando la sua velocità. Se al fondo del salto di quota, il punto in cui idealmente tutta l’energia potenziale è stata convertita in energia cinetica, si pone un macchinario in grado di convertire l’energia cinetica in elettricità il nostro scopo è stato raggiunto.

I componenti principali di un impianto idroelettrico sono:

• Il serbatoio, il luogo in cui l’acqua si accumula in quota sbarrata da una diga.
• La condotta forzata, dove l’acqua acquista velocità scendendo verso valle.
• La turbina, in grado di mettersi in rotazione al passaggio dell’acqua.
• Il generatore, responsabile di convertire la rotazione della turbina in energia elettrica.

Il componente chiave, in cui sono concentrati centinaia di anni di studio per migliorarne la performance idraulica, è la turbina. Ce ne sono moltissime tipologie, dalla forma e dal funzionamento più disparati; dunque per sceglierla al meglio si tengono in considerazione due parametri del corso d’acqua: la portata e il salto di quota. Per piccoli salti e portate molto grandi la tipologia più usata è la turbina Kaplan, dalla forma molto simile alla eliche delle barche. In situazioni intermedie, sia come portata che come salto, si usa la turbina Francis, la più usata in tutto il mondo. Per salti molto alti e piccole portate la turbina più adatta è quella Pelton, che ricalca la forma dei tradizionali mulini ad acqua.

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: Turbine Pelton
• Turbine a Reazione: Turbine Francis e Kaplan

Turbine Pelton

Le turbine Pelton sono i giganti gentili dell’idraulica. Possono raggiungere dimensioni sbalorditive e si trovano spesso negli impianti situati in montagna. Fanno parte della famiglia delle turbine ad azione, ossia non sono pressurizzate ma lavorano a pressione ambiente: teoricamente è possibile aprire la cassa e osservare la turbina durante il suo funzionamento, ma attenzione agli schizzi! L’acqua viene inviata alla girante (un altro nome per la turbina) sottoforma di getto e raggiunge le palette della ruota dalla caratteristica forma a doppio cucchiaio, unica nel suo genere. 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, 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.

Il getto viene diviso in due parti uguali dalla affilatissima lama centrale e ciascuna porzione percorre il ventre di uno dei due cucchiai. L’energia dell’acqua fa variare il momento angolare della girante, generando una coppia che la mette in rotazione. L’acqua rallentata cade sul fondo della macchina ed esce, pronta per ricongiungersi al fiume da cui è stata presa in prestito. 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. 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.

Turbine Francis

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. Le turbine Francis sono infatti turbine a reazione, dove l’acqua si muove come in una condotta in pressione. Le turbine Francis sono molto diffuse e sfruttano il dislivello d’acqua compreso tra una decina e qualche centinaio di metri. 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.

Turbine Kaplan

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. 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.

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.

Turbine a Coclea

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.

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.

Altre Tipologie di Turbine

• Turbine a Bulbo: Ricavate dalle turbine Kaplan, utilizzate su livelli di qualche metro.
• Mini Turbine: Ideali per zone non servite dalla rete di distribuzione.

Tabella Riassuntiva delle Turbine Idrauliche

TAG: #Idrauliche

Potrebbe interessarti anche:

• Scopri il funzionamento delle turbine idrauliche
• Produttori italiani di turbine idrauliche
• Guida all'installazione di turbine idrauliche
• Rinnova il tuo bagno con stile
• Misura standard: dal pollice al centimetro