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. 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.
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.
Componenti e funzionamento delle turbine a reazione
Una turbina è costituita di un complesso detto generalmente stadio, formato da una parte fissa detto distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina, viene regolato mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento. Nel caso della produzione elettrica il movimento rotatorio del rotore viene quindi trasferito mediante un’albero ad un alternatore che produce quindi energia elettrica.
Nelle turbine a reazione l’energia cinetica del fluido viene incrementata anche o esclusivamente nel rotore.
Turbina Pelton
La turbina Pelton è tipo di turbina ad azione attualmente più utilizzato.
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.
La struttura sulla sinistra dell’immagine è l’introduttore. L’ugello è costruito in modo tale da avere al suo interno una spina di regolazione, che consente di variare la portata dell’ugello.
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.
Turbina Kaplan
Il principio di funzionamento di una turbina di tipo Kaplan è quello dell’elica di una nave.
La 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).
La turbina Ghatta è una turbina ad asse verticale solitamente usata per azionare direttamente macchine utensili o mulini.
Calcolo della potenza e rendimento
La stessa espressione può essere usata per il calcolo della potenza del gruppo generatore, ma in questo caso il rendimento della turbina va sostituito con quello complessivo ottenuto dal prodotto dei rendimenti dei singoli componenti (turbina, alternatore, trasformatore). Infine alla potenza ottenuta dovrà essere sottratta quella relativa alle perdite meccaniche (es. quelle relative ai supporti) e volumetriche (es.
Numero di giri caratteristico
Una delle espressioni più usate per classificare una girante è quella che ci 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.
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.
Test su modello e diagramma collinare
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.
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.
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.
Come sopra accennato i coefficienti che possono essere utilizzati per la determinazione degli assi di un collinare e/o di individuazione del tipo di macchina son vari.
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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