La turbina Kaplan, ideata nel 1913 dal professore austriaco Viktor Kaplan, rappresenta una soluzione efficiente per lo sfruttamento dell'energia idroelettrica in contesti specifici. 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 soluzione intelligente finalizzata al miglior sfruttamento dei grandi volumi d’acqua per bassi salti (intorno 2-30 m) è la turbina Kaplan.
Caratteristiche e Funzionamento
Costruttivamente, la turbina Kaplan è assimilabile a un'elica e può essere a singola o doppia regolazione. È considerata una girante assiale, in quanto l’acqua attraversa la turbina in direzione assiale rispetto all’asse di rotazione della girante. L’acqua giunge alla girante attraversando inizialmente una camera dalla particolare forma, che distribuisce l’intera portata sulla circonferenza del distributore, e quindi quest’ultimo, il quale ha la funzione di regolare il flusso smaltito ed imprime all’acqua una rotazione rispetto l’asse della girante. L’acqua investe quindi assialmente le pale della girante, la quale trasforma l’energia idraulica in meccanica.
Il flusso attraversa quindi una parte divergente chiamata diffusore, la quale ha la funzione di recuperare gran parte dell’energia cinetica. Al fine di contenere le perdite fluidodinamiche per incidenza, viene praticato lo svergolamento delle pale della girante. La turbina Kaplan, con il suo funzionamento a basso impatto ambientale, è ideale per i progetti di mini idroelettrico volti a bilanciare la produzione di energia con la conservazione della natura.
Componenti Principali
Schema turbina Kaplan:
- Distributore a chiocciola (a): Convoglia l'acqua verso il distributore palettato.
- Distributore palettato con pale orientabili (b): Indirizza l'acqua verso le pale della girante.
- Canale toroidale non palettato (c): Elimina l'effetto radiale del moto del fluido.
- Girante (d): Trasferisce l'energia meccanica all'albero della turbina.
- Diffusore (e): Scarica il flusso in direzione assiale.
Le pale della girante sono sempre regolabili, a differenza del distributore, in cui possono essere fisse o regolabili. Parleremo di Kaplan (detta anche “a doppia regolazione“) quando sia le pale della turbina, sia quelle del distributore hanno un assetto variabile e regolabile. In caso contrario, parleremo di semi-Kaplan. Con la doppia regolazione si possono ottenere maggiori vantaggi, sia sulla modulazione delle portate che sulle prevalenze.
Applicazioni
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, che può giungere fino a un centinaio di metri cubi al secondo. La sua abilità nel gestire portate elevate la rende particolarmente adatta per centrali idroelettriche situate in contesti fluviali dove il flusso d’acqua è significativo. Oltre alla generazione di energia elettrica, la turbina Kaplan trova applicazione efficace anche in altri ambiti come l’irrigazione e l’approvvigionamento idrico, dove la sua capacità di operare in modo efficiente con diverse portate d’acqua è particolarmente preziosa.
Possono essere costruite con l’asse verticale, orizzontale o inclinato, nonché in camera asciutta o bagnata. Le nostre turbine Kaplan possono essere installate su salti da 2 a 30 metri. Le turbine Kaplan sono rinomate per la loro capacità di operare in contesti caratterizzati da dislivelli ridotti e portate elevate, rendendole ideali per l’impiego in impianti fluviali, anche di piccola potenza. La capacità della turbina Kaplan di adattarsi a variazioni significative di portata è uno dei suoi punti di forza principali. Questa caratteristica la rende particolarmente adatta per fiumi e bacini idrici in cui la portata può variare considerevolmente a seconda delle stagioni, delle condizioni climatiche o di altri fattori ambientali.
Turbine a Bulbo
Quando la caduta utilizzabile richiesta è molto bassa, la turbina è detta “a Bulbo“. La turbina a Bulbo è disposta assialmente in modo da evitare andamenti troppo tortuosi dei condotti d’ammissione e di scarico per il fluido. Il tutto al fine di ridurre le perdite fluidodinamiche e incrementare il valore d’incisione.
Rendimento
La turbina intelligente: così definita, in quanto gode di un’ottima efficienza anche in situazioni di grosse variazioni di portata del fluido. Garantisce un alto valore di rendimento (circa 90%): fino a portate del 20-30% della portata nominale.
Per analizzare il rendimento parleremo di diagrammi collinari (detti anche “a conchiglia“) e curve caratteristiche. Curve Isorendimento delle turbine Pelton e Kaplan. In quest’ultima avremo diverse aperture del distributore e diversi assetti geometrici delle pale della girante, pertanto faremo riferimento al parametro n11. Quest’ultimo tiene conto del valore di numero di giri corrispondenti effettivi (n), il diametro della girante (D) e il valore di salto (Hg) in considerazione.
Alternative e Considerazioni Finali
Generalmente le turbine Kaplan sono accoppiate alle turbine ad elica (a pale fisse). Queste ultime lavorano a pieno regime e tutto ciò che è in eccesso è incanalato alla turbina Kaplan. In questo modo si limitano i costi di gestione e installazione: Due turbine Kaplan sono più costose di una Kaplan e “a elica” accoppiate. A differenza della turbina ad elica a pale fisse, la Kaplan sfrutta la geometria variabile delle pale della girante per garantire valori di portata volumetrica di fluido pari ai 200/300 m³/s in su. Tuttavia, la Kaplan riesce ad adattarsi molto bene alle condizioni di lavoro esterne.
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