Turbine kaplan

VOLUTA, CAMERE E CASSE A SPIRALE

Per cadute idriche h inferiori a 5 metri e macchine di piccole dimensioni, la turbina e posta all'interno di una cassa d'acqua in cemento e la configurazione viene detta "camera libera". Esistono configurazioni con turbina ad essere verticale o ad asse orizzontale.

L'acqua alimenta la turbina in modo non ottimale, in particolare modo nella parte della camera dove l'acqua fluisce in direzione contraria alla rotazione della turbina, ed e percio costretta a subire bruschi cambi di direzione. Per limitare le perdite e necessario limitare la velocita di afflusso, la quale puo essere stimata con la relazione:

C aproximadamente (0,05 ÷ 0,1)√2gh

e in genere varia tra 0,8 ÷ 1 m/s. La larghezza B della camera, che comprende la girante e il distributore, puo essere stimata con la relazione:

B aproximadamente D + (1,3 ÷ 1,5)

Per migliorare l'afflusso dell'acqua verso l'apparato di distribuzione, la turbina puo essere collocata eccentricamente all'interno della camera.

Per cadute maggiori > 5 m ma inferiori a 20 m, la turbina e posta all'interno di casse spiraliformi in cemento. La portata che perviene al distributore e solo per 2/3 (all'incirca) convogliata attraverso la cassa a spirale, le sezioni trasversali della quale sono calcolate per ottenere una velocita di attraversamento costante. La velocita dell'acqua a monte e scelta un po' piu elevata rispetto alla soluzione con camera d'acqua; si assume in genere:

C aproximadamente (0,1 ÷ 0,12)√2gh

Q_θ aproximadamente 2/3 Q_v(1 - θ/θ_max)

θ_max aproximadamente 240°

Per cadute idriche h superiori a 20 metri, la turbina e dotata di una voluta a spirale che convoglia l'acqua dalla condotta alle corone di pale statoriche.

LA VOLUTA

Per cadute idriche h > 20 m, la spirale e di metallo, ghisa o lamiera saldata. In questo caso la voluta avvolge completamente la corona di pale distributrici in modo da convogliare l'acqua nel modo piu uniforme possibile in direzione circonferenziale. Per attenuare lo stato tensionale e la tendenza ad aprirsi sotto l'azione delle forze S generate dalla pressione interna (Fig. b), la voluta e irrigidita disponendo all'uscita (a e b) una corona di pale fisse (predistributore). Anche la lingua della voluta (in arancione in figura) continua oltre la circonferenza base di raggio R^IV per divenire, essa stessa, una pala predistributrice (a). Nella sezione di ingresso arriva la portata complessiva Q_v che poi durante il suo

percorso in voluta viene progressivamente indirizzata dalle pale statoriche verso la girante. La voluta ha un raggio di base R^IV, corrispondente con il raggio di ingresso delle pale distributrici. La sua geometria e caratterizzata da un tratto di canale che collega condotta forzata e macchina seguito da una spirale che si sviluppa per poco meno di 360°; la forma della spirale viene definita in funzione della portata che ciascuna sezione deve elaborare. Per definire questa portata, si trascura in prima istanza il tratto di canale di ingresso e si ipotizza un prolungamento della spirale fino a 360° (piano OS' in figura)

Le varie sezioni sono individuate tramite l'angolo θ, misurato a partire dal piano OS' che passa per il punto di intersezione del profilo della spirale con la circonferenza base in corrispondenza della lingua della voluta. Per la generica sezione della voluta Aθ, individuata dall'angolo θ, la portata Qθ che la attraversa e data dalla relazione:

Qθ = C_uAθ = ∫ C_udAθ

La sezione Aθ si estende dal raggio di base R^IV fino ad un raggio massimo R_max con una larghezza b che varia in funzione del raggio R. La sezione elementare dAθ si puo quindi assumere pari a:

dAθ = bdR

Per quanto riguarda la velocita tangenziale C_u non e costante sulla sezione. Dal momento che nella voluta non avviene scambio energetico, vale infatti il principio di conservazione del momento angolare della quantita di moto RC_u:

RC_u = R^IV C_u^IV

C_u = C_u^IV R^IV/R

Qθ = ∫RIVRmax CubdR = ∫RIVRmax CuIV RIV/R bdR = CuIV ∫RIVRmax RIV/R bdR = CuIV Ar,θ

A_r,θ = ^Rmax_RIV ∫ (RIV/R) bdR = ^Rmax_RIV ∫ br dR

L'area A_r,θ è denominata area ridotta della sezione reale di area A_θ, e alla larghezza b_r si dà il nome di larghezza ridotta. A_r,&t