Esempio progettazione Turbina Pelton

Lezione 10

Esempio di progettazione di una turbina Pelton - Ingegnere Sanolin

Quando si parla di turbine Pelton, o più in generale di turbine, c'è una notevole differenza tra grandi e piccole macchine.

Nei due casi la progettazione della macchina è ben diversa:

• Grandi macchine: benché i costi in proporzione all'impianto siano esagerati, occorre in tutti i modi sfruttare il rendimento; costruisco modelli "a scala naturale", svolgendo prove di studio.
• Piccole macchine: non posso permettermi di spendere molti soldi in manutenzione e con modelli devo ridurre i costi.

Avere un rendimento molto alto e un'affidabilità bassa non ha senso, devo cercare una soluzione di compromesso tra le due esigenze.

Un progetto standard si deve basare su quattro concetti:

• Simulazione: se ho una macchina che funziona bene uso quella come modello per andare a costruire le altre.
• Esperienza: se so che una scelta è buona posso usarla.
• Assunzioni: devo scegliere una correlazione piuttosto che un'altra.
• Semplificazioni: se mi vengono chieste cose strane, per esempio una curva di troppi mi conviene togliere per abbassare le perdite.

Questi quattro concetti hanno come conseguenza tempi ristretti, costi ridotti e anche prestazioni minime.

Nel nostro specifico progetto ci viene fornita la portata, senza doverla calcolare dalla curva di durata:

Q = 3,9 m³/s

La seconda cosa che ci serve è la caduta idrica disponibile:

H_lorda = 450 m
H_netta = 436 m

Il layout ci impone di usare tre macchine: in questo modo se una dovesse subire un guasto o una manutenzione ne avrei altre due che lavorano.

Q_macchina = 1,3 m³/s

Lezione 16

Esempio di progettazione di una turbina Pelton

Quando si parla di turbine Pelton, o più in generale di turbine, c'è una notevole differenza tra grandi e piccole macchine.

Nei due casi la progettazione della macchina è ben diversa:

• Grandi macchine: benché i costi in proporzione all'impianto siano esigui, come in tutti i modi di sfruttare il rendimento; costruisco modelli "a scala ridotta" e faccio prove di studio.
• Piccole macchine: non posso permettermi di spendere molti soldi in "modellini" e con modelli devo ridurre i costi.

Avere un rendimento molto alto e un'affidabilità bassa non ha senso, devo cercare una soluzione di compromesso tra le due indicizzazioni.

Un progetto standard si deve basare su quattro concetti:

• Similitudine: se ho una macchina che funziona bene uso quella come modello per andare a costruire le altre.
• Esperienza: se so che una scelta è buona posso usarla.
• Assunzioni: devo scegliere una correlazione piuttosto che un'altra.
• Semplificazioni: se mi vengono chieste cose strane, per esempio una curva di troppa mi conviene tagliarla per abbassare perdite.

Questi quattro concetti hanno come conseguenza tempi ristretti, costi ridotti e anche prestazioni minori.

Nel nostro specifico progetto ci viene fornita la portata, senza doverla calcolare dalla curva di durata:

Q = 3,9 m³/s

La seconda cosa che ci serve è la caduta idrica disponibile:

H lorda = 450 u
H netta = 436 u

Il layout ci impone di usare tre macchine: in questo modo se una dovesse subire un guasto o una manutenzione ne avrei altre due che lavorano.

Q macchina = 1,3 m³/s

Schema progettuale

È possibile riassumere il da farsi in uno schema progettuale:

Progettazione turbina

Richieste del cliente
Q_h

1. Studi di fattibilità.
2. Numero di giri → Numero di iniettori.
3. Calcolo delle grandezze principali della pala.
4. Studio iniettore, boccelle, spina.
5. Disegno delle sezioni palari, traiettorie relative, dorso della palettatura.
6. Dimensionamento regol e cassa.
7. Verifiche strutturali.

Le richieste del cliente possono essere delle più disparate e molto spesso sono contrastanti rispetto all’esperienza dell’ingegnere.

Possono essere imposti dei vincoli o dei controlli che il più delle volte sono inutili: tanti sono spropositati e senza senso.

Dati la Q sia scegliete un opportuno dimensionamento di tipo di turbina. In questo caso si può scegliere sia una Pelton sia una Francis.

Ci si costruisce un foglio di calcoli, dove si implementerà il flow chart visto nelle lezioni successive.

Tramite un processo iterativo si trovano c_h, A_ch, D_ch e u.

Il rapporto tra i diametri deve essere compreso possibilmente tra 35.0 e 44.0. In molti quadri, questo rapporto può crescere fino a 55.0 ÷ 60.0. (Andiamo “fuori” collaudo)

La parte sotto a c_h K_h molto critica: una macchina con dimensioni calcolate certo meno, quindi ti tende a usare il rapporto D/d più piccolo possibile.

Si arriva anche a 9,3, ma dipende dall’esperienza e dagli studi che vengono effettuati. È meglio stare intorno a 99,99!

Si costruiscono varie tabelle in cui, in funzione del numero di getti, trovo tutti i valori di interesse usando sempre gli stessi coefficienti.

Devo a questo punto operare delle scelte basate su dei ragionamenti validi:

• Layout di un calmino voluto: asse orizzontale o asse verticale.
• Si cerca di diminuire le dimensioni della palettatura se aumento iniettori diminuisco il diametro del getto e dimensioni generali.
• Più alto è il numero di giri e meno costa la macchina.
• Devo dimostrare un tempo minimo per portare in temperatura e siccome devo dimensionare il tutto sulle velocità di fuga, mi conviene non spingere troppo sul numero di giri elevato.

In questo specifico caso, scelta non vincolante ai fini del progetto, scegliamo 2 getti a 720 giri/min.

Inseriti i dati, calcolo esattamente tutti i valori utili per il dimensionamento sia del geometro sia della palettatura. Il geometro deve fornire tutti gli short, devo quindi scegliere e costruire. Nel caso del progetto si ipotizza che la girante scarichi le forze prima di essere collegata al geometro.

Attualmente le tolleranze sulla palettatura sono possibili: al livello della perforatrice vengono ottenuti dei piani tramite un calcolo numerico, l’"errore senza” deve spingere troppo e al livello del decimo.

Le correlazioni di usura possono essere molteplici come è già stato visto: basta operare una scelta.

Fissato il diametro trovo le varie dimensioni e inizio a costruire il volatile. Il problema è trovare la distanza tra centro della circonferenza della girante e retta passante per la faccia della pala. Questa distanza è un raggio di circonferenza e si indica con p:

p = y₀——B₂

Conosciuto B₂ posso calcolare p:

D₁——B₂ × x.