Realizzazione turbina Pelton

Lezione 8

Applichiamo il flow chart alla turbina Pelton di figura 2.7, caratterizzata da 6 ugelli introduttori.

h = 580 m
Q = 194 m³/s
Y_u = 0,97
Y_v = 0,89
P = ρghQη = 98 MW

Per f = 50 Hz, cioè n = 300 giri/min, si ottiene:

Aumentando il numero di introduttori si hanno maggiori perdite e quindi minori rendimenti. Inoltre è più difficile progettare l'interazione getti-pale, quindi da quelle considerazioni non è neanche da capire la scelta dei 6 getti inoltre presenti nella realtà.

In questa soluzione in realtà n = 360 giri/min; quindi con 20 poli, non è 50 Hz ma è 60 Hz. Questa turbina è utilizzata allora nei mercati americani.

Ricercando i dati si ottiene:

Si spiega così il motivo per il quale si sono adottati 6 ugelli introduttori, scelta che in un primo tempo sembrava sbagliata.

C'è un aspetto che tuttavia vale la pena osservare: nelle turbine idrauliche il regime di rotazione è sempre basso. Il numero di poli degli alternatori è molto alto, tanto che si introduce, nell'ambito delle Francis o Kaplan, un moltiplicatore di giri nel passaggio tra turbina e generatore, per ridurre le dimensioni dell'alternatore e quindi un numero di poli minore.

Nelle turbine Francis e Kaplan, dove l'espansione non avviene solo negli organi rotanti, ma anche attraverso la girante, ci sono problemi di cavitazione, quindi l'abbassamento del regime di rotazione è la conseguenza del contenimento del valore di NPSH per non dover collocare la turbina troppo sotto il pelo libero.

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Lezione 8

Applichiamo il flow chart alla turbina Pelton di figura 2.7 caratterizzata da 6 ugelli introduttori.

h = 580 m
Q = 194 m³/s
η_u = 0,97
η₁ = 0,89
P = ρQgh = 98 MW

Per f = 50 Hz, cioè n = 300 giri/min, si ottiene:

Aumentando il numero di introduttori si hanno maggiori perdite e quindi minori rendimenti. Inoltre è più difficile progettare l’interazione getti-pale, quindi da queste considerazioni non è neanche da capire la scelta dei 6 getti introduttori presenti nella realtà.

In questa soluzione in realtà n = 360 giri/min; quindi: la frequenza, sempre con 20 poli, non è 50 Hz ma è 60 Hz. Questa turbina è utilizzata allora nei mercati americani.

Ricercando i dati si ottiene:

Si spiega così il motivo per il quale si sono adottati 6 ugelli introduttori, scelta che in un primo tempo sembrava sbagliata.

C’è un aspetto che tuttavia vale la pena osservare: nelle turbine idrauliche il regime di rotazione è sempre basso. Il numero di poli degli alternatori è molto alto, tanto che si introduce, nell’ambito delle Francis o Kaplan, un moltiplicatore di giri nel passaggio tra turbina e generatore, per ridurre le dimensioni dell’alternatore e quindi un numero di poli minore.

Nelle turbine Francis e Kaplan, dove l’espansione non avviene solo negli organi interni, ma anche attraverso la girante, ci sono problemi di cavitazione; quindi l’abbassamento del regime di rotazione è la conseguenza del contenimento del valore di NPSH per non dover collocare la turbina pressoché sotto il pelo libero.

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Turbine Pelton e velocità di rotazione

Nelle Pelton, il problema di cavitazione non esiste, quindi le motivazioni che spingono a ridurre la velocità di rotazione sono diverse. Occorre tenere conto della potenza in gioco.

Se le potenze sono elevate, è difficile costruire degli alternatori di grandi dimensioni, perché ciò implica un aumento della velocità periferica, perché aumenta il diametro. Per sopperire a questo limite nella dimensione risale un aumento delle dimensioni in direzione assiale, ma così facendo non sempre il raffreddamento è semplice.

Inoltre, come già detto prima, per potenze elevate il numero di giri deve essere contenuto per evitare problemi legati alla cavitazione, soprattutto nel caso di Francis e Kaplan.

Nelle Pelton, essendo K basso, viene limitato anche il numero di giri. Quando le potenze non sono elevate è possibile aumentare il regime di rotazione e, a parità di velocità periferica, posso ottenere le dimensioni sia dell'alternatore che del macchinario idraulico. Così facendo si riducono i costi di acquisto e di abbattimento.

Per potenze piccole, comprese cioè tra 1 e 12 MW, il numero di giri varia da 750 giri/min a 1500 giri/min. E questo è il caso del terzo esempio applicativo di flow chart:

Q = 0,2 m³/s
h_n = 135 m
K = 0,000243 v_i n

Per n = 1000 giri/min si ha K = 0,213, tipico valore delle turbine Pelton.

P = ρgh_nq = 228 kW
t_0,86
K_u = ^U_id/_2Ui = 0,4639
D = ^{2,1K_u√n√2i}/_K = 6,37 √i

La soluzione con i = 3 è allora plausibile.

C_s = ϕ_u√2gh = 49,9 m/s
d_o = ^4Q/_√πiCa = 41 mm
u = k_u√2gh = 23,87 m/s
D = ^60u/_πn = 455,9 mm

Disegno della palettatura

Passiamo ora al disegno della palettatura. Si possono sfruttare le correlazioni empiriche che legano il diametro del getto alle dimensioni caratteristiche del cucchiaio, in modo da ottenere le sezioni A-A e B-B della figura 8.1.

Fig. 8.1: vista frontale e sezioni principali del cucchiaio.

Si impongono gli angoli di ingresso e uscita della sezione A-A che dipendono fondamentalmente dal diametro del getto, in modo da evitare che la corrente intercetti della pala all'inizio del suo stacco al getto vada ad urtare allo stanco il dorso della pala che segue.

Non sono sufficienti questi tre disegni per andare ad ottenere le informazioni necessarie per creare lo stampo. Occorrono informazioni relative anche alle sezioni intermedie, in modo che la superficie non presenti gobbe o avvallamenti.

Fig. 8.2: sezioni nel cucchiaio.

Oltre alle sezioni A-A e B-B-B si vede che in figura 8.2 sono state riportate altre sezioni tracciate su piani paralleli rispetto alle sezioni principali.

Lo stampo viene costruito pezzo dopo pezzo:

• Si prende un parallelepipedo contenente per esempio, tra le sezioni 5 e 6 e se ne ricava la forma del cucchiaio, coi relativi angoli.
• Si prende un altro parallelepipedo ad essi adiacente, per esempio quello definito dalle sezioni 4 e 5 e si ripete il procedimento.
• Si procede fino a che nella giunzione le forme siano le più omogenee possibile, in modo da evitare gobbe o avvallamenti che provocherebbero perdite e interruzione nel getto.
• Si uniscono i vari blocchi e si ottiene lo stampo finale che viene poi opportunamente levigato.

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Fig. 8.3: metodo per definire geometria del cucchiaio.

Distribuiti gli angoli di ingresso e di uscita sulle sezioni frontali del cucchiaio, quelli di figura 8.2, si dispongono sulla sezione principale A-A di figura 8.3 una serie di piani inclinati con numeri romani, paralleli al piano che appoggia sui bordi di scarico del cucchiaio, in modo da ottenere una serie di punti.

Questi punti così ottenuti vengono riportati sulla vista frontale in corrispondenza della traccia del piano di sezione A-A.

Avendo a disposizione un'altra sezione principale, cioè quella B-B, posso riportare i piani precedentemente utilizzati, in modo da ottenere altri punti.

Questi nuovi punti di intersezione vengono riportati sulla sezione frontale in corrispondenza della sezione B-B.