Centrali idroelettriche, tesina

corso d'acqua e di quelle derivabili e della necessità di evitare, durante le piene, rigurgiti eccessivi e

pericolosi a monte dell'opera. Le traverse fisse sono realizzate in muratura o in cemento armato e

sono destinate ad essere tracimate dall'acqua nel caso di piena o portate superiori a quelle derivabili

dall'impianto, per questo sono solitamente sagomate opportunamente per evitare fenomeni erosivi.

Le traverse mobili hanno una parte fissa, realizzata in muratura o cemento armato ed una parte

mobile (detta paratoia), solitamente in acciaio.

Traversa

Le opere di presa sono quel complesso di manufatti ed apparecchiature che consentono l'effettiva

captazione di una portata stabilita: sono costituite dall'imbocco dell'acqua.

Le opere di presa sono di due tipi: a pelo libero e in pressione.

Le opere di presa a pelo libero sono tipiche degli impianti di derivazione di centrali ad acqua

fluente; mentre le opere di presa in pressione sono in genere applicate nelle centrali dotate di

serbatoio.

Nelle opere di presa a pelo libero le bocche di presa, dotate di paratoie, si trovano immediatamente

a monte della traversa; e una serie di griglie consente di trattenere il materiale solido più grossolano.

Dopo le griglie esiste in genere un bacino di decantazione per il deposito delle sabbie.

Opera di presa a pelo libero 6

Le opere da presa in pressione sono tipiche delle derivazioni da serbatoio. Sono costituite da una

bocca di presa munita di griglia che normalmente si raccorda con un condotto in pressione. A valle

del raccordo tra bocca e condotto sono sistemati gli organi di intercettazione, valvole o paratoie.

La bocca di presa deve essere sistemata al di sotto del livello di minimo invaso, in modo che il suo

bordo superiore sia sempre sottoposto ad un certo carico d'acqua, per evitare aspirazioni d'aria.

Deve comunque essere ad una certa altezza dal fondo per evitare che venga ostruita dai detriti. La

regolazione della portata avviene mediante paratoie mobili. La presenza di griglie evita l’adduzione

di corpi solidi di grandi dimensioni.

Opera di presa in pressione

Le opere di derivazione sono costituite dal canale di derivazione che ha una duplice funzione,

porta l’acqua dall’opera di presa all’inizio delle condotte forzate e vista la bassa pendenza serve

anche per il deposito dei residui solidi.

Il canale di derivazione può essere a pelo libero o in pressione. Nei canali a pelo libero la superficie

dell'acqua è a contatto con l'atmosfera: le condotte possono scorrere all'aperto oppure in gallerie la

cui sezione trasversale è soltanto parzialmente occupata dall'acqua; questa quindi presenta una

superficie (pelo libero) a contatto con l'acqua soggetta alla pressione atmosferica.

Nei canali in pressione l'acqua occupa l'intera sezione del canale stesso: il condotto è costituito da

un tubo metallico o in calcestruzzo capace di resistere alle pressioni interne dovute all'acqua.

Le opere di carico costituiscono la parte terminale del canale di derivazione e a queste si innestano

le condotte forzate che alimentano le turbine. Le opere di carico sono il bacino di carico per gli

impianti ad acqua fluente e il pozzo piezometrico per le centrali a serbatoio. 7

Questa differenziazione è dovuta al diverso comportamento dei due sistemi (canale a pelo libero e

condotte forzate) in fase di cambiamento del regime del moto. Se si ha un cambiamento del regime

imposto dal carico in centrale il canale a pelo libero riesce a adeguarvisi in un tempo molto lungo,

mentre la condotta in pressione potrà passare prontamente al nuovo regime, anche se a costo di

notevolissime e rapide variazioni della pressione (colpo d'ariete).

I canali di derivazione a pelo libero si allargano al loro termine in un bacino di carico nel quale

l'acqua, diminuendo di velocità, può depositare gli ultimi detriti e dove si può accumulare l'acqua

proveniente dal canale di derivazione nel caso in cui si debba rallentare od interrompere il deflusso

verso la centrale.

I canali di derivazione in pressione terminano in un pozzo piezometrico che esiste sempre negli

impianti a serbatoio. I pozzi piezometrici sono delle strutture verticali, o subverticali, del diametro

all’incirca di quello della galleria di derivazione con alla sommità uno slargo, detto camera di

espansione, per raccogliere l’acqua sfiorata. La quota di sfioro è maggiore della quota di massimo

livello del lago. Esso ha una duplice funzione: costituisce una capacità di riserva che può essere

riempita dall'acqua proveniente dalla galleria in pressione in seguito a rapida chiusura dei

distributori delle turbine. L'acqua sale nel pozzo facendo così diminuire in pochi secondi il flusso di

quella proveniente dal canale di derivazione in pressione. L'energia cinetica della massa d'acqua che

era dotata di velocità nella condotta forzata si trasforma in energia potenziale, facendo aumentare il

livello del pozzo fino a che la trasformazione sia completa e la velocità dell'acqua sia scesa a zero;

dopodiché si stabiliranno delle oscillazioni libere tra pozzo e serbatoio, oscillazioni che si

smorzeranno a causa delle resistenze che l'acqua incontra nel suo movimento.

L'altra funzione del pozzo piezometrico è quella di fornire immediatamente una notevole quantità

d'acqua ad ogni improvvisa richiesta delle turbine. Per tale motivo spesso la capacità del pozzo

viene aumentata con camere laterali dette vasche di espansione, capaci di contenere grandi quantità

di acqua.

Le condotte forzate sono costituite da grosse tubazioni che collegano il bacino di carico o il pozzo

Nelle condotte forzate si trasforma l’energia di posizione in

piezometrico alle turbine. energia di

pressione. Le tubazioni sono in metallo o raramente in roccia o cemento armato e hanno il compito

di alimentare, con la minima perdita di carico, le turbine. Le condotte forzate vengono installate

all'aperto oppure interrate parzialmente o totalmente.

Al termine della condotta forzata la pressione è molto alta (1 atmosfera per ogni 10 metri di salto);

si cerca inoltre di evitare gomiti e scabrosità della tubazione per evitare perdite di carico. Lo

spessore della tubazione aumenta da monte a valle, poiché a valle si ha la massima pressione. Il

diametro è commisurato alla portata.

Le tubazioni possono essere chiodate, oppure più modernamente saldate o, per salti notevoli,

blindate, cioè con una serie di robusti anelli di acciaio a rinforzo della tubazione saldata. Per

notevoli portate si possono usare una tubazione unica o due o più condotte parallele, in modo da

poter lavorare anche quando una delle condotte è fuori servizio.

Nelle condotte forzate hanno grande importanza gli organi di intercettazione, cioè degli apparecchi

di chiusura ai due capi della condotta forzata, presenti in ogni centrale idroelettrica.

Ad ogni variazione della portata corrisponde una modifica della pressione detta colpo d’ariete, che

velocità nell’ordine dei mille metri al

si propaga dal distributore della turbina verso monte con una 8

secondo. Il colpo d’ariete innesca delle oscillazioni nelle massa d’acqua contenuta nel pozzo

piezometrico che vengono smorzate dalle azioni dissipative di attrito.

LE TURBINE

l’acqua possiede energia principalmente di pressione. Quest’energia

Alla fine delle condotte forzate

viene trasformata in energia cinetica e in seguito in meccanica nelle turbine.

Le turbine idrauliche sono macchine motrici che hanno il compito di trasformare l’energia

posseduta dall’acqua in energia meccanica di rotazione. Nelle centrali idroelettriche vengono

collegate al rotore dell’alternatore, e lo fanno ruotare alla loro stessa velocità. Una turbina è

composta da due organi fondamentali: il distributore e la girante.

Il distributore è un organo fisso e ha la funzione di fornire in modo continuo acqua alle parti mobili

della turbina. La sua funzione è fondamentale visto il fatto che trasforma, in modo totale o parziale,

l’energia di pressione del fluido in entrata in energia cinetica.

La girante è l’organo rotante nel quale l’energia posseduta dall’acqua viene trasformata in energia

meccanica di rotazione, che determina la rotazione dell’albero della turbina e degli organi ad esso

connessi.

Le turbine idrauliche si possono differenziare in turbine ad azione e turbine a reazione. La turbina

ad azione è un tipo di turbina nella quale tutta l'energia potenziale derivante dal salto utile

L’unica

dell'impianto viene trasformata in energia cinetica nel distributore. turbina ad azione

impiegata nelle centrali idroelettriche è la Pelton, altra turbina ad azione è la Turgo. La turbina a

reazione è un tipo di turbina nella quale l'energia potenziale derivante dal salto utile dell'impianto

viene trasformata in energia cinetica solo in una percentuale dal distributore mentre il resto viene

lasciato alla girante. Tipiche turbine a reazione sono la Francis, la Kaplan e la turbina a elica.

metri, e portate d’acqua ridotte a

La turbina Pelton utilizza notevoli salti, variabili tra i 400 e i 2000

pochi metri cubi al secondo. La girante può essere montata ad asse orizzontale o verticale. Lungo la

circonferenza della girante sono disposte le pale a forma di doppio cucchiaio con un coltello

centrale. I distributori fissi sono disposti attorno alla girante. Essi sono montati in modo che il getto

d’acqua colpisca il coltello sulle pale, dividendo l’acqua sulle due semipale. La forza impressa dal

getto determina la coppia motrice che produce la rotazione. Nelle turbine ad asse orizzontale vi

sono solo uno o due distributori; in quelle ad asse verticale vi possono essere fino a 4/5 distributori.

Il distributore è un ugello Doble convergente, nel quale si muove assialmente una spina che

distributore vi è la completa trasformazione dell’energia

permette di regolare la portata. Nel

potenziale di pressione dell’acqua in entrata in energia cinetica, per effetto del restringimento di

Il getto d’acqua arriva sulle palette con velocità molto elevata e con portata variabile.

sezione. 9

Turbina Pelton e spina Doble

Le turbine a reazione utilizzano salti bassi, tra i 10 e i 600 metri ma consistenti portate, maggiori di

3

2/3 m /s.

Nelle turbine Kaplan, Francis e a elica l’acqua esce dal distributore con una velocità minore di

quella corrispondente all’intero salto disponibile, per cui l’alimentazione della girante avviene in

pressione.

Il distributore delle turbine Francis è disposto attorno alla girante ed è suddiviso da una serie di

decrescente. In tali condotti convergenti l’acqua

pale in tanti condotti a sezione gradualmente

trasforma in energia cinetica parte dell’energia potenziale posseduta. Le pale della girante formano

anch’esse condotti convergenti e dotati di una certa curvatura, completano la trasformazione

dell’energia dell’acqua Uscendo dalla girante l’acqua cade nel canale di

di pressione in cinetica.

scarico attraverso un tubo di aspirazione verticale di forma convergente-divergente. Il tubo

provvede a recuperare una parte dell’energia persa allo scarico aspirando l’acqua dalla girante

mediante la depressione creata nella sua sezione minima, a causa della differenza di velocità in

entrata e in uscita. 10

Turbina Francis

1-distributore a chiocciola; 2-distributore palettato; 3-girante

Le turbine Francis sono adatte a sfruttare salti di media altezza. Si classificano in base al numero di

giri caratteristico in lente, normali e veloci. Il numero di giri caratteristico rappresenta in n di giri

che deve avere una turbina, geometricamente simile a quella considerata, che sviluppi una potenza

E’ direttamente proporzionale alla velocità di rotazione e alla radice

unitaria con un salto unitario.

quadrata della potenza, è inversamente proporzionale alla prevalenza elevata alla 5/4.

TIPO Nc Salto (m) Grado do reazione

Pelton 20÷60 300÷2000 0

Francis lenta 50÷60 100÷600 0,3 ÷ 0,4

Francis normale 85÷130 50÷200 0,4 ÷ 0,5

Francis veloce 130÷350 10÷100 0,5 ÷ 0,6

Elica 350÷600 1÷30 0,7 ÷ 0,8

Kaplan 350÷1000 1÷30 0,7 ÷ 0,8