Sistemi energetici, parte 5 - Turbine e impianti motori idraulici

5-TURBINE E IMPIANTI MOTORI IDRAULICI

TURBINE IDRAULICHE

Le Turbine Idrauliche rappresentano macchine motrici idrauliche, cioè macchine che sono

in grado di valorizzare l’energia presente in un fluido per produrre lavoro meccanico, che

solitamente viene poi convertito in energia elettrica: per questo motivo le turbine idrauliche

rappresentano il cuore pulsante degli impianti idroelettrici.

Si ricorda che l’energia disponibile in un liquido corrisponde all’energia disponibile nelle

tre forme del Trinomio di Bernoulli, ossia energia potenziale legata alla sua quota, energia

):

legata al livello di pressione, energia cinetica (tutti termini legati a unità di misura

2

→ + +

2

Se consideriamo la classica applicazione in cui si ha la presenza delle turbine idrauliche, si

avrà una certa quantità di fluido accumulato in un serbatoio (o in un bacino), che verrà

convogliato attraverso una tubazione verso la centrale, all’interno della quale vi è la

presenza della macchina o delle macchine motrici idrauliche che saranno deputate alla

valorizzazione dell’energia del fluido e dopo che è avvenuto lo scambio energetico in

corrispondenza della macchina (con produzione di energia meccanica), il fluido verrà

rilasciato.

Delle tre forme di energia disponibile, solitamente le turbine idrauliche tendono a

valorizzare maggiormente il contributo legato alla quota, considerando la differenza di

quota tra il serbatoio di invaso (o di carico) e il serbatoio di svaso (o di scarico) che si trova a

valle delle macchine.

Sono piuttosto rari i casi in cui si sfrutta l’energia legata alle altre due componenti del

trinomio.

Da un punto di vista della singola macchina è possibile distinguere le turbine idrauliche in

due grandi famiglie:

• Macchine ad Azione

La variazione di pressione andrà ad interessare esclusivamente la parte fissa della

macchina. La parte mobile opererà a pressione costante.

La turbina Pelton è un esempio di macchina ad azione

• Macchine a Reazione

La variazione di pressione risulta essere localizzata sia in corrispondenza della parte

fissa che della parte mobile della macchina.

Per le macchine a reazione si distinguono la turbina Francis, la turbina Kaplan e la

turbina a Bulbo.

TURBINE PELTON

Rappresenta un esempio di macchina ad azione. Sono macchine motrici idrauliche

caratterizzate da un moto rotatorio dell’organo mobile e sono anche macchine a flusso

continuo (turbomacchine).

Alla parte fissa si dà il nome di ugello (o boccaglio), alla parte mobile il nome di girante (o

rotore). Ugello

L’ugello ha il compito di convertire l’energia di pressione in energia cinetica, e garantiscono

l’alimentazione della girante, garantendo un getto ad elevata velocità, in modo da avere un

fluido che risulta essere ad elevata velocità e che metta in rotazione in maniera più

energica la parte mobile, con una conseguente conversione in energia meccanica e poi

elettrica (grazie all’alternatore).

L’ugello tende ad avere una forma progressivamente decrescente: si tratta di un condotto

convergente che presenta delle sezioni di passaggio con aree via via decrescenti (tendono a

ridursi). Questo perché alla riduzione dell’area della sezione di passaggio, a parità di portata

(volumetrica), corrisponderà un incremento di velocità che, come già visto, metterà in moto

in maniera più energica la parte mobile.

Ovviamente, sapendo che le perdite di carico concentrate sono legate anche alle variazioni

di sezione, non è possibile realizzare brusche variazioni di sezione ma bisognerà che l’ugello

sia opportunamente sagomato, in maniera molto dolce, proprio per minimizzare queste

perdite di carico.

Allo stesso tempo si osserva nell’ugello una spina (in corrispondenza della doppia freccia

rossa) che si può muovere longitudinalmente come mostrato in figura. La posizione di

questa spina andrà a variare la sezione di passaggio: la massima sezione di passaggio si avrà

quando la spina è totalmente a sinistra, la minima sezione di passaggio si avrà quando la

spina è totalmente a destra (la spina va a sigillare il condotto).

La spina deve essere un elemento fusiforme in quanto è un elemento che si può considerare

estraneo rispetto alla corrente fluida e il fluido, interagendo con questo elemento, avrà delle

perdite, per cui è opportuno che la sua forma minimizzi le dissipazioni.

Nel momento in cui arriva il getto ad elevata velocità colpendo le palette della girante,

quest’ultima entrerà in rotazione. La parte rotorica è costituita da una ruota, sulla cui

periferia sono riportate le palette, che consentiranno di accogliere il fluido.

Queste pale hanno la forma caratteristica di un doppio cucchiaio (come si può osservare

dalla vista frontale riportata di sotto). Il getto colpisce la pala nella parte centrale (nel

cerchio evidenziato) e dopodichè tende a dividersi nelle due parti

Il flusso subisce una deflessione, una variazione della sua direzione di circa 180° (un po'

meno di 180° in modo che il fluido non colpisca la pala che segue nel verso di rotazione).

Un’altra caratteristica della palettatura è la presenza dell’intaglio a lama di coltello (i due

cucchiai non sono completi, manca una parte): questo per garantire un funzionamento

efficiente della macchina. Se non ci fosse l’intaglio il flusso andrebbe a colpire quella parte

di pala e ciò comporterebbe delle inutili sollecitazioni per la girante oltre che la non

possibilità di accogliere il fluido all’interno della pala, con conseguenti dissipazioni.

Vediamo ora di costruire i triangoli di velocità per diverse posizioni della palettatura:

questo perché l’interazione del fluido con la palettatura non avviene in maniera istantanea

°

50

ma avviene su un arco che corrisponde ad un angolo compreso abitualmente tra i e i

°

60 .

Isoliamo una delle pale presenti intorno alla girante ed eliminiamo il dorso della pala (per

semplificare la rappresentazione grafica). In questo caso si ha una condizione di perfetta

⃗

perpendicolarità tra il getto proveniente dall’ugello e la pala. La velocità periferica risulta

⃗ =

⃗⃗ ×

⃗

essere diretta in direzione tangenziale (si ricordi che ): se si sovrappone alla la

⃗⃗

velocità assoluta , si può chiudere il triangolo e si avrà che sarà caratterizzata da stessa

| |

⃗⃗ = − .

direzione e verso delle altre due componenti, e in modulo corrisponderà a

Si ottiene quindi un triangolo degenere: i tre vettori sono tutti perfettamente allineati.

Ora fissiamo l’attenzione su una pala posta circa a 50°

⃗

La sarà sempre tangente alla pala e riportando il vettore si chiude il triangolo e si

⃗⃗

individua

Si ricordi che è importante conoscere la velocità relativa per la parte mobile, perché è

proprio la velocità relativa che garantirà la possibilità di scambiare più o meno energia in

base a come il fluido si muove rispetto alla parte mobile.

⃗⃗

La velocità risulterà essere diretta verso l’alto: il triangolo determinerà un effetto di

centripetazione: il fluido tende a risalire all’interno del cucchiaio e quindi scambierà più

energia proprio in virtù di questa centripetazione che si viene a generare.

Ora fissiamo l’attenzione a valle della condizione di perfetta perpendicolarità, in una pala

posta successiva a quella perpendicolare di prima

⃗

La (velocità relativa) risulterà essere diretta verso il basso: il fluido tende ad avere un

effetto di centrifugazione, tende naturalmente ad allontanarsi dalla pala.

Quindi: 50° 60°,

Tenendo conto del fatto che l’interazione sia limitata all’arco compreso tra i e i

allora le pale, nel momento in cui si trovano al di fuori dell’arco di interazione con il getto,

diventano inattive. Proprio per questa ragione le moderne turbine tendono ad essere

realizzate secondo una configurazione multigetto: non si avrà la presenza di un unico getto

(un unico ugello) ma di più ugelli (massimo 6 ugelli visto che l’interazione avviene al più su

un arco di 60°). Una configurazione a 6 ugelli garantisce ciò che garantirebbero 6 macchine

monogetto disposte in parallelo.

Una configurazione multigetto consente di limitare fortemente i costi e gli ingombri (si ha

un’unica girante piuttosto che sei giranti) anche se si complica un po' la realizzazione

dell’elemento fisso e delle tubazioni.

Nelle turbine Pelton abbiamo visto come il fluido giunge dal serbatoio attraverso una

tubazione, all’interno dell’ugello viene accelerato consentendo la conversione da energia di

pressione in energia cinetica (si tratta di una macchina ad azione perché la variazione di

pressione si ha esclusivamente in corrispondenza della parte fissa, del boccaglio, dell’ugello,

mentre la parte mobile (girante) si trova ad operare ad una pressione costante).

La condizione di pressione costante più semplice da realizzare è un funzionamento alla

pressione atmosferica perché in questo modo non ci dobbiamo preoccupare di far assumere

alla girante determinati livelli di pressione (non ci si preoccupa di sigillare la girante).

Il fluido, una volta che ha interagito con la girante, dovrà essere scaricato: nel momento in

cui il fluido perde continuità e quindi abbandona la palettatura, tendono ad aversi delle

dissipazioni ineliminabili.

La girante si trova più in alto rispetto a dove il fluido verrà ad essere raccolto (perché se

lambisse il liquido a terra mentre gira ci sarebbero delle dissipazioni, quindi una differenza

di quota è necessaria) e quando il fluido abbandona la pala, il suo contenuto energetico non

potrà essere più sfruttato; e quindi non sfruttiamo l’energia cinetica che il fluido possiede

nel momento in cui il fluido abbandona la palettatura, e nel frattempo non sfruttiamo la

differenza di quota tra il fluido che abbandona la palettatura e il livello del fluido nel

serbatoio: si tratta di dissipazioni ineliminabili. Non si ha dissipazione ineliminabile legata

alla pressione perché la girante si trova a pressione atmosferica, che è costante e non

presenta variazioni.

Si ha la possibilità di limitare a livello di percentuale le dissipazioni ineliminabili se si fanno

lavorare queste macchine sotto elevati salti motore (elevati salti geodetici); ad esempio se

10 1,

avessimo un salto geodetico di per una perdita pari a avremmo dissipazioni che

10% 100 ,

corrispondono al mentre se avessimo un salto geodetico di a parità di perdita,

10%

le perdite si sarebbero ridotte dal all’1%

La disponibilità di un elevato salto risulterà essere fondamentale per ottenere elevate

=

potenze della macchina (si ricordi che ).

Fino a due ugelli le macchine sono installate con un asse di rotazione orizzontale, con più di

due ugelli sono installate con un asse di rotazione verticale (questo per evitare che il fluido,

una volta che abbandona la palettatura corrispondente ad un determinato ugello, vada a

ricadere sui getti sottoposti determinando un funzionamento non corretto).

TURBINA FRANCIS

Si tratta di una Macchina a Reazione e quindi si ha una variazione di pressione localizzata

sia nella parte mobile che nella parte fissa: dato che stiamo trattando delle macchine

motrici l’energia del fluido si ridurrà progressivamente a seguito dello scambio energetico

tra fluido e macchina, e di conseguenza si ridurrà anche la pressione.

La parte fissa sarà caratterizzata dalla presenza del Predistributore e del Distributore, il

fluido passa nella girante e dopo essere scaricato da quest’ultima, vi sarà un passaggio

all’interno del diffusore e per ciascuno di questi elementi capiremo qual è la funzione

specifica.

Il fluido sarà distribuito attraverso la voluta a spirale per poi giungere alla parte mobile.

Andiamo ad analizzare la situazione più nello specifico

Si ha una schiera di palette che sono adagiate l’una sull’altra e sono quelle più in evidenza,

hanno la possibilità di modificare il loro angolo di calettamento in modo da variare la

portata in ingresso alla girante; insieme formano il Distributore.

Sono presenti delle palettine poste un po' più dietro (più sottili) che sono fisse e insieme

rappresentano il cosiddetto Predistributore:

Nel momento in cui arriva il fluido tramite la voluta si aprono progressivamente le palette

del Distributore per consentire il passaggio alla girante, che inizierà a ruotare. Segue poi

quanto noto sulla conversione in energia meccanica, elettrica e scarico del fluido.

Si tratta di macchina a flusso centripeto: in corrispondenza della girante si avrà un ingresso

radiale ed uno scarico assiale.

Vedremo come l’architettura geometrica sarà simile ad una pompa centrifuga, anche se con

funzionamenti inversi

Si consideri: asse di rotazione

Immagine 1 Immagine 2

Mentre nell’architettura della pompa centrifuga notavamo delle sezioni crescenti, in questo

caso si hanno sezioni decrescenti che determinano la progressiva riduzione di portata.

Notiamo la presenza della spirale, che rappresenta la modalità attraverso