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
• Yu = 0,97
• Yv = 0,89
• P = ρghQη = 98 MW

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

• n     i     D₂/d_b
• 300     6     15,563
•          5     14,2
•          4     12,7

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.

Ribcando i dati si ottiene:

• n     i     D₂/d_b
• 360     5     10,65
•          6     12,96

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 mQ = 194 m³/sη_u = 0,97η₁ = 0,89P = ρQgh = 98 MW

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

• n | i | D/d_s
• 300 | 6 | 15,563
• 5 | 14,2
• 4 | 12,7

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 puentati nella realtà.

In questa soluzione in settore 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:

• n | i | D/d_s
• 360 | 5 | 10,65
• 6 | 12,96

Si spiega con 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’esperienza non avviene solo negli organi interni, ma anche attraverso la girante, ci sono problemi di cavitazione; quindi l’abbassamento del regime di rotazione è l’enaquenza del contenimento di valore di NPSH per non dover collocare la turbina pressoché sotto il pelo libero.

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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. Ha quindi

le potenze non sono elevate è possibile con 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
• _D/do
• i
• 1
• 6,37
• 2
• 9,01
• 3
• 11,03

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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

Passiamo ora al disegno della palettatura. Si possono sfruttare le correlazioni empiriche che legano il diametro del getto alle dimensioni caratteristische 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 chedipendono fondamentalmente dal diametro del getto, in modo da evitare chela corrente intercetti della pala all'inizio del suo stacco al getto vadaad urtare allo stanco il dorso della pala che segue.

Non sono sufficienti questi tre disegni per andare ad ottenere le informazioninecessarie per creare lo stampo. Occorrono informazioni relative anche allesezioni 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 stateriportate altre sezioni tracciate piani paralleli rispetto alle sezioni principali.

Lo stampo viene costruito pezzo dopo pezzo:

• si prende un parallelepipedo contenete per esempio. tra le sezioni 5 e 6 ese ne ricava la forma del cucchiaio, coi relativi angoli
• si prende un altro parallelepipedo ad essi adiacente, per esempio quellodefinito dalle sezioni 4 e 5 e si ripete il procedimento
• si procede fino a che nella giunzione le forme siano le più omogeneepossibile, in modo da evitare gobbe o avvallamenti che provocherebberoperdite e interruzione e in getto
• si uniscono i vari blocchi e si ottiene lo stampo finale che viene poiopportunamente lisviato.

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Fig. 8.3 metodo per definire geometria del cucchiaio

Distribuiti gli angoli di ingresso e di uscita sulle sezioni frontale 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 cosi 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.