Valutazione preliminare per la progettazione di un impianto idroelettrico

Generalità sulle turbine idrauliche

3.

Le turbine idrauliche sono macchine destinate a trasformare in forma direttamente utilizzabile

l’energia disponibile dalla variazione di quota di una massa d’acqua. Per rendere attuale questa

energia potenziale, è necessario captare l’acqua per mezzo di opere di presa a monte e

successivamente farla defluire in condotte forzate o a pelo libero, alle turbine.

La quasi totalità delle turbine idrauliche installate e attualmente in funzione, possono essere divise in

tre classi: turbine Pelton, turbine Francis e turbine Kaplan. Sebbene si presentino in tipologie e forme

costruttive diverse, in funzione delle richieste del cliente e condizioni di funzionamento, constano

delle seguenti parti:

 Distributore: è l’organo fisso (statore) che converte, tutta o in parte, l’energia idraulica

disponibile in energia cinetica, facendo assumere all’acqua una velocità prestabilita, in

direzione e valore assoluto. Si divide in distributore a getto (caratteristico delle turbine Pelton)

in cui la regolazione viene fatta per mezzo di una spina, e distributore a camera a spirale

(caratteristico delle turbine Francis e Kaplan) in cui la regolazione viene fatta variando

l’inclinazione delle pale direttrici. Solitamente in quest’ultimo vi è anche un predistributore

con pale fisse, dette antidirettrici.

 Ruota mobile: è l’organo rotante, detto anche girante o rotore, destinato a convertire l’energia

cinetica in energia meccanica, resa poi disponibile sull’asse della ruota stessa. Essa è munita

di pale opportunamente sagomate in funzione della tipologia di turbina, che posso essere fisse

o mobili.

 Diffusore: costituisce il condotto di scarico nelle turbine Francis e Kaplan (ovvero nelle

turbine a reazione) e permette di trasformare la frazione più elevata possibile dell’energia

cinetica dell’acqua in uscita, in salto disponibile (ovvero in energia di pressione).

Esso è generalmente un tronco-cono ad asse verticale con conicità molto ridotta (tra 3° e 5°).

Nel caso in cui il recupero cinetico sia importante, ma irrinunciabile per l’influenza sul

rendimento della turbina, la lunghezza può diventare molto elevata, per cui viene diviso in

tratto verticale corto e orizzontale collegati da un gomito, in modo tale da ottenere la

configurazione a gomito Kaplan.

 Organi accessori: comprendono tutti gli elementi della turbina che non prendono parte

direttamente alla trasformazione dell’energia, ma che risultano indispensabili al

funzionamento dell’impianto. 13

Classificazione delle turbine idrauliche

3.1.

Le turbine idrauliche possono essere classificate in relazione ad alcuni criteri importanti:

3.1.1. Criterio idrodinamico che mette in rilievo il modo e la misura con cui l’energia idraulica

viene trasformata all’interno del distributore:

Turbine a vena libera (o turbine ad azione, sono quelle in cui tutta l’energia

o = 0),

potenziale di pressione viene trasformata in energia cinetica, dove l’acqua raggiunge la

massima velocità all’uscita del distributore. In questa tipologia di turbina, la girante ruota

a pressione costante atmosferica ed ha il compito di deviare il getto. Un esempio comune

sono le turbine Pelton.

Turbine a vena forzata (o turbine a reazione, 0 < < 1), nelle quali soltanto una parte

o dell’energia idraulica viene trasformata in energia cinetica, mantenendo quindi una certa

energia di pressione. Per questo motivo la girante ruota in un ambiente a pressione

variabile, tra un massimo in ingresso e un minimo allo scarico, completamente immerso

nella corrente fluida e viene attuato interamente da questa. Nella pratica, il valore

massimo del grado di reazione si aggira intorno a 0,9 (turbine ad elica) ed il campo medio

di variazione di per le turbine a vena forzata è compreso fra 0,3 e 0,7. Vi appartengono

le turbine Francis e Kaplan.

Turbine a reazione pura ( = 1): per valori unitari del grado di reazione, significherebbe

o che tutta l’energia a disposizione della macchina verrebbe trasformata nel rotore. Tale

valore però può essere solo un massimo teorico, in quanto per velocità in ingresso

pari a 0 non si avrebbe portata.

3.1.2. Criterio geometrico in funzione delle caratteristiche geometriche dell’impianto:

Orientamento dell’asse di rotazione, possono essere turbine ad asse verticale o ad asse

o orizzontale.

Andamento dei filetti fluidi nella girante, in questo caso si distinguono in turbine assiali,

o nelle quali i filetti percorrono la girante prevalentemente nella direzione dell’asse di

rotazione, e in turbine radiali, dove i filetti si muovono perpendicolarmente all’asse di

rotazione. Quest’ultime possono essere ulteriormente divise in turbine radiali centrifughe

e centripete, a seconda che il moto dell’acqua sia dal centro alla periferia o viceversa.

Disposizione dell’impianto, si hanno turbine in camera libera dove distributore e girante

o sono immersi nella vasca di carico (solitamente limitata cadute geodetiche inferiori

a 10 m), e turbine in camera forzata quando il distributore è alimentato da una cassa a

spirale collegata alla condotta forzata, e quindi in pressione.

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3.1.3. Criterio funzionale, in base alla geometria della girante, analizzata attraverso il numero di

macchina K, che per le turbine idrauliche è compreso tra 0,04 e 5,50, si distinguono:

Turbine lente: corrispondenti a bassi valori di K, si trovano macchine prevalentemente

o centrifughe, fortemente radiali e con canali di flusso piccoli.

Turbine medie-veloci: man mano che K aumenta, il termine di portata inizia ad essere

o prevalente e le dimensioni della macchina aumentano in termini di diametro e canali

di flusso.

Turbine veloci: turbine con portate e dimensioni elevate, il flusso diventa

o prevalentemente assiale.

Notare che il termine “lento” e “veloce” non è legato solo alla velocità di rotazione, ma anche alla

portata volumetrica. Per questo motivo turbine che sono definite veloci, possono avere velocità di

rotazione minore rispetto alle lente, ma portate nettamente superiori.

Di seguito viene riportata la variazione delle forme delle giranti delle turbine in funzione del numero

di macchina K: Figura 3.1: Classificazione per diversi tipi di turbine [10]

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A seguire è indicata una classificazione sommativa in funzione del numero di macchina K, del grado

n n

di reazione , del numero di giri caratteristico e specifico

c s.

Macchina n = 3,65 n [rpm] n [rpm] K ε

s c c

Pelton a 1 getto 2 ÷ 30 3 ÷ 9 0,04 ÷ 0,038 0

Pelton a 2 getti 20 ÷ 40 7 ÷ 14 0,04 ÷ 0,038 0

Pelton a più getti 30 ÷ 80 9 ÷ 22 0,04 ÷ 0,038 0

Francis lente 70 ÷ 125 19 ÷ 35 0,30 ÷ 0,45 0,3

Francis normali 125 ÷ 200 35 ÷ 85 0,45 ÷ 0,75 0,4

Francis veloci 200 ÷ 300 58 ÷ 87 0,75 ÷ 1,30 0,5

Francis ultraveloci 300 ÷ 500 87 ÷ 145 1,30 ÷ 2,40 0,6

Kaplan o elica 400 ÷ 1200 116 ÷ 350 2,4 ÷ 5,50 0,7

Tabella 3.1: Classificazione delle turbine idrauliche [3, 5]

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Turbine Pelton

3.2.

La turbina Pelton è una turbina ad azione, con grado di reazione e numero caratteristico

= 0

compreso tra 0,04 e 0,38 impiegata sia per mini che per grandi impianti (spesso utilizzate in coppia

con un albero orizzontale solidale a entrambe) in quanto può arrivare a produrre 100 ÷ 150 MW con

punte di 300 MW, sfruttando salti elevati compresi tra 200 e 1200 m e portate relativamente modeste,

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che non superano i 10 ÷15 m /s.

In questa tipologia di turbine, l’energia di pressione disponibile in ingresso alla macchina viene

completamente convertita in energia cinetica.

Figura 3.2: Sezione trasversale turbina Pelton ad asse orizzontale a due getti [5]

La macchina è costituita principalmente dai seguenti organi:

 Da uno fino sei ugelli collegati alla condotta, che fungono da distributore, atti a convertire

l’energia e regolare la portata, essendo l’unico mezzo di regolazione per le Pelton. Esso è

sagomato in modo da formare un getto compatto e regolare d’acqua che colpisce la ruota alla

periferia secondo una tangente, grazie anche alla spina interna coassiale all’ugello, detta spina

Doble.

 La girante su cui sono disposte delle pale a doppio cucchiaio, con un tagliente centrale che

divide il getto in due porzioni simmetriche. Per un numero di ugelli minore di tre, la girante

può essere posta con asse orizzontale, altrimenti deve necessariamente essere verticale, per

evitare interferenze tra i flussi.

 Altri organi accessori, con funzioni di controllo del flusso e regolazione, come ad esempio il

tegolo deviatore. Questo componente risulta utile per deviare rapidamente il flusso nel caso

in cui il momento resistente dell’alternatore alla turbina venga a mancare (per blackout o

situazioni di emergenza), per cui il rotore accelera fino alla velocità massima raggiungibile,

detta velocità di fuga. Viene impiegato, considerando che la chiusura della spina Doble o delle

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valvole a monte del distributore richiede notevoli sforzi e tempi significativi, oltre al rischio

che si verifichino pericolosi colpi d'Ariete all'interno della condotta forzata.

Considerando che il flusso d’acqua che colpisce la girante non possiede energia in termini di

pressione, ma solo cinetica, la velocità del getto che investe le pale giranti, in assenza di perdite,

risulta essere, pari alla velocità Torricelliana e alla pressione atmosferica: (3.1)

= 2

,

Figura 3.3: Pala di turbina Pelton con triangoli di velocità [5]

Analizzando il triangolo di velocità in ingresso, è degenere in quanto tutti i vettori delle velocità sono

paralleli tra loro. La velocità assoluta effettiva in ingresso, considerando un fattore di perdita per

l’attrito del fluido (0.97 < < 0.99), sarà pari alla velocità del fluido in ingresso moltiplicata per tale

fattore: (3.2)

= = 2 =

,

Essendo ingresso e uscita giacenti sullo stesso diametro medio D, la velocità periferica u sarà:

= = = (3.3)

2

e velocità relativa in ingresso: (3.4)

= −

Nella progettazione dei profili si cerca di annullare la componente tangenziale della velocità assoluta

in uscita in modo da massimizzare il lavoro Euleriano:

(3.5)

→

=0 =

La velocità relativa è ricavabile per mezzo del grado di reazione , che per le turbine Pelton vale 0: