TURBINE IDRAULICHE

 

Considerazioni generali.

Le turbine idrauliche sono le turbomacchine più antiche: nei millenni esse si sono evolute dalle lente e poco redditizie ruote idrauliche, alle attuali e probabilmente poco migliorabili turbine, alcune delle quali sono dotate di pale, sia rotoriche che statoriche, con angoli di calettamento variabile.

L'utilizzo di esemplari relativamente piccoli di tali macchine era molto diffuso nel XIX secolo, quando non essendo diffusa l'energia elettrica, le fabbriche utilizzavano forza motrice meccanica ricavata da alberi direttamente collegabili all'asse di una macchina idraulica.

Oggi sono utilizzate in Italia essenzialmente per coprire una piccola porzione (circa 10%) della produzione di energia elettrica: nei periodi di massima richiesta vengono a volte sfruttati gli impianti idraulici ad accumulo (dighe), per la loro ottima caratteristica di inseguimento del carico.

La loro messa in esercizio è relativamente semplice ed il loro costo rispetto ad altre macchine di pari potenza risulta notevolmente ridotto.

La quota di energia elettrica prodotta dall'idraulico risulta molto maggiore in paesi ove la presenza di grandi corsi d'acqua e notevoli salti geodetici consentono di sfruttarlo anche per la potenza di base ( Canada, Egitto, Paraguay...).

Per quanto riguarda la tipologia generale del sistema, un impianto utilizzante turbine idrauliche, consiste di un bacino a monte con relative opere di intercettazione e di presa (esso è di misura molto ridotta per impianti ad acqua fluente ed esteso per impianti ad accumulo), una condotta di adduzione (condotta forzata) una valvola di intercettazione, utilizzata per escludere la macchina durante i periodi di fuori servizio, una condotta di scarico e di un eventuale bacino a valle per gli impianti ad accumulazione forzata.

Le turbine idrauliche sono costituite da più organi che si susseguono: elementi statici chiamarti distributore, un elemento rotante chiamato rotore ed eventualmente un secondo elemento statico chiamato diffusore. 

La regolazione della potenza è sempre possibile nelle macchine moderne tramite parzializzazione del flusso modificando opportunamente la geometria del distributore, alcune macchine (ad esempio le Kaplan) possono modificare anche la forma del rotore.

Il diffusore è utilizzato per trasformare l'energia cinetica presente nell'acqua allo scarico in energia di pressione.

Il lento e costante sviluppo ha comportato un'ottima conoscenza delle turbine: esse risultano oggi perfettamente definite in ogni dettaglio e campo di funzionamento, risulta quindi relativamente semplice il loro dimensionamento in similitudine.

Dei tre tipi di macchina maggiormente utilizzati si è facilmente potuta effettuare nel presento lavoro una scelta automatica basandosi sul regime caratteristico; le esperienze accumulate da decine di migliaia di realizzazioni garantiscono infatti, per ogni suo valore, quali macchine forniscono i migliori risultati.

L'output dell'applicazione  del presente lavoro è basato dunque su conoscenze pregresse, ma non essendo lo scopo del lavoro l'esecuzione di un progetto esecutivo, si sono adottate alcune semplificazioni.

Il Sistema Esperto esegue dimensionamenti di massima con algoritmi di calcolo basati sulla cosiddetta teoria monodimensionale delle turbomacchine, cioè sulla definizione dei triangoli di velocità del flusso medio.

I fenomeni di stallo, ricircolo, scie, strato limite, urti e loro reciproche interazioni sono state esplicitamente trascurati; del loro effetto si tiene conto tramite l'introduzione di coefficienti correttivi semiempirici.

Il programma può progettare macchine funzionanti con liquidi diversi, essi influiscono sulla densità, la viscosità e la tensione di vapore cui si verificherà la cavitazione; il fluido di default è l'acqua; per alcuni liquidi l'immissione è assistita nella selezione dei valori da imporre.

Tendenza della attuale produzione è quella di sostituire macchine più veloci (rispetto al regime specifico) a quelle più lente, il che può spiegarsi con il maggiore rendimento delle turbine Francis rispetto alle ruote Pelton e con l'ottima adattabilità alle diverse condizioni di funzionamento delle eliche a passo variabile Kaplan.

Per tenere conto di tali tendenze, oltre che per generalità di intenti, si è reso possibile nel programma il dimensionamento di qualsiasi macchina fuori similitudine, realizzando in pratica una serie di estrapolazioni di caratteristiche a partire da alcuni dati di esperienza reali.

 

 

La ruota Pelton

Quando una piccola quantità di acqua possiede molta energia l'analisi dimensionale assegna alla macchina un piccolo valore del numero caratteristico e attorno a questo valore si individua il campo di esercizio della turbina Pelton.

Questa macchina è l'unica capace di gestire i maggiori salti idraulici, il più alto dei quali al mondo è quello di Fully negli USA con caduta di 1850 m.

In Italia la sua più esasperata applicazione è sita ad Arise con un salto di 1050 m.

Il distributore di tale macchina è costituito da uno o più ugelli acceleratori, in cui si trasforma tutta l'energia di pressione del fluido in energia cinetica, generando getti di acqua di sezione circolare che poi colpiranno il rotore: la macchina risulta pertanto essere ad azione.

La regolazione della portata di tale getto viene effettuata tramite lo scorrimento all'interno del condotto acceleratore di un otturatore a spina di Doble, con la cui posizione si può variare la sezione dell'ugello di uscita.

La presenza di tale spina fa si che il rallentamento per attrito dei filetti fluidi vicini al centro del getto sia simile a quello subito per effetto della parete da quelli prossimi alla periferia; la velocità di eiezione risulta così molto uniforme e consente di mantenere la forma cilindrica del getto per un più lungo percorso con perdite in questa fase limitate al solo 1-2%.

Il rotore è costituito da una ruota idraulica con pale a forma di doppio cucchiaio che dividono il getto, assorbendone l'energia cinetica e facendolo uscire in direzione quasi opposta a quella d'entrata. 

Negli anni tale pale sono state ottimizzate nella forma e dotate di un intaglio centrale capace di consentire un impegno progressivo pala-getto ed il contemporaneo progressivo disimpegno della pala precedente.

Le ridotte sollecitazioni impulsive consentono alle più veloci realizzazioni (Escher Wyss) di raggiungere il regime di 1500 r.p.m.; risulta quindi ovvio che per raggiungere tali valori particolare attenzione vada prestata alla giunzione delle pale al corpo della ruota; tale connessione può essere realizzata per imbullonatura, saldatura o anche tramite unica fusione.

 

 

Dopo la scelta di questa macchina, l'algoritmo utilizzato prevede un calcolo delle perdite nei condotti ottenuto applicando le equazioni di Darcy 

y = 0,02 Q^2 / fi^5

per l'acqua e quella di Dreww_McAdams_Koo per gli altri fluidi

f = 0.0014 + (0.125 / Re^0.32).

Il calcolo delle dimensioni della macchina prevede inizialmente l'introduzione dei valori del coefficiente di efflusso statorico fi2 grazie a cui si calcola la velocità di eiezioneV1 da quella Vi Torricelliana. Successivamente viene imposto un rapporto Kp tra tale velocità e quella di rotazione U, ottenendo il diametro medio della ruota Dg.

Il diametro dei getti d lo si evince dalla portata e dal loro numero