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OrizzontEnergia

Turbine

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        INDICE

 

LA TURBINA

La turbina è quel macchinario che, investito dalla corrente d’acqua, viene messo in rotazione, generando l’energia meccanicaenergia meccanica
Somma dell'energia potenziale e dell'energia cinetica che in un mondo ideale privo di attriti rimarrebbe costante. In realtà in tutti i processi fisici parte dell'energia meccanica viene dissipata dalle forze d'attrito, ma non scompare nel nulla: essa si trasforma nell'energia interna delle molecole che costituiscono i corpi tra cui c'è stato attrito ed è accompagnata da un aumento di temperatura. Facciamo l' esempio di un sasso che cade. Durante il moto dell'oggetto l'energia cinetica e l'energia potenziale assumono valori diversi istante per istante. In particolare, l'energia cinetica aumenta (perché cresce la velocità) e quella potenziale gravitazionale diminuisce (perché l'altezza diminuisce). Nonostante queste grandezze cambino continuamente, la loro somma rimane costante in assenza di attriti. Ma visto che gli attriti esistono, parte del l'energia meccanica viene dispersa e, alla fine, si ritrova sotto forma di calore del sasso e dell'aria che, sebbene in modo impercettibile, si sono portati ad una temperatura maggiore.
. La turbina è formata quindi da una struttura sviluppata attorno ad un asse di rotazione, e viene chiamata girante. Generalmente è costituita da un certo numero di pale, che sono gli elementi che interagiscono direttamente con l’acqua, sottraendole energiaenergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
e trasformandola in energia meccanica. Le turbine possono essere suddivise in azione, reazione e a gravità, in funzione delle modalità di scambioscambio
Scambio tra energia elettrica immessa ed energia elettrica prelevata, nel caso in cui l'immissione e il prelievo avvengono in momenti differenti.
di energia con l’acqua.

 

LE TURBINE AD AZIONE

Sono turbine che operano a pressione atmosferica, ossia non sono installate all’interno di condotte in pressione. Tuttavia, le condotte in pressione possono essere presenti in modo da direzionare il getto d’acqua ad alta velocità contro le pale della turbina. Viene sfruttato il principio della variazione della quantità di moto: un getto d’acqua che cambia direzione scorrendo lungo una superficie curva, esercita sulla superficie stessa una forza. In una turbina, la superficie curva è quella delle pale; tale forza agisce dunque sulle pale, e fa ruotare la turbina. La turbina ad azione più diffusa è la turbina Pelton.

La turbina Pelton è costituita da un certo numero di pale a doppio cucchiaio contro le quali un ugello spara un getto d’acqua. Il numero massimo di ugelli è in genere 4, così che 4 pale contemporaneamente vengono colpite. Il getto d’acqua scorre lungo la superficie interna della pala, cambia direzione grazie al profilo curvato della pala, ed esce. Questo cambio di direzione del getto d’acqua fa nascere una forza contro la pala, che fa ruotare la turbina.

Una variante della Pelton è la Turgo : il getto d’acqua entra nelle pale da un lato della turbina, ed esce da quello opposto, colpendo più pale contemporaneamente.

Tra le turbine ad azione figurano anche le ruote idrauliche cinetiche in acqua fluente, e alcune turbine idrocinetiche (si veda descrizione apposita più avanti) in cui l’energia cineticaenergia cinetica
Energia di movimento, ovvero l'energia che un corpo possiede in virtù del fatto che si sta muovendo. La massa d'acqua di una cascata possiede energia cinetica, per esempio. Un corpo di massa M, infatti, muovendosi a velocità V, ha in sé la capacità di compiere un lavoro, ovvero di 'far muovere' qualcos'altro mentre cade o si muove. L'energia cinetica è data dall'espressione: Ec=1/2 x M x V2.
è utilizzata per la rotazione.

Un’altra turbina è la Cross flow, o Banki, in cui l’acqua in entrata scambia la propria energia interagendo con le pale da un lato della turbina (in questa prima fase viene anche leggermente sfruttato il principio di reazione, si vedano in seguito le turbine a reazione per dettagli), e poi in uscita scambia la propria energia residua con le pale situate nella parte opposta della turbina.

Idroelettrico/IMM 10.jpg

      Foto 1: Turbina Pelton e differenza tra le turbine Pelton e Turgo

 

Idroelettrico/IMM 11.jpg

Foto 2: Turbina Cross Flow e ruota  idraulica cinetica

 

 

LE TURBINE A REAZIONE

Sono turbine installate all’interno di condotte in pressione, e operano quindi in pressione. L’acqua viene direzionata nelle pale della turbina rotante da una serie di altre pale fisse, disposte attorno alla turbina lungo una traiettoria circolare; l’orientamento di queste pale fisse può essere regolato in funzione della portata (l’insieme di queste pale fisse è chiamato diffusore). Il getto d’acqua agisce sulle pale sia cambiando direzione (variazione quantità di moto, principio ad azione), e sia creando una differenza di pressione attraverso la pala (principio di reazione), incrementando quindi la forza generata contro la pala. La differenza di pressione che si viene a creare è la stessa che genera la portanza di un aeroplano, dove le pale sono rappresentate dalle ali. Tipiche turbine a reazione sono le turbine a bulbo, ad elica e le Francis.

Nelle turbine a bulbo, l’asse di rotazione della turbina è parallelo alla direzione del getto d’acqua in arrivo, che investe la turbina arrivando da monte rispetto alla turbina stessa.  Nella turbina a bulbo il generatoregeneratore
Dispositivo che traforma l'energia meccanica in energia elettrica.
ed il moltiplicatore (se presente) sono contenuti in una cassa impermeabile, a forma di bulbo, immersa nell'acqua.

Invece, nelle Francis l’acqua entra dalla periferia della turbina (lungo la circonferenza esterna), ed esce assialmente. Prima di entrare nella turbina rotante, l’acqua scorre all’interno di una condottacondotta
Rete di tubazioni adibite al trasporto di combustibili (gas e petrolio) dai luoghi di produzione ai luoghi di stoccaggio, di imbarco, di trattamento e di consumo.
a spirale (chiamata distributoredistributore
Soggetto proprietario e responsabile della rete di distribuzione locale (di elettricità o di gas) a cui sono allacciati direttamente gli utenti finali.
) avvolta attorno alla turbina, che viene installata proprio per far sì che il getto d’acqua investa la turbina entrando da tutta la circonferenza esterna, uniformando la pressione dell’acqua prima del suo ingresso nel diffusore. 

Nelle turbine ad elica invece, si ha una situazione intermedia tra le precedenti. Il getto d’acqua scorre nella condotta a spirale, ma poi entra assialmente nella turbina, come in quelle a bulbo. Le turbine ad elica con pale regolabili vengono chiamate Kaplan, ben adattabili quindi a portate variabili.  A valle delle turbine a reazione vi è un tubo diffusore, che riduce la pressione aumentando la potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
generata.

Idroelettrico/IMM 12.jpg

Foto 3: Turbina Kaplan

Idroelettrico/IMM 13.jpg

Foto 4: Turbina Francis

 

 

LE TURBINE A GRAVITA'

Sono turbine che sfruttano il peso dell’acqua, e sono utilizzate tipicamente nel micro idroelettrico (salti circa <10 m, e  qualche metro cubo al secondo massimo di portata). In questo ambito, quando si parla di alto salto ci si riferisce generalmente a un salto maggiore di 5 m, medio salto se compreso tra 2 m e 5 m, altrimenti basso salto. Per basse portate ci si riferisce a qualche centinaia di litri al secondo massimo, e alte portate quando si ha qualche metro cubo al secondo. L’acqua entra nei vani racchiusi dalle pale della turbina, spingendo contro le pale grazie alla pressione statica generata dal proprio peso. Anche l’energia cinetica può essere utilizzata, in particolare nella fase di impatto iniziale, ossia nella fase di riempimento del vano.

Tra le turbine a gravità ricordiamo le ruote idrauliche e le coclee (anche note come viti di Archimede o viti idrodinamiche). Le ruote idrauliche ruotano rispetto ad un asse di rotazione orizzontale, e riescono così anche a sfruttare una porzione dell’energia cinetica del getto d’acqua. Le ruote ad asse verticale non sono più utilizzate (in alcuni vecchi mulini sono ancora presenti), perché sono meno efficienti, potendo sfruttare solo l’energia cinetica dell’acqua. Le ruote ad asse orizzontale sono formate da un certo numero di pale (tipicamente tra 12 e 70, in funzione della tipologia). Invece le coclee ruotano rispetto ad un asse inclinato tra i 22° e i 35° sull’orizzontale; sono formate in genere da 3 pale avvolte ad elica attorno al mozzo centrale, costituito da un lungo tubo che si sviluppa lungo l’asse di rotazione.

Le ruote idrauliche di tipo undershot, o dal basso, sono raccomandabili in zone con bassi salti (< 1,5 m) e portate massime di 1,2 m3/s per metro di larghezza; l’acqua entra nella ruota nel primo terzo inferiore della stessa. Le ruote overshot, o dall’alto, sono utilizzate in siti con medio-alti salti (3-6 m) e basse portate (0,1-0,2 m3/s per metro di larghezza massimo), e l’acqua entra dall’alto. Le ruote breastshot, o dal fianco, sono tipicamente utilizzate per salti massimi di circa 3÷4 m e portate massime di 1 m3/s per metro di larghezza, e l’acqua entra dal fianco della ruota, nel terzo centrale della stessa. Esistono poi le ruote cinetiche, che sfruttano solo l’energia cinetica, senza salti; pertanto rientrano nelle turbine ad azione.

Anche la coclea può essere utilizzata nelle precedenti condizioni. Le ruote però sono più consigliate per alti salti e basse portate (ruote overshot) o bassi salti e alte portate (ruote undershot); questo perché, in questi casi, la coclea risulterebbe o troppo snella o troppo tozza, rispettivamente. La coclea è più adatta in zone con medio-alti salti (2-6 m) e portate di qualche metro cubo al secondo, poiché in questi casi una ruota idraulica risulterebbe avere un diametro e una larghezza eccessivi. Sono attualmente in corso delle ricerche volto allo studio di nuove tipologie di ruote idrauliche a gravità che possono essere efficientemente impiegate anche in condizioni di alti salti e grandi portate, riducendone l’ingombro.

Ruote e coclee erano utilizzate già in tempi antichi. Oggigiorno, tra le turbine convenzionali, queste macchine idrauliche sono quelle per le quali la ricerca sta iniziando ad investire, sia per la carenza di informazioni ingegneristiche, sia per i loro vantaggi (bassi impatti ambientali e costi minori) e sia per il rapido sviluppo del micro idroelettrico. In particolare, in merito alle ruote idrauliche la ricerca scientifica risulta essere particolarmente avanzata al Politecnico di Torino. Per ulteriori informazioni, fare riferimento al link

Idroelettrico/IMM 14.jpg

Foto 5: Ruota idraulica e coclea idraulica

 

Un’altra suddivisione delle turbine può essere fatta in base al numero di giri caratteristico. Esso esprime la velocità di rotazione che avrebbe una turbina qualora, rimanendo idraulicamente simile a se stessa, funzionasse, con le idonee dimensioni, sotto un salto netto di 1 m sviluppando una potenza di 1 kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
.

TURBINA

GIRI CARATTERISTICI AL MINUTO

Ruota breastshot/undershot

10÷30

Ruota overshot

3÷10

Coclea

25÷100

Pelton ad un getto

<25

Pelton a più getti

25÷70

Francis lenta

50÷100

Francis normale

100÷200

Francis rapida

200÷400

Elica a pale fisse

400÷700

Kaplan a pale mobili

400÷1300

Tabella 1: Numero di giri caratteristico

 

Il rendimentorendimento
In termini generali il rendimento è il rapporto tra "quanto ottenuto" in un processo e "quanto speso" per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l'input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
delle precedenti turbine è riportato nella figura seguente.

Idroelettrico/IMM 15.jpg

Foto 6: Efficienza idraulica massima della turbina al variare della portata, espressa come percentuale della portata di progetto (1 Pelton, 2 Francis, 3 Kaplan, 4 Bulbo)

 

Per quanto riguarda invece ruote e coclee, si ha che il massimo rendimento idraulico delle ruote varia tra il 70% e il 90%, mentre quello delle coclee tra il 75% e il 90%, in un range compreso tra il 50% e il 120% della portata di progetto.

Nella figura a seguire sono riportate le condizioni di lavoro delle turbine precedentemente descritte.

Idroelettrico/IMM 16.jpg

Foto 7: Campo di applicazione (salto e portata) e potenze delle varie turbine precedentemente discusse

 

In tempi moderni sono state introdotte altre tipologie di turbine, differenti da quelle precedentemente descritte.

 

 

TURBINE A VORTICE

Introdotte ultimamente, sfruttano l’energia di un campo di moto rotante, quale quello di un vortice. Possono essere utilizzate per salti tra 0,5 e 2,5 m e portate fino a 20 m3/s, con massime efficienze dichiarate dall'inventore dell’ 80%, sebbene risultati sperimentali mostrino un'efficienza massima del 40%. Tuttavia, questa turbina è ancora in fase di sperimentazione, essendo da poco stata introdotta sul mercato.

Idroelettrico/IMM 17.jpg

Foto 8: Turbina a vortice.

 

 

LE TURBINE IDROCINETICHE

Sono turbine completamente immerse in acqua fluente. Sfruttano l’energia cinetica dell’acqua fluente, sia creando un effetto di azione, o di reazione, in base alla forma delle pale. Vengono utilizzate nel micro/pico idroelettrico, potendo solo sfruttare l’energia cinetica dei corsi d’acqua.

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Foto 9: Turbine idrocinetiche

 

 

La pagina è stata curata dall'Ing. Emanuele Quaranta (Politecnico di Torino - DIATI Hydraulics)

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