Andrea Taglietti - Turbine idrauliche

Turbine idrauliche

energia dall'acqua

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Introduzione

A bulbo

Tipologie di turbine

A vite idraulica

Ruota idraulica

Michell-Banki

Pelton

Turgo

Francis

Mini turbina

Kaplan

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COsa è una turbina ?

La turbina è una macchina motrice rotante che converte in energia meccanica l'energia cinetica di un fluido in movimento. L'elemento essenziale della turbina è la , o rotore, che può essere costituita da un'elica oppure da una ruota con alette o pale variamente profilate. L'energia meccanica acquisita dalla girante viene poi trasmessa a un albero motore che viene utilizzato per azionare una macchina, un compressore o un generatore elettrico.

girante

Tipologie di turbine idrauliche

Caratteristiche idrauliche delle principali turbine

• , la più antica e semplice turbina idraulica, usata dapprima nell'antica Grecia e successivamente adottata nella maggior parte dell'Europa antica e medievale
• , idonee per piccole portate e grandi salti
• , adatte alle medie portate e salti di qualche centinaio di metri
• , utilizzate in presenza di grandi portate e piccoli dislivelli
• , evoluzione versatile della Kaplan

• , vengono spesso utilizzate su piccoli salti e modeste portate
• (Cross flow), adatte per piccole portate e salti fino a un centinaio di metro
• , derivata dalla turbina Pelton, rispetto alla quale ha un rotore più economico da realizzare

• , macchine personalizzate, generalmente per istallazioni "in isola"

Ruota idraulica

Pelton

Francis

Kaplan

Bulbo

A vite idraulica

Michell-Barki

Turgo

Mini turbine

RUOTA IDRAULICA

Le prime turbine idrauliche furono le ruote idrauliche, divenute di grande uso a partire dal XVII secolo in concomitanza del passaggio dalla fase artigianale a quella industriale della produzione. Le ruote idrauliche, tuttavia, essendo basate quasi esclusivamente sullo sfruttamento dell'energia potenziale attraverso il peso dell'acqua non potevano fornire grandi potenze a causa della bassa altezza di caduta dell'acqua

turbina pelton

Pelton

Le turbine vengono utilizzate soprattutto nei bacini idroelettrici alpini, per salti d’acqua medio alti che vanno dai 50 ai 1200 metri. La girante monolitica in acciaio inox è fissata direttamente sull’albero del generatore. Il distributore a più getti consente la migliore regolazione della portata allo scopo di ottimizzare l’efficienza energetica dell’intera macchina. Il principale vantaggio di queste turbine, consiste nella possibilità di mantenere un elevato rendimento sia con portate massime che con portate minime. Possono essere con asse orizzontale e la combinazione fino a tre getti, oppure ad asse verticale nella combinazione da 4 a 6 getti.

turbina FRANCIS

Francis

Le turbine sono molto diffuse e sfruttano il dislivello d’acqua compreso tra una decina e qualche centinaio di metri. L’acqua viene distribuita sulla ruota tramite una cassa a spirale ed il relativo predistributore. Il distributore vero e proprio, solitamente con pale regolabili, indirizza invece l’acqua verso le palette della girante. In base alla potenza, possono essere considerate piccole, medie e grandi. Il rendimento di queste macchine risulta elevato su un ampio campo di portate. Sono inoltre realizzabili con l’asse orizzontale o verticale, in base alle dimensioni del sito.

turbina KAPLAN

Kaplan

Le turbine permettono numerose applicazioni, anche in settori molto diversi. Sono utilizzate in presenza di salti generalmente piccoli e fino a una cinquantina di metri. Sfruttano la grossa portata del fiume, che può giungere fino a un centinaio di metri cubi al secondo. La costruzione, in base al salto e la portata, può avere il distributore fisso e le pale regolabili, in questo caso la turbina risulta a semplice regolazione. Con la doppia regolazione si possono ottenere maggiori vantaggi, sia sulla modulazione delle portate che sulle prevalenze. In tal caso la curva di rendimento si mantiene costante praticamente su quasi tutto il campo delle portate, così da ottenere un grado di efficienza migliore.

turbina a bulbo

Le turbine a Bulbo sono ricavate dalle turbine Kaplan e risultano molto più semplici. Vengono solitamente utilizzate su livelli di qualche metro. La particolarità di queste macchine risiede nel bulbo, immerso nell’acqua, dove trova collocazione l’alternatore per la produzione di energia.

turbina a VITE IDRAULICA

Le turbine a Vite idraulica o Coclea sono conosciute anche come ruota di Archimede. Invertono il principio di funzionamento e sfruttano la differenza di potenziale dell’acqua in caduta, dal punto più alto fino a scorrere nuovamente nel corso d’acqua naturale. Sono utilizzate per salti fino a 10 metri e portate fino a 6 mc/s.

turbina MICHELL-BANKI

LA turbina Michell - Banki, nota anche come turbina Ossberger, è un tipo di turbina idraulica che deve il suo nome agli studiosi che la svilupparono: l'australiano Anthony Michell, l'ungherese Donát Bánki e il tedesco Fritz Ossberger. Questo tipo di turbina è impiegato su impianti di piccola potenza (indicativamente fino a qualche migliaio di kW); ha il pregio della semplicità costruttiva, che la rende adatta all'autocostruzione. l'acqua, guidata dall'iniettore, entra tra le pale, percorre trasversalmente l'interno del rotore e quindi si scarica attraversando di nuovo le pale dalla parte opposta. Quando le pale vengono investite dal flusso idrico, il rotore entra in rotazione e l'albero centrale trasmette l'energia meccanica così prodotta al generatore di corrente elettrica ad esso collegato.

turbina turgo

La turbina Turgo è una turbina idraulica ad azione. Sviluppata dall'azienda britannica Gilkes nel 1919, è stata derivata dalla turbina Pelton, rispetto alla quale ha un rotore più economico da realizzare, un numero di giri caratteristico più elevato e può gestire una portata d'acqua maggiore a parità di diametro. Queste ultime due caratteristiche permettono di ridurre le dimensioni dell'alternatore e i costi di installazione. Può raggiungere rendimenti intorno all'87%. Questo tipo di turbine può essere utilizzato sia in impianti di grandi dimensioni che nel piccolo idroelettrico.

MIni TURBINA

Le Mini turbine sono la soluzione ideale per disporre di energia elettrica soprattutto nelle zone non asservite dalla rete di distribuzione. Sono derivate dalla produzione di serie, ma costruttivamente molto più semplici. La plausibile regolazione avviene con l’impiego di azionamenti a velocità variabile. Questi sistemi di produzione, riducono inoltre i consumi di combustibili tradizionali evitando l’inquinamento atmosferico.

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by Andrea Taglietti

Girante

La girante è un organo rotante presente nelle macchine rotanti a fluido. Nelle macchine motrici, la girante è la parte che viene mossa dal fluido, dal quale riceve energia.

Lester Allan Pelton

Nato: 5. 9. 1829, Vermilion, Ohio, Stati Uniti Morto: 14 marzo 1908, Oakland, California, Stati Uniti

Lester Pelton era un inventore americano specializzato nel campo della generazione di energia elettrica con particolare attenzione alle turbine. Durante la sua permanenza in California, Pelton progettò una ruota idraulica con secchi dalla forma molto specifica. Quando la ruota stava per essere avviata, il getto d'acqua colpì accidentalmente solo il bordo esterno dei secchi. L'immediato e violento aumento della velocità della ruota, nel giro di un attimo, portò alla sua distruzione. Analizzando la causa di questo fenomeno, Pelton scoprì che l'energia di movimento di un getto d'acqua viene catturata meglio da secchi a forma di cucchiaio se il getto d'acqua è diretto lungo una tangente al percorso del corridore . Brevettò la sua turbina nel 1880.

James Bicheno Francis

Nato: 18 maggio 1815, Southleigh, Oxfordshire, Inghilterra Morto: 18 settembre 1892, Lowell, Massachusetts, Stati Uniti

James Francis era un ingegnere britannico-americano e membro fondatore dell'American Society of Civil Engineers (ASCE). La sua turbina idraulica era il risultato del tentativo di perfezionare altre turbine precedenti. Il miglioramento consisteva nell'aggiunta di palette guida (o portelli) per regolare la portata del flusso . In questo modo la turbina poteva funzione azionando il generatore elettrico indipendentemente dalle variazioni della portata. Francis ha utilizzato un metodo di modellazione molto innovativo per calcolare le forme delle pale. Le procedure di calcolo da lui sviluppate sono ancora applicabili oggi nella progettazione delle turbine. Dopo numerosi miglioramenti e l'aggiunta delle palette guida, la turbina ha visto un ampio utilizzo in tutto il mondo.

Viktor Kaplan

Nato: 27.12.1876, Mürzzuschlag, Austria Morto: 23.8.1934, Rochuspoint, Austria

Viktor Kaplan era un ingegnere austriaco e l'inventore della turbina Kaplan . Dopo la laurea presso l'Università Tecnica di Vienna, Kaplan ha lavorato a Brno come ingegnere progettista presso l'Istituto di teoria delle macchine, cinematica e ingegneria. Nel 1912 pubblicò il suo lavoro su una rivoluzionaria turbina idraulica, adattata per l'uso in luoghi con salti minimi e grandi portate . Durante la sua ricerca, non solo si è basato sulle sue basi teoriche, ma ha anche messo in pratica centinaia di esperimenti in cui cercava di trovare i parametri migliori per le turbine Francis convenzionali . Alla fine, ottimizzando i canali tra le pale di una turbina Francis, è arrivato a un corridore dalla forma sorprendente. Ricordava molto l'elica di una nave a passo variabile.