Storia ed evoluzione turbine
turbine idrauliche
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Ciao joen92, benvenuto su skuola.net!!!
La turbina idraulica è un dispositivo meccanico che serve a trasformare l'energia cinetica di un liquido in energia meccanica.
Il loro rendimento è elevato, spesso sopra il 90% e per questo sono molto apprezzate, anche se la loro installazione richiede diverse infrastrutture.
Storia
Antesignane delle turbine idrauliche moderne sono le ruote idrauliche, di concezione antica, e 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, non potevano fornire grandi potenze a causa della bassa altezza di caduta dell'acqua (nel caso di ruote da sotto) e delle limitate dimensioni delle camere (ruote da sopra). Un passo decisivo, che costituisce la nascita delle turbine moderne, fu lo sfruttamento dell'energia cinetica, realizzato con le turbine di tipo Pelton XIX secolo, in cui opportuni sistemi rendono l'acqua in ingresso alla turbina a velocità elevate in modo da sfruttare, in termini di quantità di moto, la velocità di ingresso piuttosto che la portata. Tuttavia, per ottenere le velocità desiderate, vi era la necessità di disporre di prevalenze, o altezze di caduta, molto rilevanti, cosa spesso difficile data la configurazione dei siti, e che obbligava alla costruzione di bacini artificiali alquanto costosi. Verso l'inizio del XX secolo si svilupparono così turbine per basse altezze di caduta, le Francis, adatte sia a bacini a bassa altitudine che all'installazione in corsi d'acqua, previa costruzione di sbarramenti di (relativamente) pochi metri d'altezza, contro le decine o centinaia necessari per le Pelton. Si svilupparono infine le turbine di tipo Kaplan, adatte a altezze di pochissimi metri (2 - 3), sostanzialmente delle eliche intubate.
Nel 1870 l'accoppiamento della dinamo alla turbina idraulica diede avvio alla produzione commerciale di energia elettrica.
Oggi le ruote idrauliche sono praticamente scomparse dall'uso pratico, e le turbine idrauliche sono usate nella grande maggioranza dei casi per la produzione (tramite generatori azionati dalle turbine stesse) di energia elettrica. I tipi Pelton, Francis e Kaplan costituiscono la maggioranza delle installazioni, ciascuno secondo le proprie caratteristiche di esercizio.
Funzionamento
Le turbine idrauliche sono inserite in un impianto che prevede un serbatoio di monte e uno di valle di solito a pressione atmosferica. Esse sfruttano la caduta disponibile (pari alla differenza dei carichi ottenuti sommando il dislivello geodetico z2-z1,le altezze piezometriche e quelle cinetiche). Dal momento che nei due serbatoi l'energia cinetica è nulla e la pressione la stessa, la caduta disponibile è praticamente uguale al dislivello geodetico o anche l'altezza a cui è posto il serbatoio di monte (misurata rispetto al serbatoio di valle). Indicando la caduta disponibile con Hd si ha che Hd=z2-z1=h. Non tutta la caduta disponibile è pero' utilizzabile dalla turbina, dal momento che sono presenti delle perdite di carico nella condotta: se indichiamo con Hw le perdite espresse in m indichiamo con caduta utile la differenza tra Hd e Hw, quindi Hu = Hd-Y.Essa puo' essere espressa in funzione della sola Hd attraverso il rendimento della condotta pari al rapporto tra la caduta utile e quella disponibile. Definendo inoltre il rendimento idraulico della turbina (che tiene conto delle perdite di natura fluidodinamica), il rendimento volumetrico (dal momento che non tutta la portata G agisce sulle pale per via delle fughe attraverso i giochi), il rendimento meccanico (che tiene conto delle perdite di natura meccanica che inevitabilmente provocano la dissipazione di potenza) possiamo scrivere che la potenza utile (indicata con Pu) è uguale a: Pu= ug G g Hd, dove ug è il rendimento globale dell'impianto pari al prodotto tra il rendimento della condotta e quello della turbina (a sua volta il prodotto del rendimento meccanico, idraulico e volumetrico).
Tipi di turbine:
Le principali tipologie di turbine idrauliche oggi impiegate sono:
Turbina Pelton
Turbina Francis
Turbina Kaplan
Turbina a bulbo
Turbina Banki
Turbina Turgo
Esistono due tipologie di turbine idrauliche, ad azione e reazione.
Turbine ad azione
Nelle turbine ad azione l’energia cinetica del fluido viene incrementata esclusivamente nel distributore e poi il fluido viene utilizzato per far muovere la girante. La turbina Pelton è tipo di turbina ad azione attualmente più utilizzato.In pratica l’acqua viene incanalata in una condotta forzata, al termine della condotta è presente un’ugello regolabile. L’ugello è un restringimento della condotta, grazie al quale la velocità dell’acqua aumenta.
Turbine a reazione
Nelle turbine a reazione l’energia cinetica del fluido viene incrementata anche o esclusivamente nel rotore. Le turbine Francis e Kaplan sono di questo tipo.
Tipi di turbine usate negli impianti idroelettrici:
Pelton
La turbina di tipo Pelton è la più semplice nel funzionamento. Per essere chiari il suo principio di funzionamento rispecchia quello della classica ruota a pale dei vecchi mulini, solo che qui è rivisto e corretto per aumentarne l’efficenza. In pratica l’acqua viene convogliata nella condotta forzata la quale ha alla fine un’ugello, ossia una strozzatura che fa aumentare la velocità dell’acqua indirizzandone i filetti fluidi. Dall’ugello esce un getto d’acqua che va a colpire le pale della girante.
Sezione trasversale di una turbina Pelton.La struttura sulla sinistra dell’immagine è l’introduttore,
L’Elettrotecnica n. 22, 5 agosto 1925 L’ugello è costruito in modo tale da avere al suo interno una spina di regolazione, che consente di variare la portata dell’ugello. L’assieme ugello/spina si chiama introduttore.
Girante PeltonGirante Pelton dell’impianto di venaus tratto da L’Elettrotecnica n. 31, 5 novembre 1924 Per aumentare l’efficenza del getto è necessario che l’ugello si trovi il più vicino possibile alla girante in modo tale da minimizzare la perdita di pressione. Per far questo i cucchiai vengono sagomati in modo opportuno con una scanalatura al centro per consentire che il getto colpisca una pala alla volta e per far si che tutta l’energia del getto non vada sprecata ma venga ceduta alla superficie del cucchiaio durante il suo movimento. (vedi foto sottostanti). Questo tipo di turbina è utilizzato per grandi dislivelli e piccole portate in modo tale da ottenere velocità molto elevate.
Cucchiai di una girante PeltonCucchiai di una girante Pelton tratti da L’Elettrotecnica n. 8, 15 marzo 1924 Francis
Turbina detta centripeta in quanto il flusso dell’acqua va dall’esterno verso l’interno.
Turbina FrancisTurbina Francis sezionata ed esposta fuori dalla centrale di Caneva (PN) Questa turbina è utilizzata per dislivelli medi, ma veniva usata anche per dislivelli bassi, dell’ordine di qualche metro, prima dell’invenzione della turbina Kaplan.
Dettaglio girante-palette FrancisDettaglio della girante e delle palette di regolazione nella turbina Francis esposta Fuori dalla centrale di Caneva. Kaplan
Il principio di funzionamento di una turbina di tipo Kaplan è quello dell’elica di una nave. In pratica la girante della turbina è immersa nel flusso d’acqua che fa girare le pale dell’elica.
Schema di una macchina KaplanSchema della macchina Kaplan della centrale di Barcis (PN) La Kaplan, grazie alla possibilità di regolare l’angolo di incidenza della pale, ha il pregio di funzionare con rendimento ottimo anche con grosse variazioni della portata.
Questa turbina viene utilizzata per bassi dislivelli con grandi portate.
Altri tipi di turbine
Vedremo qui una rapida carrellata di alcune tipologie di turbine meno usuali o comunque utilizzate in passato.
Turbine Jonval
Inventata da Feu Jonval nel 1843.
Vedi sulla wikipedia.
Turbine Girard
Turbina sviluppata da Louis Dominique Girard (1815- Parigi 1871) nel 1856 migliorando notevolmente la turbina Jonval
Vedi sulla wikipedia
Turbine Turgo
Turbina ad azione sviluppata nel 1919 da Gilkes come una Pelton modificata. La sua struttura unisce alcuni vantaggi delle Francis e delle Pelton e grazie alla sua struttura semplificata risulta più economica.
Turbine Banki-Michelle o Ossberger
Il primo brevetto di questa turbina è ad opera dell’australiano Antony Michell del 1903. Nel 1922 Ossberger ottenne un brevetto per una turbina analoga e fondò l’azienda omonima che è tutt’ora il maggiore produttore.
Vedi sulla wikipedia
Ossberger
Turbine a bulbo
La turbina a bulbo è un tipo di turbina appartenente alla famiglia delle Kaplan, molto semplice in quanto è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro). La sua particolarità è che solitamente il bulbo contiene pure l’alternatore per la produzione di energia elettrica, inoltre può funzionare con un flusso in entrambi i sensi, come sono utilizzate sulle centrali maremotrici.
Tratto da Wikipedia
Turbine a coclea
La turbina a coclea sfrutta in modo inverso la vite di archimede solitamente utilizzata per sollevare liquidi.
Vedi sulla wikipedia
Turbina Ghatta e MPPU
La turbina Ghatta è una turbina ad asse verticale solitamente usata per azionare direttamente macchine utensili o mulini. L’efficenza è molto bassa
:hi
La turbina idraulica è un dispositivo meccanico che serve a trasformare l'energia cinetica di un liquido in energia meccanica.
Il loro rendimento è elevato, spesso sopra il 90% e per questo sono molto apprezzate, anche se la loro installazione richiede diverse infrastrutture.
Storia
Antesignane delle turbine idrauliche moderne sono le ruote idrauliche, di concezione antica, e 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, non potevano fornire grandi potenze a causa della bassa altezza di caduta dell'acqua (nel caso di ruote da sotto) e delle limitate dimensioni delle camere (ruote da sopra). Un passo decisivo, che costituisce la nascita delle turbine moderne, fu lo sfruttamento dell'energia cinetica, realizzato con le turbine di tipo Pelton XIX secolo, in cui opportuni sistemi rendono l'acqua in ingresso alla turbina a velocità elevate in modo da sfruttare, in termini di quantità di moto, la velocità di ingresso piuttosto che la portata. Tuttavia, per ottenere le velocità desiderate, vi era la necessità di disporre di prevalenze, o altezze di caduta, molto rilevanti, cosa spesso difficile data la configurazione dei siti, e che obbligava alla costruzione di bacini artificiali alquanto costosi. Verso l'inizio del XX secolo si svilupparono così turbine per basse altezze di caduta, le Francis, adatte sia a bacini a bassa altitudine che all'installazione in corsi d'acqua, previa costruzione di sbarramenti di (relativamente) pochi metri d'altezza, contro le decine o centinaia necessari per le Pelton. Si svilupparono infine le turbine di tipo Kaplan, adatte a altezze di pochissimi metri (2 - 3), sostanzialmente delle eliche intubate.
Nel 1870 l'accoppiamento della dinamo alla turbina idraulica diede avvio alla produzione commerciale di energia elettrica.
Oggi le ruote idrauliche sono praticamente scomparse dall'uso pratico, e le turbine idrauliche sono usate nella grande maggioranza dei casi per la produzione (tramite generatori azionati dalle turbine stesse) di energia elettrica. I tipi Pelton, Francis e Kaplan costituiscono la maggioranza delle installazioni, ciascuno secondo le proprie caratteristiche di esercizio.
Funzionamento
Le turbine idrauliche sono inserite in un impianto che prevede un serbatoio di monte e uno di valle di solito a pressione atmosferica. Esse sfruttano la caduta disponibile (pari alla differenza dei carichi ottenuti sommando il dislivello geodetico z2-z1,le altezze piezometriche e quelle cinetiche). Dal momento che nei due serbatoi l'energia cinetica è nulla e la pressione la stessa, la caduta disponibile è praticamente uguale al dislivello geodetico o anche l'altezza a cui è posto il serbatoio di monte (misurata rispetto al serbatoio di valle). Indicando la caduta disponibile con Hd si ha che Hd=z2-z1=h. Non tutta la caduta disponibile è pero' utilizzabile dalla turbina, dal momento che sono presenti delle perdite di carico nella condotta: se indichiamo con Hw le perdite espresse in m indichiamo con caduta utile la differenza tra Hd e Hw, quindi Hu = Hd-Y.Essa puo' essere espressa in funzione della sola Hd attraverso il rendimento della condotta pari al rapporto tra la caduta utile e quella disponibile. Definendo inoltre il rendimento idraulico della turbina (che tiene conto delle perdite di natura fluidodinamica), il rendimento volumetrico (dal momento che non tutta la portata G agisce sulle pale per via delle fughe attraverso i giochi), il rendimento meccanico (che tiene conto delle perdite di natura meccanica che inevitabilmente provocano la dissipazione di potenza) possiamo scrivere che la potenza utile (indicata con Pu) è uguale a: Pu= ug G g Hd, dove ug è il rendimento globale dell'impianto pari al prodotto tra il rendimento della condotta e quello della turbina (a sua volta il prodotto del rendimento meccanico, idraulico e volumetrico).
Tipi di turbine:
Le principali tipologie di turbine idrauliche oggi impiegate sono:
Turbina Pelton
Turbina Francis
Turbina Kaplan
Turbina a bulbo
Turbina Banki
Turbina Turgo
Esistono due tipologie di turbine idrauliche, ad azione e reazione.
Turbine ad azione
Nelle turbine ad azione l’energia cinetica del fluido viene incrementata esclusivamente nel distributore e poi il fluido viene utilizzato per far muovere la girante. La turbina Pelton è tipo di turbina ad azione attualmente più utilizzato.In pratica l’acqua viene incanalata in una condotta forzata, al termine della condotta è presente un’ugello regolabile. L’ugello è un restringimento della condotta, grazie al quale la velocità dell’acqua aumenta.
Turbine a reazione
Nelle turbine a reazione l’energia cinetica del fluido viene incrementata anche o esclusivamente nel rotore. Le turbine Francis e Kaplan sono di questo tipo.
Tipi di turbine usate negli impianti idroelettrici:
Pelton
La turbina di tipo Pelton è la più semplice nel funzionamento. Per essere chiari il suo principio di funzionamento rispecchia quello della classica ruota a pale dei vecchi mulini, solo che qui è rivisto e corretto per aumentarne l’efficenza. In pratica l’acqua viene convogliata nella condotta forzata la quale ha alla fine un’ugello, ossia una strozzatura che fa aumentare la velocità dell’acqua indirizzandone i filetti fluidi. Dall’ugello esce un getto d’acqua che va a colpire le pale della girante.
Sezione trasversale di una turbina Pelton.La struttura sulla sinistra dell’immagine è l’introduttore,
L’Elettrotecnica n. 22, 5 agosto 1925 L’ugello è costruito in modo tale da avere al suo interno una spina di regolazione, che consente di variare la portata dell’ugello. L’assieme ugello/spina si chiama introduttore.
Girante PeltonGirante Pelton dell’impianto di venaus tratto da L’Elettrotecnica n. 31, 5 novembre 1924 Per aumentare l’efficenza del getto è necessario che l’ugello si trovi il più vicino possibile alla girante in modo tale da minimizzare la perdita di pressione. Per far questo i cucchiai vengono sagomati in modo opportuno con una scanalatura al centro per consentire che il getto colpisca una pala alla volta e per far si che tutta l’energia del getto non vada sprecata ma venga ceduta alla superficie del cucchiaio durante il suo movimento. (vedi foto sottostanti). Questo tipo di turbina è utilizzato per grandi dislivelli e piccole portate in modo tale da ottenere velocità molto elevate.
Cucchiai di una girante PeltonCucchiai di una girante Pelton tratti da L’Elettrotecnica n. 8, 15 marzo 1924 Francis
Turbina detta centripeta in quanto il flusso dell’acqua va dall’esterno verso l’interno.
Turbina FrancisTurbina Francis sezionata ed esposta fuori dalla centrale di Caneva (PN) Questa turbina è utilizzata per dislivelli medi, ma veniva usata anche per dislivelli bassi, dell’ordine di qualche metro, prima dell’invenzione della turbina Kaplan.
Dettaglio girante-palette FrancisDettaglio della girante e delle palette di regolazione nella turbina Francis esposta Fuori dalla centrale di Caneva. Kaplan
Il principio di funzionamento di una turbina di tipo Kaplan è quello dell’elica di una nave. In pratica la girante della turbina è immersa nel flusso d’acqua che fa girare le pale dell’elica.
Schema di una macchina KaplanSchema della macchina Kaplan della centrale di Barcis (PN) La Kaplan, grazie alla possibilità di regolare l’angolo di incidenza della pale, ha il pregio di funzionare con rendimento ottimo anche con grosse variazioni della portata.
Questa turbina viene utilizzata per bassi dislivelli con grandi portate.
Altri tipi di turbine
Vedremo qui una rapida carrellata di alcune tipologie di turbine meno usuali o comunque utilizzate in passato.
Turbine Jonval
Inventata da Feu Jonval nel 1843.
Vedi sulla wikipedia.
Turbine Girard
Turbina sviluppata da Louis Dominique Girard (1815- Parigi 1871) nel 1856 migliorando notevolmente la turbina Jonval
Vedi sulla wikipedia
Turbine Turgo
Turbina ad azione sviluppata nel 1919 da Gilkes come una Pelton modificata. La sua struttura unisce alcuni vantaggi delle Francis e delle Pelton e grazie alla sua struttura semplificata risulta più economica.
Turbine Banki-Michelle o Ossberger
Il primo brevetto di questa turbina è ad opera dell’australiano Antony Michell del 1903. Nel 1922 Ossberger ottenne un brevetto per una turbina analoga e fondò l’azienda omonima che è tutt’ora il maggiore produttore.
Vedi sulla wikipedia
Ossberger
Turbine a bulbo
La turbina a bulbo è un tipo di turbina appartenente alla famiglia delle Kaplan, molto semplice in quanto è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro). La sua particolarità è che solitamente il bulbo contiene pure l’alternatore per la produzione di energia elettrica, inoltre può funzionare con un flusso in entrambi i sensi, come sono utilizzate sulle centrali maremotrici.
Tratto da Wikipedia
Turbine a coclea
La turbina a coclea sfrutta in modo inverso la vite di archimede solitamente utilizzata per sollevare liquidi.
Vedi sulla wikipedia
Turbina Ghatta e MPPU
La turbina Ghatta è una turbina ad asse verticale solitamente usata per azionare direttamente macchine utensili o mulini. L’efficenza è molto bassa
:hi
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