Le turbine idrauliche
Turbine ad Azione Turbine a Reazione
Pelton
Francis, Kaplan
Kaplan
Caratteristiche di brevetto:
- regolazione delle pale della girante - flusso assiale - minimo sviluppo delle pale - diffusore a gomito
Tipo di turbina: a reazione nc [giri/s] Numero di giri caratteristico 450 ÷ 600 600 ÷ 800 800 ÷ 1000 ∆z [m] Salto utile 30 ÷ 18 18 ÷ 11 11 ÷ 5 V [m3/s] Portata volumetrica
Kaplan
8 ÷ 400
Grandezze che caratterizzano il funzionamento di una turbina idraulica
Portata volumetrica Caduta utile Salto motore Velocità di rotazione Potenza sviluppata Rendimento totale Densità V hu Hm nc P ηT ρ [m3/s] [m] [m] [giri/s] [W] [kg/m3]
Pideale = V ρ g hu Preale = Pideale ηT essendo ηT = ηorganicoηvolumetricoηidraulico
Diagramma di Balje
V ωS = 2nπ (ghu )1, 25
DS
K=
( gh ) =D
u
0 , 25
& V
u1 πnD = 2gh 2gh
Permette di individuare il rendimento ottenibile con il tipo di turbina scelto
Curve di massimo rendimento per il tipo di turbina scelto
Un modo semplificato per rappresentare le informazioni contenute nel piano ωs- Ds è quello di sottintendere che la turbina venga progettata per il valore ottimo del diametro specifico che consente di rendere massimo il rendimento.
Triangoli di velocità
1 - Velocità assoluta v del fluido rilevata dall’osservatore fisso; 2 - Velocità relativa w del fluido rilevata dall’osservatore mobile; 3 - Velocità periferica u di rotazione della girante. Il legame vettoriale tra le tre velocità è dato dalla seguente relazione: V=W+U
Classificazione delle turbine Kaplan
Descrizione della turbina assiale
Descrizione della turbina assiale
Kaplan a bulbo
Il gruppo a bulbo, completamente immerso nella corrente fluida, è sagomato in modo tale che l’acqua arrivi sulle pale della girante con la minor deviazione possibile.
Kaplan tubolare
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Componenti costitutivi dello stadio di una turbina Kaplan
Cassa a spirale
È il primo organo che il fluido di lavoro incontra una volta prelevato dal bacino di monte. Ha la funzione di convogliare l’acqua verso le pale del predistributore. Presenta una sezione progressivamente decrescente in modo da mantenere una velocità uniforme attorno alla circonferenza esterna del predistributore.
prova di pressione
1. Cassa spirale; 2. Coperchio centrale; 3. Coperchio all’imbocco; 4. Pompa; 5. Serbatoio ausiliario; 6. Valvola di ritegno; 7. Manometro di controllo; 8. Rubinetto.
Cassa a spirale
Predistributore
Questo organo è collocato tra la voluta a spirale e il distributore. Il numero delle pale (dette antidirettirci) dipende dallo sviluppo della cassa e dal carico di sicurezza, generalmente una pala del predistributore per due del distributore. Solitamente è ricavato da fusione con la cassa a spirale.
Distributore
Formula di Thomann:
zd =
Dd 4
+ 6 ÷8
Ha lo scopo di fornire alla corrente fluida, a monte della ruota, una determinata componente vorticale e trasformare l’energia di pressione in energia cinetica. Le pale (dette direttrici) sono progettate con un determinato profilo aerodinamico a minima resistenza passiva.
Distributore
Sistema Foresti
Sistema con anellone
Girante
È l’organo preposto alla trasformazione dell’energia posseduta dal fluido in energia meccanica. Il diametro della girante viene fissato sulla base di risultati statistici e le pale, svergolate, sono calettate in modo da poter ruotare in fase di regolazione.
Girante
Un’altra possibile regolazione consiste nella variazione dell’angolo di calettamento delle pale rotoriche. Ciò avviene, per lo più, grazie all’ausilio di servomotori collegati al regolatore.
Diffusore
Svolge 2 importanti funzioni: 1: permettere l’installazione della turbina al di sopra del pelo libero del canale di scarico. 2: recuperare l’energia cinetica.
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Regolazione delle turbine Kaplan
Chiusura parziale del distributore
aspetto fluidodinamico
2 v12 − v 2 χ = 1− 2 gH m
L’angolo di calettamento α1 diminuisce e quindi l’area di passaggio del flusso diminuisce provocando un aumento della velocità v1 e una conseguente diminuzione della pressione p1 (Teorema di Bernoulli) e della portata smaltita. Si assiste ad un urto decelerante ed il grado di reazione χ diminuisce. La componente tangenziale della v2 è nello stesso verso della velocità periferica.
Chiusura parziale della girante
aspetto fluidodinamico
P1 cost Diminuisce portata e sezione P2 diminuisce
L’angolo di calettamento β1 diminuisce e quindi l’area di passaggio del flusso diminuisce provocando un aumento della velocità v2 e una conseguente diminuzione della pressione p2 (Teorema di Bernoulli) e della portata smaltita. Si assiste ad un urto accelerante ed il grado di reazione χ aumenta. La componente tangenziale della v2 è nel verso opposto a quello della velocità periferica.
Diagramma v-q per l’identificazione del massimo rendimento
La regolazione simultanea attraverso l’angolo di calettamento delle pale della girante e del distributore assicura condizioni di flusso fluidodinamicamente corrette anche a carichi parziali.
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Problematiche relative alla tipologia d’impianto
Cavitazione
La cavitazione è un fenomeno che influenza significativamente la durata dei componenti dell’impianto. Si può manifestare in ogni punto della corrente liquida quando il valore della pressione raggiunge quello della tensione di vapore del liquido. Si formano delle bolle di vapore che collassano bruscamente non appena la pressione riassume un valore superiore della tensione di vapore.
Considerazioni sul lavoro
Analisi dei fattori che determinano la cavitazione: il σ di Thoma
Equazione di Bernoulli
2 2 patm vC pB vB + + zB = + + zC + Yd ρg 2 g ρg 2 g
2 2 ⎞ ⎛ vB p atm vC pB ⎟ Y = − z SC − ⎜ − − d ⎟ ⎜ 2g ρg ρg 2 g ⎠ ⎝
2 2 ⎞ p atm − p B ⎛ v B − vC ⎟ Y = −⎜ − d ⎟ ⎜ ρg ⎠ ⎝ 2g
z SC
σ=
(p
atm
− pvap ) ρg − zSC h
p atm − pvap
z SC ,max =
ρg
− σ *h
Altre problematiche
• Usura meccanica:
la sabbia o la ghiaia trascinate dai corsi d’acqua colpiscono le parti delle turbine con considerevole velocità e vi esercitano una abrasione continua fino a renderne necessaria la riparazione o la sostituzione. solfato di calcio nell’acqua che provoca il deterioramento della ghisa acciaiosa.
• Corrosione chimica: è dovuta al contenuto in soluzione di
Il colpo d’ariete
Gli organi di regolazione provocano variazioni della portata ed innestano processi di moto vario nelle tubazioni. Il colpo d’ariete rientra tra questi processi, si manifesta con una successione di brusche sovrapressioni che determinano una serie di violenti colpi contro la parete della condotta.
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Isola Serafini
Hu Q Pu n 7.50 185.5 12500 53.6 5.25 275 12500 53.6 3.50 300 7800 53.6 m m3/s kW r. p. m.