TURBINA PELTON. DESCRIZIONE E PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Le turbine PELTON sfruttano salti elevati e portate d acqua anche piccole; orientativamente

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1 6 TURBINA PELTON DESCRIZIONE E PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Le turbie PELTON sfruttao salti elevati e portate d acqua ache piccole; orietativaete ΣY c H g Q < /s Ua tipica disposizioe d ipiato è rappresetata i figura. La parte di salto geodetico o sfruttabile H p è sepre percetualete piccola rispetto ad H g, pertato ei calcoli tecici si trascura. ΣY c rappreseta la perdita di eergia per uità di peso (quidi u altezza) che subisce il fluido ella codotta forzata. L acqua proveiete da u ivaso arriva, attraverso ua codotta forzata, al distributore DOBLE che trasfora tutta l eergia dispoibile all uscita della codotta forzata H (salto etto eergia per uità di peso dispoibile) i eergia cietica. Pertato la velocità di uscita del getto dal distributore assue il VALORE TEORICO g H c H H g I realtà, quado l acqua attraversa il distributore, subisce delle piccole perdite di eergia: Di queste perdite se e tiee coto itroducedo il coefficiete di efflusso ϕ 0,96 0,98, per cui, i defiitiva, la VELOCITÀ REALE d uscita del getto dal distributore vale c ϕ g H s Il getto, di sezioe circolare co diaetro d, colpisce, ad alta velocità, ogua delle pale disposte lugo la periferia della girate, i odo da ridurre al iio gli urti i igresso (rispetto della pria codizioe di ax redieto). Questo si realizza sagoado le pale a doppio cucchiaio co u coltello cetrale; così facedo la velocità relativa d igresso del fluido ella girate v c risulta tagete al coltello e gli urti soo u iii. Il cerchio ideale lugo cui avviee il cotatto fluido pala si chiaa CERCHIO DEI GETTI e il suo diaetro lo idichereo co la lettera D. No appea il getto colpisce il coltello si divide i due falde sietriche che percorroo i due cucchiai e successivaete l acqua viee scaricata all estero della pala, i odo che la velocità assoluta d'uscita c sia la più piccola possibile igresso (rispetto della secoda codizioe di ax redieto). Questo si realizza sagoado le estreità della pala i odo che i vettori velocità c e u risultio fra loro perpedicolari. Il trasferieto dell eergia dal fluido alla pala avviee etre la vea fluida percorre la pala, ifatti perché il fluido possa deviale la sua direzioe del oto, la pala deve ecessariaete esercitare ua forza sul fluido; per il 3 pricipio della diaica (pricipio di azioe e reazioe) il fluido eserciterà sulla pala ua forza uguale e cotraria. Tale forza è la SPINTA. c

2 7 Da cosiderazioi sui triagoli di velocità i igresso e i uscita si deteria la VELOCITÀ DI MASSIMO RENDIMENTO, cioè quella velocità v di trasciaeto D π D giri u ω co i 60 s i Triagolo i uscita per cui si ha la assia trasforazioe dell eergia idraulica coteuta el fluido i eergia eccaica di rotazioe della girate. Si diostra che el CASO IDEALE (asseze di perdite ella pala: v v ) e el rispetto delle Triagolo i igresso due codizioi ideali di assio redieto (igresso seza urti, c 0 ), c la VELOCITÀ DI MASSIMO RENDIMENTO vale u ϕ ricordado che c ϕ g H u g H Nel CASO REALE, cosiderado le piccole perdite ella pala (v < v ache se di poco) e il fatto che la velocità assoluta d uscita c o può essere ulla altrieti il fluido o uscirebbe dalla pala, si calcola u ( 0,46 0,48) g H VELOCITÀ DI MASSIMO RENDIMENTO DA USARE NEI CALCOLI TECNICI Poiché la velocità di trasciaeto (ricorda che rappreseta la velocità periferica della girate) è legata sia al diaetro della girate D, sia alla sua frequeza rotatoria, dalla seguete relazioe: π D u 60 s fissato il valore di è possibile calcolare il valore del diaetro D. Solitaete il valore del uero di giri è vicolato dal fatto che la turbia (sepre egli ipiati idroelettrici) è accoppiata i odo diretto co u alteratore, per la produzioe di eergia elettrica alla frequeza f di 50 Hz. Per u alteratore vale la seguete relazioe 60 f essedo p il uero di coppie polari dell alteratore. p I defiitiva calcolato il valore della velocità u e oto il valore di si calcola 60 u D () DIAMETRO DELLA GIRANTE i corrispodeza del cerchio dei getti π Diostriao che per avere il assio redieto si deve c verificare: u Per la a codizioe di assio redieto il liquido o deve subire urti all igresso ella pala. Tale codizioe si realizza quado la velocità relativa d igresso v c u RISULTA TANGENTE AL PROFILO DELLA PALA (coltello) DISTRIBUTORE

3 8 Per la a codizioe di assio redieto il liquido all uscita della pala deve avere velocità assoluta più piccola possibile, al liite teorico c 0. Pertato il triagolo delle velocità i uscita c v u diveta v u Quidi v u e cosiderado i oduli v u Ioltre cosiderado ulle le perdite ella pala si ha v v e cosiderado i oduli v v Poiché il fluido percorre la pala sepre alla stessa distaza D/ dall asse di rotazioe della girate, si ha u u e cosiderado i oduli u u Dalle deduzioi fatte si possoo trarre le segueti coclusioi v u Traiettoria edia v u del percorso del u u liquido sulla pala v u v u v v Per il triagolo delle velocità i igresso vale la relazioe c v + u ed essedo tutti i vettori co la stessa liea d azioe si può scrivere c c v + u a v u c u + u u da cui si calcola u coe si voleva diostrare. Le diesioi delle pale vegoo deteriate i fuzioe del diaetro d del getto di acqua dal distributore, attraverso l uso di relazioi pratiche dettate dall esperieza. Le vedreo successivaete el diesioaeto di assia. Per deteriare il valore del diaetro del getto si ricorre all equazioe di cotiuità π d Q A getto c c da cui si calcola 4 4 Q d () el caso di DISTRIBUTORE e quidi di GETTO π c Nel caso di i getti la portata viee suddivisa i parti uguali per ogi distributore, pertato la portata che esce da oguo di essi sarà Q 4 Q e quidi d el caso di i GETTI i π c i Ovviaete la velocità c riarrà ivariata, poiché dipede solo dal salto etto H.

4 SCELTA DELLA TURBINA (NUMERO DI GIRI CARATTERISTICO) 9 Per la scelta del tipo di turbia (ad azioe o a reazioe) che eglio soddisfa la pratica attuazioe di u deteriato ipiato, si fa riferieto ad u paraetro adiesioale chiaato uero di giri caratteristico C calcolabile co la seguete relazioe C P H (kw),5 co uero di giri al iuto della turbia H salto utile i etri I esso soo coteute le gradezze tipiche per defiire i criteri di scelta, ifatti Il salto etto H è iposto dalla dislocazioe della turbia ell ipiato La poteza P è iposta dalla coveieza ecooica che scaturisce da u bilacio tra costo d ipiato + costo di esercizio e utile ricavabile Il uero di giri che deve essere uguale a quello dell alteratore calettato sullo stesso albero della turbia. Il uero di giri dell alteratore è dato dalla relazioe 60 f co f frequeza di rete (50 Hz i Europa) e p coppie polari dell alteratore p Per dare u sigificato cocreto al uero di giri caratteristico, si poga ella relazioe H, P kw C Quidi C rappreseta il uero di giri di ua particolare turbia (TURBINA MODELLO) che sotto il salto etto di eroga, co redieto ottiale, ua poteza di kw. Se di ogi tipo di turbia si costruisce u odello co tali caratteristiche, allora utilizzado le LEGGI DI SIMILITUDINE della teoria dei odelli è possibile costruire ua serie di turbie co fore proporzioali a quella del odello e quidi co poteze diverse. Le leggi di siilitudie da cui scaturisce la relazioe di C soo le segueti: Siilitudie geoetrica: ogi acchia della serie ha le diesioi lieari proporzioali co legge lieare. Le sezioi proporzioali co leggi quadratiche. Siilitudie idraulica: per ogi acchia della serie, i puti corrispodeti dei codotti fissi e obili, le velocità soo proporzioali e gli agoli caratteristici che esse forao soo uguali. Siilitudie eccaica: tutte le acchie della stessa serie hao uguale redieto. Calcolato il uero di giri caratteristico C si sceglie il tipo di turbia più adatta per quelle caratteristiche dell ipiato, secodo quato riportato i tabella VALORI di C TIPO DI TURBINA Salto H () 0 30 PELTON a getto 7 4 PELTON a getti PELTON a 4 getti FRANCIS LENTA FRANCIS NORMALE FRANCIS VELOCE A ELICA - KAPLAN 30 5

5 0 DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA DI UNA PELTON Per diesioare ua turbia devoo essere oti: il luogo dove si dovrà istallare e quidi il salto geodetico H g ; il tipo di alteratore co cui deve essere accoppiato e quidi il uero di giri di fuzioaeto a regie della turbia; la poteza eccaica utile P che dovrà erogare per soddisfare le esigeze dell ipiato. Noti questi paraetri è possibile calcolare il uero di giri caratteristico c della turbia P c H,5 dove per la deteriazioe di H H g Yc si ipotizzao le perdite di eergia ella codotta Y c sulla base di casi aaloghi Noto c è possibile stabilire il uero di distributori e quidi di getti co cui si deve realizzare la turbia per sfruttare al eglio le caratteristiche dell ipiato. Dall espressioe della poteza, ipotizzado u valore possibile del redieto della turbia η T sulla base di precedeti costruzioi dello stesso tipo, si calcola la portata che deve affluire dalla codotta forzata ρ g H Q ηt 000 P P Q 000 ρ g H η Noto il salto etto H si calcola la velocità di efflusso dal distributore, che coicide co la velocità assoluta d igresso dell acqua ella pala c ϕ g H co ϕ 0,96 0,98 s e la velocità periferica o di trasciaeto di assio redieto u della girate u ( 0,46 0,48) g H Noto il valore della velocità u si calcola il diaetro edio della girate, cioè il diaetro i corrispodeza del cerchio dei getti 60 u D () π Per diesioare la pala di deteria, dall equazioe di cotiuità, il valore del diaetro del getto, ifatti dalla T π d 4 Q Q A getto c c si calcola d () el caso di GETTO 4 π c oppure 4 Q d π c i el caso di i GETTI

6 Noto d si diesioa la pala, co riferieto alla figura, utilizzado le segueti relazioi a (3 4) d b (,5 3) d c (,) d Ioltre, si deteria il uero di pale N p della girate utilizzado la seguete relazioe dettata dall esperieza D N p 5 + che si approssia ad u uero itero d Per evitare ruote sproporzioate s ipoe che il rapporto tra il diaetro della girate e quello del getto sia aggiore o uguale a 8 D 8 d Ua Pelto si ritiee be proporzioata se < <8 ESERCIZIO: diesioaeto di assia di ua turbia Pelto ESERCIZIO: spita sulle pale di ua turbia Pelto Co i dati dell esercizio precedete, calcolare la spita S del fluido sulle pale e il oeto torcete sull albero. Essedo ota la poteza eccaica erogata dalla turbia, è possibile deteriare la poteza alle pale, ifatti questa risulta u poco aggiore della poteza eccaica, i quato o soo acora da cosiderare le perdite di poteza dovute agli attriti dell albero della turbia sui relativi cuscietti. Spita Ricordado che tale perdite viee quatificata attraverso il redieto eccaico della turbia, si può scrivere P Ppale ipotizzado u 0,97 η P 306 si calcola Ppale 346 kw η 0,97 a la poteza (poteza forza velocità) alle pale si può calcolare ache co l espressioe S u P pale ( kw) 000 da cui si calcola la spita 000 Ppale S 690 N u 50 Questa spita geera u oeto torcete sull albero della turbia di valore D M t S N

7 CURVE CARATTERISTICHE, REGOLAZIONE, ARRESTO DELLA TURBINA PELTON Curve caratteristiche Le curve caratteristiche, ricavate sperietalete, rappresetao, i u piao cartesiao, le variazioi della poteza P, della portata Q e del redieto η T, i fuzioe del grado di apertura dell ugello del distributore. Osservado tali curve si ota che: la portata aueta proporzioalete al grado di apertura dell ugello, perché aueta la sezioe d uscita del getto; pertato tale curva è ua retta passate per l origie; la poteza aueta all auetare della portata e del redieto, ifatti ρ g Q H ηt P ; la pedeza è 000 uguale a quella della portata, a o parte dall origie degli assi, i quato pria di coiciare a sviluppare poteza deve vicere gli attriti iteri; il redieto aueta rapidaete el tratto iiziale e poi si atiee all icirca costate per ua variazioe del grado di apertura dell ugello copreso tra il 50% e l 80%. La costaza del redieto è dovuta al fatto che al variare della portata, si ategoo uguali o variao di poco i triagoli delle velocità i igresso e i uscita. Valori orietativi dei redieti parziali della turbia soo: v 0,96 0,98 v 0,85 0,9 e quidi T 0,8 0,9 Questo coportaeto della Pelto ci fa capire che al variare della portata, i u itervallo abbastaza apio, si può variare la poteza erogata dalla turbia, ateedo all icirca costate o couque a valori accettabili il suo redieto. Pertato la Pel to ha u fuzioaeto elastico e ciò la rede particolarete adatta per essere utilizzata i ipiati dove si hao frequeti variazioi di carico. Regolazioe, P, Q Grado di apertura La ecessità di variare la portata e quidi la poteza, asce dall esigeza dell utilizzatore, che el caso delle turbie idrauliche è quasi sepre u alteratore. Così se aueta la richiesta di eergia elettrica, la poteza erogata della turbia deve auetare e viceversa el caso opposto. SI CHIAMA REGOLAZIONE L OPERAZIONE DI ADATTAMENTO DELLA POTENZA EROGATA DALLA TURBINA CON QUELLA RICHIESTA DALL ALTERNATORE. Dalla cosiderazioe che le turbie soo acchie che fuzioao a regie di rotazioe costate e ricordado l espressioe del oeto otore P M 9549 ua variazioe della poteza coporta ecessariaete ua variazioe del oeto otore, i quato il uero di giri deve riaere costate per il corretto fuzioaeto dell alteratore. Per avere ua codizioe di oto rotatorio uifore ( costate), istate per istate, il oeto otore M deve essere uguale e opposto al oeto resistete M r offerto dal carico dell alteratore (ricordare che la turbia trascia l alteratore).

8 3 Quidi cosiderado l isiee turbia alteratore, per ateere il regie di rotazioe costate, si deve verificare i ogi oeto M M r 0 M M r CONDIZIONE DI MOTO ROTATORIO UNIFORME se se M > M r la turbia accelera, quidi AUMENTA M < M r la turbia decelera, quidi DIMUNUISCE Voledo ateere M M r SEMPRE, MA SENZA VARIARE IL NUMERO DI GIRI Essedo P M 9549 si deve iterveire variado la poteza, e poiché ρ g Q H ηt P 000 l uica possibilità per la regolazioe del oeto otore è quella di variare la portata spostado assialete l otturatore a spia posto all itero del distributore, co coseguete variazioe della sezioe della bocca di efflusso. Arresto Se per ua qualsiasi ecessità si deve ferare la turbia, si procede i odo graduale deviado, i ua pria fase, il getto co u TEGOLO DEVIATORE, i odo che o colpisca più le pale; i ua secoda fase si sposta letaete l otturatore a spia fio a chiudere la bocca d efflusso. Ua chiusura veloce della bocca d efflusso provocherebbe u arresto iprovviso della vea fluida all itero della codotta forzata, co coseguete iprovviso aueto della pressioe. Tale pressioe propagadosi, ad alta velocità, lugo la codotta (COLPO D ARIETE) potrebbe provocare ache la rottura della codotta.

9 4 PARTICOLARI COSTRUTTIVI DELLA TURBINA PELTON Gli orgai pricipali soo costituiti dalla ruota palettata, dall albero, dal distributore, dalla carcassa e dai dispositivi per la regolazioe e l arresto della acchia. La RUOTA, i acciaio, può essere costruita per fusioe, già copleta di pale (caso delle piccole turbie), oppure disco e pale vegoo costruite separataete e poi collegati co attacchi a bulloi. Le PALE soo soggette a forte usura da parte del getto, pertato si richiede l ipiego di ateriali al alta resisteza che vao dall acciaio ceetato e idurito, all acciaio iossidabile, co lavorazioi di fiitura superficiale olto spite ella parte itera dei cucchiai; talvolta si ricorre ad ua soluzioe più coplessa costruedo le pale i acciaio coue e riportado, ei puti più colpiti, dei tasselli di lega speciale ad alta resisteza. L ALBERO è costruito i acciaio di buoe caratteristiche eccaiche, i quato deve sopportare sollecitazioi di flessotorsioe: ifatti deve trasettere u oeto torcete geerato dalla spita del liquido che agisce co braccio D/ rispetto al cetro dell asse ed ioltre è sollecitato a flessioe sia dal peso della girate P, sia dalla spita del fluido S. Il DISTRIBUTORE è soggetto, soprattutto i prossiità della bocca di efflusso, a forte usura da parte del liquido che vi scorre ad alta velocità. Pertato la parte teriale del distributore viee costruita i acciaio iossidabile o i brozo duro; ioltre è riportata co flage e bulloi i odo da essere sostituibile. Gli stessi ateriali soo utilizzati per l otturatore e per l asta su cui è fissato. Asta e otturatore possoo essere costruiti, el caso di gradi acchie, separataete e poi collegati co viti trasversali di bloccaggio. La CARCASSA ha la sola fuzioe protettiva per ipedire che il liquido si disperda itoro alla acchia i seguito all urto co le pale. Pertato è fusa i ghisa o costruita i laiera d acciaio saldato o bulloato. Sulla carcassa soo ricavati gli alloggiaeti gli alloggiaeti per l albero della turbia co relativi orgai di teuta.

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