MACCHINE Lezione 8 Impianti idroelettrici e Turbine Idrauliche

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1 MACCHINE Lezione 8 Impianti idroelettrici e Turbine Idrauliche Dr. Paradiso Berardo Laboratorio Fluidodinamicadelle delle Macchine Dipartimento di Energia Politecnico di Milano

2 Generalità Impianti idroelettrici producono il 15 17% della potenza elettrica Possibilità di crescita dovuto alla creazione di mini e micro impianti ( MW e 500 KW rispettivamente) Si dividono principalmente in: impianti a bacino (o a serbatoio) Impianti iad acqua fluente

3 Impianti a bacino Possono sfruttare anche cadute molto elevate (sino a 000 m del salto più elevato in Canada) E possibile la regolazione della potenza prodotta in funzione delle richieste dell utenza. Tali impianti hanno una capacità di accumulo giornaliero o stagionale Può essere trasformato in un impianto i reversibile di pompaggio Per salti motori inferiori a m sono utilizzate macchine reversibili (pompe turbine) in grado di operare con buoni rendimenti sia come turbine in un senso di rotazione e sia come pompa nel senso di rotazione inverso. Per salti maggiori di 600 m si dovrà prevedere l utilizza di due macchine calettate sullo stesso asse

4 Impianti a bacino Impianto con pompa turbina reversibile

5 Impianti a bacino 3 Impianto con Pelton e pompa centrifuga su stesso asse

6 Impianti ad acqua fluente Operano con salti motore inferiori (>0 m) e portate superiori La portata è imposta dalle condizioni stagionali del corso d acqua. Deve essere garantita una portata minima al corso d acqua (deflusso minimo vitale DMV) tale da non compromettere la vita acquatica e l ambiente circostante.

7 Classificazione delle turbine idrauliche Criterio geometrico Turbine radiali (centripete) e a flusso misto (Francis) Turbine assiali a pale fisse o mobili (Kaplan) Ruote tangenziali (Pelton) Tali turbine possono essere ad asse verticale o ad asse orizzontale a seconda dli del tipo di istallazione i Si trovano macchine a singolo stadio o pluristadio

8 Classificazione delle turbine idrauliche Criterio funzionale Possono essere classificate a seconda del salto motore Turbine per basse cadute (ad elica, Kaplan) h m<50 60 m Turbine per medie cadute (Francis, Turgo) h m < m Turbine per alte cadute (Pelton) h m >400 m Oppure ancor meglio a seconda del numero di giri caratteristico Turbine lente (Pelton ad uno o più getti) n c <60 70 Turbine medie e veloci (Francis) 45<n c <450 Turbine veloci, rapide e ultrarapide (elica o Kaplan) n c>450 P a n c = n 5 4 h m

9 Classificazione delle turbine idrauliche Criterio idrodinamico Basato sul grado di reazione Turbine ad azione (Pelton) χ 0 Turbine a reazione con grado di reazione medio (Francis) <χ< Turbine a reazione con grado di reazione elevato (Kaplan) χ>0.88 χ = p gir p tot γ γ χ = 1 v1 gh

10 Turbina Pelton generalità L acqua attraverso una condotta forzata giunge al livello della macchina in condizioni di alta pressione Nella zona del boccaglio ugello viene trasformata in energia cinetica

11 Turbina Pelton velocità di scarico lo scarico avviene a pressione atmosferica e la velocità di scarico è data da: ( h ) g ye ghm v = =ϕ g = ϕ 1 ϕ la vena che interagisce con la pala è a pressione costante e uguale a quella atmosferica a meno di perdite di carico la velocità relativa W rimarrà costante a cavallo della girante la variazione della portata avviene mediante il movimento della spina (ago doble), il coefficiente i di efflusso varia del 3% per diminuzioni della portata pari al 50% della portata di progetto

12 Turbina Pelton palettatura traiettoria del getto che interagisce con la pala il massimodi scambio di energia avviene quando il getto è perpendicolare alla pala il numero di pale ed il passo delle pale sono determinati in modo da avere sempre due pale in presa

13 Turbina Pelton numero di getti Il diametro D rappresenta il diametro della circonferenza concentrica ti alla ruota Plt Pelton e tangente t all asse dl del getto dimensione delle pale, diametro del getto, diametro medio della ruota sono legatida relazioni semiempiriche corrispondenti a condizioni di massimo rendimento della macchina e a contenute sollecitazioni meccaniche (ad es. d/d =1/10 e h/d=.5, dove h è l altezza di pala)

14 Turbina Pelton numero di getti Tali grandezze attraverso il diametro d del getto sono legate direttamente alla portata Per portate elevate per non avere giranti eccessivamente grandi si aumenta il numero di getti (si arriva fino a 6 getti) L aumento del numero di getti porta ad una macchina ad ase verticale d V& = π v1 4 z

15 Turbina Pelton curve di rendimento Ciascun getto potrà essere regolato indipendentemente mediante avanzamento e arretramento della spina senza influire sul rendimento degli altri getti L alimentazione di uno o più getti potrà essere interrotta Combinando queste due possibilità di regolazione si ottiene

16 Turbina Pelton curva caratteristica Consideriamo un flusso uni dimensionale Asse del getto tangente al diametro della turbina Ortogonalità tra getto e pala il lavoro scambiato con il fluido se consideriamo il triangolo di velocità in figura sarà apri a : l = u ( v 1 t v t ) v t = v cosα = u w cos introduciamo il coefficiente di perdita sulla pala w ψ = w 1 β

17 Turbina Pelton curva caratteristica sostituendo abbiamo: l = u [ v u + ψ ( v u ) β ] 1 1 cos l = u v u )(1 +ψ cos ) ( 1 β dall espressione del rendimento idraulico η = i l gh = u ( v u)( 1+ ψ β ) 1 cos gh introduciamo il coefficiente di velocità periferica: u k p = gh

18 Turbina Pelton rendimento ricordando che: ( h y ) gh v1 = ϕ g e = ϕ g l espressione del rendimentoidraulicodiventa idraulico diventa k ( k )( 1 cos ) η = k + i = p u ϕ ψ β parabola con vertice in Kp=ϕ/ϕ ϕ η i max = + v u = ϕ m = ( 1 ψ cos β ) 1 ghm

19 Turbina Pelton rendimento il rendimento idraulico si annulla per Kp=ϕ, tale condizione prende il nome di velocità di fuga in cui u=v1 e w=0, per tale condizione la turbina non è alimentata e la portata è nulla

20 Turbina Pelton coppia M se consideriamo l espressione della coppia scambiata all asse abbiamo: P D D ω u a = = γvh & eη mη v = ρv& osserviamo che: per flusso ideale la coppia all'asse varia linearmente con kp, è massima allo spunto (kp=0) e si annulla in condizioni i i di fuga (k p =1). Nel caso di comportamento reale l'andamento non sarà lineare a causa delle variazioni dei rendimenti e la coppia si annullerà per k p=ϕ. ( ϕ k )( ) p 1 + ψ cos β η mη v

21 Turbina Pelton potenza e rendimento Diagrammi simili possono essere ottenuti per diverse aperture del distributore e possono poi essere sintetizzati in un unico diagramma caratteristico della macchina riportato in forma adimensionale a e Dalla figura si può osservare come il rendimento massimo si abbia per portata pari all'incirca l'80% della portata massima e che risulti pressoché costante per gran parte del campo di utilizzo.