Le Turbine IDRAULICHE

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1 Le Turbine IDRAULICHE Prof. Francesco Martelli Prof. David Chiaramonti Ing. A.Mattana Ultimo aggiornamento: 24 Maggio 2013 Versione: Pag. 1

2 Classificazione - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - Le turbine idrauliche sono macchine motrici che lavorano con acqua (fluido incomprimibile) La loro classificazione si basa sul numero di giri specifico n s e/o sul grado di reazione. n s n P H 1/ 2 5 / 4 Dove P è la potenza e H è il salto geodetico disponibile Come noto, n s è un gruppo adimensionale che viene definito in condizioni di massima efficienza della macchina. Si può infatti dimostrare che: per una stessa macchina che si trovi ad operare in condizioni di portata, salto disponibile e numero di giri differenti, essa opererà al massimo rendimento purchè i parametri d esercizio realizzino lo stesso numero di giri specifico per macchine in scala (stessa famiglia), queste opereranno al massimo rendimento purchè i parametri d esercizio realizzino lo stesso numero di giri specifico Pag. 2

3 Classificazione - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - Si può quindi affermare che un definito valore di n s caratterizza univocamente la specifica famiglia di macchine basandoci su una semplice analisi dimensionale si trova la seguente: P Q ns n n H H 1/ /4 3 4 in linea di principio, qualsiasi siano i valori di n, Q ed H, è possibile progettare il tipo di turbina desiderato. Il fatto è che in funzione del tipo scelto, possono risultare macchine di dimensioni e regimi di rotazione improbabili, operanti perciò a rendimenti molto bassi Nella pratica n s, visto che è definito nelle condizioni di massima efficienza, suggerisce il design di macchina ottimale per le condizioni richieste Asse macchina In base alla relazione trovata, macchine che devono elaborare alte portate con piccoli salti, in condizioni di massima efficienza, hanno una geometria di tipo assiale (alti n s ), mentre con piccole portate e salti elevati la geometria è più di tipo radiale (bassi n s ) Pag. 3

4 Considerazioni sul rendimento Si consideri adesso l espressione del rendimento - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - = rendimento della macchina idraulica H 0 = salto utile U = velocità di trascinamento V = velocità assoluta = angolo tra U e V 1,2 : sezioni d ingresso e uscita dalla girante L gh U V cos U V gh 0 0 cos aumenta al diminuire di U 2 V 2 cos 2 U 2 è vincolato alla velocità angolare della macchina e non è praticamente possibile ridurlo si deve intervenire su V 2 e cos 2 rendere 2 = /2, sagomando le pale in modo da rendere la velocità assoluta di scarico normale alla velocità periferica della girante» Soluzione efficace solo per turbine a reazione, dove la più o meno grande energia cinetica residua dell acqua allo scarico (V 2 ) non influisce sul rendimento in quanto integralmente recuperata nel tubo d aspirazione Pag. 4 agire su V 2, riducendola il più possibile tramite un opportuno profilo delle pale» Unica opzione per le turbine ad azione

5 Considerazioni sul rendimento - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - Nell ipotesi che la velocità di scarico non abbia componente tangenziale si ha: 2 2 UV cos gh 0 U 1 gh 0 V cos 1 1 a parità di caduta H 0 la velocità periferica della macchina è tanto più grande quanto più è piccolo il prodotto V 1 *cos 1, cioè quanto più piccola è la componente della velocità assoluta d ingresso V 1 al rotore nella direzione della velocità periferica della girante U 1 Assegnato il salto disponibile e fissati gli angoli di ingresso alla girante, la velocità assoluta d ingresso dipende dal grado di reazione della macchina Pag. 5

6 Velocità e grado di reazione si consideri infatti l espressione del grado di reazione - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - h h h V 2 V h h gh g 2 2 rot stage st out out 1 H0 H0 stage stage 0 2 Ripartizione salto di pressione tra distributore e girante V V 2gH 1 out 1 0 K V 1 V 1 1 2gH 0 Velocità assoluta specifica d ingresso U K 1 U 1 V gh 0 cos 1 1 U 1 2gH 2 cos K 2 cos V Velocità specifica periferica Pag. 6

7 Si può quindi dire che: K V Velocità e grado di reazione Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - V1 U1 1 ; KU 2gH 2gH 2 cos 1 a parità di salto H 0 disponibile, all aumentare del grado di reazione le velocità specifiche di ingresso e periferica presentano trend opposti quanto più grande è il grado di reazione tanto più piccola diviene la velocità di ingresso alla macchina a tale variazione di corrisponde una maggiore velocità specifica periferica della girante macchine con grado di reazione alto macchine veloci o ultraveloci macchine con basso grado di reazione macchine lente Viceversa, a parità di grado di reazione e variando il salto disponibile si ha Alte cadute problema di ridurre la vel.periferica U 1 macchine lente turbine ad azione Basse cadute problema di non lasciar diminuire la vel. periferica a valori molto bassi turbine a reazione lente, normali, veloci, ultraveloci ed infine ruote ad elica Pag. 7

8 Macchine lente e veloci Le Francis coprono un campo molto ampio al variare di molto piccolo ( ) lente, bordo d ingresso delle pale immediatamente affacciato al distributore (l acqua passa dal distributore alla girante costantemente incanalata e guidata Flusso quasi ovunque centripeto, deviato in senso assiale solo nelle immediate vicinanze dello scarico. La macchina risulta molto schiacciata in senso assiale compreso tra 0.40 e 0.50 turbine normali sviluppo assiale più accentuato il flusso nella girante mostra una sensibile attenuazione dell andamento centripeto rispetto a quello assiale: la deviazione verso un percorso assiale si manifesta presto Pag. 8

9 Macchine lente e veloci - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - Le Francis coprono un campo molto ampio al variare di Pag. 9 compreso tra 0.50 e 0.65 turbine veloci e ultraveloci la macchina è ormai più sviluppata in senso assiale che in senso radiale il distributore è molto alto e l allargamento della girante è assai accentuato le pale sono molto brevi e larghe (il flusso che le attraversa è ormai quasi completamente assiale) il distributore è molto lontano dall ingresso della pala (l acqua compie un lungo percorso senza essere guidata) Il numero di pale diminuisce al crescere di, per cui i tipi veloci e ultraveloci hanno un numero di pale modesto (8-12 per potenze medie) rispetto alle macchine lente (18-20) Nel campo della Mini-idraulica, le turbine Francis sono impiegate per sfruttare salti che vanno da pochi metri (8-10) fino a più di 150, con portate variabili tra poche centinaia di l/s a m 3 /s, mentre per schemi di grande potenza vengono impiegate per salti di oltre 600 m

10 Numero di giri specifico e grado di Reazione Come si è potuto osservare, il grado di reazione della macchina spiega lo sviluppo geometrico del canale meridiano si può dimostrare che variazioni del grado di reazione in un senso corrispondono a variazioni del numero di giri specifico nello stesso senso n s 1/2 5/4 0 P QL AV sin H AV sin H U n n n 60 V1 cos1 V1 cos1 V1 cos1 s s P n H n D H L /4 D V cos D cos V D A sin cos1 1 AV sin H A H H sin H H 1/4 L espressione rivela la relazione (semplificata) tra il numero di giri specifico ed il grado di reazione in funzione dei principali parametri geometrici di macchina. Pag. 10

11 Classificazione: Turbina Pelton - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - Asse macchina La turbina Pelton: Copre il campo dei bassi valori di n s. È una turbina ad azione pura. È adatta a essere utilizzata con elevati salti H e basse portate Q. Pag. 11

12 Classificazione: Turbina Francis Asse macchina La turbina Francis: Copre il campo dei medi valori di n s. È una turbina con valori medi di grado di reazione. È adatta a essere utilizzata con medi salti H e medi valori per la portata Q. Pag. 12

13 Classificazione: Turbina Kaplan (ad elica) Asse macchina La turbina Kaplan: Copre il campo degli alti valori di n s. È una turbina con valori medio alti del grado di reazione. È adatta a essere utilizzata con bassi salti H e alti valori per la portata Q. Pag. 13

14 Classificazione: Turbina Pelton, Francis, Kaplan Le turbine Francis e Kaplan hanno una struttura che varia al variare di n s : Aumentando n s diminuisce la struttura centripeta della macchina. Ossia andando verso alte portate Q e bassi salti H la struttura della macchina tende all assiale. Le Francis coprono un ampio campo di utilizzo. Pag. 14

15 Turbine ad azione Sono macchine a grado di reazione nullo ( =0 ): p a il salto disponibile si converte in energia cinetica attraverso il distributore e la velocità di uscita, trascurando le perdite, si riduce al valore Torricelliano il rotore opera puramente ad azione, visto che è sottoposto ovunque alla pressione atmosferica solo una parte del rotore è investito dal flusso esiste una perdita dovuta alla quota parte di salto non sfruttata ( perdita secca ) H pa VA pa V0 Y ( ) ( ) 2g 2g g V 0, Y 0, V 2gH A V 2gH V out Torricelliana p a Pag. 15

16 Turbine Pelton Sono turbine ad azione costituite da un distributore (Spina Doble) e da una ruota (rotore). La ruota può essere montata sia in orizzontale che in verticale. Il numero dei distributori è variabile da uno a sei-otto. Il getto investe tangenzialmente la girante La macchina è in genere racchiusa in una cassa. Sono macchine adatte ad alte prevalenze e basse portate (bassi n s ). Distributore Ruota Pag. 16

17 Turbine Pelton Pag. 17

18 Turbine Pelton Pag. 18

19 La spina Doble è in grado di regolare la portata di acqua alla ruota con perdite minime. Turbine Pelton: Spina Double Variando la posizione assiale della spina, si varia la sezione anulare di passaggio e quindi la portata. Ne consegue una regolazione della potenza fornita dalla macchina. Per variazioni brusche di portata si fa ricorso al tegolo deviatore. Tale organo devia il getto di acqua ed impedisce che questa colpisca la ruota cedendo potenza. Pag. 19

20 Turbine Pelton: Distributore a spirale Pag. 20

21 Turbine Pelton: Distributore a spirale Pag. 21

22 Turbine Pelton: ruota Pag

23 Turbine Pelton: ruota Pag. 23

24 Turbine Cross-Flow (Banki-Mitchell) Sono macchine molto semplici e poco costose. Non necessitano di particolare manutenzione. Sono adatte ad impieghi per piccole potenze. Pag. 24

25 Ossberger Progettata nel 1903 dall Ing.MITCHELL Chiamata anche BANKI od A FLUSSO INCROCIATO Il campo di impiego si sovrappone a quello della Pelton, Francis e Kaplan: salti tra 1 e 500 m l acqua immessa dal distributore sulla periferia esterna della ruota agisce una prima volta sulle pale e prosegue poi attraversando la parte centrale, aperta, della ruota per esercitare una seconda azione di spinta sul lato opposto; dopo questa seconda fase l acqua finisce nel canale di scarico Pag. 25

26 Ossberger ruota caratterizzata da un notevole sviluppo longitudinale e divisa in due o più sezioni mediante particolari accorgimenti, il distributore a seconda della sua apertura interessa al funzionamento le sole sezioni della ruota che permettono di ottenere il massimo rendimento, che quindi risulta piuttosto alto a tutti i carichi in alcuni casi tubo diffusore conico per creare p < p atm nella camera dove si trova la turbina z tra asse ruota e livello dell acqua non risulta inutilizzabile come nelle classiche turbine ad azione Si sfruttano salti molto bassi (qualche m) Pag. 26

27 Turgo Per salti fra 50 e 250 metri Simile alle Pelton, ma la pala è molto diversa il getto d acqua colpisce la girante formando un angolo di circa 20 con il piano della girante stessa; il flusso d acqua entra nella girante da una parte e ne riesce dalla parte opposta fortemente deviato diametri molto piccoli, se confrontati con gli altri modelli, e di conseguenza da velocità di rotazione molto alte rendono possibile l accoppiamento diretto del generatore elettrico con l asse della turbina Difetti rendimenti minori rispetto alla Pelton necessario l utilizzo di cuscinetti reggispinta assiali Scarsamente impiegata Pag. 27

28 Turbine a Reazione Sono macchine a grado di reazione non nullo ( 0 ): il salto disponibile si converte parzialmente in energia cinetica attraverso il distributore la girante, a differenza delle macchine ad azione, è completamente immersa nel flusso ed a cavallo di essa esiste un preciso salto di pressione: questo fatto permette il recupero della perdita secca (figura B seguente) consente inoltre di far scaricare la turbina ad una pressione inferiore a quella atmosferica utilizzando un diffusore (figura C seguente). Così facendo aumenta la potenza specifica erogata Pag. 28

29 Diffusore di scarico Caso A: viene persa l energia cinetica allo scarico nonché il dislivello scarico pelo libero Caso B: viene persa l energia cinetica allo scarico Caso C: viene ridotta la perdita di energia cinetica con un diffusore Pag. 29

30 Diffusore di scarico Pag. 30

31 Turbine Francis Sono turbine molto diffuse per dislivelli fino a circa 500 m. Il grado di reazione e quindi il loro sviluppo asso-radiale varia con n s. Pag. 31

32 Turbine Francis Voluta Girante Palettature regolabili Pag. 32

33 Turbine Francis: Regolazione Pag. 33

34 Turbine Francis: Girante E una girante centripeta. Il numero di pale varia da 8 a 20. All aumentare del numero di giri specifico si nota; diminuzione numero di pale riduzione sviluppo radiale aumento distanza tra statore e rotore Pag. 34

35 Turbine Kaplan Il grado di reazione è piuttosto elevato (~0.7). Il numero di pale della girante è compreso tra 3 e 7. Le pale del distributore sono in genere orientabili. Le pale della girante possono essere dotate di meccanismi per la regolazione del calettamento (passo variabile, Kaplan) Pag. 35

36 Turbine Kaplan Girante Kaplan con palettature a calettamento variabile Pag. 36

37 Pag. 37

38 Turbine Kaplan: Regolazione Le turbine Kaplan sono costruite con palettature a calettamento variabile sia per le parti statoriche che per le parti rotoriche. Per piccoli impianti si utilizza il calettamento variabile o sul rotore o sullo statore. Per potenze impegnative si preferisce il calettamento variabile sia del distributore che delle pale della girante. Curva di funzionamento al variare del calettamento Pag. 38

39 Turbine Kaplan: Regolazione A partire dalle curve Q, e Q,H si ottiene il diagramma collinare di funzionamento. Dove; Q 11 = portata volumetrica macchina D=1m, H=1m n s11 = numero giri specifico macchina D=1m, H=1m Diagramma collinare ottenuto con distributore fisso ( D ) e variando il calettamento delle pale ruota ( R ) Pag. 39

40 Turbine Kaplan: Regolazione Per ogni calettamento del distributore si costruisce un diagramma collinare variando il calettamento delle pale girante. Ripetendo il procedimento per più angoli del distributore si ottengono diversi diagrammi collinari. Il loro inviluppo (coniugazione ruota) ci da il diagramma collinare completo della macchina con indicazione degli angoli di calettamento ottimali. Dove; Q 11 = portata volumetrica macchina D=1m, H=1m n s11 = numero giri specifico macchina D=1m, H=1m Diagramma collinare ottenuto variando il calettamento del distributore ( D ) e delle pale ruota ( R ) Pag. 40

41 Turbine a Bulbo Sono macchine molto diffuse per dislivelli inferiori ad i 10 m. L alternatore è contenuto in un bulbo completamente immerso in acqua. In questo tipo di macchina il tubo diffusore ha un ruolo di fondamentale importanza. Pag. 41

42 Turbine a Bulbo Distributore girante Pag. 42

43 Scelta Salto Netto Si deve stimare l andamento del salto lordo al variare della portata Per basse cadute diminuisce significativamente all aumentare della portata Si valutano le perdite e la quota di restituzione Salto Netto Tipo di Turbina Campo di variazione del salto (in metri) Kaplan e ad Elica 2-80 Francis Pelton Ossberger (Mitchell - Banki) Turgo Pag. 43

44 H [m] Scelta - Portata - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - Q [m 3 /s] Pag. 44

45 Pag. 45

46 Scelta Velocità di fuga Ogni girante è caratterizzata da un valore massimo della velocità di fuga velocità massima che la girante può sostenere nel caso che il carico elettrico al generatore sia nullo a seconda del tipo di turbina, questo valore può variare tra 2 e 3 volte la velocità di rotazione in condizioni nominali Tipo di Turbina velocità di rotazione n velocità di fuga n max /n Kaplan a singola regolazione Kaplan a doppia regolazione Francis Pelton Cross flow Turgo Pag. 46

47 Turbina Pelton 1 getto 2 getti 4 getti Spiral Francis otto modelli con (con voluta a spirale) differenti velocità specifiche Open-flume Francis (senza voluta a spirale) F92 F97 Sommario Salto (metri) - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - Portata (m 3 /s) Potenza (kw) fino a 10 MW fino a 10 MW max Cut-off (in %) fino a 2 MW Turbine assiali tubolari (TAT) doppia reg. semplice reg fino a 10 MW Turbine a Bulbo doppia reg. (PIT) semplice reg. (girante) semplice reg. (distributore) Turbine ad S doppia reg. semplice reg. (girante) semplice reg. (distributore) fino a 4 MW fino a 15 MW Pag. 47

48 Sito per Scaricare le Presentazioni del Corso Pag. 48