Introduzione
Questo articolo esamina i diversi tipi di turbine idroelettriche, i loro progetti, le classificazioni e le tipiche applicazioni. Vengono analizzate le turbine a impulso e a reazione, insieme alle caratteristiche di ciascuna. Le turbine Francis, Kaplan e Pelton sono trattate in dettaglio, insieme ai loro principi di funzionamento.
Breve Storia
Le ruote idrauliche sono i predecessori delle moderne turbine idroelettriche. L'equivalente moderno di una ruota idraulica è il ‘rotore della turbina’. I progetti dei rotori delle turbine sono cambiati notevolmente nel corso dei secoli, ma il loro scopo è rimasto invariato: convertire l'energia potenziale in energia meccanica. Questa energia meccanica può essere utilizzata per compiere lavori utili, come far ruotare le giranti delle pompe o i rotori nei generatori elettrici. In questo video, ci concentreremo sui comuni progetti di rotori delle turbine idroelettriche utilizzati nell'industria dell'ingegneria energetica.
Ruota Idraulica
Rotori di Turbine Comuni
I tre rotori di turbine più comuni sono i Francis, Kaplan e i rotori delle turbine Pelton. Le turbine Francis e Pelton furono inventate nel 1800 rispettivamente da James Francis e Lester Pelton. Il tipo di rotore a elica a passo variabile fu inventato da Victor Kaplan nei primi anni del 1900. Esistono rotori di tipo elica fissa, ma solo il tipo a elica a passo variabile è chiamato rotore di turbina Kaplan. Esistono altri progetti di rotori come i design Deriaz e cross-flow, ma sono meno comuni. Ogni rotore ha caratteristiche operative diverse ed è adatto solo per specifiche altezze di caduta e portate; tuttavia, è possibile che diversi progetti di rotori possano essere adatti per un'applicazione condivisa.
Classificazione dei Rotori di Turbine Idroelettriche
I rotori delle turbine idroelettriche possono essere classificati in vari modi:
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I tre progetti comuni di turbine idroelettriche sono i design Kaplan, Pelton e Francis.
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Esistono turbine a reazione (Kaplan e Francis) e a impulso (Pelton), che sono rispettivamente a pressione e senza pressione.
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Per il tipo di flusso attraverso o sui cucchiai o palette del rotore (flusso assiale, misto, tangenziale e radiale).
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Per la portata volumetrica alimentata al rotore.
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Per la velocità specifica del rotore.
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Per la pressione di esercizio.
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Classificazione per Energia
Le turbine a reazione sono turbine di tipo a pressione e si basano su un flusso continuo d'acqua dalla testa alla coda. Le turbine a reazione utilizzano la forma delle palette del rotore per creare un differenziale di pressione tra i lati di aspirazione e scarico delle palette. Il cambiamento di pressione attraverso le palette rappresenta la quantità di energia che viene convertita in energia meccanica, sebbene anche l'energia cinetica venga convertita in energia meccanica da questo tipo di turbina. I rotori Francis e Kaplan sono rotori di tipo a reazione.
Principio di Funzionamento della Turbina a Reazione
Le turbine a impulso sono turbine di tipo senza pressione. Le turbine a impulso si basano su getti d'acqua diretti tangenzialmente ai cucchiai. Quando l'acqua colpisce ciascun cucchiaio, i cucchiai si allontanano da ciascun getto e viene applicata una coppia all'albero del rotore che lo fa ruotare. I rotori delle turbine Pelton possono essere azionati da uno o più getti d'acqua. Il rotore Pelton è il tipo più comune di rotore a impulso.
Principio di Funzionamento della Turbina a Impulso
Classificazione per Flusso
I rotori possono essere classificati come a flusso assiale, misto, radiale, trasversale o tangenziale. Dove l'acqua scorre parallelamente al rotore, si tratta di un rotore a flusso assiale. Dove l'acqua scorre radialmente attraverso il rotore, sia verso l'interno che verso l'esterno, si tratta di un rotore a flusso radiale. I rotori che utilizzano sia il flusso assiale che quello radiale sono chiamati rotori a flusso misto. In pratica, i rotori di tipo a reazione sono solitamente a flusso assiale o misto. I rotori Kaplan sono classificati come rotori a flusso assiale, mentre i rotori Francis sono classificati come rotori a flusso misto. I rotori Pelton sono rotori a flusso tangenziale, poiché l'acqua colpisce i cucchiai tangenzialmente. I rotori delle turbine cross-flow sono classificati come utilizzanti il flusso trasversale, poiché l'acqua scorre su un lato del rotore e fuori dall'altro.
Classificazione per Velocità
La velocità specifica è data in giri al minuto (rpm), si riferisce alla velocità del rotore se fosse ridotto a una dimensione in cui genera un'unità di potenza. Ridurre il rotore a una dimensione in cui genera solo un'unità di potenza ci consente di confrontare la velocità specifica dei rotori delle turbine di diversi design.
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Le turbine a bassa velocità specifica sono quelle con una velocità specifica di meno di 50.
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Le turbine a media velocità specifica hanno una velocità specifica di tra 50 e 250.
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Le turbine ad alta velocità specifica operano a velocità specifiche superiori a 250.
Classificazione per Pressione
La pressione è misurata dalla differenza di elevazione tra la testa e la coda. Una turbina a bassa pressione ha una pressione operativa di 30m o meno, una turbina a media pressione ha una pressione operativa tra 30 e 300m, e un impianto ad alta pressione ha una pressione operativa superiore a 300m.
Fattori che Influenzano l'Efficienza
Indipendentemente dal design del rotore della turbina, la quantità di energia potenziale che può essere convertita in energia meccanica dipende da tre variabili principali:
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Pressione disponibile
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Portata
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Efficienza del rotore della turbina
La pressione è la differenza di elevazione tra la testa e la coda. La portata è determinata dall'area della sezione trasversale dei conduttori d'acqua e dalla velocità del flusso. L'efficienza della turbina dipende dal design e dall'applicazione del rotore della turbina; se il rotore corretto viene utilizzato per l'applicazione corretta, si possono spesso ottenere efficienze superiori al 90% per tutti i design comuni di rotori.
Rotori di Turbine Idroelettriche
Le turbine a impulso, le turbine a reazione e i tre design più comuni di rotori di turbine idroelettriche sono stati brevemente discussi. Questo articolo ora esaminerà ciascun design di rotore in dettaglio.
Turbine Francis
I rotori Francis consistono in una serie di palette fisse collegate a una corona del rotore in alto e a una fascia del rotore in basso. Questo tipo di rotore converte sia l'energia di pressione che l'energia cinetica in energia meccanica.
Principio di Funzionamento della Turbina Francis
L'aspetto dei rotori Francis può variare considerevolmente, questo è dovuto alle condizioni e alla velocità in cui il rotore è previsto per operare. I rotori Francis hanno un ampio intervallo operativo e possono essere utilizzati per molte applicazioni di pressione e flusso, il che li rende un tipo di rotore molto comune.
A differenza di altri design di rotori di turbine, la turbina Francis non riduce marcatamente l'efficienza fino a quando il carico non si riduce a circa il 40%, e ha la caratteristica unica di poter funzionare sia come pompa che come turbina.
Rotore della Turbina Francis
I rotori Francis possono essere utilizzati in un'ampia gamma di pressioni e portate; sono stati utilizzati per applicazioni superiori a 800 MW.
Turbine Kaplan
I rotori Kaplan consistono in una serie di palette montate su un mozzo centrale. Ogni pala può ruotare all'interno del suo supporto, il che significa che il passo è regolabile; questo è il fattore differenziante tra le turbine Kaplan e le turbine di tipo elica fissa. Tipicamente, le turbine Kaplan utilizzano tra tre e sei palette, sebbene siano possibili fino a dieci palette. Le palette a passo regolabile possono essere utilizzate per regolare la velocità di rotazione del rotore e quindi anche regolare la quantità di energia potenziale che può essere estratta dall'acqua in movimento.
Principio di Funzionamento della Turbina Kaplan
Le turbine Kaplan sono utilizzate per applicazioni a bassa pressione dove è presente una portata da media ad alta; questo le rende una scelta ideale per centrali idroelettriche a flusso continuo e centrali idroelettriche a marea. I rotori Kaplan sono stati utilizzati per applicazioni superiori a 200 MW.
Rotore della Turbina Kaplan
Turbine Pelton
I rotori Pelton hanno l'aspetto più distintivo di tutte le turbine idroelettriche. La periferia esterna del rotore contiene una serie di cucchiai collegati a un disco circolare. Un getto d'acqua viene spruzzato su questi cucchiai da un ugello, e la forza impulsiva risultante applicata al rotore lo fa ruotare. Il numero di getti dipende dalla dimensione del rotore Pelton, sebbene tipicamente vengano utilizzati tra uno e sei getti.
Principio di Funzionamento della Turbina Pelton
Un ‘ago’ viene utilizzato per avviare, fermare e regolare il flusso d'acqua attraverso l'ugello. L'ago è un elemento a forma di cono che può essere inserito o ritratto nell'ugello per regolare il flusso; è solitamente azionato manualmente o elettricamente. È l'ugello che converte l'energia di pressione dell'acqua in energia cinetica, che viene poi convertita in energia meccanica dal rotore. Si noti che il rotore Pelton non converte l'energia di pressione in energia meccanica, poiché opera in condizioni atmosferiche. Invece, l'acqua viene scaricata dai cucchiai del rotore Pelton direttamente in una fossa di scarico, quindi nella coda.
Le turbine Pelton possono essere installate con un orientamento orizzontale o verticale. Le unità più piccole tendono ad essere installate con un orientamento orizzontale mentre le unità più grandi sono installate con un orientamento verticale.
Le turbine Pelton sono utilizzate solo per applicazioni ad alta pressione e basso flusso. I rotori Pelton sono stati utilizzati per applicazioni superiori a 400 MW.
Riepilogo
In questo articolo, abbiamo imparato come funzionano le turbine a impulso e a reazione. Abbiamo imparato come funzionano le turbine Francis, Kaplan e Pelton, e per quale applicazione ciascuna turbina è adatta.
Il contenuto di questo articolo è tratto dal nostro Corso di Introduzione all'Ingegneria delle Centrali Idroelettriche.
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine