Introduzione: Turbine Kaplan per Impianti Idroelettrici & Energia Rinnovabile
Le turbine Kaplan furono sviluppate per la prima volta nel 1913 dal professore austriaco Viktor Kaplan. La turbina Kaplan si distingue dalle turbine a elica a pale fisse grazie alla possibilità di orientare le pale; è quindi una turbina a passo variabile. Questo tipo di turbina ha trovato ampia applicazione negli ultimi 100 anni grazie alla sua elevata efficienza operativa anche a bassissime prevalenze di pressione.
Le turbine Kaplan convertono l'energia potenziale in energia meccanica. Questo tipo di turbina è classificato come turbina a reazione, poiché opera all'interno di un sistema di pressione e si basa su un flusso continuo di acqua dal lato di aspirazione a quello di pressione della turbina.
Grazie alla capacità della turbina Kaplan di operare efficientemente a prevalenze di pressione molto basse, sono particolarmente adatte per impianti ad acqua fluente e impianti di generazione mareomotrice; questi tipi di impianti appartengono al settore dell'energia rinnovabile ('verde').
La turbina Kaplan è molto simile nel design a un'elica di nave. Rispetto ad altri motori primari come le turbine a vapore o i motori a combustione, le turbine idrauliche hanno velocità operative molto basse, tipicamente inferiori a 400 giri al minuto.
Elica di Nave
Le turbine Kaplan possono essere di grandi dimensioni. Le turbine Kaplan più grandi al mondo hanno un diametro di 8,6 m e operano con una prevalenza nominale di 34 m. Nonostante questa bassa prevalenza di pressione, ogni turbina genera 230 MW.
Quali sono le principali parti di una turbina Kaplan?
Una turbina a elica è composta da un mozzo, pale e albero. Un rotore tipico di solito ha da tre a sei pale con un diametro totale del rotore che varia da due a 11 metri. Con le turbine Kaplan, le pale si collegano a un mozzo centrale che ospita i meccanismi necessari per ruotare le pale, ma non ci sono altre differenze tra una turbina a elica a pale fisse e una turbina Kaplan.
Un cassa a spirale - nota anche come cassa a chiocciola - viene utilizzata per fornire un flusso uniforme di acqua all'intero rotore. Un flusso uniforme è ottenuto grazie alla graduale diminuzione dell'area della sezione trasversale della cassa. Man mano che l'area della sezione trasversale diminuisce, la velocità dell'acqua rimane costante e un flusso uniforme di acqua viene fornito al rotore.
Cassa a Spirale
Il distributore dirige l'acqua verso il rotore Kaplan. Il distributore viene utilizzato per avviare, arrestare e regolare il flusso di acqua verso il rotore.
Un tubo di scarico converte parte dell'energia cinetica dell'acqua scaricata in energia di pressione. Questa conversione aumenta l'efficienza operativa complessiva della turbina.
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Come funzionano le turbine Kaplan?
L'acqua entra attraverso un conduttore d'acqua pressurizzato, noto come condotta forzata. Scorre quindi lungo la cassa a spirale e attraverso il distributore. Il distributore dirige il flusso d'acqua tangenzialmente attraverso le pale del rotore e una forza risultante viene applicata al rotore. Questa forza si applica come coppia sull'albero del rotore, causando la rotazione del rotore.
Componenti della Turbina Kaplan
L'acqua quindi lascia il rotore ed entra nel tubo di scarico dove parte della sua energia cinetica rimanente viene recuperata come energia di pressione. Infine, l'acqua viene scaricata nel canale di scarico.
Si noti che sono solo le pale del rotore a convertire l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica. Questo è ottenuto grazie alla forma delle pale e alla differenza di pressione creata mentre l'acqua scorre lungo la superficie della pala.
Generazione di Energia
Un albero comune collega il rotore a un generatore, mentre il rotore ruota, così fa anche il rotore del generatore. Il rotore del generatore ruota all'interno di un campo elettromagnetico, mentre il rotore si muove attraverso il campo magnetico, la corrente viene indotta negli avvolgimenti dello statore del generatore, a questo punto l'energia meccanica fornita dalla turbina Kaplan è stata convertita in energia elettrica. L'energia elettrica può ora essere trasferita attraverso una rete nazionale ai consumatori finali.
L'intero processo di generazione di energia è continuo, il che porta a una forma di generazione di energia costante, rinnovabile e affidabile.
Caratteristiche Interessanti
Rispetto ad altri tipi di turbine idrauliche, come le Pelton e le Francis , le turbine Kaplan sono in grado di operare a prevalenze di pressione molto basse e ad alti tassi di flusso. Efficienze operative superiori al 90% non sono rare.
Gamma di Flusso e Prevalenza delle Turbine Idrauliche
Le turbine Kaplan sono turbine a reazione, operano con un corpo d'acqua completo su entrambi i lati di aspirazione e pressione della turbina. Le turbine a reazione sono turbine a pressione, mentre le turbine a impulso sono senza pressione.
L'acqua passa sopra il rotore a elica in una direzione parallela all'albero del rotore. Questo tipo di flusso è noto come flusso assiale, motivo per cui le turbine a elica sono classificate come turbine a flusso assiale.
Girante a Flusso Assiale (Rotore)
Ruotare le pale del rotore Kaplan cambia l'angolo di attacco (l'angolo con cui la pala taglia l'acqua), il che aumenta l'efficienza delle turbine quando operano a tassi di flusso variabili. L'angolo di attacco è indicato come passo, ed è da qui che la elica a passo variabile (VPP) Kaplan prende il suo nome.
Variare il passo varia anche la velocità della turbina e di conseguenza la quantità di energia potenziale che può essere convertita in energia meccanica. Combinato con un distributore variabile, le condizioni operative di una turbina Kaplan possono essere strettamente controllate per massimizzare l'efficienza.
Sezione Trasversale della Turbina Kaplan
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Risorse Aggiuntive
https://theconstructor.org/practical-guide/kaplan-turbine-component-working/2904/
https://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine