Turbine idrauliche

Una turbina nella sua forma più completa è essenzialmente costituita da tre parti: il distributore, organo che ha la funzione di convogliare il fluido guidandolo verso la girante, nel quale l'energia potenziale del fluido viene trasformata in misura maggiore o minore in cinetica; la girante, organo rotante costituito da un mozzo centrale e da un insieme di pale periferiche, di forma tale che in essa viene trasformata in lavoro motore o la sola energia cinetica del fluido entrante, oppure anche la caduta di energia potenziale che in essa ha luogo; il diffusore, che raccoglie il fluido scaricato dalla girante trasformando in energia potenziale la maggior parte possibile dell'energia cinetica residua. L'insieme dei tre organi precedenti, fra i quali spesso manca il terzo, costituisce l'intera macchina (turbina semplice); nel caso delle turbine multiple costituisce solo un elemento o stadio della macchina, che si ripete anche decine di volte. Agli effetti delle trasformazioni energetiche le turbine semplici, o gli elementi delle turbine multiple a fluido incompressibile, sono dette ad azione quando le pressioni statiche a monte e a valle della girante sono uguali, a reazione quando la pressione statica a monte è più alta della pressione statica a valle; il grado di reazione è il rapporto fra la variazione di pressione statica che si ha nella girante e l'analoga differenza di pressione fra l'ingresso del distributore e l'uscita del diffusore. Nel caso delle turbine a fluido com-pressibile (a vapore o a gas) le definizioni precedenti valgono quando alle pressioni statiche venga sostituita l'entalpia del fluido. Dal lato geometrico le turbine semplici, o gli elementi di turbine multiple, sono denominati assiali quando la velocità del fluido è priva di componente radiale, radiali quando essa è priva di componente assiale, miste quando la velocità del fluido comprende entrambe le componenti.

Turbina di Pelton
La turbina Pelton, detta anche ruota Pelton, è la turbina idraulica ad azione più importante. Ad asse generalmente orizzontale, in qualche caso verticale, alimentata da una condotta forzata, tale turbina è impiegata per altissimi salti (il salto è la differenza fra il livello del bacino a monte della condotta forzata e il livello del canale di scarico a valle della turbina), oltre i 1.000 m. Le pale della girante, spesso riportate, sono formate da due superfici ovoidali affiancate, che costituiscono una w aperta. L'apparato distributore si compone di uno o più ugelli di sezione circolare disposti il più vicino possibile alla girante. Ogni ugello dirige un getto d'acqua sullo spigolo che divide le due semipale della ruota, spigolo che deve essere il più affilato possibile. Il getto si suddivide in due parti che vengono deviate sulle superfici concave e fuoriescono dai bordi delle pale stesse. La parzializzazione viene attuata mediante un otturatore a spina, che chiude più o meno l'orifizio dell'ugello; i filetti liquidi scorrono sulla superficie dell'otturatore e formano un getto perfettamente omogeneo. La girante deve essere disposta a un'altezza dal livello dell'acqua a valle tale che il livello del canale di scarico non arrivi alla girante stessa. La portata utile del distributore è spesso regolata da un deflettore (o tegolo), organo rotante che devia in tutto o in parte il getto interponendosi fra l'ugello e la girante. In tal modo è possibile regolare con grande rapidità la portata utile senza variare la portata dell'ugello e, di conseguenza, la portata della condotta che lo alimenta. Questo vantaggio è di grandissima importanza per le turbine Pelton che, funzionando sotto altissimi salti, si trovano alla base di lunghe condotte, in cui i colpi d'ariete sono particolarmente temibili. Il deflettore può essere azionato istantaneamente dal regolatore, mentre l'otturatore, che regola la portata, viene azionato successivamente e con lentezza, quindi senza pericolo.

Turbina Francis
Questa turbina, del tipo a reazione, viene impiegata per salti molto bassi, inferiori ai 200 m. Il distributore è formato da due corone circolari fra le quali sono disposte le pale direttrici. Ciascuna pala, costituita da superfici cilindriche a generatrici parallele all'asse, è mobile attorno a un asse che collega i due anelli delimitanti il distributore e funge da distanziatore. La sezione d'efflusso del fluido è regolabile mediante un cerchio mobile che, facendo ruotare tutte le pale direttrici di uno stesso angolo, permette di variare la portata della turbina. Le pale della girante sono superfici incurvate; l'acqua arriva dal distributore sul contorno della ruota e fuoriesce in direzione assiale. Una turbina Francis, che funziona con iniezione totale e con la girante immersa nell'acqua, sfrutta integralmente il salto, mentre la turbina Pelton, la cui girante gira all'aria libera, può recuperare soltanto parzialmente questa frazione del salto mediante la idropneumatizzazione. A parità di potenza e di salto, una turbina Francis può girare più rapidamente di una turbina Pelton, e pertanto costituisce un complesso più economico. Se è di piccola potenza, la sua girante è stretta e i suoi condotti hanno una modesta sezione, con conseguente pericolo di ostruzione. Nella turbina Francis le acque cariche di sabbia possono provocare usure e notevoli perdite, mentre nella turbina Pelton tutta l'acqua passa nella ruota anche se l'iniettore è corroso.

Turbina a elica
Questo tipo di turbina, usato per bassi salti (di 5÷15 m), permette di realizzare grandi velocità di rotazione con buoni rendimenti. Il distributore è simile a quello della turbina Francis, con pale direttrici mobili, ma la girante è costituita da un'elica nella quale l'acqua fluisce parallelamente all'asse. Questa elica è disposta molto sotto il distributore. Le turbine a elica sono quasi sempre ad asse verticale, allo scopo di poter recuperare l'energia cinetica all'uscita della ruota che può rappresentare fino al 40% dell'energia totale; tale recupero è attuato mediante un diffusore, disposto fra l'uscita della girante e il livello a valle.

Turbina Kaplan
È un tipo di turbina a elica in cui le pale della girante e del distributore sono mobili; il regolatore è pertanto in grado di agire, tramite un servomotore, sull'inclinazione sia delle pale direttrici del distributore, sia delle pale della girante, in modo da variare il passo dell'elica. Più complessa della turbina a elica, la turbina Kaplan ha un migliore rendimento per i piccoli salti e per salti variabili.

Il rendimento massimo dei diversi tipi di turbina può raggiungere 0,90, ma le curve di rendimento in funzione del carico presentano differenti andamenti. Per i piccoli carichi il rendimento è bassissimo nelle turbine a elica (0,45), piuttosto basso nelle turbine Francis (0,60) mentre rimane soddisfacente nelle turbine Pelton (0,75) e Kaplan (0,80). Il numero di giri caratteristico di una turbina che ne definisce il tipo, è il numero di giri al minuto di una turbina geometricamente simile, alla turbina che sviluppi la potenza di 1 CV per il salto di 1 m, dato dalla relazione




in cui n è il numero di giri al minuto della turbina, P la potenza in CV e H il salto in m.