turbìna
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Definizione
sf. [sec. XIX; dal francese turbine, dal latino turbo-ínis, turbine, trottola]. Motore rotativo a flusso continuo che sfrutta l'energia di una corrente fluida per fornire all'albero potenza meccanica. Secondo l'origine dell'energia che viene convertita in lavoro meccanico, si distinguono turbine a energia idraulica (turbine idrauliche) e turbine a energia termica. Le prime sfruttano l'energia potenziale di una massa d'acqua che fluisce da una quota superiore a una inferiore, le altre sfruttano il calore latente di opportuni combustibili sviluppato con un processo di combustione interno o esterno alla macchina. Le turbine a energia termica si suddividono a loro volta in turbine a combustione interna e turbine a combustione esterna. Le prime sono le turbine a gas, nelle quali il fluido di lavoro è costituito dai gas combusti da un bruciatore; nelle turbine a combustione esterna il fluido di lavoro è invece un gas o più spesso un vapore la cui energia proviene da un processo di combustione esterno alla macchina: tra queste hanno grande importanza le turbine a vapore, nelle quali il fluido di lavoro è un vapore (nella maggior parte dei casi vapore acqueo) prodotto da un generatore di vapore (v. caldaia). La parte motrice di una turbina è costituita da una girante (rotore) provvista di palette sulle quali il fluido esercita una spinta che muove il rotore e produce il momento motore. Il fluido giunge alle palette attraverso uno o più ugelli o un distributore che per ogni schiera di palette mobili ne presenta una di palette fisse. In dipendenza dell'architettura della turbina, il fluido può avere una velocità di efflusso parallela all'asse di rotazione, radiale (centripetao centrifuga), o tangenziale al rotore: si parla perciò di turbine assiali, radiali, tangenziali e miste (se il fluido ha una velocità che presenta due o più delle componenti suddette); in relazione alla posizione dell'asse della girante si distinguono inoltre turbine verticali e orizzontali. Infine, se il fluido attraversando le varie schiere di palette perde pressione la turbina si dice a reazione; se invece la pressione statica del fluido motore ha valori uguali a monte e a valle della girante la turbina è detta ad azione. La classificazione più tradizionale e diffusa è quella, in base al fluido impiegato, in turbine a gas, turbine a vapore e turbine idrauliche. Nel mutuo scambio di azioni tra fluido e macchina avvengono fenomeni cinetici, come il rallentamento della velocità del fluido o la variazione della sua direzione, e fenomeni termodinamici, come la sua compressione o espansione e il suo riscaldamento o raffreddamento. Durante questi scambi si ha trasferimento di energia cinetica, termica e di pressione dal fluido alla macchina: ne deriva che il processo è accompagnato da tutte le perdite caratteristiche di questo tipo di fenomeni, ciascuna delle quali viene misurata da un opportuno rendimento che la caratterizza. Importanti sono le perdite dovute: all'attrito tra fluido e pareti fisse e mobili dei condotti; alla presenza di fughe connesse con i giochi che è necessario mantenere tra girante e statore per evitare che interferiscano in seguito alle deformazioni cinetiche e termiche; all'energia presente nel fluido allo scarico, che si cerca con vari sistemi o di minimizzare o di recuperare; all'effetto ventilante che si produce nelle turbine ad ammissione parziale, cioè su un solo settore, nella zona in cui non viene immesso il fluido. Le turbine hanno risolto il problema della produzione di energia elettrica sia in impianti tradizionali idraulici a vapore o a gas, sia nelle centrali termoelettronucleari attualmente in funzione e in progetto. Nel campo dei trasporti le turbine si sono da tempo affermate quali propulsori aeronautici e navali: nel primo caso vengono utilizzate turbine a gas, nel secondo sia turbine a vapore sia turbine a gas, queste ultime di norma solo su naviglio militare a causa degli alti costi d'installazione e degli elevati consumi; nell'autotrazione e nella trazione ferroviaria è invece ancora allo studio l'adozione di turbine per le difficoltà rappresentate dagli ingombri, dalle sollecitazioni, dal calore degli scarichi e soprattutto dalla necessità di variare molto di frequente le prestazioni del propulsore durante l'esercizio.
Tecnologia: turbina a gas
Una prima grande distinzione tra le turbine a gas fa riferimento alla complessità del ciclo di funzionamento. Riferendoci alle turbine a gas in cui la combustione avviene a pressione costante, la forma più semplice di funzionamento è quella a ciclo aperto. Questo è costituito essenzialmente da una fase di compressione del fluido, che lo fa passare dalla pressione di aspirazione a quella di ammissione in turbine, da una fase di riscaldamento a pressione costante e da una fase di espansione in turbine durante la quale avviene lo scambio energetico utile. Al termine, il più delle volte il gas viene scaricato nell'atmosfera, dove si può immaginare che compia idealmente la trasformazione termodinamica di raffreddamento atta a chiudere il ciclo. Se invece interessa recuperare il fluido di lavoro, anche la fase di raffreddamento è interna alla macchina e il gas viene reimmesso, dopo tale fase, nel compressore, che ha la funzione di convogliare il gas in pressione verso la turbina. Il ciclo descritto è quello delle turbine dette ad alta pressione; piccole turbine atte a produrre una potenza relativamente bassa o a sfruttare gas caldi a pressione ambiente impiegano un ciclo simile ma a bassa pressione: l'aria viene riscaldata in camera di combustione e il fluido di combustione viene fatto espandere fino a pressione minore di quella ambiente; successivamente viene raffreddato fino a temperatura prossima a quella ambiente e compresso per l'espulsione. Durante questa fase il fluido si scalda ulteriormente e, prima di essere ceduto all'atmosfera, passa in uno scambiatore di calore, dove preriscalda l'aria fresca di ammissione nella camera di combustione. L'architettura della turbina a gas per impianti fissi si presta a numerose varianti. A volte può essere conveniente interrefrigerare il fluido durante la compressione: ciò porta infatti a migliorare il rendimento al di là di un certo rapporto di compressione. Altri vantaggi sono la minore temperatura sulle palette del compressore e la possibilità di impiego di leghe leggere meno pregiate e costose, l'aumento del lavoro per unità di massa, in conseguenza della diminuzione del lavoro di compressione, la possibilità di ridurre il numero degli stadi del compressore o la velocità a parità di rapporto di compressione ecc. Di contro si ha un maggiore costo dell'impianto, causa la necessità dei refrigeratori e la necessità di acqua o altro refrigerante che spesso è incompatibile con taluni impianti, come quelli aeronautici. Altra pratica piuttosto diffusa è quella detta delle combustioni ripetute, consistente nel riscaldare il fluido dopo una prima espansione riportandolo alle condizioni di partenza e nel farlo espandere nuovamente ripetendo il processo fino a che ciò sia vantaggioso. È bene chiarire che sia la pratica dell'interrefrigerazione sia quella delle combustioni ripetute abbassano, in un processo ideale di perdite, il rendimento globale del ciclo, ma ragionando sul ciclo reale è possibile individuare i limiti oltre i quali si ha convenienza nell'adozione di queste pratiche. In molti impianti sono presenti stadi sia di interrefrigerazione sia di interriscaldamento e in questo caso l'optimum va ricercato separatamente per le due fasi. Terza e ultima pratica è la rigenerazione di calore, che consiste nel trasferire una certa quantità di calore dai prodotti della combustione all'aria di ingresso in un punto dell'impianto che presenta maggior pressione, recuperando in tal modo parte del calore che possiedono i gas combusti e che altrimenti andrebbe perduto. Nella realtà vengono adottate diverse varianti del ciclo, ciascuna con vantaggi e svantaggi; le principali soluzioni sono quelle: circuito aperto a combustione interna; circuito aperto a combustione esterna; circuito chiuso a combustione esterna; circuito chiuso a combustione interna. Si hanno anche cicli combinati negli impianti in cui si accoppiano contemporaneamente cicli chiusi, cioè percorsi sempre da uno stesso gas, e cicli aperti. La turbina a gas è di per sé una macchina adatta a funzionare a velocità ed erogazione di potenza costante, il che è incompatibile, o almeno troppo limitativo per certe applicazioni; il funzionamento delle turbine a gas richiede quindi la soluzione di diversi problemi di regolazione. Le parti costituenti un impianto di turbine a gas sono: un compressore, eventualmente suddiviso in più stadi, una o più camere di combustione, un espansore, o turbine propriamente detta, anch'esso eventualmente suddiviso in più stadi; seguono i vari scambiatori di calore che fungono, secondo i fluidi e gli scambi di calore tra di essi, da refrigeratori, riscaldatori, rigeneratori ecc. Il compressore per impianti di una certa dimensione è attualmente sempre assiale per la sua capacità di elaborare grandi portate, ma per piccole turbine può essere centrifugo-assiale (ruota mista) o solo centrifugo. Per le palette delle turbine a gas esistono problemi soprattutto di temperatura che si è cercato di superare da un lato cercando materiali idonei, dall'altro studiando una refrigerazione locale sulle stesse. Fino a 600 ºC si impiegano acciai inossidabili o austenitici; fino a 750 ºC leghe con il 70-80% di nichel, il 15-20% di cromo e aggiunte di titanio e alluminio; fino a 850 ºC, ma con possibili incrementi se si accettano durate ridotte, leghe al cobalto. Infine tentativi sono stati fatti per impiegare impasti ceramici o rivestimenti ceramici di palette in acciaio che consentono di arrivare a 1200 ºC ma presentano problemi derivanti dalla loro fragilità. La scelta del combustibile è legata per un certo verso alla necessità di preservare il più possibile l'impianto. Per le turbine a combustione interna il combustibile non deve dare luogo né a ceneri né a composti corrosivi o che si possano depositare sulle palette. Ideali sono gas naturali, d'alto forno e distillati appositi ma anche la nafta pesante, purché lavata con acqua per asportarne sali di sodio e con l'additivazione di opportune sostanze per innalzare la temperatura di fusione delle ceneri. Una maggiore libertà di scelta viene offerta per gli impianti a ciclo chiuso. Tra gli impieghi tipici delle turbine a gas escludendo quelli per propulsione (v. turboreattore) si possono annoverare: la produzione di potenza per i compressori centrifughi dei metanodotti, dove impiegano spesso il gas naturale stesso; la produzione di potenza sfruttando i gas caldi necessari ai processi di lavorazione sia nell'industria petrolifera sia in siderurgia, dove tra l'altro sono egregiamente sfruttabili i gas di alto forno; la produzione di energia elettrica nelle grandi centrali dove si sfruttano le doti di facilità di avviamento e la possibilità di comando a distanza di queste turbine, al fine di disporre di unità di riserva o per assorbire i carichi di punta. In crescente aumento è l'impiego di turbine a gas per la propulsione navale data la possibilità di realizzare turbine di potenza in grado di erogare oltre 40.000 CV: si tratta in genere di turbine bialbero a ciclo semplice, a sei o più stadi, collegata a una turbina per il generatore di gas e di compressore a sedici o più stadi in grado di azionare due eliche a passo variabile; più di recente, sono state realizzate turbine a gas compatte e di piccolo ingombro capaci di fornire potenze da 500 a oltre 4000 CV, particolarmente idonee per naviglio leggero e da competizione al quale si richiedono elevate velocità continue e che possono essere accoppiate a sistemi di propulsione a idrogetto. Più difficili da raggiungere, invece, risultati concreti per quel che riguarda la propulsione in campo automobilistico, dove l'impiego delle turbine a gas sembra più probabile per i veicoli pesanti da trasporto, data la sua predisposizione a operare in accoppiamento con motori Diesel; turbine a gas alimentate dallo scarico del motore, di piccole dimensioni e ridotta potenza, sono largamente usate per l'alimentazione dei motori alternativi delle autovetture sia a benzina, sia a gasolio, al fine di aumentarne le prestazioni.
Tecnologia: turbina a vapore
Il vantaggio principale di una turbina a vapore rispetto alla turbina a gas è rappresentato dal lavoro assorbito dal compressore, che qui è una pompa e che risulta largamente inferiore a quello dei compressori per turbina a gas. Il fluido viene elaborato in una turbina a vapore, come d'altra parte in tutte le macchine a vapore, secondo il ciclo termodinamico Rankine. Al fine di aumentare il rendimento del ciclo possono essere adottati diversi mezzi: innanzitutto si può abbassare la pressione di condensazione e aumentare quella di vaporizzazione; tuttavia, a un abbassamento della pressione di condensazione oltre un certo limite, sioppongono sia l'aumento del lavoro necessario all'estrazione dal condensatore, sia la difficoltà di trovare un liquido refrigerante per il condensatore che abbia una temperatura abbastanza bassa; a un aumento della temperatura di vaporizzazione si oppone invece oltre un certo limite l'aumento dell'importanza del ciclo di riscaldamento. Si ricorre anche all'aggiunta di uno o più surriscaldamenti del vapore e all'applicazione della pratica della rigenerazione; il surriscaldamento comporta un maggiore rendimento del ciclo, crescente al crescere della temperatura di generazione e utilizzazione del vapore, ma per ragioni costruttive è bene non superare i 550 ºC. Inoltre con pressioni di vaporizzazione molto alte, la pratica dei surriscaldamenti ripetuti evita di avere a fine espansione un titolo troppo basso. La rigenerazione del vapore nasce dal tentativo di ridurre il più possibile il consumo di energia per il riscaldamento del liquido. Si ricorre per questo al sistema degli spillamenti prelevando dalla turbina il vapore in espansione nelle condizioni di temperatura richieste (rigenerazione propriamente detta). I sistemi sono essenzialmente due: il primo, detto a miscela, consiste nel mescolare direttamente il vapore spillato con l'acqua da scaldare, il secondo impiega scambiatori a superficie. Per aumentare il rendimento si possono inoltre sovrapporre due o tre cicli di fluidi diversi (cicli binari e ternari). Tali cicli si giustificano considerando che non esiste un liquido solo capace di sfruttare un salto termico adeguatamente alto svolgendo un ciclo vicino al ciclo di Carnot. Vengono quindi adottati, per esempio, cicli acqua-mercurio nei quali il calore di condensazione del mercurio, dopo un'espansione in turbina,viene utilizzato per la produzione di vapor d'acqua. I cicli a mercurio, anche se termodinamicamente utili e praticamente già tentati, non vengono impiegati sia per l'alto costo del mercurio sia per la velenosità e il potere corrosivo del liquido. Un'ultima possibilità offerta dagli impianti di turbine a vapore è la produzione di vapore per altre necessità inerenti a determinate lavorazioni svolte collateralmente alla produzione di energia. Questi impianti si chiamano a recupero di vapore e possono presentarsi in due soluzioni costruttive: la prima, a recupero totale, impiega tutto il vapore prodotto dalla caldaia e non necessita di un condensatore, in quanto tale funzione è svolta dalle utenze dell'impianto, che è detto a contropressione; la seconda, a recupero parziale o a estrazione o a prelievi, prevede che solo una parte del vapore prodotto venga impiegato per le particolari utenze dell'impianto, mentre la restante parte segue un ciclo completo e richiede quindi un condensatore. Da un punto di vista costruttivo la turbina a vapore è quanto mai variabile. Secondo le caratteristiche che si vogliono conferire alla macchina si possono associare ruote ad azione e ruote a reazione, assiali e radiali, e si può suddividere la macchina in più corpi, chiamati ad alta, media, bassa pressione ecc.; inoltre questi corpi possono essere collegati in cascata o in derivazione, su uno o più assi. La turbina semplice ad azione, derivata da quella ideata da C. G. P. de Laval nel 1883, presenta una schiera di palette fisse costituenti il distributore e una schiera di palette mobili. Il vapore vi giunge teoricamente a velocità nulla, percorre i canali tra paletta e paletta ed esce dal distributore investendo le palette mobili della girante. All'uscita della girante il vapore ha convertito in lavoro, per effetto cinetico, una certa quantità di entalpia; per aumentare il salto entalpico elaborabile si può far seguire alla prima ruota ad azione altre ruote ad azione. La turbina che così nasce può essere di due tipi: a salti di velocità e a salti di pressione. La prima si ottiene da una turbina de Laval collocando all'uscita della girante una schiera di palette raddrizzatrici che costringono il flusso del vapore ad assumere una direzione che viene sfruttata da una seconda ruota del tutto simile, tranne che per il profilo della paletta, alla prima ruota e così via. Questa turbina è usata attualmente solo come primo stadio di una turbina a reazione con non più di due salti di velocità o per piccole turbine a contropressione. La turbina a salti di pressione è composta da una cassa con tanti diaframmi ciascuno attraversato dall'albero entro fori a buona tenuta. Nei diaframmi sono ricavati ugelli che indirizzano il vapore a investire una girante calettata sull'albero immediatamente dopo il diaframma. Il vapore uscito da una girante si introduce nella camera successiva dove si arresta e si presenta senza velocità assiale alla nuova serie di ugelli. Qui, per uscire, deve riacquistare una velocità che dipende dalla sezione degli ugelli, il che avviene a spese della pressione. Per questo la turbina è detta a salti di pressione. Il sistema presenta il vantaggio, rispetto alla ruota semplice ad azione, di poter frazionare il salto entalpico totale in un numero di salti parziali qualsivoglia e, riducendo in tal modo le forti velocità del vapore caratteristiche della turbina ad azione, ridurre anche le perdite per attrito connesse. Le turbine ad azione hanno un buon rendimento fino a che le palette hanno un'altezza abbastanza modesta rispetto al diametro della girante e vi siano variazioni trascurabili di velocità lungo il raggio. Queste condizioni si verificano nei corpi ad alta pressione delle turbine miste multiple; nelle turbine a bassa pressione, che devono smaltire volumi enormi di vapore, l'uso di ruote ad azione comporta il ricorso ad artifizi. Normalmente quindi si fa seguire a un primo gruppo di turbine a salti di velocità, usate per sfruttarne tra l'altro il vantaggio di facile regolazione, una successione di ruote a reazione. Costruttivamente anche la ruota a reazione presenta una successione di palettature mobili seguite da palettature fisse, però la sezione di uscita da ciascuna girante diminuisce per la convergenza delle pareti, che nelle ruote ad azione sono parallele: questa convergenza determina il funzionamento a reazione, perché in tale zona l'energia di pressione deve convertirsi in energia di velocità. Poiché gli stadi a reazione sono riservati a zone a bassa pressione, nasce il problema della condensazione del vapore in goccioline di acqua che sono in genere trasportate dalla corrente. Le goccioline urtano contro le palette e ne nasce un effetto frenante che porta sia a una perdita nel rendimento globale sia a un'erosione cinetica del profilo delle palette. Si usa distinguere le sezioni della turbina secondo la pressione media qualitativa del fluido in esse elaborato. Così a una sezione ad alta pressione ne può seguire direttamente una a bassa pressione o con interposizione di una sezione a media pressione. La sezione a media pressione può a sua volta dividersi in due: media alta e media bassa. Tutti gli elementi possono essere disposti con varie combinazioni su uno o più alberi. Per gli stadi a bassa pressione spesso occorre, per limitare l'altezza delle palette, ricorrere allo sdoppiamento del vapore che viene fatto affluire a due complessi di ruote esattamente simmetriche: il vapore può essere immesso al centro della macchina (flussi divergenti) o alle estremità (flussi convergenti). Anche nelle turbine a vapore è possibile sfruttare un andamento radiale del flusso. In questo caso girante e statore sono dischi affacciati, perpendicolari all'asse della macchina e le palette, disposte su corone concentriche, risultano parallele a detto asse. Nelle turbine a vapore viene per lo più impiegato il flusso centrifugo con immissione centrale per sfruttare il naturale aumento di volume disponibile al passaggio da una schiera di palette alla successiva e questo soprattutto nei corpi di bassa pressione. Da un punto di vista concettuale nulla vieta di rendere mobile anche lo statore che verrà animato con rotazione di verso opposto al primo disco. Mentre la velocità angolare relativa rimane la stessa, e così tutte le caratteristiche termodinamiche, quella assoluta dei due si dimezza rispetto a quella che avrebbe uno dei due dischi se l'altro venisse mantenuto fermo. Il tipo più diffuso di tali turbine, dette birotative, è la turbina Ljungström in cui a ciascun corpo rotante è accoppiato un alternatore. Anche nel campo delle turbine radiali unirotative e birotative si possono avere turbine a più corpi disposti in serie o in parallelo. La regolazione di una turbina a vapore si propone due scopi essenziali: il primo è la variazione di coppia motrice per variare la velocità della macchina ed è tipico dei mezzi di locomozione navali, il secondo è la variazione della coppia motrice al variare di quella resistente per mantenere, questa volta, costante la velocità ed è tipico degli impianti fissi. I sistemi sono molteplici, ma si riconducono tutti ad alcuni fondamentali. La regolazione per laminazione è il mezzo più semplice e consiste nel far passare il vapore in una strozzatura prima dell'ammissione alle palette del primo distributore. Il vapore mantiene in tal modo la sua entalpia, ma riduce la pressione interna. Ne conseguono una riduzione di portata e una variazione di rendimento termodinamico in senso peggiorativo, se, come si fa di solito, si progetta la macchina per il rendimento massimo in condizioni di carico normale. Per ridurre le perdite di questo tipo di regolazione si ricorre a quella per parzializzazione, separando l'alimentazione al distributore in flussi provenienti da condotti diversi e interessanti settori diversi dello stesso e chiudendo poi con valvole tali condotti secondo la necessità. La regolazione per parzializzazione presenta, come maggiore limitazione, l'impossibilità di regolazione continua e quindi va sempre accoppiata con una correttiva per laminazione. Nel campo della propulsione, in particolare sulle navi militari, è impiegata l'alimentazione intermedia per vincere momentanei sovraccarichi, anche fortissimi, prescindendo dal rendimento. Il sistema consiste nell'immettere vapore vivo direttamente in uno stadio più a valle del primo, aumentando in tal modo considerevolmente la potenza fornita da questo stadio e dai successivi. Per questo occorre che la caldaia o gli accumulatori di vapore siano in grado di fornire grosse sovraproduzioni di vapore e che alberi e palettature siano in grado di reggere gli sforzi dei sovraccarichi. Nelle turbine navali questo sistema si presta a risolvere anche il problema dei lunghi periodi in funzionamento a carichi ridotti: poiché a carichi ridotti i rendimenti sono molto bassi, si ricorre al sistema di progettare le prime ruote perché diano tutta la potenza di crociera (vengono chiamate infatti ruote di crociera) trascinando altre ruote successive in cui si immette vapore solo se, in particolari occasioni, serve viaggiare a velocità superiori.
Tecnologia: turbina idraulica, generalità
L'origine del lavoro meccanico prodotto da una turbina idraulica è il salto d'acqua, pari al dislivello geodetico tra serbatoio e turbina; nel passaggio dal livello superiore a quello inferiore l'unità di massa dell'acqua converte in energia attuale la sua energia potenziale di caduta. Il salto disponibile Hd è dato dalla differenza tra i trinomi di Bernoulli a monte e a valle della turbina. Per individuare quale tipo di turbina sia opportuno adottare con un determinato salto d'acqua a disposizione si usa il cosiddetto numero di giri caratteristico,
, dove n è la velocità di rota- zione effettiva espressa in giri al minuto, Pu è la potenza utile espressa in CV e H il salto in metri. Il numero di giri caratteristico trova la sua origine teorica nelle leggi di similitudine idraulica ed esprime la velocità che assumerebbe una turbina qualora, rimanendo simile a se stessa, funzionasse, con le idonee dimensioni, sotto il salto di 1 m sviluppando la potenza di 1 CV. In base al numero di giri caratteristico vengono definite sei categorie di turbine: turbine lentissime con nc compreso tra 50 e 60; turbine lente con nc compreso tra 60 e 100; turbine medie con nc compreso tra 100 e 200; turbine rapide con nc compreso tra 200 e 300; turbine veloci con nc compreso fra 300 e 500; turbine velocissime con nc superiore a 500. È opportuno osservare che la velocità di rotazione effettiva (numero di giri realmente compiuto nell'unità di tempo) e quella caratteristica sono tali che se aumenta l'una, l'altra diminuisce, per cui le turbine lentissime sono in realtà quelle dotate di velocità angolare maggiore. Le turbine idrauliche generalmente impiegate sono le turbine Pelton, ad azione, e le turbine Francis e Kaplan, a reazione.
Tecnologia: turbina idraulica, turbina Pelton
Brevettata nel 1880 dall'ingegnere americano L. A. Pelton, è oggi l'unica turbina ad azione che presenti un'importanza pari ai tipi a reazione . Essa domina incontrastata nel campo degli alti salti motori, ma è utilizzata anche per salti medi e bassi. La girante della turbina Pelton è costituita da un disco alla cui periferia sono collocate le palette con la tipica forma a doppio cucchiaio: l'acqua viene portata alla girante da uno o più getti regolabili da spine; la ruota, che può essere orizzontale o verticale, è racchiusa in una cassa opportunamente disegnata. Quando il getto d'acqua colpisce la pala viene diviso in due getti uguali che vengono deviati quanto più dolcemente possibile sulle superfici interne dei due cucchiai e abbandonano la pala sui bordi laterali. La velocità di uscita dell'acqua dalla girante è uguale, tranne perdite per attrito, a quella di ingresso. Le pale possono essere applicate al disco con spine e bulloni o fuse insieme al disco. Quest'ultima è da ritenersi la tendenza più moderna essendo molto migliorati i sistemi di riporto nelle parti logorate di materiale saldato. Il materiale impiegato è acciaio, a volte inossidabile, a volte comune, con riporto di materiale saldato più resistente all'abrasione nei punti più delicati. Il distributore è un organo particolarmente delicato in quanto da esso l'acqua erompe a velocità elevatissime. I problemi da risolvere oltre alla resistenza meccanica sono la necessità di garantire un getto compatto tra la bocca di uscita, la pala e la possibilità della regolazione per parzializzazione. Viene impiegato universalmente il sistema costituito da un convergente, coassialmente al quale può avanzare una spina (ago Doble) fino alla chiusura completa e comandata da un servomeccanismo, eventualmente automatico. Oltre alla spina esiste sempre un tegolo deviatore che ha più che altro funzioni di sicurezza, consentendo di arrestare rapidamente la ruota senza chiudere la condotta così da evitare danni derivanti da colpi d'ariete. La disposizione più opportuna per la turbina è quella ad asse orizzontale che garantisce un deflusso simmetrico del getto; per quelle alimentate da un distributore multiplo, è da preferirsi la disposizione verticale, a causa degli inconvenienti che sorgerebbero sei getti fossero in un piano verticale. La cassa dove ruota la turbina è l'elemento dell'impianto che ha subito le maggiori migliorie in tempi recenti, perché a essa compete di raccogliere l'acqua in uscita e impedire, tramite opportuni schemi e scudi di protezione, che questa si porti nella parte superiore della ruota e ricada sulle pale sottostanti o peggio ancora sul getto. Gli studi hanno portato a miglioramenti di rendimento, di silenziosità e di eliminazione di vibrazioni. La cassa viene realizzata in ghisa o lamiera saldata. Il passo delle pale risponde a due necessità: il getto deve esaurire la sua azione sulla pala prima che ne giunga un'altra a disturbarlo, condizione che fissa il passo minimo; il getto non deve presentare porzioni inattive, condizione che fissa invece il passo massimo. Le turbine a reazione, anch'esse di vari tipi, sono caratterizzate dal fatto che l'acqua riempie tutto lo spazio disponibile nei condotti della girante dove, per la forma convergente-divergente dei canali, aumenta la propria velocità. L'energia di pressione dell'acqua all'interno dei canali viene quindi convertita in energia cinetica e diminuisce gradatamente fino a portarsi a valori inferiori alla pressione atmosferica (scarico di aspirazione) all'uscita della girante. Come in tutte le turbine a reazione, l'acqua non muove la ruota solo per pura reazione, ma anche per azione in quanto all'uscita del distributore e quindi all'ingresso della girante, l'acqua ha comunque una certa velocità.
Tecnologia: turbina idraulica, turbina Francis
La turbina Francis, il cui prototipo fu brevettato nel 1840, è caratterizzata dalla camera forzata a spirale, che ha la funzione di dare un primo orientamento all'acqua prima della sua ammissione nel distributore e di uniformare la pressione di ingresso nello stesso . Al primo scopo servono anche alcuni deflettori fissi che hanno inoltre il compito di irrigidire la spirale che mostra spesso la tendenza alla deformazione; al secondo scopo, che è anche il principale, provvede un ben studiato andamento decrescente delle sezioni di passaggio in funzione della portata d'acqua. Dalla camera forzata l'acqua perviene nel distributore, costituito da una successione di palette direttrici mobili che hanno il compito di assicurare un corretto orientamento dell'acqua in ingresso alla girante, minimizzando, grazie al loro profilo, sia le perdite dovute a urto dell'acqua contro le pale della girante sia quelle per attrito. I canali che si vengono a creare tra due palette successive sono sempre convergenti rispetto al senso di percorrenza dell'acqua e la luce di passaggio varia in funzione delle esigenze di carico tra la condizione di portata massima e quella di portata nulla. La rotazione delle palette, che quindi assolve nelle turbine Francis il compito che aveva la spina mobile nelle turbine Pelton, nelle moderne turbine è sincrona e automatica, pilotata da un servomeccanismo cui pervengono informazioni sulle esigenze di carico. I materiali impiegati nella costruzione delle palette direttrici sono l'acciaio inossidabile, l'acciaio fucinato o fuso, la ghisa e, solo per applicazioni su piccole turbine, il bronzo. L'acqua uscita dal distributore perviene alla girante ove si verifica il processo di trasformazione in energia meccanica di quella potenziale posseduta. La ruota è costituita da due corone concentriche, l'una esterna e l'altra interna, che, generalmente fusa in un sol pezzo col mozzo, trascina l'utilizzatore elettrico. Tra le due corone vi è una successione di pale fisse che delimitano a due a due i canali di passaggio a sezione trasversale decrescente. La girante viene costruita in ghisa per salti relativamente modesti (H=50÷60 m), bronzo per acque chimicamente aggressive, acciaio fuso contro l'azione abrasiva della sabbia in sospensione. Un ottimo materiale anti-cavitazione, che trova crescente impiego sia come materiale base sia come corazzatura riportata su tutta o solo parte della girante, è l'acciaio inossidabile. La girante ruota in un ambiente delimitato da opportuni coperchi che hanno il compito di garantire le tenute in corrispondenza del passaggio dell'albero motore e dei perni di rotazione delle pale direttrici, di migliorare il rendimento idraulico con labirinti atti a ridurre al minimo l'entità delle fughe di acqua dalla girante e di contrastare la spinta assiale della girante con appositi anelli di contrasto. A differenza di una turbina Pelton, infatti, la turbina Francis presenta una spinta assiale di notevole entità. Nelle turbine ad asse verticale tutto il complesso mobile è calettato su un unico perno di sospensione che regge un carico totale di alcune centinaia di tonnellate. I sistemi per diminuire il carico assiale sfruttabili sono solo quelli che tendono a diminuire la differenza di pressione statica sulle facce della girante, dato che non è possibile agire sui valori di velocità dell'acqua in ingresso e in uscita, scelti in base ad altre considerazioni; il carico residuo deve essere assorbito dai supporti ormai esclusivamente dotati di cuscinetti reggispinta di tipo Michell. Uscita dalla girante, l'acqua passa in un diffusore che ha il compito di recuperare l'energia cinetica residua all'abbandono della girante. Concettualmente il diffusore nasce dall'osservazione che se l'acqua esce dalla turbina alla pressione atmosferica possiede ancora una notevole velocità, se invece si applica un dispositivo che consente di scaricare l'acqua, alla pressione ambiente, ma a velocità minore, il bilancio energetico risulta molto più favorevole. Il dispositivo realizza l'artificio di far scaricare l'acqua dalla turbina in depressione e utilizzare l'energia cinetica residua per riportare l'acqua alla pressione ambiente. La forma più semplice di un diffusore è quella tronco-conica con aumento progressivo di sezione nella quale, pertanto, l'acqua rallenta e si porta alla pressione ambiente. La pressione di scarico non può comunque scendere sotto certi valori per non dar luogo al fenomeno della cavitazione. Il diffusore nella sua forma più semplice è un tubo verticale in lamiera di acciaio o fuso, con inclinazione della generatrice del cono attorno ai 5÷6 gradi per evitare distacchi di vena dalle pareti. Ovviamente la disposizione verticale si abbandona quando tra sezione di uscita dalla girante e pelo libero del bacino non si abbia altezza sufficiente. In questo caso dopo un primo tratto tronco-conico verticale si inserisce un gomito seguito da un secondo tratto tronco-conico orizzontale che sbocca completamente immerso nel bacino finale.
Tecnologia: turbina idraulica, turbina Kaplan
Le turbine Kaplan, ideate nel 1920, sono l'ultima evoluzione delle turbine a reazione e costituiscono una categoria delle turbine a elica in cui si distinguono il tipo con girante a pale fisse e il tipo Kaplan propriamente detto, a pale mobili . La ruota Kaplan è formata da un certo numero di pale che, mediante perni mobili, si calettano su un mozzo ogivale al cui interno trovano posto i meccanismi di variazione del passo. Le pale dell'elica sono realizzate con materiale resistente all'abrasione dell'eventuale sabbia o all'azione chimica e cinetica dell'acqua; finora si è scelto acciaio fuso ma si va estendendo l'impiego di acciaio inossidabile, mentre il bronzo è riservato ad applicazioni minori. Le pale, in numero compreso tra due e sei, hanno, rispetto a quelle originariamente ideate, profilo a mensola, robusta e corta. Oggi le turbine Kaplan vengono impiegate nel campo delle portate a grande variabilità stagionale e dei bassi salti con grandi portate (centrali fluviali e mareomotrici). Da un punto di vista costruttivo, un impianto con turbine Kaplan presenta, tranne che per la girante, organi analoghi a quelli degli impianti con turbine Francis: in particolare la turbina può essere installata in camera libera o forzata. Le turbine Kaplan funzionano con buon rendimento in presenza di portate fortemente variabili. Si può dimostrare infatti che le perdite di rendimento che si verificano in una turbina Francis, quando venga alimentata con una portata diversa da quella per cui è stata progettata, sono dovute al fatto che la variazione della velocità di ingresso dell'acqua rispetto alle palette, dovuta alle variazioni di portata, provoca fenomeni di urto sul dorso della pala; nelle turbine Kaplan invece, dato che la pala ruota chiudendo il passo e quindi mantenendosi tangente alla velocità relativa di ingresso, il rendimento resta quasi costante e la velocità di scarico è sempre assiale. Il meccanismo di variazione del passo è oggi di tipo meccanico od oleodinamico. I sistemi meccanici sono costituiti da complessi di leve e tiranti collegati con lo stesso regolatore che muove le pale direttrici, quelli oleodinamici impiegano servomotori azionati dalla stessa pompa del regolatore o da un gruppo ausiliario.