di  -  lunedì 3 maggio 2010

Prosegue anche quest’oggi per la rubrica Energia e Futuro la serie di post dedicati al tema dell’energia idroelettrica, ed oggi andremo a parlare dell’ultimo tipo di turbine precedentemente accennate, ovvero parleremo della Turbina Kaplan.

LA TURBINA KAPLAN – CARATTERISTICHE TECNICHE

La turbina Kaplan è una turbina a flusso assiale, ovvero una turbina nella quale il fluido entra in direzione assiale (rispetto all’asse di rotazione della girante) e fuoriesce sempre assialmente alla girante stessa, non subendo pertanto una rotazione durante il suo transito attraverso la girante come avviene per la turbina Francis, illustrata la scorsa settimana.

In termine di salti geodetici al quale operare, per le turbine Kaplan ci si pone al di sotto delle turbine Francis, con una certa zona di sovrapposizione tra le due famiglie, in particolare le turbine Kaplan iniziano ad operare con salti utili massimi di 30 metri fino a salti estremamente ridotti.

Le portate elaborabili, in virtù dell’assialità della macchina, possono superare quelle delle turbine Francis.

Le turbine Kaplan vengono realizzate con le pale orientabili, così come il distributore, pertanto il flusso risulta indirizzato al variare della portata secondo una direzione ottimale dovuto all’orientamento sia delle pale statoriche che di quelle rotoriche e da questo deriva un rendimento piuttosto elevato sull’intero campo di funzionamento della turbina.

Anche la turbina Kaplan viene racchiusa in una cassa a forma di chiocciola ed allo scarico viene installato un diffusore:

Nella figura è immediato individuare la palettatura rotorica e quella statorica, la quale risulta piuttosto distante dal rotore e collocata prima della curva del condotto che porta il fluido dalla cassa di raccolta alla girante.

Per quanto detto poco sopra, la turbina Kaplan presenta un rendimento piuttosto elevato sull’intero campo di regolazione, pertanto si presta in maniera eccellente per lavorare con condizioni di portata variabili.

La possibilità di variare il calettamento delle pale rotoriche d’altra parte richiede la presenza di un sistema di orientamento delle pale all’interno della girante (interno all’ogiva) con conseguenti aumenti di costo rispetto ad una equivalente turbina “Kaplan” a pale fisse.

Il virgolettato si rende necessario in quanto è improprio chiamare queste turbine con il nome Kaplan, in quanto si tratta di turbine assiali “ad elica” che si rifanno in gran parte alle Kaplan ma che presentano una minore sofisticatezza (e quindi costo) che le rende adatte in impianti dove le valutazioni economiche le ritengono più adatte rispetto alle Kaplan.

La seguente immagine mostra in maniera più completa una sezione di un impianto dotato di una turbina Kaplan:

Dall’immagine è possibile anche fare una valutazione dimensionale indicativa sulle proporzioni della turbina con una persona (anche se la dimensione può variare considerevolmente).

Analogamente alla turbina Francis anche la turbina Kaplan è una turbina a reazione, pertanto l’energia potenziale del fluido viene convertita in energia cinetica in parte nello statore (o distributore) ed in parte nel rotore.

Il numero di pale della girante è compreso tra 3 ed 8, in funzione della dimensione della macchina.

Una piccola girante Kaplan, dotata della palettatura statorica (si immagini un condotto che collega idealmente la chiocciola e quindi le pale statoriche con quelle rotoriche) è ben visibile nella seguente immagine:

Un’altra immagine rappresentativa (e storica) di una turbina Kaplan (prodotta dalla Escher Wiss)è la seguente:

Una turbina di grosse dimensioni è invece la seguente:

Anche per le turbine Kaplan viene utilizzato un diffusore allo scarico con lo scopo di recuperare parte dell’energia cinetica allo scarico trasformandola in energia di pressione, inoltre valgono le stesse condizioni e considerazioni relative alla cavitazione già esposte nel precedente post.

Con le turbine Kaplan terminiamo qui e l’appuntamento si rinnova tra una settimana sempre su AppuntiDigitali e sulla rubrica Energia e Futuro.

(Immagini tratte da Wikipedia e vari siti Web)

8 Commenti »

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  • # 1
    Jegger
     scrive: 

    Complimenti per questi articoli sempre interessanti.

    Una domanda: la scelta fra una turbina Francis ed una Kaplan è funzione solo della lunghezza del salto?

  • # 2
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Jegger
    Grazie per i complimenti… la scelta dipende congiuntamente dalla portata e dal salto, anche se in realtà si fa affidamento a diagrammi che prevedono come parametri il salto utile ed un parametro definito \diametro specifico\ di cui ho preferito non parlare in quanto si riferisce alla \teoria della similitudine\ e si tratta di un concetto teorico piuttosto impegnativo… ma di fatto è correlato alla portata

  • # 3
    Gabo
     scrive: 

    Bell’articolo molto interssante, ma un bell’articolo sui genratori magnetici??
    Grazie

  • # 4
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Gabo

    Se parli del Perendev arriverà, non so bene quando ma arriverà… prima però penso di parlare di Bloomenergy…

  • # 5
    temp 04-05-10
     scrive: 

    Ciao Simone, complimenti per gli articoli.

    mi chiedevo se parlerai anche delle turbine assiali intubate ?

  • # 6
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ temp

    Grazie per l’apprezzamento.
    Non sono uno specialista di macchine idrauliche, la mia intenzione era quella di dare una panoramica sull’energia idroelettrica e parlare delle 3 famiglie principali di turbine idrauliche, dalla Kaplan ad esempio discendono una serie di turbine idrauliche che da trattare singolarmente richiederebbero molto tempo e spazio, senza nulla aggiungere di concreto all’esposizione svolta sinora… se mi indichi quale esempio di queste turbine posso vedere se è il caso di scrivere un post

  • # 7
    marco 53
     scrive: 

    Una pregevole sintesi davvero. complimenti, mi è talmente piaciuta che vorrei chiedere il suo parere su una annosa , almeno per me questione.
    Ho assistito personalmente, per lavoro, all’ avviamento di alcune turbine kaplan ma ho sempre avuto la impressione che nessuno degli operatori sappia davvero cosa succede nel cono di scarico quando la macchina è a giri e prende via via sempre piu’ potenza. ( di tutto e di piu’ si potrebbe dire …)
    E’ possibile che si crei un vuoto fisico ( cioè mancanza ‘acqua ) dietro la girante o è soltanto un “vuoto” inteso come aumento repentino di velocità, ma l’acqua c’è sempre ??
    la domanda ha un risvolto diretto per chi deve installare tenute dietro la girante, ad isolare l’acqua dall’ lato atmosferico . Spesso le tenute si bruciano anche se vengono irrorate !
    La ringrazio dell ‘attenzione e la saluto
    Marco 53

  • # 8
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Marco53

    Grazie mille per i complimenti, purtroppo il sito “vegeta” da un po’ ma esistiamo ancora (e leggiamo i commenti).

    Tornando alla tua domanda (mi permetto di darti del tu, visto che sul web è un po’ la prassi) ritengo sia difficile rispondere perché è probabile che ciò che avvenga sia abbastanza complesso… il flusso, nel suo attraversare la turbina, accelera in virtù della sezione dei vani palari (sezione convergente) e cede l’energia alla girante (pressione statica trasformata in pressione dinamica), ma successivamente si trova ad attraversare un condotto divergente (il cono di scarico, o meglio, il diffusore) che permette un lieve recupero di pressione statica a scapito di quella dinamica, pertanto nel divergente la pressione cresce ed è difficile pensare a condizioni di “vuoto” in esso, fatto salvo che durante una fase di regolazione da bassa potenza ad alta potenza possano crearsi disuniformità nel flusso tali da creare zone dove il flusso è scarso o distaccato, con conseguenze importanti anche sulla resistenza delle tenute…

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