Ministero dell’Istruzione
Università di Camerino
CORSO P. A. S. C320
Laboratorio di macchine a fluido
Marzo 2014 - IIS Mattei Recanati
L6
Prof. Nazareno Agostini
MACCHINE IDRAULICHE MOTRICI
La turbina è una macchina motrice idonea a
raccogliere l‘energia cinetica e l‘entalpia di un
fluido ed a trasformarla in energia meccanica.
Turbina radiale, quando il liquido scorre
dall'esterno verso l’interno rispetto all'asse di
rotazione della turbina o viceversa;
Turbina assiale, quando il liquido scorre lungo
l'asse di rotazione della turbina.
http://www.youtube.com/watch?v=rnPEtwQtmGQ&feature=c4-overview-vl&list=PLKDEijxgU3uRgczdf1shbBteLn7hYfwH4
ENTALPIA
L'entalpia, (H) [J] esprime la quantità di energia che un
sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente.
E’ definita dalla somma dell'energia interna e del prodotto tra
volume e pressione di un sistema.
Per trasformazioni a pressione costante in cui si ha solo lavoro
meccanico, la variazione di entalpia è uguale al calore
scambiato dal sistema con l'ambiente esterno.
Per le trasformazioni a pressione e volume costanti, la
variazione di entalpia coincide sia col calore (Q) che con la
variazione di energia interna (ΔE), avute durante il processo.
APPLICAZIONI ALLA TURBINA
 impianti elettrici di potenza, accoppiata
ad un alternatore per produrre energia
elettrica, come avviene nelle centrali
termoelettriche,
 motori a getto per ottenere propulsione,
 motori turbocompressori o con
compressore centrifugo per ottenere
propulsione.
Caratteristiche turbine idrauliche




Macchina accoppiata
Rotore parte mobile
Statore parte fissa
Distributore
 Criteri di similitudine (studi su modelli)
 Portata specifica
 Numero caratteristico di giri [g/1’]
(Pelton 4/70, Francis 60/450, elica 400/1100)
TURBINE AD AZIONE E A REAZIONE
Nella turbina ad azione tutta l'energia potenziale derivante dal
salto utile dell'impianto viene trasformata in energia cinetica nel
distributore. Di conseguenza il grado di reazione è nullo. Un
esempio è la Pelton.
La macchina a reazione è un tipo di turbina nella quale l'energia
potenziale derivante dal salto utile dell'impianto viene trasformata
in energia cinetica solo in una percentuale dal distributore, mentre
il resto viene lasciato alla girante. Le più conosciute sono la
Francis e la Kaplan.
Esiste anche la turbina mista in cui sull'arrivo dell’acqua ad alta
pressione, una girante funziona ad azione, seguita, sulla parte
a bassa pressione, da un tamburo con palette mobili, che
costituisce uno stadio a reazione.
TURBINA PELTON
Turbina ad azione: l’energia potenziale viene trasformata in energia
cinetica nel distributore o nei distributori (da 1 a 4).
L’apertura dell’ugello della Pelton può essere regolata mediante una
spina di chiusura (Double), che riducendo la sezione di passaggio
riduce la portata. La spina deve essere chiusa lentamente per evitare
il colpo d’ariete nella condotta di alimentazione.
Quando alla turbina Pelton collegata ad un alternatore viene a
mancare il carico (es. black-out) la turbina tende ad accelerare (va in
fuga) e per evitare che ciò possa provocare gravi danni, un tegolo
deviatore scende davanti al getto e impedisce che questo vada a
colpire la pala. Successivamente la turbina viene frenata con un
piccolo controgetto derivato dalla tubazione di adduzione dell’acqua.
TURBINA PELTON
TURBINE IDRAULICHE
http://www.youtube.com/watch?v=Jd5BN7SPkqI
Turbina Francis
A reazione: è il tipo di turbina idraulica più utilizzato.
Il flusso è centripeto: l'acqua raggiunge la girante tramite un
condotto a chiocciola che la lambisce interamente, poi un
distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa statorica,
indirizzano il flusso per investire le pale della girante.
La turbina è detta a reazione poiché non sfrutta solo la velocità
ma anche la pressione del getto d'acqua che, quando giunge nella
girante, è ancora superiore a quella atmosferica.
Tramite il condotto convergente costituito dal canale tra le pale
del distributore e da quello tra le pale della girante si finisce di
convertire la pressione ancora presente in velocità (energia
cinetica).
http://www.youtube.com/watch?v=Ncra_To2E5g
Turbina Francis
La sezione della voluta è decrescente in modo che la
velocità del getto si mantenga costante. Per ottimizzare il
funzionamento della turbina l'espansione dell'acqua viene
prolungata al di sotto della pressione atmosferica, così da
creare una sorta di effetto vuoto, che fa aumentare ancora
di più la differenza di pressione. A valle della girante, nello
scarico, si ricomprime il fluido grazie ad un diffusore, che
converte la restante energia cinetica in pressione. Questo
passaggio non solo consente di riportare la pressione del
flusso d'acqua a quella atmosferica, ma permette di
utilizzare quella quota finale di energia cinetica, non
sfruttabile in turbina, che andrebbe altrimenti persa allo
scarico. Qui esiste il rischio cavitazione.
http://www.youtube.com/watch?v=3BCiFeykRzo
Turbina Kaplan
È una turbina idraulica a reazione che sfrutta piccoli dislivelli, fino
a qualche decina di metri, ma con grandi portate, da 2/3 m³/s in
su. E’ un'elica, dove le pale si possono orientare, al variare della
portata d'acqua permettendo di mantenere alto il rendimento fino
a portate del 20-30% della portata nominale.
Solitamente è dotata di deflettori statorici fissi che orientano il
flusso. Si può ottimizzare il rendimento tramite un sistema di
orientamento dei deflettori statorici al variare della portata.
Il liquido giunge sulla turbina grazie ad un condotto a forma di
chiocciola che alimenta tutta la circonferenza, poi attraversa un
distributore che dà al fluido una rotazione vorticosa, essenziale
per imprimere il moto alla girante, dove il flusso deviato di 90° la
investe assialmente. Allo scarico, come per la turbina Francis, è
possibile recuperare energia grazie al diffusore.
http://www.youtube.com/watch?v=0p03UTgpnDU
.
Turbina a bulbo
.
.
http://www.youtube.com/watch?v=k-XUKDyoPPs
Le leggi di similitudine
Il Numero di giri caratteristico tiene conto delle relazioni:
 Similitudine geometrica: ogni macchina della serie
ha le dimensioni lineari proporzionali con legge
lineare. Le sezioni proporzionali con leggi
quadratiche.
 Similitudine idraulica: per ogni macchina della
serie, in punti corrispondenti dei condotti fissi e
mobili, le velocità sono proporzionali e gli angoli
caratteristici che esse formano sono uguali.
 Similitudine meccanica: tutte le macchine della
stessa serie hanno uguale rendimento.
Rilevamento delle curve caratteristiche della Pelton
CONDOTTA DELLA PROVA
Turbina posta a giri costanti: giri/min 750
3 gruppi di prove con:
regolazioni reostato: minimo, medio, massimo
prevalenza: 15, 30, 50 mca
Rilevazione:
del braccio del contrappeso sulla dinamo freno, in mm
della portata rilevata allo stramazzo Thomson
Q stramazzo= 1,24 · √h⁵ [mc/sec]
P idra = Q · H · 9810 [w]
P mec = M · ω = p (26,5 N) · l · n/914 [w]
ω = 2 · п · n/60
η = P mec/P idra
nc = n · √P mec/H⁵∕⁴
DISEGNO GRAFICI (Q-P-η)