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POLITECNICO DI TORINO
II Facoltà di Ingegneria- Vercelli -
LE CARATTERISTICHE FUNZIONALI
E I PROBLEMI DI ESERCIZIO
DELLE MACCHINE IDRAULICHE
Corso diInfrastrutture Idrauliche I
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Corso di Infrastrutture Idrauliche I
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LE CARATTERISTICHE FUNZIONALI E I PROBLEMI
DI ESERCIZIO DELLE MACCHINE IDRAULICHE
Argomenti trattati:
1 - Generalità di un impianto idroelettrico.
2 - Cenni descrittivi delle turbine idrauliche.
3 - L’equazione fondamentale delle turbine idrauliche e sueconseguenze.
4 - La similitudine delle turbine.
5 - Le curve caratteristiche di funzionamento delle turbineidrauliche.
6 - Il tubo aspiratore-diffusore
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1 - GENERALITA’ DI UN IMPIANTO IDROELETTRICO
Teorema di Bernoulli tra 2 punti A e B di un corso d’acqua naturale:
Z = 0
ZA
ZB
pB / !
pA / !
A
B
!
ZA +pA
"+VA
2
2g= ZB +
pB
"+VB
2
2g+ #Y
VA2 / 2g
VB2 / 2g
"Y
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Z = 0
ZA ZB*
pB / !pA / !
A
B
VA2 / 2g
VB*2 / 2g
"Y*
Introduco una condotta artificiale in sostituzione dell’alveo naturale inmodo da ridurre le perdite:
!
ZA +pA
"+VA
2
2g= ZB* +
pB*
"+VB*
2
2g+ #Y *
HU
Operando in questo modo sirecupera un salto utile HU chepuò essere utilizzato perprodurre energia, sfruttando lapotenza della corrente
al lordo del rendimento internodella macchina motrice.
B*
!
P = " #Q #HU
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Schemi generale di un impianto idroelettrico.
SB
Elementi costituenti:
SB: sbarramento (diga, traversa,…)BA: bacino di accumuloOP: opera di presaAdd: condotta di adduzioneVC: vasca di caricoPP: pozzo piezometricoCV: camera delle valvoleCF: condotta forzataCE: centrale di produzioneBD: bacino di demodulazioneOR: opere di restituzione
Opere accessorie:ViabilitàAltre opere di servizioSistemazioni di versanteSistemazioni fluviali
BA OP
Add
VC - PP
CV
CF
OR
BD
CE
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Schemi di possibili impianti idroelettrici:impianto con derivazione a pelo libero
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Schemi di possibili impianti idroelettrici:impianto con condotte in pressione
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Schemi di possibili impianti idroelettrici:impianto a valle della diga di ritenuta
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2 - CENNI DESCRITTIVI DELLE TURBINE IDRAULICHE
Turbina idraulica: macchina motrice che trasforma l’energia cineticae potenziale posseduta dall’acqua (considerata un fluido incomprimibile)principalmente in energia di tipo meccanico all’albero motore.
Distributore: indirizza la portata in arrivo alla giranteimprimendole la corretta direzione; regola la portatasecondo la potenza richiesta dalla macchina; provocauna trasformazione reciproca fra il termine cinetico epotenziale.
DISTRIBUTORE(organo fisso)
GIRANTE(organo mobile)
DIFFUSORE(organo fisso)
Direzio
ne d
el flusso
Girante: permette la conversione della potenza propriadella corrente liquida in potenza “utile” all’albero motore.
Diffusore: oltre a collegare la macchina al canale discarico, in alcuni tipi di turbine (turbine a reazione)permette di recuperare l’energia cinetica residuadell’acqua che esce dalla girante.
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DISTRIBUTORE
GIRANTE
DIFFUSORE
Turbina di tipo Kaplan
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Tipologie di turbine: in base al grado di trasformazione dell’energiapotenziale in energia cinetica, che avviene nel distributore, si ha la primaclassificazione delle turbine.
Quando la trasformazione da potenziale a cinetica avviene nel distributore in modocompleto, la turbina si dice ad azione; nel caso in cui la trasformazione non siacompleta la turbina si dice a reazione.
Per le turbine ad azione, la velocità V0 d’uscita dal distributore è la velocità torricelliana
e in tutto il percorso attraverso la girante l’acqua si trova alla pressione atmosferica.
!
V0
= 2g "HU
Per le turbine a reazione, la velocità V0 d’uscita dal distributore è inferiore a quellaprecedente, presentando un valore
con kVo < 1.All’ingresso della girante l’acqua conserva ancora una pressione ! HU, con ! > 0.
!
V0
= kVo " 2g "HU
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Trascurate le perdite di carico nel distributore, si esprime la costanza del caricoeffettivo tra la sezione precedente e successiva al distributore:
da cui risulta
!
HU =V0
2
2g+ " #HU
!
V0
= 2g " 1#$( ) "H0
Si ricavano così le seguenti definizioni:
coefficiente di velocità o velocità specifica
grado di reazione della macchina
con le seguenti distinzioni
-Turbine ad azione…………………
-Turbine a reazione
-A basso grado………………
-A medio grado………………
-Ad alto grado…………………
!
kVo
= 1"#( )
!
" =1# kVo
2
!
" # 0 kVo#1
!
" # 0,30 kVo# 0,85
!
" # 0,50 kVo# 0,70
!
" # 0,70 kVo# 0,55
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Turbine ad azione: la turbina di tipo Pelton
Caratteristiche principali:-Utilizzata per elevate cadute e ridotte portate;-Fluido ad alta pressione confinato in ambienti di piccole dimensioni-Girante operante a pressione ambiente-Trasformazione di tutto il salto disponibile nel distributore
GIRANTE
AGO DOUBLE
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Turbina di tipo Pelton
Forma della girante.Può essere disposta sia
orizzontalmente cheverticalmente
Distributore a spirale
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Turbina di tipo Pelton
Ago Double:La regolazione della portataavviene variando assialmente lasua posizione.
La regolazione improvvisa dellaportata avviene invece tramite iltegolo deviatore che devia il gettodell’acqua impedendo che questocolpisca la ruota.
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Turbine a reazione: la turbina di tipo Francis
Caratteristiche principali:-Utilizzata per elevate cadute (fino a circa 500 metri);-Sono caratterizzate da un ‘ingresso dell’acqua nella girante in direzione radiale e dauno scarico assiale;-Lo sviluppo asso-radiale ed il loro grado di reazione è variabile.
GIRANTE
DISTRIBUTORE
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Turbina di tipo Francis
TurbinaLENTA/NORMALE! = 0,30 - 0,50
H = 200 - 300 m
TurbinaVELOCE
! = 0,50 - 0,60
H = 200 - 60 m
TurbinaULTRAVELOCE! = 0,60 - 0,65
H = 60 - 20 m
Si distinguono in turbine LENTE, NORMALI, VELOCI ed ULTRAVELOCI in base airapporti esistenti tra altezza h del distributore ed il diametro esterno D della girante,ed in base al rapporto tra il diametro esterno D ed interno Du della girante.
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Turbina di tipo Francis
La regolazione si effettua attraverso l’anello di Fink. Questo permette di variare lasezione di gola delle pale del distributore.
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Turbine a reazione: la turbina di tipo Kaplan
Caratteristiche principali:-Elevato grado di reazione (! = 0,70);
-Il distributore devia l’acqua in modo che questa interessi la girante in direzionequasi assiale;-Il numero delle pale è compreso tra 3 e 8. Queste sono quasi sempre regolabili.
GIRANTE
DISTRIBUTORE