Come funzionano le turbine ad acqua

Una

turbina ad acqua è una macchina rotante che converte l'energia cinetica e l'energia potenziale dell'acqua in lavoro meccanico.

Le turbine ad acqua sono state sviluppate nel 19° secolo e sono state ampiamente utilizzate per l'energia industriale prima delle reti elettriche. Ora sono utilizzati principalmente per la produzione di energia elettrica. Le turbine idrauliche si trovano principalmente nelle dighe per generare energia elettrica dall'energia potenziale dell'acqua.

Le

ruote idrauliche sono state utilizzate per centinaia di anni per l'energia industriale. Il loro principale difetto è la dimensione, che limita la portata e la prevalenza che possono essere sfruttate. La migrazione dalle ruote idrauliche alle turbine moderne ha richiesto circa cento anni. Lo sviluppo è avvenuto durante la rivoluzione industriale, utilizzando principi e metodi scientifici. Ne fecero anche ampio uso di nuovi materiali e metodi di produzione sviluppati all'epoca.

La

parola turbina è stata introdotta dall'ingegnere francese Claude Burdin all'inizio del XIX secolo e deriva dalla parola greca "τύρβη" per "vortice" o "vortice". La principale differenza tra le prime turbine idrauliche e le ruote idrauliche è una componente vorticosa dell'acqua che passa l'energia a un rotore rotante. Questo componente aggiuntivo di movimento ha permesso alla turbina di essere più piccola di una ruota idraulica della stessa potenza. Potevano elaborare più acqua girando più velocemente e potevano sfruttare teste molto più grandi. (Più tardi, furono sviluppate turbine a impulsi che non utilizzavano la vortice.)

Cronologia

Le prime turbine idrauliche conosciute risalgono all'Impero Romano. Due siti di mulini a turbina elicoidale di progettazione quasi identica sono stati trovati a Chemtou e Testour, nell'odierna Tunisia, risalenti al fine III o inizio IV secolo d.C. La ruota idraulica orizzontale con pale angolate è stata installata nella parte inferiore di un albero circolare riempito d'acqua. L'acqua della corsa del mulino entrava tangenzialmente nella fossa, creando una colonna d'acqua vorticosa che faceva sì che la ruota completamente sommersa agisse come una vera e propria turbina. ^[1]

Fausto Veranzio nel suo libro Machinae Novae (1595) descrive un mulino ad asse verticale con un rotore simile a quello di una turbina Francis. ^[2]

Johann Segner sviluppò una turbina ad acqua reattiva (ruota di Segner) a metà del XVIII secolo nel Regno d'Ungheria. Aveva un asse orizzontale ed era un precursore delle moderne turbine idrauliche. Si tratta di una macchina molto semplice che viene prodotta ancora oggi per l'uso in piccoli siti idroelettrici. Segner lavorò con Eulero su alcune delle prime teorie matematiche della progettazione delle turbine. Nel XVIII secolo, il dottor Robert Barker inventò una turbina idraulica a reazione simile che divenne popolare come dimostrazione in un'aula magna. ^[3] L'unico esemplare sopravvissuto conosciuto di questo tipo di motore utilizzato nella produzione di energia, risalente al 1851, si trova presso l'Hacienda Buena Vista a Ponce, Porto Rico. ^[4]

Nel 1820, Jean-Victor Poncelet sviluppò una turbina a flusso interno.

Nel 1826, Benoît Fourneyron sviluppò una turbina a flusso esterno. Si trattava di una macchina efficiente (~80%) che inviava l'acqua attraverso un canale con lame curvate in una dimensione. Anche l'uscita fissa aveva guide curve.

Nel 1844, Uriah A. Boyden sviluppò una turbina a flusso verso l'esterno che migliorava le prestazioni della turbina di Fourneyron. La sua forma a corridore era simile a quella di una turbina Francis.

Nel 1849, James B. Francis migliorò la turbina a reazione a flusso interno a oltre il 90% di efficienza. Ha anche condotto test sofisticati e sviluppato metodi ingegneristici per la progettazione di turbine idrauliche. Le La turbina Francis, che porta il suo nome, è la prima turbina ad acqua moderna. Ancora oggi è la turbina ad acqua più utilizzata al mondo. La turbina Francis è anche chiamata turbina a flusso radiale, poiché l'acqua scorre dalla circonferenza esterna verso il centro del corridore.

Le turbine ad acqua a flusso interno hanno una migliore disposizione meccanica e tutte le moderne turbine ad acqua di reazione sono di questo design. Mentre l'acqua vortica verso l'interno, accelera e trasferisce energia al corridore. La pressione dell'acqua diminuisce fino a diventare atmosferica, o in alcuni casi subatmosferica, quando l'acqua passa attraverso le pale della turbina e perde energia.

Nel 1876, John B. McCormick, basandosi sui progetti di Francis, dimostrò la prima moderna turbina a flusso misto con lo sviluppo della turbina Hercules, inizialmente prodotta dalla Holyoke Machine Company e successivamente migliorata da ingegneri in Germania e negli Stati Uniti. ^[5] Il progetto combinava efficacemente i principi del flusso verso l'interno del progetto Francis con lo scarico verso il basso della turbina Jonval, con flusso verso l'interno all'ingresso, assiale attraverso il corpo della ruota e leggermente verso l'esterno all'uscita. Inizialmente con prestazioni ottimali al 90% di efficienza a velocità inferiori, questo progetto avrebbe visto molti miglioramenti nei decenni successivi nelle derivate con nomi come "Victor", "Risdon", "Samson" e "New American", inaugurando una nuova era dell'ingegneria delle turbine americane. ^{[6] [7]}

Le turbine idrauliche, in particolare nelle Americhe, sarebbero state in gran parte standardizzate con l'istituzione dell'Holyoke Testing Flume, descritto come il primo laboratorio idraulico moderno negli Stati Uniti da Robert E. Horton e Clemens Herschel, l'ultimo dei quali sarebbe servito come ingegnere capo per un certo periodo. ^{[8] [9]} Inizialmente creato nel 1872 da James B. Emerson dai canali di prova di Lowell, dopo il 1880 il laboratorio idraulico di Holyoke, Massachusetts, fu standardizzato da Herschel, che lo utilizzò per sviluppare il misuratore Venturi, il primo mezzo accurato per misurare grandi flussi, per misurare correttamente l'efficienza dell'energia idrica con diversi modelli di turbine. ^{[10] [11] [12]} Mentre gli idrologi europei erano scettici su certi calcoli di sbarramento, l'impianto consentiva test di efficienza standard tra i principali produttori fino al 1932, quando erano proliferate strutture e metodi più moderni. ^{[13] [14] : 100}

Intorno al 1890 fu inventato il moderno cuscinetto fluido, ora universalmente utilizzato per sostenere i mandrini delle turbine ad acqua pesante. A partire dal 2002, i cuscinetti fluidi sembrano avere un tempo medio tra i cedimenti di oltre 1300 anni.

Intorno al 1913, Viktor Kaplan creò la turbina Kaplan, una macchina a elica. È stata un'evoluzione della turbina Francis e ha rivoluzionato la capacità di sviluppare siti idroelettrici a basso prevalenza.

Articolo

principale: Ruota

Pelton

Tutte le comuni macchine ad acqua fino alla fine del 19° secolo (comprese le ruote idrauliche) erano fondamentalmente macchine a reazione; la testa di pressione dell'acqua agiva sulla macchina e produceva lavoro. Una turbina a reazione deve contenere completamente l'acqua durante il trasferimento di energia.

Nel 1866, il mugnaio californiano Samuel Knight inventò una macchina che portò il sistema a impulsi a un nuovo livello. ^{[15] [16]} Ispirato dai sistemi a getto ad alta pressione utilizzati nelle miniere idrauliche nei giacimenti auriferi, Knight sviluppò una ruota a secchio che catturava l'energia di un getto libero, che aveva convertito un'alta prevalenza (centinaia di piedi verticali in un tubo o in una condotta forzata) di acqua in energia cinetica. Questa è chiamata turbina a impulsi o tangenziale. La velocità dell'acqua, circa il doppio della velocità della periferia del secchio, fa un'inversione a U nel secchio e cade fuori dal corridore a bassa velocità.

Nel 1879, Lester Pelton, sperimentando una Knight Wheel, sviluppò una ruota Pelton (design a doppio secchio), che esauriva l'acqua lateralmente, eliminando alcune perdite di energia della ruota Knight che esauriva un po' d'acqua contro il centro della ruota. Intorno al 1895, William Doble migliorò la forma del secchio semicilindrico di Pelton con un secchio ellittico che includeva un taglio per consentire al getto un ingresso più pulito del secchio. Questa è la forma moderna della turbina Pelton che oggi raggiunge un'efficienza fino al 92%. Pelton era stato un promotore piuttosto efficace del suo design e anche se Doble rilevò la società Pelton, non cambiò il nome in Doble perché aveva il riconoscimento del marchio.

Turgo e Le turbine a flusso incrociato furono successivamente progettate a impulsi.

Teoria del funzionamento

L'acqua che scorre è diretta sulle pale di un corridore della turbina, creando una forza sulle pale. Poiché il corridore sta girando, la forza agisce attraverso una distanza (la forza che agisce attraverso una distanza è la definizione di lavoro). In questo modo, l'energia viene trasferita dal flusso d'acqua alla turbina.

Le turbine idrauliche si dividono in due gruppi: turbine a reazione e turbine a impulsi.

La forma precisa delle pale delle turbine idrauliche è funzione della pressione di alimentazione dell'acqua e del tipo di girante selezionato.

Turbine a reazione Le

turbine a reazione sono influenzate dall'acqua, che cambia la pressione mentre si muove attraverso la turbina e cede la sua energia. Devono essere incassati per contenere la pressione dell'acqua (o aspirazione), oppure devono essere completamente immersi nel flusso d'acqua.

La terza legge di Newton descrive il trasferimento di energia per turbine a reazione.

La maggior parte delle turbine idrauliche in uso sono turbine a reazione e vengono utilizzate in applicazioni con prevalenza bassa (<30 m o 100 piedi) e media (30-300 m o 100-1.000 piedi). Nella turbina a reazione, la caduta di pressione si verifica sia nelle pale fisse che in quelle mobili. È ampiamente utilizzato nelle dighe e nelle grandi centrali elettriche.

Turbine a impulsi Le

turbine a impulsi modificano la velocità di un getto d'acqua. Il getto spinge sulle pale curve della turbina che cambia la direzione del flusso. La conseguente variazione di quantità di moto (impulso) provoca una forza sulle pale della turbina. Poiché la turbina gira, la forza agisce attraverso una distanza (lavoro) e il flusso d'acqua deviato viene lasciato con energia diminuita. Una turbina a impulsi è una turbina in cui la pressione del fluido che scorre sulle pale del rotore è costante e tutta la produzione di lavoro è dovuta alla variazione dell'energia cinetica del fluido.

Prima di colpire la turbina pale, la pressione dell'acqua (energia potenziale) viene convertita in energia cinetica da un ugello e focalizzata sulla turbina. Non si verifica alcuna variazione di pressione sulle pale della turbina e la turbina non richiede un alloggiamento per il funzionamento.

La seconda legge di Newton descrive il trasferimento di energia per le turbine a impulsi.

Le turbine a impulsi sono spesso utilizzate in applicazioni con prevalenza molto alta (>300 m/1000 piedi).

Potenza

L'energia disponibile in un corso d'acqua è;

dove:

Energia idroelettrica di pompaggio

Alcune turbine idrauliche sono progettate per l'energia idroelettrica di pompaggio. Possono invertire il flusso e funzionare come una pompa ^[1] per riempire un serbatoio alto durante le ore elettriche non di punta, e quindi tornare a una turbina ad acqua per la generazione di energia durante il picco della domanda elettrica. Questo tipo di turbina è solitamente una turbina Deriaz o Francis nel design.

Questo tipo di sistema è utilizzato a El Hierro, una delle Isole Canarie: "Quando la produzione di energia eolica supera la domanda, l'energia in eccesso pomperà l'acqua da un serbatoio inferiore sul fondo di un cono vulcanico a un serbatoio superiore in cima al vulcano a 700 metri sul livello del mare. Il serbatoio inferiore immagazzina 150.000 metri cubi d'acqua. L'acqua immagazzinata funge da batteria. La capacità massima di stoccaggio è di 270 MWh. Quando la domanda aumenta e non c'è abbastanza energia eolica, l'acqua viene rilasciata a quattro turbine idroelettriche con una capacità totale di 11 MW". ^{[17] [18]}

Efficienza

Le grandi turbine idrauliche moderne funzionano con efficienze meccaniche superiori al 90%.

Tipi di turbine

idrauliche

Turbine a reazione

Turbina a impulsi

Progettazione e applicazione

La scelta della turbina è in base al salto d'acqua disponibile e meno alla portata disponibile. In generale, le turbine a impulsi sono utilizzate per i siti ad alta prevalenza e le turbine a reazione sono utilizzate per i siti a bassa prevalenza. Le turbine Kaplan con passo delle pale regolabile sono ben adattate a un'ampia gamma di condizioni di flusso o prevalenza, poiché la loro massima efficienza può essere raggiunta in un'ampia gamma di flussi.

Le turbine di piccole dimensioni (per lo più sotto i 10 MW) possono avere alberi orizzontali e anche le turbine a bulbo abbastanza grandi fino a 100 MW o giù di lì possono essere orizzontali. Le macchine Francis e Kaplan molto grandi di solito hanno alberi verticali perché questo sfrutta al meglio la testa disponibile e rende più economica l'installazione di un generatore. Le ruote Pelton possono essere macchine ad albero verticale o orizzontale perché le dimensioni della macchina sono molto inferiori alla testa disponibile. Alcune turbine a impulsi utilizzano più getti per canale per bilanciare la spinta dell'albero. Ciò consente anche l'uso di un turbina, che può ridurre i costi e le perdite meccaniche.

Articolo

principale: Velocità specifica

La velocità specifica di una turbina caratterizza la forma della turbina in un modo che non è correlato alle sue dimensioni. Ciò consente di scalare un nuovo progetto di turbina da un progetto esistente con prestazioni note. La velocità specifica è anche il criterio principale per abbinare un sito idroelettrico specifico al tipo di turbina corretto. La velocità specifica è la velocità con cui la turbina gira per una particolare scarica Q, con testa unitaria e quindi è in grado di produrre potenza unitaria.

Leggi di affinità

Le leggi di affinità consentono di prevedere l'output di una turbina in base ai test del modello. Una replica in miniatura di un progetto proposto, di circa un piede (0,3 m) di diametro, può essere testata e le misurazioni di laboratorio applicate all'applicazione finale con fiducia. Le leggi di affinità sono derivate dalla richiesta di similitudine tra il modello di test e l'applicazione.

Il flusso attraverso la turbina è controllato da una grande valvola o da cancelli disposti attorno all'esterno del canale della turbina. La prevalenza differenziale e il flusso possono essere tracciati per una serie di valori diversi di apertura del cancello, producendo un diagramma di collina utilizzato per mostrare l'efficienza della turbina in condizioni variabili.

Velocità di fuga

La velocità di fuga di una turbina ad acqua è la sua velocità a pieno flusso e nessun carico sull'albero. La turbina sarà progettata per sopravvivere alle forze meccaniche di questa velocità. Il produttore fornirà l'indice di velocità fuori controllo.

Diversi

modelli di regolatori sono stati utilizzati a partire dalla metà del XVIII secolo per controllare la velocità delle turbine idrauliche. Sono stati utilizzati una varietà di sistemi flyball, o regolatori di prima generazione durante i primi 100 anni di controlli della velocità delle turbine idrauliche. Nei primi sistemi flyball, il componente flyball contrastato da una molla agiva direttamente sulla valvola della turbina o sul cancello per controllare la quantità di acqua che entra nelle turbine. I sistemi più recenti con regolatori meccanici iniziarono intorno al 1880. Un primo regolatore meccanico è un servomeccanismo che comprende una serie di ingranaggi che utilizzano la velocità della turbina per azionare la palla volante e la potenza della turbina per azionare il meccanismo di controllo. I regolatori meccanici sono stati continuati ad essere migliorati nell'amplificazione di potenza attraverso l'uso di ingranaggi e il comportamento dinamico. Nel 1930, i regolatori meccanici avevano molti parametri che potevano essere impostati sul sistema di feedback per controlli precisi. Nell'ultima parte del XX secolo, i regolatori elettronici e i sistemi digitali hanno iniziato a sostituire i regolatori meccanici. Nei regolatori elettronici, noti anche come regolatori di seconda generazione, il Il flyball è stato sostituito dal sensore di velocità di rotazione, ma i controlli sono stati ancora effettuati tramite sistemi analogici. Nei sistemi moderni, noti anche come governatori di terza generazione, i controlli vengono eseguiti digitalmente da algoritmi programmati sul computer del governatore. ^[20]

Un

cancello pedonale , o paletta di guida , è un anello di cancelli (o palette) che circondano una turbina ad acqua che controllano il flusso d'acqua che vi entra; variando l'apertura tra di loro si gestisce la velocità di rotazione della turbina, e quindi la quantità di elettricità generata. ^[21]

Materiali

delle pale delle turbine Dato che le pale di una turbina ad acqua sono costantemente esposte all'acqua e alle forze dinamiche, devono avere un'elevata resistenza alla corrosione e resistenza. Il materiale più comune utilizzato nelle sovrapposizioni su guide in acciaio al carbonio in acqua Le turbine sono leghe di acciaio austenitico che hanno dal 17% al 20% di cromo per aumentare la stabilità del film che migliora la resistenza alla corrosione acquosa. Il contenuto di cromo in queste leghe di acciaio supera il minimo del 12% di cromo richiesto per esibire una certa resistenza alla corrosione atmosferica. Avere una maggiore concentrazione di cromo nelle leghe di acciaio consente una durata molto più lunga delle pale della turbina. Attualmente, le lame sono realizzate in acciai inossidabili martensitici che hanno un'elevata resistenza rispetto agli acciai inossidabili austenitici di un fattore 2. ^[22] Insieme alla resistenza alla corrosione e alla resistenza, la saldabilità e la densità sono criteri importanti per la selezione del materiale delle pale delle turbine. La maggiore saldabilità consente riparazioni più facili e di alta qualità. La bassa densità consente una maggiore efficienza grazie a una rotazione più semplice. Il materiale più comunemente utilizzato nelle pale delle turbine Kaplan sono le leghe di acciaio inossidabile (SS). L'acciaio inossidabile martensitico le leghe hanno un'elevata resistenza che consente sezioni più sottili rispetto all'acciaio al carbonio standard; La massa ridotta migliora le condizioni di flusso idrodinamico e l'efficienza della turbina ad acqua. ^[22] L'SS(13Cr-4Ni) ha dimostrato di avere una migliore resistenza all'erosione a tutti gli angoli di incidenza attraverso il processo di pallinatura laser. ^[23] È importante ridurre al minimo l'erosione per mantenere un'elevata efficienza perché l'erosione ha un impatto negativo sul profilo idraulico delle pale, riducendo la relativa facilità di rotazione. ^[24]

Le

turbine sono progettate per funzionare per decenni con pochissima manutenzione degli elementi principali; gli intervalli di revisione sono dell'ordine di diversi anni. La manutenzione delle guide e delle parti esposte all'acqua comprende la rimozione, l'ispezione e la riparazione delle parti usurate.

La normale usura include la corrosione per vaiolatura da cavitazione, fessurazioni da fatica e abrasione da solidi sospesi nell'acqua. Gli elementi in acciaio vengono riparati mediante saldatura, solitamente con barre di acciaio inossidabile. Le aree danneggiate vengono tagliate o levigate, quindi saldate nuovamente al loro profilo originale o migliorato. I vecchi canali delle turbine possono avere una quantità significativa di acciaio inossidabile aggiunto in questo modo entro la fine del loro ciclo di vita. Elaborate procedure di saldatura possono essere utilizzate per ottenere riparazioni della massima qualità. ^[25]

Altri elementi che richiedono ispezione e riparazione durante le revisioni includono cuscinetti, scatole di tenuta e manicotti dell'albero, servomotori, sistemi di raffreddamento per i cuscinetti e le bobine del generatore, anelli di tenuta, elementi di collegamento del cancello pedonale e tutte le superfici. ^[26]

Articolo principale

: Impatti ambientali dei bacini idrici Le

turbine idrauliche sono generalmente considerate un produttore di energia pulita, in quanto le turbine idrauliche La turbina non provoca sostanzialmente alcun cambiamento nell'acqua. Utilizzano una fonte di energia rinnovabile e sono progettati per funzionare per decenni. Producono quantità significative della fornitura elettrica mondiale.

Le conseguenze negative delle turbine idrauliche sono per lo più associate alle dighe normalmente necessarie per il loro funzionamento. Le dighe alterano l'ecologia naturale dei fiumi, potenzialmente uccidendo i pesci, fermando le migrazioni e interrompendo i mezzi di sussistenza. Le dighe causano anche conseguenze meno evidenti, ma potenzialmente gravi, tra cui l'aumento dell'evaporazione dell'acqua (soprattutto nelle regioni aride), l'accumulo di limo dietro la diga ^{e i} cambiamenti nella temperatura dell'acqua e nei modelli di flusso. Negli Stati Uniti, ora è illegale bloccare la migrazione dei pesci, quindi le scale per pesci per specie come il salmone e lo storione bianco devono essere fornite dai costruttori di dighe. ^{[ citazione necessaria ]}

Vedi anche

Riferimenti

Fonti

• Donners, K.; Waelkens, M.; Deckers, J. (2002), "Mulini ad acqua nell'area di Sagalassos: una tecnologia antica che sta scomparendo", Anatolian Studies , vol. 52, British Institute at Ankara, pp. 1-17, doi:10.2307/3643076, JSTOR 3643076, S2CID 163811541
• Robert Sackett, Preservationist, PRSHPO (bozza originale del 1990). Arleen Pabon, Funzionario Certificatore e Funzionario Statale per la Conservazione Storica, Ufficio Statale per la Conservazione Storica, San Juan, Porto Rico. 9 settembre 1994. Nel modulo di registrazione del Registro Nazionale dei Luoghi Storici—Hacienda Buena Vista. Washington, D.C.: Dipartimento degli Interni degli Stati Uniti, National Park Service.
• Wikander, Örjan (2000), "Il mulino ad acqua", in Wikander, Örjan (a cura di), Manuale di antica tecnologia dell'acqua , Tecnologia e cambiamento nella storia, vol. 2, Leiden: Brill, pp. 371-400, ISBN
• Wilson, Andrew (1995), "Water-Power in North Africa and the Development of the Horizontal Water-Wheel", Journal of Roman Archaeology , vol. 8, pp. 499-510