Corso di Energetica A.A. 2012/2013

Mini Idroelettrico – Parte Terza

Prof. Ing. Renato RicciDipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche

Università Politecnica delle Marche

Le turb ine idra ulich e

2

Le turbine idrauliche sono macchine motrici a fluido che hanno lo scopo di trasformare l’energiapotenziale e cinetica dell’acqua in energia meccanica di rotazione.

Esse sono costituite fondamentalmente da:

GIRANTE

un organo mobile checonverte l’energia del fluidoin en. meccanica rotazionale.

DISTRIBUTORE

un organo fisso che convogliaopportunamente il fluido edeffettua una sua regolazione;

Le turb ine idra ulich e

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TURBINE AD AZIONE:

Il distributore trasforma integralmente l’energiaposseduta dal fluido in energia cinetica. Lagirante, colpita dal fluido, trasforma l’en. cineticain en. meccanica rotazionale (PELTON – TURGO -CROSSFLOW).

TURBINE A REAZIONE:

Il distributore trasforma solo in parte l’energia posseduta dal fluidoin energia cinetica. La rimanente parte dell’energia di pressioneviene trasformata in energia cinetica nei condotti convergenti dellagirante: il fluido percorre i condotti mobili riempiendolicompletamente e la sua pressione gradualmente diminuisce(aumenta la sua velocità relativa) fino ad imboccare il condotto discarico (diffusore) con una pressione che può essere anche inferiorea quella atmosferica (FRANCIS – KAPLAN)

TURBINE A GRAVITA’:

sono in genere prive del distributore e sfruttanodirettamente la caduta del fluido sulla girante (RUOTE– COCLEE)

PELTON

E’ la classica turbina ad azione. Il distributore è costituito da uno o piùugelli provvisti di spina di regolazione (una turbina ad asse verticale puòavere fino a sei ugelli, con una o due giranti) trasformano totalmente lapressione dell’acqua in energia cinetica. Un tegolo deflettore ha il compitodi deviare il flusso dalle pale in caso di brusco distacco di carico senzadover chiudere troppo velocemente la valvola di macchina (colpo d’ariete).Allo sbocco del distributore la vena liquida, dotata della massima velocità,colpisce le palettature a “cucchiaio” della girante. Il fluido percorre lapalettatura a contatto con l’ambiente, quindi a pressione atmosferica.

• Sono adatte a salti elevati (da 50 a >1200 m), anche se versioniminiaturizzate possono essere applicate in salti piccoli.

• Mantengono buone prestazioni per carichi dal 30% al 100% del caricomassimo.

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Le turb ine a d a zione (1)

TURGO

Simile alla Pelton, le sue pale hanno forma e disposizione diverse (angolo di20°) cosicché il getto ne colpisce simultaneamente più di una. ll volumed’acqua che una turbina Pelton può elaborare è limitato dal fatto che il flusso diogni ugello possa interferire con quelli adiacenti, mentre la turbina Turgo nonsoffre di questo inconveniente.

• Il minor diametro necessario comporta, a parità di velocità periferica, unamaggiore velocità angolare, che facilita l’accoppiamento diretto algeneratore.

• Può lavorare bene fino anche al 20% del carico massimo, ma l’efficienza èminore rispetto a Pelton o Francis.

• Può agevolmente lavorare con salti tra i 15 e 300 m.

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CROSS-FLOW

Detta anche Banki-Michell o Ossberger. L’acqua entra nella turbinaattraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota, chefunziona quasi completamente sommersa (con un piccolo grado direazione). Il flusso che abbandona il primo stadio cambia di direzione alcentro della ruota e s’infila nel secondo stadio, totalmente ad azione.Questo cambio di direzione non è facile da ottenere correttamente e leperdite d’energia per urti e vortici sono la causa del basso rendimentonominale.

La ruota è costituita da due o più dischi paralleli, tra i quali si montano,vicino ai bordi, le pale, costituite da semplici lamiere piegate.

• Queste ruote si prestano alla costruzione artigianale nei paesi in viadi sviluppo

• si utilizza con una gamma molto ampia di portate (tra i 20 l/s ed i 10m3/s) e salti tra 5 m e i 200 m.

• Il suo rendimento massimo è inferiore all’87%, però si mantienequasi costante quando la portata discende fino al 16% dellanominale e può raggiungere una portata minima teorica inferiore al10% della portata di progetto.

Le turb ine a d a zione (2 )

FRANCIS

Sono turbine a reazione a flusso radiale con distributore a pale regolabili e girante apale fisse. Vengono impiegate in corsi d'acqua con dislivelli medi (25-400 m) eportate da 2÷3 m3/s fino a 40÷50 m3/s.

La cassa a spirale realizzata, a seconda delle dimensioni, in calcestruzzo armato, inacciaio saldato o in ghisa, ha la sezione variabile che permette di avere la stessavelocità relativa in tutto il palettamento. Per contro occupa più spazio della modestastruttura di contenimento di una Pelton.

Le piccole ruote sono solitamente fuse, in un sol pezzo, in bronzo- alluminio, mentrequelle grandi sono realizzate mediante saldatura delle pale, generalmente in acciaioinox.

Nelle turbine Francis veloci, l’alimentazione è sempre radiale, mentre lo scaricotende ad essere assiale. Negli impianti mini-idro è frequente la configurazione adasse orizzontale.

La regolazione avviene variando l’inclinazione delle pale dello statore, che possonopermettere anche la totale chiusura (non sostituiscono comunque le valvole dichiusura).

L’acqua in uscita dalla ruota transita, prima di essere scaricata nel canale direstituzione, nel diffusore per recuperare parte dell’energia cinetica contenutanell’acqua che abbandona la ruota a velocità elevata. Un diffusore efficiente hasezione conica, ma con un angolo non troppo aperto, altrimenti può generarsi undistacco di flusso (7-15°).

Le turb ine a rea zione (1)

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A BULBO

La turbina a bulbo deriva dalle precedenti descritte, con il generatore eil moltiplicatore (se esiste) contenuti in una cassa impermeabile, aforma di bulbo, immersa nell’acqua.

KAPLAN

Si tratta di turbine a reazione a flusso assiale, utilizzate generalmenteper bassi salti (2-40 m). La girante ha sempre pale regolabili, mentre seanche il distributore è a pale regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o“a doppia regolazione”) altrimenti la turbina è una semi-Kaplan(oppure “a singola regolazione”).

Le vere Kaplan hanno l’alimentazione radiale e mantengono un buonrendimento anche al 15-20% della portata massima. Le semi-Kaplanpossono avere alimentazione anche assiale ma la minima portata tecnicasale al 40%: quindi tutte le volte che la portata minima da lavorare siaminore del 40% della massima di progetto, la scelta deve privilegiare lamacchina a doppia regolazione.

Le Kaplan sono le macchine che consentono il maggior numero diconfigurazioni possibili.

Le turb ine a rea zione (2 )

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CÒCLEA

E’ una turbina a gravità che sfrutta la chiocciola di Archimede (invertendo il processooriginario) per realizzare una turbina idroelettrica. Le principali caratteristiche di questatecnologia sono:• capacità della coclea di accettare materiali alluvionali, detriti di taglia superiore e pesci;• nessun utilizzo di strigliatori e griglie a passo largo (no rifiuti da smaltire);• semplicità massima di installazione e di manutenzione• bassi costi di impianto e gestione.• molto adatte a piccole applicazioni o strutture già esistenti

Sono tipicamente utilizzate per salti da 1 a 10 metri e portate d’acqua da 0,5 a 5,5 m³/sec.Diversamente dalle Kaplan o Francis, continuano a funzionare anche con minime portated’acqua, rendendole molto adatte per corsi d’acqua con portate irregolari.

A ltre turb ine

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RUOTA IDRULICA

E’ stato il primo e per lungo tempo unico sistema per poter sfruttare l'energia cineticadei corsi d'acqua, i sistemi di alimentazione principali sono per di sopra (più efficientema sempre meno rispetto alle altre turbine che sfruttano i piccoli salti), di petto(quando il dislivello del salto non è sufficiente per alimentare dal 'di sopra' la ruota) eper di sotto (l’acqua spinge le pale immerse nella corrente, impianti privi di salto).

PEACE TURBIN

E’ una turbina di recente introduzione, in fase di sviluppo, congegnata per funzionarein assenza di un salto. Possono essere installate singolarmente o in serie sullo stessoasse, ed anche " in cascata" sullo stesso corso d’acqua.

Prototipi di una turbina singola con un diametro di 1000 mm immersa in una corrented'acqua con velocità di 1m/s sviluppano una potenza di 1 kW, se la velocità è di 2 m/sla potenza sviluppata è di 8 kW.

[Fonte: www.euroenergie-net.de ; www.rolf-keppler.de]

Il tipo, la geometria e le dimensioni di una turbinasono condizionati essenzialmente dai seguentiparametri:

• salto netto;• portata da turbinare;• velocità di rotazione;• problemi di cavitazione;• velocità di fuga;• costo.

La scelta delle turb ine (1)

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SALTO NETTO: IMPIANTI A BASSA CADUTA• La scelta è piuttosto critica negli impianti a bassa caduta, che, per essere convenienti, debbono

utilizzare grandi volumi d’acqua.• Nelle turbine ad azione il salto si misura dal punto d’impatto del getto, che è sempre sopra il

livello di valle per evitare che la ruota sia sommersa durante le piene; ciò comporta una certaperdita di salto rispetto alle turbine a reazione che utilizzano tutto il dislivello disponibile.

• Per ridurre il costo globale (opere civili + elettromeccaniche) e in particolare il volume delleopere civili, sono stati concepiti un certo numero di schemi, ormai considerati classici (cfrsezione “Centrale elettrica”).

IMPIANTI A TURBINE MULTIPLE

L’impiego di turbine multiple, in luogo di una sola di maggior potenza, permette di:

• ampliare il campo di lavoro e la flessibilità della centrale (adattare il numero di unità in esercizio alla portata istantaneadisponibile) visto che ogni turbina può lavorare tra Qmin e QR (portata di progetto).

• ridurre il peso e le dimensioni di ciascuna macchina, facilitando il trasporto e messa in opera.

• migliorare l’accoppiamento con il generatore (turbine più piccole avranno una velocità di rotazione maggiore).

• riutilizzare le complesse casseforme necessarie a realizzare i condotti idraulici, diminuendo così il costo delle opere civili.

PORTATA

E’ necessario conoscere il regime delle portate del corso d’acqua da sfruttareprima di procedere alla scelta della turbina (curve FDC).

Da questi andamenti si determina una portata di progetto che abbinata alsalto di progetto individuano un punto nel piano in cui sono riportati i campidi funzionamento di ogni tipo di turbina, i cui limiti non sono rigidi variandoda costruttore a costruttore in funzione della tecnologia utilizzata.

La scelta della turbina determina anche la portata minima che essa è ingrado di lavorare, condizionando così l’energia estraibile nel sito in esame.

La scelta finale sarà il risultato di un processo iterativo, che tenga contodella produzione annuale di energia (Q, H, rendimento), dei costid’investimento e di manutenzione e dell’affidabilità del macchinario.

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La scelta delle turb ine (2 )

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La scelta delle turb ine (3)

12

La scelta delle turb ine (4 )

LEGGI DI SIMILITUDINE APPROSSIMATA

Per poter confrontare tra di loro diverse turbine, è prassi comune servirsi di relazioni che impongano delle relazioni tramacchine della stessa serie di leggi di similitudine:

• geometrica: proporzionalità tra le dimensioni, lineare per le lunghezze, quadratica per le aree

• dinamica: proporzionalità tra le forze

• cinetica: proporzionalità tra le velocità, uguaglianza per gli angoli tra le velocità

Tali similitudini sono molto utili perché consentono di estendere i risultati ottenuti su test di modelli di dimensioni ridotte atutte le macchine appartenenti alla stessa famiglia (es. tutte le Pelton tra di loro) a meno di fattori correttivi che tenganopresente dell’effetto scala.

In altri termini, macchine della stessa famiglia che rispettano le leggi di similitudine sopra descritte avranno lo stessorendimento.

Le tre relazioni di proporzionalità possono essere espresse anziché nella terna {lunghezza, velocità, forza} nella più usata{lunghezza, tempo, energia} espressa rispettivamente dai rapporti D/D’(diametro girante), n’/n (numero di giri) e H/H’ (saltonetto, e quindi energia specifica), da cui si ottiene:

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La scelta delle turb ine (5)

a)Q

Q'=

c1S

c'1 S'=

S 2gH

S' 2gH '=

D

D '

æèç

öø÷

2H

H '

b)P

P '=

g QH

g Q'H '=

D

D '

æèç

öø÷

2H

H '

æèç

öø÷

32

c)n'

n=

u '

p D '

p D

u=

D

D '

H '

H

ü

ý

ïïïï

þ

ïïïï

®hi

h 'i= 1

a)Q

Q'=

c1S

c'1 S'=

S 2gH

S' 2gH '=

D

D '

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öø÷

2H

H '

b)P

P'=

g QH

g Q'H '=

D

D '

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öø÷

2H

H '

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öø÷

32

c)n'

n=

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p D '

p D

u=

D

D '

H '

H

ü

ý

ïïïï

þ

ïïïï

® hi = h 'i

ricavando D/D' dalla a) e sostituendo nella c) si ottiene

1)n'

n=

Q

Q'

H '

H

æèç

öø÷

14 H '

H=

Q

Q'

H '

H

æèç

öø÷

34

ricavando D/D' dalla b) e sostituendo nella c) si ottiene

2)n'

n=

P

P'

H '

H

æèç

öø÷

34 H '

H=

P

P'

H '

H

æèç

öø÷

54

se con l'apice si intende la macchina di riferimento che ha H' e Q' unitari

1) n' ® nS

2) n' ® nC,kW

inoltre varrà

nC,kW = nPm,kW

1/2

H 5/4= n

g QH( )1

2

H 5/4= n

Q1 2

H 3/4g = nS g

NUMERO DI GIRI CARATTERISTICO - SPECIFICO

Se si indica con l’apice la macchina di riferimento “unitaria” (P’,Q’ e H’ unitari), allora avremo che:

la generica macchina sarà confrontabile (ugual rendimento)con la macchina di riferimento “unitaria” avente un numerodi giri pari a nS (numero di giri specifico) o se si preferisce nC

(numero di giri caratteristico).

O ancora, determinate le condizioni di operatività ottimaledella macchina di riferimento (ad esempio come varia ilrendimento), le altre macchine della stessa serie avranno lestesse condizioni quando si troveranno ad operare allo stessonumero di giri caratteristico o specifico.

Il numero di giri caratteristico non è adimensionale in quantoil suo valore varia a seconda delle unità di misura che sonoimpiegate per il suo calcolo. La formula indicata vale per leunità del sistema SI.

nS = nQ1 2

H 3/4nC,kW = n

Pm,kW1/2

H 5/4

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La scelta delle turb ine (6 )

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La scelta delle turb ine (7)

tipo salti [m] portate [m3/s] nC n [rpm]

PELTON 50 – >1200 < 10a 1 getto 1 – 30a 2 getti 17 - 45a 4 getti 24 - 70

200 - 1500

TURGO 15 – 300 < 10 600 - 1000 600 - 1000CROSS-FLOW 5 –200 < 10 2 -200 60 - 1000

FRANCISLente 240 – 400Norm. 90 – 240Veloci 30 – 90

1 – 30Lente 70 -100

Norm. 100 – 200Veloci 200 – 450

500 - 1500

KAPLAN 2 – 40 < 50 400 -900 75 - 150

COCLEA 1 – 10 0,5 – 5,5

n =60 f

pf = frequenza della rete [EU=50 Hz]p = numero di coppie polarin espresso in rpm

Il numero di giri specifico (o caratteristico) rappresenta un criteriodi selezione migliore dell’individuazione del punto di progetto sulpiano di funzionamento delle turbine.

E’ un parametro che contiene le grandezze tipiche per definire icriteri di scelta, infatti esso ha:

• Il salto netto H, che è imposto dalla dislocazione della turbinanell’impianto.

• La potenza Pm , che è imposta dalla convenienza economica chescaturisce da un bilancio tra costo d’impianto + costo diesercizio e utile ricavabile

• Il numero di giri n , che deve essere uguale a quellodell’alternatore calettato sullo stesso albero della turbina (inassenza di un moltiplicatore di giri).

nS = nQ1 2

H 3/4nC,kW = n

Pm,kW1/2

H 5/4

Esercizio

A) se vogliamo produrre energia elettrica in un impianto con un salto netto di 100 m, utilizzando una turbina da 800 kWdirettamente accoppiata ad un generatore standard da 1.500 rpm, possiamo calcolare che il numero di giri caratteristico èpari a 134: si deduce quindi che l’unica scelta possibile è una turbina Francis.

B) Se, al contrario, prevediamo un moltiplicatore con un rapporto di trasmissione massimo di 1:3, la turbina potrà girare tra500 e 1.500 rpm e quindi il numero di giri caratteristico si collocherà tra 45 e 134 rpm. In queste condizioni, oltre alla Francis,la scelta potrà comprendere una Turgo, una “Cross-flow” od una Pelton a due o quattro getti.

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A) nC =1500 800

1001,25= 134 B) nC =

500 800

1001,25= 45

La scelta delle turb ine (8 )

LA VELOCITA’ DI ROTAZIONE

La velocità di rotazione è funzione del numero di giri caratteristico, dellapotenza e del salto netto. Nei piccoli impianti si è soliti impiegare generatoristandard, per cui, nello scegliere la turbina, si deve tenere conto dellepossibili velocità di sincronismo, come mostrato nella tabella, sia che essa siaaccoppiata direttamente al generatore sia che venga interposto unmoltiplicatore di giri.

nC = nPm,kW

1/2

H 5/4n =

60 f

p

f = frequenza della rete [EU=50 Hz]p = numero di coppie polarin espresso in rpm

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La scelta delle turb ine (9)

LA VELOCITA’ DI FUGA

In caso di distacco improvviso del carico esterno (perl’apertura dell’interruttore di parallelo o per un guastoall’eccitazione) mentre il gruppo idroelettrico stalavorando al massimo carico, la turbina aumenta la suavelocità di rotazione fino a raggiungere, teoricamente,quella che è nota come velocità di fuga. Questa varia aseconda del tipo di turbina, dell’angolo di aperturadell’eventuale distributore e del salto.

Si deve tener presente che all’aumentare della velocità difuga aumenta il costo del generatore e del moltiplicatore, iquali debbono essere progettati per resistere allesollecitazioni indotte da questa possibile situazione.

PRESTAZIONI DELLA TRUBINA IN DIVERSI PUNTI DI LAVORO

Può succedere, soprattutto in caso d’ammodernamento di unimpianto esistente, di dover utilizzare, per fattori economici,turbine con caratteristiche nominali che approssimanoquelle dell’impianto, ma non sono propriamente identiche.Indicato con i pedici 1 la condizione di progetto dellamacchina e 2 l’effettiva condizione di lavoro, si potrannosfruttare le leggi di similitudine tenendo presente che ilrapporto tra le dimensioni geometriche è in questo casounitario.

a) ® Q2 = Q1

H2

H1

b) ® P2 = P1

H2

H1

æ

èçö

ø÷

3 2

c) ® n2 = n1

H2

H1

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La scelta delle turb ine (10 )

Pelton – Kaplan vere: rendimento accettabile fino al 20-30% della portata massima.

Semi–Kaplan: rendimento accettabile fino al 40% della portata massima.

Francis con camera a spirale: rendimento accettabile fino al 50% della portatamassima.

Criss-Flow: il rendimento raramente raggiunge l’84%, ma viene mantenuto anche conforti parzializzazioni, fino ad 1/6 della portata massima.

Coclea: rendimenti più bassi ma costanti fino al 10 % della portata massima.

RENDIMENTO DELLE TURBINE

• Il rendimento è definito come il rapportotra la potenza meccanica trasmessa all’asseturbina e la potenza idraulica assorbitanelle condizioni di salto e di portatanominali.

• Le turbine ad azione sfruttano un saltonetto minore (impatto del getto sempresopra il livello di valle).

• Le turbine a reazione hanno maggioriperdite (attriti interni, diffusore), chedeterminano un salto utile inferiore alsalto netto.

• La turbina è progettata per funzionare alpunto di massimo rendimento, checorrisponde normalmente all’80% dellaportata massima.

Dalla relazione si deduce che la P1 è inferiore alla Patm. Se assume valoriinferiori a Pmin (definita dalla tensione di vapore PV e la pressione parzialedel gas disciolto Pg) avviene la cavitazione.In genere P1 e c1 sono dati dal costruttore e si definisce un coefficiente diThoma σT (funzione del numero caratteristico della turbina) dato dalrapporto tra i carichi dinamici all’uscita della turbina e la caduta dellamacchina H. Per evitare la cavitazione si adottano condotti diffusori(sezione crescente) e che risalgono verso l'alto raggiungendo il serbatoiod'invaso (zS molto ridotto).

CAVITAZIONE

Quando la pressione in un liquido in movimento scende sotto la suatensione di vapore, ha luogo l’evaporazione del liquido, con la formazionedi un gran numero di piccole bolle, che collassano quando giungono nellezone a pressione maggiore. L’azione continua ripetuta di queste pressioni acarattere impulsivo produce una erosione diffusa danneggiandoseriamente la turbina. Facendo il bilancio energetico tra la sezione discarico della turbina (1) ed il livello del bacino di scarico a valle (2), si ha:

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La scelta delle turb ine (8 )

Francis sT = 7, 54 ×10-5 ×nS1,41

Kaplan sT = 6, 4 ×10-5 ×nS1,46

P1

g+

c12

2g+ zs =

Patm

g+

c22

2g+ ys

zs =Patm

g-

P1

g-

c12

2g+ ys

Pmin = Pv - Pg s T =Hd

H=

c12

2gH

zs,max =Patm

g-

P1

g- s T H + ys

La centrale ha il compito di proteggere l’equipaggiamento idraulico edelettrico che converte l’energia potenziale dell’acqua in energia elettrica.Esistono molte configurazioni possibili della centrale.

• La configurazione tradizionale in impianti a bassa caduta è schematizzataa lato. Il corpo dell’edificio, integrato nello sbarramento, incorpora lacamera di carico, con la sua griglia, la turbina Francis verticaleaccoppiata al generatore, il diffusore e il canale di scarico. Nella salamacchine sono installati i quadri di controllo e, eventualmente, lasottostazione di trasformazione. Talvolta, l’intera sovrastruttura si riducead una semplice protezione dei quadri elettrici e di controllo.

• L’integrazione di turbina e generatore in un unico gruppo impermeabile,che può essere installato direttamente nel canale di carico, consente dieliminare la centrale convenzionale, come nel caso di una turbina Flygtsommersa, dotata di una paratoia di macchina cilindrica, senza alcunaprotezione addizionale contro le avversità atmosferiche..

• allo scopo di ridurre l’impatto ambientale paesaggistico e sonoro lacentrale può essere totalmente sommersa.

La centra le elettrica

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C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(1)

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La configurazione verticale è quella classica diriferimento per le grandi applicazioni.

L’intercettazione a sifone è affidabile, economica,abbastanza rapida da evitare la fuga della turbinae facilmente applicabile su sbarramenti giàesistenti, per contro assai rumorosa e limitata asalti < 10 m e potenze < 1000 kW

C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(2 )

22

La soluzione ad S sta diventando moltopopolare, benché abbia l’inconvenienteche l’asse della turbina attraversa ilcondotto di scarico/adduzione con elevateperdite di carico.La configurazione ad S si presta a centraliinterrate o seminterrate, caratterizzate daminor impatto visivo.

Kaplan ad Sinvertita

C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(3)

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Kaplan inclinata arinvio d’angolo

La soluzione con rinvio d’angolo a 90° consente diutilizzare un generatore a 1.500 rpm, standard, affidabile,compatto ed economico.Rispetto alla configurazione ad S, le minori perdite di caricoconsentono miglioramenti di prestazioni dal 3 al 5%,mentre i volumi di scavo e del calcestruzzo sono moltominori.La conformazione a pozzo ha il vantaggio che i principaliorgani meccanici sono facilmente accessibili. I condottiidraulici sono semplificati, la turbina risulta più piccola acausa della portata specifica maggiore (30% in più dellaKaplan ad asse verticale), le opere civili diventano piùeconomiche da realizzareAnche queste configurazioni sono realizzabili con centraliinterrate o seminterrate.

Conici: generalmente limitati a piccole potenze, utilizzanoingranaggi conici a spirale per un rinvio d’angolo di 90°.Epicicloidali: montano ingranaggi epicicloidali che garantisconouna grande compattezza; sono particolarmente adatti a potenzesuperiori a 2 MW. 24

Ilm oltiplica tore digiri

Paralleli: utilizzanoingranaggi elicoidali su assiparalleli e sono idonei perpotenze medie.

• Quando è possibile, l’accoppiamento diretto turbina – generatore è da preferirsi perchéevita le perdite meccaniche e minimizza le manutenzioni.

• In generale, soprattutto con turbine di piccola potenza, le ruote girano a meno di 400 rpm eciò comporta l’obbligo di ricorrere ad un moltiplicatore per raggiungere i 750 - 1.500 rpmdegli alternatori standard.

• l moltiplicatore deve resistere agli sforzi molto elevati indotti da difetti di sincronizzazione,cortocircuiti o velocità di fuga della turbina. E’ raccomandabile l’uso di un limitatore dicoppia, che può essere un elemento sacrificale dell’accoppiamento.

• è fondamentale una corretta lubrificazione: Una doppia pompa e un doppio filtro dell’oliocontribuiscono ad aumentare l’affidabilità dell’apparecchiatura.

• Sotto 1 MW si privilegiano i cuscinetti a rulli, sopra si preferiscono i supporti idrodinamici

ALTERNATORI SINCRONI• l’apparato di eccitazione è associato ad un regolatore di

tensione di modo che, prima di essere collegati alla rete,generano energia alla stessa tensione, frequenza edangolo di fase ed inoltre forniscono, una volta connessi,l’energia reattiva richiesta dal sistema

• possono funzionare staccati dalla rete (in isola)• sono più costosi e si utilizzano per alimentare piccole

reti

ALTERNATORI ASINCRONI• sono motori ad induzione con rotore a gabbia di

scoiattolo, senza possibilità di regolazione della tensione• Girano ad una velocità direttamente rapportata alla

frequenza della rete cui sono collegati• La corrente d’eccitazione e l’energia reattiva sono date

dalla rete (no funzionamento in isola)• Si utilizzano in grandi reti• Hanno rendimento leggermente inferiore dei sincroni

• gli alternatori possono essere ad asse orizzontale o verticale,indipendentemente dalla configurazione della turbina; sitende però ad adottarne la medesima configurazione.

• nelle turbine Kaplan o ad elica inclinate si utilizza per ragionidi spazio un moltiplicatore a rinvio d’angolo a 90°.

• esistono anche generatori a velocità variabile e frequenzacostante (VSG),

IlG enera tore

25

Il generatore ha il ruolo di trasformare in energiaelettrica l’energia meccanica trasmessa dalla turbina.

turbina Kaplan ad asse verticale,da 214 rpm, accoppiatadirettamente ad un generatorenon standard a 28 poli.

< 500 kVA 500 – 5000 kVA > 5000 kVA

ASINCRONI ENTRAMBI SINCRONI

A ltricom ponenti

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Un tipico impianto idroelettrico comprende inoltre tutta una serie di componenti elettromeccanici. I principali sono:

• Regolatori di tensione: Nei generatori sincroni inseriti in una rete isolata, il regolatore di tensione ha la funzione dimantenerla ad un valore predeterminato, indipendentemente dai carichi alimentati. Se il generatore sincrono è inseritoin una rete estesa, il regolatore deve mantenere la potenza reattiva al valore voluto.

• Regolatori di velocità della turbina a portata variabile: Nel caso di generatori sincroni, un sensore, meccanico oelettronico, rileva le variazioni di velocità (legate alla frequenza di generazione a sua volta legata ai carichi elettrici) ecomanda un servomotore che modifica l’apertura dei sistemi di regolazione della portata delle turbine (distributore, pale,spina) nella misura necessaria a fornire l’energia idraulica richiesta per soddisfare l’incremento o la diminuzione deicarichi.

• Regolatori di velocità della turbina a portata costante: Se il sistema richiede meno energia, la turbina tende adaccelerare; un sensore elettronico rileva un aumento della frequenza ed un dispositivo, conosciuto come regolatore dicarico, provvede a dissipare l’eccesso di energia in un banco di resistenze, mantenendo così costante la richiesta dipotenza al generatore.

• Quadri di controllo e di potenza: tra i morsetti del generatore e la linea si installano dispositivi che controllando ilfunzionamento della macchina, la proteggono, la mettono in parallelo con la rete o la staccano dalla stessa in caso diguasto. Il controllo si realizza mediante apparati perciò più o meno sofisticati per misurare la tensione, l’intensità e lafrequenza della corrente in ognuna delle tre fasi, l’energia prodotta dal generatore, il fattore di potenza edeventualmente il livello dell’acqua nella camera di carico.

• Quadri di automazione

• Trasformatore dei servizi ausiliari: progettato per i carichi massimi previsti, tenendo presente i fattori dicontemporaneità.

• Idrometri registratori dei livelli nella camera di carico e nel canale di restituzione