Il Giornale delle Prove non Distruttive Monitoraggio Diagnostica 3/2008 27

L’importanza della manutenzione dei componenti,ed in particolare dei profili idraulici delle giranti,

per ottimizzare il rendimento degli impianti(ottimizzazione del rendimento negli impianti esistenti con particolare riguardo agli interventi manutentivi)

A. Cateni - L. Magri* - G. Grego**VA TECH ESCHER WYSS S.r.l.

*VOITH SIEMENS HYDRO POWER GENERATION S.p.A.**W.E.S.T. S.r.l.

Key wor ds: power plant, maintenance, hydraulic impeller, hydraulic power

SommarioIl rendimento del macchinario idraulico riveste un ruolopreponderante nelle prestazioni globali d’impianto ed èpertanto uno degli elementi discriminanti nella scelta del-l’investimento e della tipologia d’intervento manutentivosia ordinario che straordinario.Si espongono i metodi principali per l’ottimizzazione del-le prestazioni quali:• rifacimenti parziali con la completa sostituzione di par-

ti attive divenute obsolete; • interventi di ripristino profilature ammalorate con di-

verse tecniche in funzione del tipo e della causa del de-terioramento;

nonché alcune:• Considerazioni economiche e conclusioni.

1) Premessa sulle prestazioni delle macchine idrauliche

In un impianto idroelettrico il fattore più importante èdato dalle prestazioni della macchina idraulica, quale in-dicatore della trasformazione dell’energia idraulica dispo-nibile, salto e portata, in energia meccanica all’asse, cheviene poi convertita in energia elettrica tramite il gene-ratore.Sono infatti le perdite negli organi attivi e passivi dellaturbina che caratterizzano, in maniera decisiva, il livelloassoluto delle prestazioni d’impianto ed il loro andamen-to relativo al variare di uno o entrambi i parametri ener-getici, salto e portata, divenuti sempre meno costanti conl’accresciuta richiesta di capacità regolante imposta dallamassimizzazione dello sfruttamento della curva di durata.In funzione delle svariate possibilità di coppie di valori disalto e portata disponibili per la turbina si presentano, aparità di potenza, le diverse e note configurazioni di mac-chinario che tipicamente passano dalle turbine ad azionePelton, per i valori di salto elevati, alle turbine a reazionedi tipo Francis, per salti medi, fino alle turbine assiali ti-po Kaplan, nella loro configurazione in spirale o intubata(bulbi etc..) per i bassi e bassissimi salti (Vedi Fig 1).

Fig. 1 - Campo d’applicazione delle turbine idrauliche H-nq

Si riporta in tabella di Fig. 2 un’indicazione dei confini diutilizzo delle tre tipologie indicate con i valori di rendi-mento ad oggi misurati sugli impianti.

Fig. 2 - Parametri caratteristici di turbine non Mini (P > 1 MW)

In questo panorama non solo la forma geometrica, quindila tipologia, e le dimensioni assolute, quindi la potenza, in-cidono sui valori di rendimento, ma anche, a pari poten-za, le coppie di valori relativi di salto e portata che van-no a definire l’esatto valore del numero di giri caratteri-stico nq, marcandone l’influenza dei singoli componentiidraulici di turbina. Per le parti statoriche, ad esempio l’aspiratore, la parteci-pazione alla trasformazione energetica è inversamente

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proporzionale al salto. Pertanto l’influenza dell’aspirato-re sui rendimenti cresce al crescere del grado di reazionequindi del numero di giri caratteristico nq, così come rap-presentato dal diagramma di Fig.3, relativo a valori speri-mentali ottenuti da prove su modello idraulico di turbi-ne Francis.

Fig. 3 - Distribuzione delle perdite in funzione di nq su Francis modello

L’andamento storico delle prestazioni, raggiungibili grazie aiprogressi tecnologici è stato ben fotografato negli anni ’60 [1]e nei successivi anni ’90 [2], così come alcune delle cause e de-gli effetti principali del loro decadimento con l’uso nel tem-po sono state descritte da vari autori [3]. Di seguito si voglio-no indicare i mezzi per un loro miglioramento.

2) Miglioramento e ottimizzazionedelle prestazioni

In generale i miglioramenti di prestazione del macchina-rio idraulico possono pervenire fondamentalmente dadue tipologie di intervento:• sostituzione di parte del macchinario, rotorico e/o sta-

torico divenuto obsoleto, con macchinario di nuovaprofilatura.

• Intervento di riparazione sia per ripristino delle super-fici sia per miglioramento di resistenza all’usura contecniche di “coating”.

Naturalmente questi interventi non sono alternativi, macomplementari a seconda della problematica presente:• obsolescenza del progetto idraulico e possibilità di in-

serimento, anche con solo “rifacimento parziale” dinuove parti di macchinario: generalmente sostituzionedelle parti attive di turbina.

• Corrosione, erosione o cavitazione di parti di turbinasoggette ad un forte logorio operativo causato da acque“cariche” o da condizioni operative particolari.

3) Possibilità offerte dai nuovi profili “rifacimenti parziali”

Alcuni esempi di ottimizzazione delle prestazioni con ri-facimento parziale sulle principali tipologie di turbinedanno l’entità dei miglioramenti:

a) PeltonEsempio di rifacimento parziale di 5 gruppi Pelton oriz-zontali a doppio getto con mantenimento delle opere diadduzione (condotta) e di scarico (fondazioni cassa).Il rifacimento parziale implicava anche un incremento dipotenza massima per ottimizzare lo sfruttamento delleportate disponibili.

Fig.4 – Prestazioni misurate dal Cliente con il metodo termodinamico.

b) FrancisNella figura a fianco e di seguito si riporta un esempio distudio per rifacimento parziale gruppi Francis verticalicon sostituzione di alcuni componenti statorici e rotoricicon nuove garanzie di prestazioni.

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Fig. 5 - Rifacimento parziale di gruppi Francis

c) Kaplan Esempio di miglioramento prestazionale per rifacimentoparziale di un gruppo Kaplan verticale da ca. 4 MW. Neldiagramma di Fig. 6 si confrontano le prestazioni ottenu-te con collaudo in impianto prima e dopo l’intervento,che ha lasciato inalterate le parti statoriche murate.

Fig. 6 - Rifacimento parziale di gruppi Kaplan

Come si evince dai tre esempi sopra descritti, l’entità delmiglioramento delle prestazioni ottenibile da un rifaci-mento parziale, si colloca attorno al 5%, in ragione dellecondizioni del macchinario obsoleto.A completamento di quanto sopra descritto si analizzanodi seguito alcuni aspetti concreti dedotti dall’esperienzadel costruttore circa:• Le cause più frequenti di deterioramento dei profili

idraulici e le loro conseguenze sulle prestazioni delmacchinario;

• L’importanza della manutenzione e delle tecnologie diprotezione delle superfici;

nonché effettuare alcune:• Considerazioni di carattere economico

4) Le cause più frequenti di deterioramentodei profili idraulici e le conseguenzesulle prestazioni del macchinario

Turbine ad azioneL’usura sulle turbine Pelton riguarda prevalentemente gliiniettori e la girante e gli effetti sulle prestazioni sono so-stanzialmente di due tipi:• Distorsione del getto all’ingresso della giranteCome noto, la funzione di spina e bocchello è quella diconcentrare il getto in una forma cilindrica compatta inmodo da massimizzare la trasformazione di energia nellagirante. L’effetto più importante dell’usura di spina e boc-chello consiste nella deformazione del getto con conse-guente decadimento del rendimento e comparsa di cavi-tazione.Una descrizione e quantificazione di questo fenomenopuò essere dedotta come analogia con la distorsione delgetto provocata da una curva del condotto introduttoreimmediatamente a monte dell’iniettore [ 4 ], con la diffe-renza che la curva provoca uno “sfrangiamento” del get-to localizzato in corrispondenza dell’intradosso della cur-va, mentre l’ugello usurato provoca uno sfrangiamento sututta la circonferenza e la spina produce vortici nel cuoredel getto.Si è dimostrato, attraverso simulazione numerica e provesu modello che la deformazione del getto è notevole (lasezione del getto assume una forma ovoidale) ed è asso-ciata ad uno spostamento dell’asse apparente del getto ri-spetto all’asse teorico.

Fig. 7 - Getto all’uscita di una tubazione diritta (sx) e con una curva a 90° (dx)

Fig. 8 - Simulazione numerica del flusso secondario nel getto dopo unacurva a 90°

• Incremento delle perdite peraumento della scabrosità dellesuperfici attive delle pale e peg-gioramento della trasformazio-ne di energia causato dal dete-rioramento del profilo idraulico

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Fig. 9 - Influenza dell’usura sul rendimento di una ruota Pelton

Turbine a reazioneAnche in assenza di particolari fenomeni di usura, le pre-stazioni di una turbina sono destinate a degradare con ilpassare degli anni. Si riporta di lato un esempio di deca-dimento delle prestazioni misurate su una macchinaFrancis orizzontale ca. 13 MW dopo 20 anni di funziona-mento.

In presenza di particolari condizioni di usura (ad esempioper sedimenti trasportati dall’acqua) si manifestano prin-cipalmente tre fenomeni:• Usura dei componenti del distributore con aumento del

gioco tra direttrice e fodereQuesto provoca un aumento delle perdite per attrito masoprattutto la modifica del profilo delle velocità all’uscitadel distributore a causa dell’aumento del gioco tra diret-trice e fodere, con scadimento della trasformazione dienergia nella girante.

Fig.10 - Simulazione numerica della distorsione del flusso a causa del-l’aumento di gioco tra direttrici e fodere (sopra) ed effetti di usura con-centrata sulla girante (dx).

• Aumento delle perdite per aumento della scabrosità su-perficiale dei condotti palari della girante

Fig.11 - Effetto della rugosità superficiale sul rendimento di una gi-rante Francis

• Aumento delle perdite volumetriche attraverso i labi-rinti. L’entità di dette perdite può essere dedotta daiprogrammi di calcolo specifici in funzione del gioco deilabirinti e dello stato delle superfici.

Fig. 12 - Tipica usura da sabbia sui labirinti di una girante Francis

5) L’importanza della manutenzione e delle tecnologie di protezione delle superfici

In presenza di abrasione è di fondamentale impor-tanza una manutenzione tempestiva per evitare ilprocedere progressivo delle usure o il cumularsi difenomeni quali abrasione e cavitazione. Si è infattisperimentato che il fenomeno di usura tende ad ac-celerare con l’aumentare della scabrosità della su-perficie, a causa dell’aumento della turbolenza delmoto fluido negli strati a contatto con la superficiebagnata (vedi diagramma). Si è anche osservato checonsistenti fenomeni di abrasione si abbinano a cavi-tazione, dovuta alla modificazione del profilo idrau-lico; può succedere che la cavitazione non si eviden-

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zi all’esame visivo perché costantemente “smeriglia-ta” via dall’abrasione.A questo proposito si è costituito nel 2005 un gruppodi lavoro in ambito IEC che sta preparando una guidaper il problema dell’erosione da particelle solide in so-spensione ai fini di distinguerne l’effetto da quello del-la cavitazione, integrando così il documento IEC60609-1. [5]

Per quanto sopra detto è consigliabile, dove possibile, in-tervenire per ripristinare la regolarità della superficie ba-gnata, mediante semplice lucidatura, prima che il feno-meno di usura la alteri eccessivamente. I vantaggi che nederivano sono:• intervento di manutenzione semplice e poco costoso in

cui risulta relativamente semplice rispettare il profiloidraulico originale

• Si ripristinano le prestazioni del macchinario• Si evita la comparsa di cavitazione

Naturalmente, dopo successivi interventi di lucidatu-ra, sarà necessario procedere al ripristino degli spesso-ri mediante opportune procedure di riporto di salda-tura.Per quanto riguarda le tecnologie di protezione dellesuperfici, sono attualmente disponibili sul mercato di-verse opzioni, ciascuna di esse adatta a diverse situa-zioni di usura.• Utilizzo di materiali particolarmente tenaci, come

la stellite, per la costruzione integrale di compo-nenti o tramite rivestimento per dimensioni mag-giori. Si presta per la realizzazione di componentidi geometria semplice ed è indicata quando si è inpresenza di corpi solidi trasportati dall’acqua. Casotipico la costruzione di spine e bocchelli per le tur-bine Pelton.

• Rivestimenti superficiali con materiali resistenti all’u-sura [6], come composti ceramici e carburi di tungste-no. Il mercato attualmente offre diversi di questi pro-dotti e diverse tecnologie di applicazione. La limitazio-ne di queste tecnologie è data dalla accessibilità perl’applicazione e dalla presenza di corpi solidi trasporta-ti dall’acqua.

Si riporta di seguito una tabella in cui si compara la resi-stenza all’abrasione di alcuni materiali commerciali.

Per i rivestimenti superficiali con materiali resistenti al-l’usura si possono dare le seguenti indicazioni:Per le turbine Pelton, in pre-senza di fenomeni moderati diusura, risulta sufficiente il ri-vestimento di spine e bocchel-li, che è relativamente pococostoso ed è utile a preservarela qualità e compattezza delgetto, fondamentale ai finidelle prestazioni. Rivestimentidella parte attiva dei cucchiaisono economicamente indica-ti solo in presenza di fenome-ni più consistenti di usura.Per le turbine Francis la situazione è più articolata,vista la maggiore complessità dei componenti in gio-co. Si possono comunque dare le seguenti indicazio-ni, in ordine crescente di impatto economico e quin-di consigliate per fenomeni di usura via via più im-portanti:• Rivestimento dei labirinti fissi e mobili• Rivestimento delle fodere del distributore• Rivestimento delle pale direttrici• Rivestimento del bordo di ingresso ed uscita della gi-

rante che sono le zone di norma più colpite dall’usura. Si richiama l’attenzione sul fatto che, ai fini dellaqualità del rivestimento e quindi della sua efficacia edurata, è molto importante il rispetto di parametricostanti di applicazione (spessore e angolo di applica-zione).

Per i componenti in cui la velocità dell’acqua è più bassa(spirale, predistributore e condotto di scarico), vengonousate con successo speciali vernici particolarmente “gom-mose” da applicare con spessori elevati.

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6) Considerazioni di carattere economico econclusioni

Al di là dei Rifacimenti Parziali che risentono, oltrechèdelle condizioni di invecchiamento del macchinario, an-che e in maniera decisiva della legislazione al contornoche può imporre ripotenziamenti per rinnovo di conces-sioni o consentire allettanti incentivazioni alla produzio-ne con Certificati Verdi, si vuole rimarcare come nellastrategia di manutenzione del macchinario idraulico sidovrebbe tener conto di un “COSTO TOTALE DI MA-NUTENZIONE” che è la somma di:• Costo della manutenzione vera e propria• Costo per il fuori servizio per eseguire la manutenzione• Costo causato dallo scadimento delle prestazioniLa molteplicità di problematiche legate alle tipologie dimacchinario, alle caratteristiche dell’acqua, alle modalitàdi funzionamento, sono state ben evidenziate, così comele possibili risposte suggerite dalle attuali tecnologie.Aggiungiamo che può essere di grande aiuto il monito-raggio delle grandezze che influiscono sulla qualità delfunzionamento sia in termini di sicurezza (vibrazioni)che ovviamente di prestazioni [7] e [8]. I moderni siste-mi di automazione consentono già di monitorare una se-rie di parametri di funzionamento quali (salto, portata,potenza) da cui risulta facile calcolare in tempo reale ilrendimento di turbina e di gruppo senza eccessivi incre-menti di costo.Questo utilizzo dovrebbe servire non solo per ottimizza-re la cadenza delle manutenzioni, ma anche ai fini di mi-nimizzare le perdite di prestazione tra una manutenzionee l’altra. Da quanto sopra ne deriva che le valutazioni di carattereeconomico dovranno essere attentamente studiate im-pianto per impianto ai fini di ottimizzare la scelta d’inter-vento ed il risultato a cui si vuol pervenire.

Bibliografia[ 1 ] 3 Curve di rendimento nel 1960 al variare della

portata per turbine Pelton, turbine Francis, turbi-ne Kaplan – La “RIVA” in cento anni di lavoro1861-1961 – Edizione ALFIERI & LACROIX1961 Milano

[ 2 ] F.Milanese: “Il macchinario idroelettrico in Italia: 90

anni di evoluzione “– L’Energia Elettrica Gen-naio/Febbraio1994.

[ 3 ] B.Lazzaro; G.Rossi: “Effetti del deterioramento sulleprestazioni delle macchine idrauliche” – L’Energiaelettrica Luglio /Agosto 1995.

[ 4 ] E. Parkinson, H. Garcin, G. Vullioud, Z. Zhang, F.Muggli, E. Casartelli: “Experimental and numericalinvestigation of the free jet flow at a model nozze of aPelton turbine” – XXI Symposium on HydraulicMachinery and Systems – September 2005 - Lau-sanne

[ 5 ] Draft IEC 62364 Rev 8 “Guide for dealing withabrasive erosion in Water” – Gruppo di lavoro n° 29TC 4 IEC

[ 6 ] H. Keck, R Dekumbis, M. Sick, A. Lohmberg: “Se-diment erosion in Hydraulic Turbines and Experienceswith advanced Coating technologies” - Indiahydro2005, Febbraio 2005

[ 7 ] G.Donghi: “Efficienza del macchinario idraulico,Aspetti tecnici, contrattuali e riflessi sui criteri di ma-nutenzione” Esperienza EDISON – AIPnD 2a

giornata dell’Idraulica, 28 Maggio 1999, CastelColdrano.

[ 8 ] R.Buscemi, L.Lorenzini, M.Rovaro: “Monitoraggioe diagnostica del macchinario idraulico, un valore ag-giunto per la gestione dell’impianto” – AIPnD 2a gior-nata dell’Idraulica, 28 Maggio 1999, Castel Col-drano.

[ 9 ] M. Sallaberger, Ch. Michaud, H. Born, St. Win-kler, M. Peron: “Design and manufacturing of Fran-cis runners for rehabilitation projects” – Hydro 2001Conference, Riva del Garda

[ 10 ] IEC 62256: “Hydraulic turbines, storage pumps andpump-turbines – Rehabilitation and performance im-provement”

Relazione presentata al “5° Convegno Nazionale Impianti di Produzione Idroelettrica”

Montagne, Acqua, Energia, Lavoro, Vitaorganizzato dall’AIPnD

in collaborazione con IRIDE ENERGIA.Bardonecchia: 19-20 giugno 2008