Tipologie di turbine idroelettriche di microcentrali idroelettriche. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Turbine ad elica (turbina Kaplan)

La turbina a elica ha la velocità più alta tra tutti i tipi di turbine. Ciò consente di ottenere una velocità di rotazione più elevata a basse portate. Le elevate velocità delle turbine, a loro volta, consentono di utilizzare generatori elettrici più veloci, e quindi più leggeri ed economici, oppure di ridurre il costo dei dispositivi di trasmissione (riduttori o sistemi di trasmissione a cinghia). Pertanto, le turbine a elica vengono utilizzate ai salti più bassi, quando le velocità del flusso sono basse.

In apparenza, la girante di una turbina a elica è simile a un ventilatore (Fig. 20).

Fig.20. Turbina ad elica con pale fisse

Le pale della turbina possono essere fisse o rotanti (Fig. 21). Nel primo caso, le pale sono fissate fissamente ad un angolo selezionato corrispondente alla pressione di esercizio e al carico ottimale del generatore. Le pale rotanti sono giustificate nelle grandi turbine con significative fluttuazioni di pressione e funzionamento del generatore in condizioni di carico variabili. Con l'aiuto delle pale rotanti è possibile mantenere costante la velocità di rotazione della girante e la frequenza della tensione generata nei generatori.

Fig.21. Turbina Kaplan

Fig.21-1. Principio di funzionamento

La turbina dell'elica è dotata di una pala guida (Fig. 22), che serve a fornire il flusso d'acqua con l'angolazione desiderata alle pale della turbina per ottenere la massima efficienza. La pala guida consente di regolare la potenza della turbina e, in alcuni casi, anche di bloccare completamente l'accesso dell'acqua alla girante della turbina.

Fig.22. Paletta guida turbina

Le turbine ad elica sono dotate di tubi di aspirazione. Il tubo di aspirazione è un canale che si espande lungo la sezione trasversale per drenare l'acqua dalla turbina. All'aumentare della sezione trasversale della tubazione, la velocità dell'acqua e la sua energia cinetica diminuiscono, il che consente di ridurre le perdite di energia nel flusso in uscita. Inoltre, il tubo di pescaggio consente di posizionare la turbina sopra il livello dell'acqua nella coda.

La piscina (francese bief) è una parte dello spazio acquatico adiacente ad una struttura idraulica. È presente una vasca superiore (adiacente al bacino a pressione) e una vasca inferiore (adiacente al canale di scarico).

I tubi di aspirazione possono essere diritti o curvi, come mostrato in Fig. 23 e 24:

Fig.23. Gruppo idraulico ad aspirazione diretta

Fig.24. Centralina idraulica con tubo curvo e tubo di aspirazione

Turbine radiali-assiali (turbina Francis)

L'acqua entra nella girante di una turbina radiale-assiale dall'esterno della ruota e si muove radialmente verso il centro della turbina (Fig. 25). Passando tra le pale di complessa forma curva spaziale, l'acqua trasferisce energia al rotore, facendolo ruotare.

Fig.25. Radiale-assiale (turbina Francis)

Fig.25-1. Radiale-assiale (turbina Francis), aspetto

Per garantire un'alimentazione corretta ed uniforme dell'acqua su tutta la circonferenza della girante, questa è circondata da una camera a spirale (Fig. 26). Tra la camera a spirale e la ruota è posizionata una pala guida, costituita da pale che dirigono l'acqua sulla girante della turbina con l'angolazione desiderata. Le pale della pala guida possono essere rese rotanti per cambiare il flusso dell'acqua e la migliore direzione del flusso sulle pale della girante (Fig. 27). Ciò aumenta l'efficienza della turbina nelle modalità fuori progettazione. La pala guida può essere dotata di un sistema di regolazione manuale o automatico.

Fig.26. Schema della camera a spirale e delle palette di guida della turbina Francis

Fig.27. Turbina Francis con pala di guida regolabile manualmente

Nelle turbine radiali-assiali sussiste il rischio di colpo d'ariete nel tubo di pressione. In caso di guasto del generatore o di un forte calo del carico, le palette guida riducono il flusso d'acqua e nella tubazione in pressione si verifica uno shock idraulico che può portare alla rottura della tubazione. Per prevenire incidenti, le turbine radiali-assiali sono dotate di un'uscita del minimo di sicurezza che scarica l'acqua dalla camera a spirale a valle durante i picchi di pressione.

Per le turbine radiali-assiali ad alta pressione, è importante ridurre le possibili perdite d'acqua oltre le pale della girante. Ciò è ottenuto grazie alla produzione ad alta precisione di parti accoppiate e guarnizioni speciali che riducono le perdite di pressione.

Dopo aver superato la girante, l'acqua entra nel tubo di aspirazione, che ha forma conica. Passando attraverso il tubo di aspirazione, l'acqua aumenta la sua sezione e rallenta, con conseguente diminuzione dell'energia cinetica che viene inutilmente dispersa con le acque reflue. Inoltre, il tubo di aspirazione consente di posizionare le unità idrauliche notevolmente più in alto rispetto all'acqua a valle, il che è conveniente per la costruzione di un edificio per centrali idroelettriche.

Per la produzione delle turbine vengono utilizzate qualità di acciaio speciali altamente resistenti all'usura per garantire un funzionamento affidabile e a lungo termine delle turbine.

Turbine Pelton (turbine Pelton)

Questo tipo di turbina viene utilizzata per alte pressioni. La tubazione in pressione entra nell'edificio della centrale idroelettrica e termina con un ugello che dirige il getto verso la girante della turbina. Un flusso d'acqua che fuoriesce dall'ugello rotola lungo la superficie concava del secchio e cambia la direzione del suo movimento nel senso opposto (Fig. 28).

Fig.28. Schema della siviera (turbina Pelton Pelton)

Fig.28-1. Girante (turbina a tazze Pelton)

La massima efficienza sarà nel caso in cui il getto riflesso dal secchio abbia una velocità zero rispetto al corpo. Ciò si ottiene, come mostra l'analisi, quando la velocità periferica della benna è pari alla metà della velocità del getto.

Le tazze nella turbina sono accoppiate e il getto viene fornito al giunto delle tazze per compensare le forze assiali sui cuscinetti del rotore. L'ugello della turbina serve a regolare la quantità di acqua in entrata. L'ago, muovendosi all'interno dell'ugello, modifica la sezione trasversale del canale e il flusso d'acqua che entra nella girante della turbina (Fig. 29).

Fig.29. Schema dell'ugello della valvola a spillo (turbina Pelton Pelton)

Oltre all'ugello, per regolare i parametri della turbina, viene utilizzato un deflettore, ovvero un ostacolo situato tra l'ugello e la benna, che devia il getto e riduce la forza del getto sul rotore dell'unità idraulica. Il deflettore consente di evitare shock idraulici durante la regolazione della turbina. Quando si regola il getto solo con uno spillo, in caso di forte calo del carico elettrico nella rete, lo spillo blocca l'uscita dell'acqua, provocando uno shock idraulico nella tubazione e la possibilità di danni. Le acque reflue confluiscono a valle. Pertanto, per ridurre le perdite di pressione, l'ugello e la turbina dovrebbero essere posizionati il ​​più in basso possibile rispetto al livello di scarico. L'involucro della turbina serve a proteggere la centrale idroelettrica dagli spruzzi ed è di grandi dimensioni in modo che l'acqua riflessa dall'involucro non ricada sul rotore riducendo l'efficienza dell'impianto.

Nelle turbine a tazza vengono spesso installati più ugelli, distanziati attorno alla circonferenza della girante, che riducono il carico sui supporti di rotazione (Fig. 30).

La moderna costruzione di turbine idrauliche si sta sviluppando tenendo conto delle seguenti tendenze principali:

• aumentare l'efficienza e l'affidabilità nel funzionamento;
• aumentare la velocità delle turbine idrauliche al fine di fornire la potenza di progetto richiesta con dimensioni e pesi inferiori delle unità idrauliche, riducendo così i costi delle apparecchiature elettriche e della costruzione della centrale idroelettrica;
• migliorare le caratteristiche energetiche delle turbine idrauliche e aumentare l'efficienza operativa media delle unità quando funzionano con carichi e pressioni fuori progetto;
• ridurre le pulsazioni di pressione nella parte di flusso (in particolare dietro la girante di una turbina idraulica radiale-assiale) e le vibrazioni che ne conseguono dell'unità;
• unità idrauliche;
• l'uso di potenti unità idrauliche nelle centrali idroelettriche consente di ridurne il numero, aumentare l'efficienza e ridurre i costi delle apparecchiature elettriche e degli edifici;
• ulteriore crescita delle capacità unitarie.

Fig.30. Turbina Pelton a due ugelli

Trasferisci dispositivi

I dispositivi di trasmissione sono necessari per trasferire l'energia di rotazione dalla turbina al generatore. Alcuni progetti di microcentrali idroelettriche prevedono il trasferimento diretto di energia tramite un albero (la girante e il rotore del generatore si trovano sullo stesso albero). Altri sistemi di trasmissione (cinghia o ingranaggio) possono modificare il rapporto di rotazione della girante rispetto al rotore del generatore oppure trasmetterlo senza modifiche.

Autori: Kartanbaev B.A., Zhumadilov K.A., Zazulsky A.A.

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