Kaplan Turbine : Analisi progettuale e funzionamento della turbina “Intelligente”

Una soluzione intelligente finalizzata al miglior sfruttamento dei grandi volumi d’acqua per bassi salti (intorno 2-30 m) è la turbina Kaplan. Le pale della girante sono sempre regolabili, a differenza del distributore, in cui possono essere fisse o regolabili. Parleremo di Kaplan (detta anche “a doppia regolazione“) quando sia le pale della turbina, sia quelle del distributore hanno un assetto variabile e regolabile. In caso contrario, parleremo di semi-Kaplan. La turbina Kaplan fu inventata nel 1913 dal professore austriaco Viktor Kaplan, da cui prende il nome.

La turbina intelligente: così definita, in quanto gode di un’ottima efficienza anche in situazioni di grosse variazioni di portata del fluido. Il buon rendimento ai carichi parziali dipende essenzialmente da una precisa e rapida regolazione della geometria delle pale, nella turbo-macchina.

• Caratteristiche tecniche:

La turbina Kaplan è una turbina a flusso assiale, questo equivale a dire che il fluido entra e fuoriesce (dalla turbina) in direzione assiale, rispetto all’asse di rotazione della girante. A differenza della turbina Francis, non subisce una rotazione durante la fase di transito nella girante.

Come abbiamo ribadito precedentemente, in termini di salti geodetici, con il quale opera la turbina Kaplan , arriviamo a valori estremamente bassi (rispetto alla stessa turbina Francis): il valore massimo di Hg (salto geodetico utile) è di circa 30 m.

 

• Definizioni utili:

• Ricordando che Hg, altezza geodetica del bacino (o serbatoio) di carico, è definita come la quota, in metri, tra il pelo libero dell’acqua del bacino di carico (ingresso) e l’origine del nostro sistema di riferimento.
• Il salto geodetico (∆Hg) è invece la differenza tra i due peli liberi dell’acqua, rispettivamente del bacino di ingresso e del bacino di scarico.
• Il salto motore totale (Ht) è invece la differenza tra il pelo libero dell’acqua del bacino superiore (ingresso) e la sezione di scarico della Turbo-macchina.
• Il salto motore utile (Hu) tiene conto delle perdite di carico (ξ), cioè:
  Hu= Ht – ξ

In altre turbo–macchine (idrauliche) la definizione può essere legata al concetto di asse del getto di fuoriuscita del fluido in considerazione.

• Funzionamento:

• L’acqua giunge alla turbina mediante un distributore a chiocciola (a);
• successivamente incide su un distributore palettato con pale orientabili (b);
• il moto che caratterizza il fluido in questo tratto è di tipo centripeto, con una forte componente tangenziale;
• l’acqua passa attraverso un canale toroidale non palettato (c) in cui vi si elide l’effetto radiale del moto del fluido;
• successivamente, vedremo il fluido incidere sulle pale della girante (d), con conseguente trasferimento della propria energia meccanica alla girante stessa;
• vi è la messa in rotazione della girante attorno al proprio asse;
• si annulla l’effetto della componente tangenziale e il flusso è libero di essere scaricato nel tratto a sezione divergente (diffusore, “e” in figura) in direzione assiale.

A causa dei bassi salti disponibili, nella Kaplan, e delle elevate velocità di scarico necessarie a contenere le dimensioni della macchina (per garantire un corretto funzionamento alla pari delle altre turbine idrauliche); il diffusore sarà a sezione crescente (divergente) e a “L“.

Al fine di contenere le perdite fluidodinamiche per incidenza, viene praticato lo svergolamento delle pale della girante.

• E il rendimento?..

Per analizzare il rendimento parleremo di diagrammi collinari (detti anche “a conchiglia“) e curve caratteristiche. Esse generalmente presentano il valore di caduta Hg costante, in quanto per valori medio/alti la caduta risulta essere una grandezza poco variabile percentualmente. Per la Kaplan, ci interesserà maggiormente parlare di variazione di portata in funzione del numero di giri della macchina.

In figura abbiamo il diagramma collinare di curve isorendimento della turbina Pelton (a) e della turbina Kaplan (b). In quest’ultima avremo diverse aperture del distributore e diversi assetti geometrici delle pale della girante, pertanto faremo riferimento al parametro n11. Quest’ultimo tiene conto del valore di numero di giri corrispondenti effettivi (n), il diametro della girante (D) e il valore di salto (Hg) in considerazione.

• Applicazioni e curiosità:

Quando la caduta utilizzabile richiesta è molto bassa, la turbina è detta “a Bulbo“. In figura potete notare come una turbina ad asse quasi orizzontale che opera con un valore di caduta di circa 6m. La turbina a Bulbo è disposta assialmente in modo da evitare andamenti troppo tortuosi dei condotti d’ammissione e di scarico per il fluido.
Il tutto al fine di ridurre le perdite fluidodinamiche e incrementare il valore d’incisione.

 

• Considerazioni finali e soluzioni:

A differenza della turbina ad elica a pale fisse, la Kaplan sfrutta la geometria variabile delle pale della girante per garantire valori di portata volumetrica di fluido pari ai 200/300 m³/s in su.

Lo svantaggio è di avere valori di dislivelli sfruttabili molto bassi. Tuttavia, la Kaplan riesce ad adattarsi molto bene alle condizioni di lavoro esterne. Garantisce un alto valore di rendimento (circa 90%): fino a portate del 20-30% della portata nominale.

A sinistra, con pale a configurazione chiusa avremo un valore di velocità di flusso molto basso: la configurazione favorisce l’incisione. A destra, flusso a pieno regime e alta velocità: la configurazione delle pale è sviluppata.

 

•Soluzioni?

Generalmente le turbine Kaplan sono accoppiate alle turbine ad elica (a pale fisse). Queste ultime lavorano a pieno regime e tutto ciò che è in eccesso è incanalato alla turbina Kaplan. In questo modo si limitano i costi di gestione e installazione: Due turbine Kaplan sono più costose di una Kaplan e “a elica” accoppiate.

Una girante Kaplan dotata di deflettori statorici fissi che orientano il flusso entrante nella turbina.

• Prossima puntata?..

Ecco a voi la seconda parte dell’approfondimento sul mondo delle Turbo-Macchine.
Il questa seconda parte ho trattato la turbina Francis, non perdetelo!

Turbina Francis: ==> https://vehicle.closeupengineering.it/turbina-francis-analisi-progettuale-e-funzionamento-della-turbina-quotidiana/10763/

Turbina Pelton: ==> https://vehicle.closeupengineering.it/pelton-turbine/10819/