Francis Turbine: Analisi progettuale e funzionamento della turbina “Quotidiana”

Nel precedente approfondimento sul mondo delle Turbo-Macchine, ho trattato la Turbina Kaplan. Oggi parlerò della turbina idraulica maggiormente utilizzata in ambito ingegneristico: la Turbina Francis. Nel 1848 James B. Francis, ingegnere inglese trasferito in America, teorizza e sviluppa il primo modello di turbina idraulica a reazione, la quale prenderà successivamente il suo nome. A differenza della Kaplan, la turbina Francis lavora con un valore di salto motore (e salto geodetico utile Hg) medio, cioè Hg< 400/500 m.

La classificazione delle turbine idrauliche può seguire il criterio geometrico (in base alla caratteristica di azionamento/funzionamento) oppure il criterio funzionale (in base al salto motore/utile o, preferibilmente, al numero di giri caratteristico della turbina in questione.

• 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

 

• Caratteristiche tecniche:

La turbina Francis è caratterizzata da:

• 1) Condotto a Chiocciola a sezione convergente;
• 2a) un pre-distributore (che spesso manca) con palettamenti ad angolazione fissa sulla parte statorica. La sua funzione è quella di indirizzare il flusso d’acqua sul distributore (a pale orientabili) con l’angolo di incidenza più opportuno, in modo tale da evitare che il fluido, entrando nel distributore, possa subire brusche variazioni di direzione. Direzioni casuali e non-omogeneo comportano perdite di carico;

• 2b) distributore Fink: Esso è caratterizzato da pale ad angolazione variabile mediante un meccanismo del tipo (Biella-Manovella, B-M). Tale meccanismo è in grado di sviluppare in senso orario (o antiorario che sia) l’organo di regolazione (G) e di conseguenza il profilo delle pale (P) mediante i perni (C), i quali vincolano le pale ad una struttura fissa;
• 3) girante della turbina: in grado di garantire flusso in ingresso radiale e flusso in uscita in direzione assiale.

• Funzionamento:

La turbina Francis è una turbina a flusso centripeto:

• L’acqua entra nella chiocciola a tratto convergente che lambisce completamente la girante;
• successivamente il pre-distributore e/o distributore Fink indirizza il flusso, nella condizione di massimo rendimento ed efficienza, sulle pale della girante. La componente di velocità in questo tratto è fortemente centripeta/radiale.
• infine vi è lo scarico del fluido dalla turbina con componente assiale.

• Particolarità & principi fisici alla base:

Essa è chiamata turbina “a reazione” in quanto la messa in rotazione della girante (e rotazione a regime) è garantita non solo dalla velocità del fluido nel condotto a chiocciola, bensì dalla sua pressione, la quale risulta essere maggiore di quella atmosferica.
Come ci riesce?

Il tratto a sezione convergente (della chiocciola) porta un aumento della pressione ed è in grado di trasformare la pressione ancora presente in energia cinetica per il fluido, quindi velocità.

Nel primo tratto è accelerato, nel secondo, invece, è in grado di mantenere costante il valore di velocità: da una parte vi sono le perdite per laminazione nello strato limite (a causa dell’attrito viscoso), dall’altra parte vi è una compensazione grazie a:

P(pressione) ⇒ Energia cinetica (velocità).

Per ottimizzare, mediante la geometria, il funzionamento della turbina:

La fase di espansione dell’acqua è volutamente prolungata per far si che la pressione raggiunta sia inferiore di quella atmosferica. In questo modo viene creato un effetto di de-pressione che velocizza l’intera fase di scarico.

A valle della girante, però, bisogna riportare il fluido alle condizioni esterne di partenza, pertanto la pressione dovrà aumentare?
Quale miglior modo se non ricomprimerlo grazie ad un ugello (diffusore con tratto convergente)?

Ri-compressione, perchè?

Il fluido è compresso nuovamente, andando a progettare il tratto convergente delle caratteristiche geometriche in grado di garantire una P(fin.)≈ P(atm).

Questa fase è in grado di sfruttare quell’aliquota di energia cinetica che il fluido ancora possiede a fine espansione in girante, in modo tale che non vada persa: all’uscita dalla girante, l’energia non potrà più essere utilizzata dalla turbina.

Se l’effetto di de-pressione è esageratamente alto, si porta il fluido al di sotto della pressione di liquido saturo (componente in fase liquida in equilibrio con sé stessa). Questo porta a sua volta alla Cavitazione: trasformazione in vapore, dannoso per la turbina in quanto il vapore corrode e riduce la resistenza meccanica del palettamento della girante.

• Considerazioni finali:

La girante della turbina Francis (e Kaplan) sono, a differenza di quella della turbina Pelton, completamente immerse nell’acqua.
La Francis si differenzia in quanto è caratterizzata da un’ammissione elico-centripeta. Essa varia la sua geometria in funzione di: Numero di giri effettivi, portata di fluido, dislivello Hg utilizzabile, Hm, etc.

Questa turbina viene impiegata in corsi d’acqua con dislivelli da 10 m fino a 300-400 m e portate da 2-3 m³/s fino a 100 m³/s.
Per alti valori di portata, la configurazione del palettamento del distributore assume:

Per bassi valori di portata, invece, il palettamento assume una configurazione ottimale al fine di aumentare l’incidenza del fluido sulla girante.

La turbina Francis “a reazione” è in grado di aumentare la velocità del fluido in uscita dalla girante, rispetto al valore che essa assume all’ingresso. Inoltre, la pressione è variabile nella girante e ciò comporta la necessità di un distributore ad ammissione totale di fluido sulla girante («completamente immersa nel fluido»).
Per alti valori di portata, la geometria della girante dovrebbe aumentare al fine di garantire minor perdita possibile. L’orientazione variabile del palettamento non basta! Ecco perchè, pur essendo molto utilizzata, non garantisce un campo d’applicazione vasto come quello della turbina Kaplan.

• Prossima puntata?..

La seconda parte dell’approfondimento sulle Turbo-Macchine è terminato. Nella prossima puntata analizzerò la turbina Pelton per concludere. Non perdetelo!
Turbina Pelton :
==> https://vehicle.closeupengineering.it/pelton-turbine/10819/
La prima parte dell’approfondimento sulla turbina Kaplan:
==> https://vehicle.closeupengineering.it/turbina-kaplan-analisi-funzionamento/10674/