SEGUICI SU:

DELLO STESSO AUTORE

INSTAGRAM

CORRELATI

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:

Kaplan turbine
green-mechanic.com

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.

 

Kaplan
renewablesfirst.co.uk

• Definizioni utili:

Schema turbine idrauliche
Schema turbine idrauliche

  • Ricordando che Hgaltezza 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:
    HuHt – ξ

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

Funzionamento:

Schema turbina Kaplan
Schema turbina Kaplan

  • 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.

Test GIF - Find & Share on GIPHY

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.

Kaplan turbine
Simulazione fluidodinamica della turbina Kaplan, hfm.tugraz.at

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.

Curve Isorendimento delle turbine Pelton e Kaplan
Curve Isorendimento delle turbine Pelton e Kaplan

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.

Turbina a Bulbo
Turbina a Bulbo

 

Considerazioni finali e soluzioni:

turbina kaplan
youtube.com

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.

Kaplan turbine
renewablesfirst.co.uk

 

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.

Turbina-Kaplan
appuntidigitali.it

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/

CUE FACT CHECKING

Grazie per essere arrivato fin qui

Per garantire lo standard di informazione che amiamo abbiamo dato la possibilità ai nostri lettori di sostenerci, dando la possibilità di:
- leggere tutti gli articoli del network (10 siti) SENZA banner pubblicitari
- proporre ai nostri team le TEMATICHE da analizzare negli articoli

2 COMMENTI

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here

Antonello Volzahttp://vehicle.closeupengineering.it
Nato ad Alberobello (BA) , laureato in Ingegneria Meccanica presso il Politecnico di Bari nel luglio 2018. Grande appassionato di tecnologia e di meccanica dei veicoli. Attualmente frequenta un corso di laurea magistrale in Ingegneria del Veicolo con specializzazione Automotive Powertrain, presso il dipartimento Enzo Ferrari dell'università di Modena. Nel 2016 entra a far parte del team Close-up Engineering come responsabile del reparto Vehicle.