Turbina

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Introduzione

Turbina Macchina motrice rotante che converte in energia meccanica l’energia cinetica di un fluido in movimento. L’elemento essenziale della turbina è la girante, o rotore, che può essere costituita da un’elica o da una ruota dotata di alette o pale variamente profilate. L’energia meccanica acquisita dalla girante viene poi trasmessa a un albero motore che viene utilizzato per azionare una qualsiasi macchina, un compressore, un generatore elettrico o un’elica. Si distinguono tre tipi principali di turbine: idrauliche, a vapore e a gas. Un tipo particolare di turbina a gas è la turbina a vento, detta anche aerogeneratore o aeromotore. Attualmente la maggior parte dell’energia elettrica mondiale viene prodotta da generatori azionati da turbine.

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Turbine idrauliche

La più antica e semplice turbina idraulica è la ruota idraulica, usata dapprima nell’antica Grecia e successivamente adottata nella maggior parte dell’Europa antica e medievale per la macinazione del grano. Nella sua forma più semplice consisteva in un albero verticale, con una serie di alette o palette radiali oblique, che veniva posizionato in corsi d’acqua a flusso rapido o in condotte forzate. La potenza prodotta era di circa 0,5 cavalli. La ruota idraulica orizzontale (ossia una ruota a palette radiali montata su un albero orizzontale) fu descritta per la prima volta nel I secolo a.C. dall’architetto romano Marco Vitruvio Pollione; aveva la parte inferiore immersa nel corso d’acqua e costituiva quindi un esempio di “ruota per disotto”. Nel II secolo d.C. venne introdotta nelle regioni collinari la più efficiente “ruota per disopra”, che sfruttava l’energia di un flusso d’acqua in caduta per effetto della gravità. Nel Medioevo la potenza massima della ruota idraulica aumentò da 3 a circa 30 cavalli.

Il passaggio dalla ruota idraulica alla turbina è più che altro semantico. Il primo importante tentativo di formulare una base teorica per la progettazione delle ruote idrauliche fu compiuto nel XVIII secolo dall’ingegnere civile britannico John Smeaton. Il francese Jean-Victor Poncelet ideò una ruota per disotto con palette curve, che aumentavano il rendimento di circa il 70%. Un altro ingegnere francese, Claude Burdin, inventò il termine “turbina”, introducendolo in una relazione teorica nella quale sottolineava l’importanza della velocità di rotazione. Benoit Fourneyron progettò e costruì per le ferriere francesi giranti che raggiungevano una velocità di oltre 60 giri al minuto ed erogavano fino a 50 cavalli di potenza. In seguito costruì turbine che operavano a 2300 giri al minuto e sviluppavano 60 cavalli di potenza, con un rendimento superiore all’80%.

Nonostante l’efficienza, la turbina Fourneyron presentava alcuni inconvenienti, causati della spinta centrifuga del flusso uscente, che si manifestavano quando il flusso diminuiva o la pressione si riduceva. Fu l’ingegnere anglo-statunitense James B. Francis a progettare una turbina a flusso centripeto, nella quale cioè il flusso era diretto verso l’interno. La cosiddetta turbina a reazione, o turbina Francis, divenne la turbina idraulica più usata per salti d’acqua (o dislivelli) da 10 a 100 m. In questo tipo di turbina l’acqua dapprima passa fra le alette di una parte fissa (il distributore), che trasforma parte della sua energia di pressione in incremento di velocità, e quindi viene diretta verso la girante.

Nella seconda metà del XIX secolo, per impianti che potevano disporre di dislivelli da 100 a 1000 m, entrò in uso la turbina Pelton, progettata dall’ingegnere statunitense Lester Allen Pelton. In questa macchina, l’acqua proveniente da un bacino ad alta quota viene inviata attraverso una condotta forzata a un ugello, dove l’energia potenziale dell’acqua (posseduta per effetto della forza di gravità) è trasformata nell’energia cinetica di un getto ad alta velocità. Il funzionamento della turbina Pelton dipende dall’azione diretta del getto sulla girante.

L’aumento della domanda di energia idroelettrica nei primi anni del XX secolo stimolò la necessità di una turbina adatta a piccoli dislivelli. Nel 1913 l’ingegnere austriaco Viktor Kaplan propose una turbina a elica, il cui funzionamento era sostanzialmente l’inverso di quello dell’elica di una nave. Successivamente migliorata, questa turbina ebbe un’ampia diffusione.

Per mantenere costante la tensione di uscita di una centrale idroelettrica, la velocità delle turbine deve essere mantenuta costante a prescindere dalle variazioni di pressione dell’acqua. Ciò richiede continui controlli, che per le turbine Francis e Kaplan significa principalmente la regolazione continua del flusso, mediante l’apertura delle palette del distributore, a cui, nelle turbine Kaplan, si può aggiungere la variazione del passo delle pale dell’elica. Nelle turbine Pelton il flusso dell’acqua viene regolato variando l’apertura dell’ugello di alimentazione; in questo caso la turbina deve essere fornita di un ugello di by-pass da usare per lo scarico temporaneo nell’eventualità di repentine variazioni di flusso nelle lunghe condotte forzate, a seguito delle quali si potrebbero verificare improvvisi e imponenti aumenti di pressione (i cosiddetti colpi d’ariete), pericolosi per l’integrità della condotta.

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Sviluppi progettuali

Negli impianti idroelettrici moderni vengono costruite grandi unità in presenza di dislivelli elevati, impiegando generalmente turbine Kaplan fino a 60 m e turbine Francis fino a 600 m. L’impianto che dispone del dislivello maggiore (circa 1770 m) si trova a Reisseck, in Austria, e utilizza una turbina Pelton, mentre singole unità di notevoli dimensioni sono installate nell’impianto di Itaipú, in Brasile: si tratta di 18 turbine Francis da 700 megawatt ciascuna, per una capacità complessiva di 12.600 megawatt.

Molti degli impianti idroelettrici a basso dislivello realizzati prima del 1930 sono stati abbandonati a causa delle elevate spese di manutenzione e di manodopera. Tuttavia il crescente costo dei combustibili fossili, unito all’attuale disponibilità di un tipo standardizzato di turbina a elica ad albero pressoché orizzontale, ha riportato l’interesse anche sugli impianti di piccole dimensioni.

La turbina idraulica può essere progettata per girare anche in senso inverso, agendo come pompa: ciò è possibile invertendo il modo di funzionamento del generatore, che in tal caso funziona come un motore. Immagazzinare l’energia elettrica in modo economico non è possibile, ma l’azionamento della cosiddetta pompa-turbina nelle ore di consumo ridotto consente di pompare nel bacino di raccolta una quantità di acqua che può essere poi riutilizzata nelle ore di massimo consumo per azionare la turbina. Negli ultimi anni la tecnologia della pompa-turbina si è sviluppata notevolmente, tanto da essere applicata a dislivelli fino a 600 m e a unità di oltre 400 megawatt.

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Turbine a vapore

Il successo della turbina idraulica suggerì la possibilità di applicare il principio della turbina alla produzione di energia meccanica ed elettrica utilizzando il vapore. Mentre la macchina a vapore di Watt, a moto alternativo, utilizzava la pressione del vapore, la turbina ne sfruttava l’energia cinetica con un rendimento conseguentemente maggiore. Le turbine sono più piccole, più leggere e più economiche delle macchine a vapore alternative di pari potenza e dal punto di vista meccanico presentano il vantaggio di produrre direttamente un moto rotatorio, senza richiedere l’uso di alberi a gomiti o altri meccanismi per la trasformazione del moto rettilineo alternativo. Come conseguenza di ciò, la turbina a vapore (che nella classificazione dei motori termici si inserisce come motore a combustione esterna continuo) ha sostituito la macchina alternativa come motore principale nelle grandi centrali termoelettriche e nella propulsione navale. Inoltre, alimentate da generatori di vapore (vedi Caldaia) accoppiati con scambiatori di calore, le turbine a vapore sono impiegate nella produzione di energia elettrica nelle centrali nucleari e nella propulsione nucleare delle navi.

Nelle applicazioni industriali che richiedono sia il calore di processo (ossia il calore necessario allo svolgimento di un processo tecnologico) sia l’elettricità, il vapore viene portato ad alta pressione nella caldaia, in modo che, dopo aver alimentato la turbina, si trovi nelle condizioni di pressione e temperatura richieste dal processo. Le turbine a vapore possono anche essere inserite in cicli combinati con un generatore di vapore che recupera il calore che andrebbe altrimenti perduto, come quello, ad esempio, contenuto nei gas di scarico di una turbina a gas.

La turbina a vapore non è stata il frutto dell’ingegno di una singola persona, ma si è sviluppata negli ultimi anni del XIX secolo, come risultato del lavoro di più inventori, fra i quali spiccano il britannico Charles Algernon Parsons e lo svedese Carl Gustav Patrik de Laval. A Parsons si deve il cosiddetto principio della stadiazione, ossia la suddivisione in diversi stadi dell’espansione del vapore, in modo che questo produca lavoro utile a ciascuno stadio. De Laval invece fu il primo a progettare una disposizione di ugelli e palette particolarmente adatta a sfruttare efficacemente l’espansione del vapore.