Uno degli elementi più utilizzati a livello globale per la generazione di energia idroelettrica è il Francis turbina. Si tratta di una turbomacchina creata da James B. Francis e che funziona tramite reazione e flusso misto, sfruttando il movimento dell'acqua per generare energia. La turbina Francis è in grado di funzionare in un'ampia gamma di altitudini e portate, il che la rende un'opzione versatile ed efficiente per vari impianti idroelettrici, poiché può operare su pendenze che vanno da due metri a diverse centinaia di metri.
In questo articolo esamineremo in dettaglio le caratteristiche, le parti e il funzionamento della turbina Francis, nonché la sua importanza nella produzione di energia idroelettrica.
Principali caratteristiche della turbina Francis
Le Francis turbine Si distinguono per la loro grande capacità di operare a diversi dislivelli, da pochi metri a più di 800 metri, anche se la loro efficienza ottimale si riscontra ad altezze inferiori a 800 metri. Questo perché, ad altitudini più elevate, le variazioni di gravità possono influenzarne negativamente le prestazioni.
Queste turbine sono progettate per funzionare con vari intervalli di flusso, il che consente loro di adattarsi a diverse condizioni operative. Sono utilizzati principalmente in impianti idroelettrici per la generazione di energia elettrica, sfruttando l’energia potenziale dell’acqua. Sebbene la progettazione iniziale, l'installazione e la manutenzione siano costose, la loro longevità, efficienza e bassi costi di manutenzione li rendono un investimento redditizio a lungo termine.
Il design della turbina Francis comprende un sistema idrodinamico che garantisce perdite d'acqua minime, che garantisce elevate prestazioni. Inoltre, la sua struttura robusta e resistente riduce la necessità di manutenzione, il che rappresenta un vantaggio significativo rispetto ad altri tipi di turbine. Con l’avanzare della tecnologia, sono stati sviluppati nuovi materiali che riducono ulteriormente i requisiti di manutenzione, consentendo alle turbine Francis di rimanere economicamente vantaggiose per diversi decenni.
Uno dei limiti della turbina Francis è la sua sensibilità a grandi variazioni di flusso d'acqua, pertanto se ne sconsiglia l'installazione in zone dove la portata può variare drasticamente.
Cavitazione nella turbina Francis
Un altro aspetto da tenere in considerazione nella progettazione e manutenzione delle turbine Francis è la cavitazione, un fenomeno idrodinamico che si verifica quando all'interno del fluido si formano cavità o bolle di vapore. Ciò accade quando l'acqua passa ad alta velocità sugli spigoli vivi della turbina, provocando squilibri di pressione secondo la formula di Bernoulli.
Si formarono le bolle, conosciute come cavità di vapore, viaggiano dalla zona di pressione più bassa a quella più alta. Quando il vapore ritorna improvvisamente allo stato liquido, le bolle collassano e rilasciano energia, che può danneggiare la struttura della turbina creando microimpatti sulle superfici solide. Questo fenomeno non solo riduce l'efficienza della turbina, ma può anche accelerare l'usura dei suoi componenti.
La cavitazione è uno svantaggio perché può ridurre la vita utile della turbina producendo microfessure e danni visibili, soprattutto nelle zone vicine al rotore. Per mitigare questo problema, vengono utilizzati materiali avanzati e tecniche di manutenzione preventiva, oltre al controllo esaustivo delle condizioni operative, per ridurre al minimo le variazioni che causano questo fenomeno.
Parti principali della turbina Francis
La turbina Francis è composta da diverse parti, ognuna delle quali svolge una funzione specifica per massimizzare l'efficienza nella generazione di energia idroelettrica:
- Camera a spirale: Questa camera distribuisce il fluido in modo uniforme verso la girante. La sua forma a spirale o a chiocciola è essenziale, poiché garantisce che la velocità del fluido rimanga costante in tutti i punti. Di solito ha sezione circolare, anche se in alcuni casi può anche essere rettangolare.
- Predistributore: Formato da lame fisse che hanno funzione strutturale all'interno del sistema. Questi elementi rinforzano la camera a spirale e riducono al minimo le perdite idrauliche.
- Distributore: Questa sezione è costituita da palette guida mobili, che controllano il flusso dell'acqua verso la girante. La sua funzione è quella di consentire al flusso di adattarsi alle variazioni di carico della rete elettrica, ottimizzando in ogni momento le prestazioni.
- Girante o rotore: Questo è il cuore della turbina, dove avviene lo scambio energetico. La girante converte l'energia cinetica, potenziale e di pressione dell'acqua in energia meccanica. Attraverso un albero, questa energia meccanica viene trasferita ad un generatore elettrico, dove viene infine convertita in elettricità.
- Tubo di aspirazione: Questa è l'uscita del fluido dalla turbina. La sua forma diffusore crea una depressione che aiuta a recuperare parte dell'energia non completamente utilizzata nella girante, contribuendo così a migliorare l'efficienza complessiva del sistema.
Classificazione delle turbine Francis
Le turbine Francis possono essere classificate in base alla velocità di funzionamento e alle caratteristiche della prevalenza:
- Turbina Francis lenta: Viene utilizzato principalmente per salti ad altezze elevate, superiori a 200 metri.
- Turbina Francis normale: Indicato per altezze medie, tra i 20 ed i 200 metri.
- Turbina Francis veloce ed extra veloce: Adatto per salti di piccola altezza, inferiori a 20 metri. Queste turbine sono ideali per grandi portate d'acqua e bassa prevalenza.
Il design di queste turbine varia a seconda delle caratteristiche della prevalenza e della portata disponibile in ciascuna installazione. È fondamentale selezionare la tipologia di turbina più adeguata per ottimizzare le prestazioni energetiche e ridurre i costi operativi.
Con le informazioni sopra riportate potrai comprendere meglio come funzionano le turbine Francis, le loro caratteristiche principali, i componenti e i limiti. Questo tipo di turbina è un’opzione versatile, efficiente e duratura per la produzione di energia idroelettrica in tutto il mondo.