Come scegliere la forma delle pale di una turbina?

In questo articolo vedremo come la forma delle pale di una turbina sia determinante per definirne la capacità di produrre energia. Buona lettura!

Quali tipi di turbine esistono?

Anzitutto partiamo definendo cosa sia una turbina. Si tratta di una macchina motrice, ovvero in grado di convertire energia meccanica in altre forme. Per approfondire maggiormente le turbine, vedere l’articolo indicato qui. Le turbine possono essere ad azione (nelle quali l’energia potenziale del fluido viene convertita in cinetica alla girante) o a reazione (nelle quali è presente il contributo dell’energia di pressione), a seconda della modalità di funzionamento. Per i due tipi di turbine esisteranno due tipi diversi di pale.

Triangolo delle velocità

Il concetto che sta alla base della progettazione delle pale di una turbina è il cosiddetto triangolo delle velocità, ovvero la disposizione delle 3 componenti di velocità del fluido in ingresso.

Avremo un triangolo delle velocità in ingresso ed uno in uscita: facendo la differenza tra i due, otterremo la componente che si sarà convertita in energia e quella che invece sarà andata perduta.

La componente w del triangolo di velocità sarà la componente che avrà direzione pari a quella in ingresso (ed in uscita) della pala della turbina. La componente u, invece, sarà la componente tangenziale al senso di rotazione.

L’insieme delle due componenti darà la componente c, ovvero direzione e verso di velocità del fluido stesso.

Facciamo un’esempio pratico:

Come è possibile vedere, abbiamo le componenti in ingresso (1) e quelle in uscita (2). Il fluido entrerà con velocità w1 e, trascinato dalla girante (componente u1), arriverà ad avere una risultante finale c1. In uscita, il fluido avrà sempre le due componenti u2 (che nel caso di flusso centrifugo, sarà necessariamente maggiore di u1) e w2, che unitamente daranno la risultante c2.

I valori di ciascuna delle componenti di velocità vengono opportunamente studiati per ottimizzare l’estrazione di potenza ed il rendimento della turbina: l’ottenimento delle direzioni di flusso è una conseguenza della creazione di pale aventi forma idonea.

Andiamo a vedere alcuni esempi di pale di turbine nei vari casi applicativi

Pale turbine ad azione

Le pale tipiche di una turbina ad azione hanno una forma tipica a cucchiaio. Questo avviene per poter massimizzare la differenza tra velocità del flusso in ingresso ed in uscita, ovvero la componente che determinerà la potenza estratta

Pale turbine a reazione

Per quanto riguarda le turbine a reazione, possiamo vedere anzitutto il caso di una turbina centrifuga (un modello Francis).

Essendo una turbina a reazione, nonostante centrifuga come il caso descritto sopra, vediamo come la forma delle pale (in colore rosso, quelle in giallo rappresentano lo statore, ovvero delle pale fisse che portano il fluido in ingresso al rotore secondo la direzione ottimale) sia completamente diversa. Questo avviene proprio per la natura stessa della girante, che non sfrutta soltanto la velocità dell’acqua per generare potenza, ma anche la differenza di pressione tra ingresso ed uscita dalla girante.

Nel caso di turbine assiali a reazione (Kaplan), vi saranno pale ancora differenti (in quanto il flusso entrerà ed uscirà sempre in direzione d’asse)

Conclusioni

L’articolo di oggi voleva dare un’idea di come la forma delle pale fosse determinante nell’estrazione di potenza da turbine, evidenziandone i principi alla base.

Spero sia stato di vostro gradimento, fatemelo sapere nei commenti

Noi ci risentiamo nel prossimo articolo

A presto

Luca

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