Turbina Pelton

La Turbina Pelton fu inventata (Brevetto 1880 ^[1]) da Lester Allan Pelton, carpentiere, nel 1879 mentre lavorava in California, e risulta essere ancora oggi la turbina ad azione con rendimento più elevato.

È utilizzata per grandi salti (maggiori di 15 m, di solito tra i 300 e i 1400 m) e piccole portate (inferiori a 50 m³/s), si utilizza quindi solitamente per i bacini idroelettrici alpini.

L'energia potenziale dell'acqua ( $\mathit{U=mgh}$ ) accumulata ad elevate altitudini giunge alla turbina tramite dei "condotti forzati" (grosse tubature) che conducono l'acqua a valle. Un ugello (o più di uno) indirizzano l'acqua sulle pale della Pelton determinandone la rotazione. L'ugello grazie alla sua forma trasforma in energia cinetica ( $E =\frac{1}{2}mv^2$ ) tutta la pressione contenuta sui condotti, così il getto sulla turbina non sarà in pressione: proprio per questo la turbina Pelton è una turbina ad azione (vedi stadi ad azione).

La forma delle pale è quella di due cucchiai appaiati, tra i quali si trova un tagliante che divide a metà il getto, per farlo uscire ai lati sotto forma di due getti separati ed equilibrare la spinta sui due lati della turbina.

Sezione della pala con getto incidente

Il flusso di acqua in uscita dall'ugello viene deviato di circa 180° dalle pale della turbina, che, come conseguenza, subiscono una spinta (verso l'alto nel disegno) come reazione alla deviazione del flusso stesso. Tale spinta è pari a:

$S = \rho \cdot Q \cdot (V_i - V_u)$

dove: $\rho$ = densità di massa del fluido, $Q$ = portata, $V_u$ = componente tangenziale della velocità in uscita, $V_i$ = componente tangenziale della velocità in ingresso.

Le pale "in presa", contribuenti alla rotazione poiché contengono acqua, sono sempre più di una, questo è necessario per avere regolarità nella spinta.

Un aspetto da non trascurare è il diametro della girante: più è grande, minore sarà la velocità di rotazione $\omega$ ,

$u = \omega \cdot \frac{D}{2}$

ove: $u$ è la velocità tangenziale, $D$ il diametro della girante

una girante lenta è poco apprezzata su di una centrale idroelettrica, poiché fa aumentare i costi a parità di energia prodotta; per questo motivo si utilizzano tipicamente alternatori a magnete rotante bipolare, il che significa una velocità di rotazione di 3000 giri/min per la generazione della corrente AC a 50 Hz usata in Europa (3600 giri/min e 60 Hz negli USA).

Caratteristiche [modifica]

Montaggio di due giranti Pelton coassiali

La massima spinta avviene a girante ferma, ovvero quando la differenza tra la velocità del getto e della girante è più grande, quindi una caratteristica positiva di questo tipo di turbina è avere un transitorio di avviamento molto breve.

Un altro aspetto particolarmente apprezzato è l'ampio margine di regolazione della girante, si può regolare la portata del getto, riducendolo in sezione (quindi ottenere una potenza minore), senza che vada ad influire negativamente sul rendimento della trasformazione energetica. La regolazione della sezione avviene mediante una spina (ago doble) che scorrendo orizzontalmente va ad ostruire tutta la sezione del getto o parte di essa. Dato che la regolazione mediante ago non può essere improvvisa, in modo da evitare colpi d'ariete indesiderati, un altro strumento utile in regolazione è il tegolo deviatore che intercetta parte del flusso in uscita dall'ugello, deviandolo.

I salti su cui si impiegano le turbine Pelton vanno generalmente dai 1.400 m fino anche ai 300 m: ovviamente l'architettura della girante tra i due estremi varierà abbastanza. Man mano che il salto decresce, cioè scendendo a valle, si ha un bacino di raccolta maggiore con conseguenti portate più impegnative. Per far fronte a questo fenomeno è necessario impiegare Pelton con cucchiai più grandi oppure suddividere il getto in più parti, così da avere la Pelton poligetto. Questa seconda soluzione permette di utilizzare giranti più piccole di diametro e quindi che ruotano più velocemente.

Un difetto intrinseco di questa turbina è quello di non potere utilizzare l'intera altezza del salto, in quanto la girante, non potendo essere immersa nel canale di scarico, è sollevata rispetto al pelo dell'acqua libera; una quota del salto, quindi, maggiore del raggio della girante, è persa. L'inconveniente è chiaramente tanto più trascurabile quanto più il salto dell'acqua è elevato.

Triangoli di velocità [modifica]

Turbina Pelton. È utilizzata per grossi salti d'acqua

La portata d'acqua viene fatta impattare sulle pale grazie a dei getti (di numero variabile) di diametro pari a $d$ . Tale portata può essere variata grazie alla spina Doble che riduce al minimo le perdite di attrito nel momento in cui viene occlusa parte della sezione di passaggio. La velocità $c_1$ con cui il flusso impatta sulle pale dipende esclusivamente dalla caduta disponibile: infatti, applicando il principio di conservazione dell'energia si ottiene $c_1 = \sqrt{2gH_u}$ . Il triangolo di velocità in ingresso degenera in una retta poiché in condizioni di funzionamento la velocità di trascinamento $u$ ha la stessa direzione di $c_1$ . Per cui $w_1$ (velocità relativa) ha modulo pari alla differenza $c_1-u$ . La pala devia il flusso in due parti (essa permette una risultante della variazione di quantità di moto in direzione assiale nulla): la velocità relativa di uscita presenta un angolo beta (che coincide con quello fluidodinamico in condizioni ideali) e ha modulo minore di $w_1$ per via delle perdite in girante (che in verità non sono elevatissime in questa turbina), la velocità di trascinamento è sempre la stessa (vedi geometria della turbina). Il rendimento idraulico presenta un massimo per un rapporto $\frac{u}{c_1}$ pari a 0,48; infatti le perdite per attrito ventilante spostano il punto di massimo (nel caso ideale infatti il rapporto vale 0,5).