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Turbina idraulica

Turbina idraulica è un dispositivo meccanico atto a trasformare l'energia, potenziale o cinetica, di un liquido in energia meccanica. Il loro rendimento è elevato, spesso sopra il 90% per questo sono molto apprezzate, anche se la loro installazione richiede diverse infrastrutture.

Antesignane delle turbine idrauliche moderne sono le ruote idrauliche, di concezione antica, e divenute di grande uso a partire dal XVII secolo in concomitanza del passaggio dalla fase artigianale a quella industriale della produzione. Le ruote idrauliche, tuttavia, essendo basate quasi esclusivamente sullo sfruttamento dell'energia potenziale, non potevano fornire grandi potenze a causa della bassa altezza di caduta dell'acqua (nel caso di ruote da sotto) e delle limitate dimensioni delle camere (ruote da sopra). Un passo decisivo, che costituisce la nascita delle turbine moderne, fu lo sfruttamento dell'energia cinetica, realizzato con le turbine di tipo Pelton XIX secolo, in cui opportuni sistemi rendono l'acqua in ingresso alla turbina a velocità elevate in modo da sfruttare, in termini di quantità di moto, la velocità di ingresso piuttosto che la portata. Tuttavia, per ottenere le velocità desiderate, vi era la necessità di disporre di prevalenze, o altezze di caduta, molto rilevanti, cosa spesso difficile data la configurazione dei siti, e che obbligava alla costruzione di bacini artificiali alquanto costosi. Verso l'inizio del XX secolo si svilupparono così turbine per basse altezze di caduta, le Francis, adatte sia a bacini a bassa altitudine che all'installazione in corsi d'acqua, previa costruzione di sbarramenti di (relativamente) pochi metri d'altezza, contro le decine o centinaia necessari per le Pelton. Si svilupparono infine le turbine di tipo Kaplan, adatte a altezze di pochissimi metri (2 - 3), sostanzialmente delle eliche intubate.

Oggi le ruote idrauliche sono praticamente scomparse dall'uso pratico, e le turbine idrauliche sono usate nella grande maggioranza dei casi per la produzione (tramite generatori azionati dalle turbine stesse) di energia elettrica. I tipi Pelton, Francis e Kaplan costituiscono la maggioranza delle installazioni, ciascuno secondo le proprie caratteristiche di esercizio.

Le principali tipologie di turbine idrauliche oggi impiegate sono:

Pelton

La turbina di tipo Pelton è la più semplice nel funzionamento. Per essere chiari il suo principio di funzionamento rispecchia quello della classica ruota a pale dei vecchi mulini, solo che qui è rivisto e corretto per aumentarne l'efficenza. In pratica l'acqua viene convogliata nella condotta forzata la quale ha alla fine un'ugello, ossia una strozzatura che fa aumentare la velocità dell'acqua indirizzandone i filetti fluidi. Dall'ugello esce un getto d'acqua che va a colpire le pale della girante.

L'ugello è costruito in modo tale da avere al suo interno una spina di regolazione, che consente di variare la portata dell'ugello. L’assieme ugello/spina si chiama introduttore.

Per aumentare l'efficenza del getto è necessario che l'ugello si trovi il più vicino possibile alla girante in modo tale da minimizzare la perdita di pressione. Per far questo i cucchiai vengono sagomati in modo opportuno con una scanalatura al centro per consentire che il getto colpisca una pala alla volta e per far si che tutta l’energia del getto non vada sprecata ma venga ceduta alla superficie del cucchiaio durante il suo movimento. Questo tipo di turbina è utilizzato per grandi dislivelli in modo tale da avere pressioni molto alte.