Classificazione

La turbina idraulica è quel dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica; è essenzialmente costituita da un organo fisso, il distributore e da uno mobile, la girante. Il primo ha tre compiti essenziali: indirizza la portata in arrivo alla girante imprimendovi la direzione dovuta, regola la portata mediante organi di parzializzazione, provoca una trasformazione parziale o totale in energia cinetica dell'energia di pressione posseduta dalla portata. L'entità di questa trasformazione è l'elemento più importante per la classificazione delle turbine: quando la trasformazione da potenziale a cinetica avviene completamente nel distributore, si parla di turbine ad azione, altrimenti di turbine a reazione. La girante infine trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica resa sull'albero motore.

Curiosità
L'antenata della moderna turbina può essere considerata la ruota idraulica, invenzione risalente all'epoca greco romana, utilizzata per far girare le grosse mole di pietra per macinare il grano.

Pelton

Le Pelton sono turbine ad azione nelle quali uno o più ugelli (una turbina ad asse verticale può avere fino a sei ugelli, con una o due giranti) trasformano totalmente la pressione dell'acqua in energia cinetica.

Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo. Solitamente sono dotate di un tegolo deflettore, che ha lo scopo di deviare il flusso dalle pale, in caso di brusco distacco di carico, in modo da evitare la fuga della turbina senza dover chiudere troppo velocemente la valvola di macchina, manovra che può causare colpi d'ariete intollerabili nella condotta. Il piano degli ugelli è sempre quello meridiano della girante.

L'acqua abbandona le pale a velocità molto bassa (idealmente a velocità nulla) per cui la cassa, che contiene la ruota, non deve resistere a nessuna pressione e può quindi essere molto leggera. Sono usate per salti compresi nell'intervallo 50-1300m.

Turgo

La Turgo è una turbina ad azione che può lavorare con salti tra i 15 ed i 300m.
Rispetto alla Pelton ha pale con forma e disposizione diverse ed il getto colpisce simultaneamante più pale, similmente alle turbine a vapore. Il volume d'acqua che una turbina Pelton può elaborare è limitato dal fatto che il flusso di ogni ugello possa interferire con quelli adiacenti, mentre la turbina Turgo non soffre di questo inconveniente.

Il minor diametro necessario comporta, a parità di velocità periferica della girante, una maggiore velocità angolare, che consente quindi l'accoppiamento al generatore senza il moltiplicatore, con conseguente diminuzione dei costi ed aumento dell'affidabilità.

Cross-flow (a flusso incrociato)

Questa turbina ad azione si utilizza con una gamma molto ampia di portate e salti tra 5 m e 200 m.

Il suo rendimento massimo è inferiore all'87%, però si mantiene quasi costante quando la portata discende fino al al 16% della nominale e può raggiungere una portata minima teorica inferiore al 10% della portata di progetto.

L'acqua entra nella turbina attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota, che funziona quasi completamente sommersa (con un piccolo grado di reazione).

Il flusso che abbandona il primo stadio cambia di direzione al centro della ruota e s'infila nel secondo stadio, totalmente ad azione. La ruota è costituita da due o più dischi paralleli, tra i quali si montano, vicino ai bordi, le pale, costituite da semplici lamiere piegate. Queste ruote si prestano alla costruzione artigianale nei paesi in via di sviluppo, anche se, non raggiungono i rendimenti dei gruppi realizzati con tecnologie appropriate.

Curiosità
Questo tipo di turbina viene anche chiamata turbina Banki-Michell, in onore dei suoi inventori, oppure turbina Ossberger, il nome della ditta che la fabbrica da più di 50 anni.

Francis

Sono turbine a reazione a flusso radiale con distributore a palre regolabili e girante a pale fisse, molto utilizzate per i medi salti (vengono usate per salti compresi nell'intervallo 10-350m).

Nelle turbine Francis veloci, l'alimentazione è sempre radiale, mentre lo scarico dell'acqua è solitamente assiale; in queste turbine l'acqua si muove come in una condotta in pressione: attraverso il distributore (organo fisso) perviene alla ruota (organo mobile) alla quale cede la sua energia, senza entrare in nessun momento in contatto con l'atmosfera.

Kaplan e ad elica

Sono turbine a reazione a flusso assiale, utilizzate generalmente per bassi salti (2-20m).
Le pale della ruota nella Kaplan sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili.
Quando sia le pale della turbina sia quelle del distributore sono regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione); se sono regolabili solo le pale della ruota, la turbina è una semi-Kaplan (o a singola regolazione).
Le pale della ruota si muovono girando intorno ad un perno solidale con un sistema di bielle-manovelle collegate ad un tirante verticale (posto all'interno dell'albero cavo della turbina) che è azionato da un servomotore idraulico. Le turbine ad elica hanno distributore e ruota a pale fisse e sono utilizzate quando il salto e la portata sono praticamente costanti.

Curiosità
La potenza massima oggi raggiunta dalle turbine Kaplan è di circa 200.000 kW in alcune turbine impiegate in impianti brasiliani.

A bulbo

La turbina a bulbo è una turbina a reazione che deriva dalla Kaplan, con il generatore ed il moltiplicatore (se esiste) contenuti in una cassa impermeabile, a forma di bulbo, immersa nell'acqua.

Curiosità
Le turbine a bulbo sono quelle che vengono impiegate negli impianti che sfruttano il moto ondoso delle maree (es. La Rance in Francia); altro tipologia di energia rinnovabile, applicabile al moto ondoso delle maree degli oceani.

Scelta della turbina

Il tipo, la geometria e le dimensioni di una turbina sono condizionati essenzialmente dai seguenti parametri: salto netto, portata da turbinare, velocità di rotazione, problemi di cavitazione, velocità di fuga e costo. In funzione del salto e della portata esistono dei grafici che ci permettono di determinare quale sia il tipo di turbina più adatto al nostro corso d'acqua.

Regolazione

Le turbine sono progettate per un salto ed una portata predeterminata. Qualunque variazione di questi parametri deve essere compensata aprendo o chiudendo i dispositivi di regolazione della portata, come le pale direttrici, valvole o paratoie, la fine di mantenere costante, qualsiasi sia la potenza di uscita sulla rete, il livello dell'acqua nel bacino di carico o la portata che attraversa la turbina. In impianti che alimentano reti isolate, il parametro da controllare è la velocità della ruota, direttamente proporzionale alla frequenza di generazione della corrente elettrica. All'aumentare della richiesta di energia, il generatore si sovraccarica e rallenta; viceversa quando avvinene un distacco di carico. Esistono due modi per regolarela velocità in queste situazioni: variare la portata di ingresso nella turbina (metodo convenzionale, attuato mediante dispositivi detti regolatori di velocità) o dissipare l'eccesso di potenza prodotta in banchi di resistenze. Nel caso di generatore asincrono, inserito in una grande rete di distribuzione, la rete stessa regola la frequenza, per cui non è necessario installare un regolatore di velocità.