Turbine

Turbine a impulso e a reazione

Le turbine funzionano in due modi diversi descritti come impulso e reazione – termini che sono spesso descritti in modo molto confuso (e talvolta completamente confusi) quando le persone cercano di spiegarli.Quindi qual è la differenza?

Turbine a impulso

In una turbina a impulso, un fluido in rapido movimento viene sparato attraverso uno stretto ugello alle pale della turbina per farle girare. Le pale di una turbina a impulso sono di solito a forma di secchio in modo da catturare il fluido e dirigerlo fuori ad un angolo o a volte anche indietro nel modo in cui è venuto (perché questo dà il più efficiente trasferimento di energia dal fluido alla turbina). In una turbina a impulsi, il fluido è costretto a colpire la turbina ad alta velocità.

Immagina di provare a far girare una ruota come questa calciando palloni da calcio nelle sue pale. Avreste bisogno che i palloni colpiscano forte e rimbalzino bene per far girare la ruota, e questi costanti impulsi di energia sono la chiave del suo funzionamento. La legge della conservazione dell’energia ci dice che l’energia che la ruota guadagna, ogni volta che una palla la colpisce, è uguale all’energia che la palla perde – quindi le palle viaggeranno più lentamente quando rimbalzano indietro. Inoltre, la seconda legge del moto di Newton ci dice che la quantità di moto guadagnata dalla ruota quando una palla la colpisce è uguale alla quantità di moto persa dalla palla stessa; più a lungo una palla tocca la ruota, e più duramente (con più forza) colpisce, più quantità di moto trasferirà.

Le turbine ad acqua sono spesso basate su una turbina a impulso (anche se alcune funzionano usando turbine a reazione). Sono semplici nel design, facili da costruire ed economiche da mantenere, anche perché non hanno bisogno di essere contenute all’interno di un tubo o di un alloggiamento (a differenza delle turbine a reazione).

Artwork: Una ruota idraulica Pelton è un esempio di turbina a impulsi. Gira mentre uno o più getti d’acqua ad alta pressione (blu), controllati da una valvola (verde), sparano nei secchi intorno al bordo della ruota (rosso). A Lester Pelton fu concesso un brevetto per questa idea nel 1889, da cui questo disegno è tratto.Artwork from US Patent 409,865: Water Wheel by Lester Pelton, per gentile concessione di US Patent and Trademark Office.

Artwork: Una turbina a impulsi come questa funziona quando il fluido in entrata colpisce i secchi e rimbalza di nuovo. La forma esatta dei secchi e il modo in cui il fluido li colpisce fa una grande differenza sulla quantità di energia che la turbina può catturare. I secchi devono anche essere progettati in modo che l’azione del getto su un secchio non influenzi il secchio successivo.

Turbine a reazione

In una turbina a reazione, le pale si trovano in un volume di fluido molto più grande e girano mentre il fluido scorre davanti a loro. Una turbina a reazione non cambia la direzione del flusso del fluido così drasticamente come una turbina a impulso: semplicemente gira mentre il fluido spinge attraverso e oltre le sue pale.Le turbine eoliche sono forse gli esempi più familiari di turbine a reazione.

Foto: Una tipica turbina a reazione di una centrale geotermica.L’acqua o il vapore scorrono tra le pale angolari, spingendole e facendo girare l’albero centrale a cui sono attaccate. L’albero fa girare un generatore che produce elettricità.Foto di Henry Price per gentile concessione del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL).

Artwork: Una turbina a reazione come questa è molto più simile a un’elica. La differenza principale è che ci sono più pale in una turbina (ho disegnato solo quattro pale per semplicità) e spesso più serie di pale (più stadi), come puoi vedere nelle foto delle turbine a vapore e a gas all’inizio di questa pagina.

Se una turbina a impulso è un po’ come calciare il pallone da calcio, una turbina a reazione è più come nuotare al contrario.Lasciami spiegare! Pensate a come fate lo stile libero (crawl frontale) trascinando le vostre braccia attraverso l’acqua, iniziando con ogni mano il più avanti possibile e finendo con un “follow through” che getta il vostro braccio dietro di voi. Ciò che si sta cercando di ottenere è mantenere la mano e l’avambraccio che spingono contro l’acqua il più a lungo possibile, in modo da trasferire quanta più energia possibile in ogni colpo. Una turbina a reazione usa la stessa idea al contrario: immagina l’acqua che scorre veloce e che ti passa accanto, in modo da far muovere le tue braccia e gambe e fornire energia al tuo corpo! Con una turbina a reazione, vuoi che l’acqua tocchi le pale in modo fluido, il più a lungo possibile, in modo da cedere più energia possibile. L’acqua non colpisce le pale e rimbalza via, come fa in una turbina a impulsi: invece, le pale si muovono più dolcemente, “andando con il flusso”.

Le turbine catturano energia solo nel punto in cui un fluido le tocca, quindi una turbina a reazione (con più pale che toccano tutte il fluido allo stesso tempo) estrae potenzialmente più potenza di una turbina a impulsi della stessa dimensione (perché di solito solo una o due delle sue pale sono nel percorso del fluido alla volta).

Tipi di turbine a reazione

Alcuni disegni comuni di turbine a reazione sono:

• Wells-che assomiglia molto a un’elica, con pale a forma di profilo d’aria che girano intorno a un asse orizzontale.
• Francis-tipicamente, con grandi pale a forma di V, che spesso girano su un asse verticale dentro una specie di gigantesco guscio a spirale di lumaca. La Francis è di gran lunga il tipo più comune di turbina ad acqua; le turbine McCormick, Kaplan e Deriaz sono essenzialmente miglioramenti dell’originale design Francis.
• Darrieus – con pale a profilo alare che girano intorno ad un asse verticale.

Tutti hanno i loro vantaggi e svantaggi. Il Wells, per esempio, può girare molto velocemente, ma è anche rumoroso e relativamente inefficiente. Il Francis è più silenzioso e più efficiente, e molto bravo a far fronte alle sollecitazioni meccaniche all’interno di dighe idroelettriche profonde (quelle con alte “teste” d’acqua), ma è anche più lento e meccanicamente più complesso. Quando operano in aria, le turbine Darrieus sono più vicine al suolo (quindi possono fare a meno di una torre ingombrante), ma ciò significa che sono meno efficaci nello sfruttare il vento (che soffia più velocemente sopra la terra); in generale sono meno efficienti e più instabili di altri progetti di turbine (spesso devono essere stabilizzati con funi di ancoraggio) e poco utilizzati commercialmente.

Pensando al contrario

Foto: Turbine ed eliche lavorano in modi esattamente opposti. Le eliche usano energia per far muovere un fluido (aria, nel caso di un aereo, o acqua, in una nave o un sottomarino); le turbine sfruttano l’energia quando un fluido in movimento passa davanti a loro. A sinistra: foto dell’elica di Tech. Sgt. Justin D. Pyle per gentile concessione della US Air Force.

Foto: Le pale delle turbine hanno una forma simile a quelle delle eliche, ma sono tipicamente fatte di leghe ad alte prestazioni perché il fluido che le attraversa può essere molto caldo. Foto di una pala di turbina esposta al Think Tank, il museo della scienza di Birmingham, Inghilterra.

Avrete notato che le turbine eoliche assomigliano alle eliche giganti e questo è un altro modo di pensare alle turbine: eliche che lavorano al contrario. In un aereo, il motore fa girare l’elica ad alta velocità, l’elica crea una corrente d’aria che si muove all’indietro, ed è questo che spinge l’aereo in avanti. Con un’elica, le pale in movimento guidano l’aria; con una turbina, l’aria guida le pale.

Le turbine sono anche simili a pompe e compressori. In una pompa, c’è una ruota a pale che aspira l’acqua attraverso un tubo e la butta fuori da un altro, in modo da spostare l’acqua (o un altro liquido) da un posto all’altro. Se si smonta una pompa dell’acqua, si può vedere che la ruota a pale interna (chiamata girante) è molto simile a quella che si trova in una turbina dell’acqua. La differenza è che una pompa usa l’energia per far muovere un fluido, mentre una turbina cattura l’energia da un fluido in movimento.

Turbine in azione

In senso lato, dividiamo le turbine in quattro tipi in base al tipo di fluido che le aziona: acqua, vento, vapore e gas.Anche se tutti e quattro i tipi funzionano essenzialmente nello stesso modo – ruotano mentre il fluido si muove contro di loro – sono sottilmente diversi e devono essere progettati in modi molto diversi. Le turbine a vapore, per esempio, girano incredibilmente velocemente perché il vapore è prodotto ad alta pressione. Le turbine eoliche che producono elettricità girano relativamente lentamente (principalmente per ragioni di sicurezza), quindi devono essere enormi per catturare quantità di energia sufficienti. Le turbine a gas devono essere fatte di leghe particolarmente resistenti perché lavorano a temperature così alte. Le turbine ad acqua sono spesso molto grandi perché devono estrarre energia da un intero fiume, arginato e deviato per scorrere davanti a loro. Possono girare relativamente lentamente, perché l’acqua è pesante e porta molta energia (a causa della sua grande massa) anche quando scorre a bassa velocità.

Turbine ad acqua

Foto: Una gigantesca turbina a reazione Francis (la ruota arancione in alto) abbassata in posizione alla Grand Coulee Dam nello stato di Washington, USA.L’acqua scorre oltre le pale angolate, spingendole e facendo girare l’albero a cui sono attaccate. L’albero fa girare un generatore di elettricità che produce energia.Foto per gentile concessione dell’US Bureau of Reclamation.

Le ruote ad acqua, che risalgono a più di 2000 anni fa, al tempo degli antichi greci, erano le turbine ad acqua originali. Oggi, lo stesso principio è usato per fare elettricità nelle centrali idroelettriche. L’idea di base dell’energia idroelettrica è che si argina un fiume per sfruttare la sua energia. Invece di far scorrere il fiume liberamente in discesa dalla sua collina o montagna verso il mare, lo si fa cadere attraverso un’altezza (chiamata testa) in modo che prenda velocità (in altre parole, in modo che la sua energia potenziale sia convertita in energia cinetica), poi lo si incanala attraverso un tubo chiamato condotta forzata oltre a turbina e generatore. L’energia idroelettrica è effettivamente una conversione di energia in tre fasi:

• L’energia potenziale originale del fiume (che ha perché parte dall’alto) è trasformata in energia cinetica quando l’acqua cade attraverso un’altezza.
• L’energia cinetica nell’acqua in movimento è convertita in energia meccanica da una turbina ad acqua.
• La turbina ad acqua che gira aziona un generatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica.

Vengono usati diversi tipi di turbine ad acqua a seconda della geografia della zona, di quanta acqua è disponibile (il flusso) e della distanza su cui può essere fatta cadere (la prevalenza).Alcune centrali idroelettriche usano turbine ad impulso a secchio (tipicamente ruote Pelton); altre usano turbine a reazione Francis, Kaplan o Deriaz. Le turbine ad acqua ad impulso (come la ruota Pelton) possono diventare completamente aperte all’aria, così a volte si può effettivamente vedere il getto d’acqua che colpisce la turbina. Le turbine ad acqua a reazione, d’altra parte (come la Francis), devono essere completamente chiuse all’interno del canale o passaggio attraverso il quale scorre l’acqua. Come accennato sopra, mentre una turbina a impulsi cattura l’energia solo nel singolo punto in cui il getto d’acqua la colpisce, una turbina a reazione cattura l’energia su tutta la ruota in una sola volta, motivo per cui una turbina a reazione in un impianto idroelettrico può produrre più potenza di una turbina a impulsi della stessa dimensione, il che spiega perché la maggior parte degli impianti idroelettrici moderni utilizzano turbine a reazione: Una turbina ad acqua Pelton. Il getto d’acqua colpisce lo “splitter” (il posto dove i secchi si uniscono nel mezzo), dividendolo in due getti che escono in modo pulito da entrambi i lati. Foto di Benjamin F. Pearson per gentile concessione di Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Turbine eoliche

Queste sono trattate molto più in dettaglio nel nostro articolo separato sulle turbine eoliche.

Foto: Una tipica turbina eolica, nello Staffordshire, Inghilterra.La torre è a ~50m (~150ft) da terra perché il vento si muove più velocemente quando è libero da ostacoli a livello del suolo.Le pale del rotore sono ~15m (50ft) di diametro e, con un’enorme spazzata, catturano fino a 225kW (kilowatt) di energia.

Turbine a vapore

Le turbine a vapore si sono evolute dalle macchine a vapore che hanno cambiato il mondo nei secoli 18 e 19. Una macchina a vapore brucia il carbone su un fuoco aperto per rilasciare il calore che contiene. Il calore è usato per far bollire l’acqua e produrre vapore, che spinge un pistone in un cilindro per alimentare una macchina come una locomotiva ferroviaria. Questo è abbastanza inefficiente (spreca energia) per tutta una serie di ragioni. Un design molto migliore prende il vapore e lo incanala oltre le pale di una turbina, che gira come un’elica e guida la macchina mentre va.

Le turbine a vapore sono state sperimentate dall’ingegnere britannico Charles Parsons (1854-1931), che le ha usate per alimentare una famosa barca a motore veloce chiamata Turbinia nel 1889. Da allora, sono state usate in molti modi diversi. Praticamente tutte le centrali elettriche generano elettricità con turbine a vapore. In una centrale a carbone, il carbone viene bruciato in una fornace e usato per riscaldare l’acqua per produrre vapore che fa girare turbine ad alta velocità collegate a generatori di elettricità. In una centrale nucleare, il calore che fa il vapore proviene da reazioni atomiche.

A differenza delle turbine ad acqua e a vento, che mettono una singola turbina rotante nel flusso di liquido o gas, le turbine a vapore hanno una serie di turbine (ognuna delle quali è conosciuta come stadio) disposte in sequenza all’interno di quello che è effettivamente un tubo chiuso. Man mano che il vapore entra nel tubo, viene incanalato oltre ogni stadio a turno per estrarre progressivamente più energia. Se hai mai visto bollire un bollitore, saprai che il vapore si espande e si muove molto velocemente se è diretto attraverso un ugello. Per questo motivo, le turbine a vapore girano a velocità molto elevate, molte volte più velocemente delle turbine eoliche o idriche.

Leggi di più nell’articolo principale sulle turbine a vapore.

Foto: Un prototipo di turbina a gas prodotto per una centrale elettrica ad alta efficienza. Ognuna delle ruote metalliche è uno stadio di turbina separato progettato per estrarre un po’ più di energia da un gas ad alta velocità. Puoi vedere quanto è grande questa turbina guardando l’omino vestito di bianco seduto al centro della macchina. Foto scattata al National Energy Technology Laboratory, Morgantown per gentile concessione del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Turbine a gas

I motori a reazione degli aerei sono un po’ come le turbine a vapore in quanto hanno più stadi. Invece del vapore, sono azionati da una miscela di aria aspirata nella parte anteriore del motore e dai gas incredibilmente caldi prodotti dalla combustione di enormi quantità di cherosene (carburante a base di petrolio). I motori a turbina a gas, un po’ meno potenti, sono usati anche nelle moderne locomotive ferroviarie e nelle macchine industriali; vedi il nostro articolo sui motori a reazione per maggiori dettagli.