TURBINA KAPLAN
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Struttura e Principio di Funzionamento della Girante Kaplan
Le turbine Kaplan appartengono alle turbine a reazione e sono composte principalmente da una girante, una camera della girante, un gruppo distributore e una cassa a spirale.
Le pale della girante di una turbina Kaplan sono simili a quelle di una ventola, e la figura sottostante mostra una girante a quattro pale.
La girante è installata nella camera della girante, e il flusso d'acqua entra ed esce dalla girante assialmente, come mostrato nella figura sottostante.
La sezione della pala di una turbina idraulica Kaplan ha la forma di un profilo alare, spessa alla radice e sottile ai bordi, con l'acqua che scorre assialmente attraverso le pale della girante, e il suo principio di funzionamento è simile a quello di una turbina eolica. La figura sottostante mostra il diagramma delle forze sulla pala, in cui la forza sulla pala è analizzata semplicemente utilizzando una sezione di una pala. L'asse della girante è perpendicolare al terreno, e le linee a freccia nella figura sono linee vettoriali che indicano sia la magnitudine che la direzione.
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Innanzitutto, osserviamo il diagramma a sinistra. Il punto m è una particella d'acqua vicina alla pala. Per chiarezza, è stata spostata in alto a sinistra. La velocità della particella d'acqua è V. A causa della circolazione quando l'acqua entra nella zona della girante, la sua direzione nel diagramma non è verticalmente verso il basso ma inclinata verso sinistra. La pala ruota attorno all'albero, e la velocità tangenziale della sua sezione è U. Rispetto alla pala, la particella d'acqua m si muove verso destra con una velocità di -U. Pertanto, la velocità relativa della particella d'acqua m rispetto alla pala è W, il che significa che la direzione del flusso d'acqua che agisce sulla pala è W.
Successivamente, esaminiamo il diagramma a destra. La pala è soggetta al flusso d'acqua nella direzione W. Poiché W forma un angolo d'attacco α con la corda del profilo alare c, viene generata una forza di portanza L perpendicolare a W, insieme a una forza di resistenza D (nella stessa direzione di W). La forza risultante R di queste due forze è la forza che agisce sulla pala. La componente orizzontale di R è F, che è la forza che spinge la pala a ruotare.
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Le turbine idrauliche a flusso assiale hanno generalmente da 3 a 8 pale: meno pale per basse prevalenze d'acqua e più pale per alte prevalenze d'acqua. L'area della sezione trasversale del passaggio della girante in una turbina idraulica a flusso assiale è relativamente grande, il che aumenta la portata unitaria e la velocità di rotazione unitaria della turbina. Ciò consente l'uso di un diametro della girante più piccolo e una velocità di rotazione più elevata, riducendo così le dimensioni unitarie e i costi di investimento. Le turbine idrauliche a flusso assiale sono adatte per risorse idriche con basse prevalenze e grandi portate.
2. Turbina Kaplan con pale fisse e pale regolabili
Le turbine idrauliche Kaplan sono divise in due tipi: turbine Kaplan a pale fisse e turbine Kaplan a pale regolabili. La figura sottostante mostra le immagini delle giranti di questi due tipi di turbine idrauliche.
- Turbina Kaplan con pale fisse
Le pale della girante di una turbina a flusso assiale a pale fisse sono fissate al mozzo, presentando una struttura semplice e un basso costo. Tuttavia, la sua potenza può essere controllata solo regolando i distributori, con conseguente significativo calo dell'efficienza della turbina in caso di variazioni considerevoli della prevalenza e del carico. Le turbine a flusso assiale a pale fisse sono generalmente applicate sotto una prevalenza d'acqua inferiore a 25 metri con una potenza non superiore a 50.000 kilowatt.
- Turbina Kaplan con pale regolabili
Le pale della girante di una turbina Kaplan a flusso assiale possono ruotare corrispondentemente in base alle variazioni della prevalenza e del carico, regolando l'angolo d'attacco α delle pale. Ciò consente alla turbina di mantenere eccellenti prestazioni operative anche quando la prevalenza e il carico variano considerevolmente. Il meccanismo che controlla la rotazione delle pale si trova all'interno del mozzo, composto principalmente da un cilindro idraulico che aziona le pale. Il pistone all'interno del cilindro aziona la rotazione delle pale tramite un'asta del pistone, bielle, bracci delle pale e altri componenti.
La figura sottostante è uno schema della rotazione delle pale della girante di una turbina Kaplan. La figura a sinistra mostra la pala in posizione chiusa; quella centrale è la posizione di calcolo, che è la posizione di progetto durante il normale funzionamento; quella a destra è la posizione completamente aperta.
La turbina Kaplan presenta un'elevata efficienza, con alcuni modelli che attualmente vantano un'efficienza massima superiore al 94%. Di seguito è riportata un'animazione che mostra la rotazione delle pale della girante a passo variabile.
3. Struttura della TURBINA KAPLAN
Una turbina Kaplan è composta principalmente da tre componenti principali. Le parti rotanti includono la girante e l'albero principale. Le parti fisse includono principalmente la cassa a spirale, l'anello di sostegno, l'anello inferiore, il coperchio superiore, la staffa superiore, il cono, la camera della girante e il tubo diffusore. Il gruppo distributore include pale direttrici mobili, leve delle pale direttrici, leveraggi delle pale direttrici, anello di controllo e servomotore. Ci sono anche cuscinetti di guida, tenute dell'albero e altri componenti.
La figura sottostante è una vista in sezione dell'anello di sostegno, dell'anello inferiore, del coperchio superiore, della staffa superiore, del cono e del rivestimento del tubo diffusore, che mostra la struttura di base. L'anello di sostegno funge da fondazione dell'intera turbina idraulica ed è il componente più critico.
Il coperchio superiore è installato sulla parte superiore dell'anello di sostegno, mentre l'anello inferiore e la camera della girante sono montati sotto l'anello di sostegno. La cassa a spirale è montata sulla circonferenza esterna dell'anello di sostegno. Il tubo diffusore è installato sotto la camera della girante. Il coperchio superiore è montato nella parte interna superiore dell'anello di sostegno, il coperchio di supporto è installato all'interno del coperchio superiore, e il cono (cono guida) è montato nella parte interna inferiore del coperchio di supporto. La figura sottostante mostra uno schema di questi componenti assemblati insieme.
Il processo di installazione effettivo di una turbina Kaplan è brevemente descritto di seguito per quanto riguarda l'installazione del sistema di distribuzione dell'acqua.
Installare le pale direttrici mobili all'interno dell'anello di sostegno, seguito dal coperchio superiore e dal coperchio di supporto. Installare i manicotti (cuscinetti guida superiori delle pale direttrici) e montare i bracci delle leve delle pale direttrici sulle estremità superiori degli alberi delle pale direttrici. Installare l'anello di controllo sul coperchio di supporto e collegare i bracci delle leve all'anello di controllo con leveraggi tramite perni. Installare il servomotore.
Vista in sezione completa della struttura della turbina idraulica a flusso assiale
4. Condizioni operative della turbina Kaplan
La figura sottostante è uno schema della direzione del flusso d'acqua di una turbina idraulica a flusso assiale, con le linee a freccia blu che indicano la direzione del flusso d'acqua.
Quando la prevalenza e il carico di una centrale idroelettrica cambiano, una turbina Kaplan a flusso assiale può regolare contemporaneamente gli angoli delle pale direttrici e gli angoli di passo delle pale della girante per stabilizzare la velocità di rotazione. Attraverso il coordinamento ottimale tra l'angolo di rotazione delle pale direttrici e l'angolo di rotazione delle pale, mantiene eccellenti prestazioni operative anche in caso di grandi variazioni della prevalenza e del carico.
Il video sottostante è un'animazione che mostra la regolazione sincrona delle pale della girante e delle pale direttrici di una turbina a flusso assiale.
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