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Ministero dell’Istruzione Università di Camerino CORSO P. A. S. C320 Laboratorio di macchine a fluido Marzo 2014 - IIS Mattei Recanati L 6 Prof. Nazareno.

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1 Ministero dell’Istruzione Università di Camerino CORSO P. A. S. C320 Laboratorio di macchine a fluido Marzo IIS Mattei Recanati L 6 Prof. Nazareno Agostini

2 MACCHINE IDRAULICHE MOTRICI La turbina è una macchina motrice idonea a raccogliere l‘energia cinetica e l‘entalpia di un fluido ed a trasformarla in energia meccanica. Turbina radiale, quando il liquido scorre dall'esterno verso l’interno rispetto all'asse di rotazione della turbina o viceversa; Turbina assiale, quando il liquido scorre lungo l'asse di rotazione della turbina.

3 ENTALPIA L'entalpia, (H) [J] esprime la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente. E’ definita dalla somma dell'energia interna e del prodotto tra volume e pressione di un sistema. Per trasformazioni a pressione costante in cui si ha solo lavoro meccanico, la variazione di entalpia è uguale al calore scambiato dal sistema con l'ambiente esterno. Per le trasformazioni a pressione e volume costanti, la variazione di entalpia coincide sia col calore (Q) che con la variazione di energia interna (ΔE), avute durante il processo.

4 APPLICAZIONI ALLA TURBINA  impianti elettrici di potenza, accoppiata ad un alternatore per produrre energia elettrica, come avviene nelle centrali termoelettriche,  motori a getto per ottenere propulsione,  motori turbocompressori o con compressore centrifugo per ottenere propulsione.

5 Caratteristiche turbine idrauliche  Macchina accoppiata  Rotore parte mobile  Statore parte fissa  Distributore  Criteri di similitudine (studi su modelli)  Portata specifica  Numero caratteristico di giri [g/1’] (Pelton 4/70, Francis 60/450, elica 400/1100)

6 TURBINE AD AZIONE E A REAZIONE Nella turbina ad azione tutta l'energia potenziale derivante dal salto utile dell'impianto viene trasformata in energia cinetica nel distributore. Di conseguenza il grado di reazione è nullo. Un esempio è la Pelton. La macchina a reazione è un tipo di turbina nella quale l'energia potenziale derivante dal salto utile dell'impianto viene trasformata in energia cinetica solo in una percentuale dal distributore, mentre il resto viene lasciato alla girante. Le più conosciute sono la Francis e la Kaplan. Esiste anche la turbina mista in cui sull'arrivo dell’acqua ad alta pressione, una girante funziona ad azione, seguita, sulla parte a bassa pressione, da un tamburo con palette mobili, che costituisce uno stadio a reazione.

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8 TURBINA PELTON Turbina ad azione: l’energia potenziale viene trasformata in energia cinetica nel distributore o nei distributori (da 1 a 4). L’apertura dell’ugello della Pelton può essere regolata mediante una spina di chiusura (Double), che riducendo la sezione di passaggio riduce la portata. La spina deve essere chiusa lentamente per evitare il colpo d’ariete nella condotta di alimentazione. Quando alla turbina Pelton collegata ad un alternatore viene a mancare il carico (es. black-out) la turbina tende ad accelerare (va in fuga) e per evitare che ciò possa provocare gravi danni, un tegolo deviatore scende davanti al getto e impedisce che questo vada a colpire la pala. Successivamente la turbina viene frenata con un piccolo controgetto derivato dalla tubazione di adduzione dell’acqua.

9 TURBINA PELTON

10 TURBINE IDRAULICHE

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12 Turbina Francis A reazione: è il tipo di turbina idraulica più utilizzato. Il flusso è centripeto: l'acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola che la lambisce interamente, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa statorica, indirizzano il flusso per investire le pale della girante. La turbina è detta a reazione poiché non sfrutta solo la velocità ma anche la pressione del getto d'acqua che, quando giunge nella girante, è ancora superiore a quella atmosferica. Tramite il condotto convergente costituito dal canale tra le pale del distributore e da quello tra le pale della girante si finisce di convertire la pressione ancora presente in velocità (energia cinetica).

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14 Turbina Francis La sezione della voluta è decrescente in modo che la velocità del getto si mantenga costante. Per ottimizzare il funzionamento della turbina l'espansione dell'acqua viene prolungata al di sotto della pressione atmosferica, così da creare una sorta di effetto vuoto, che fa aumentare ancora di più la differenza di pressione. A valle della girante, nello scarico, si ricomprime il fluido grazie ad un diffusore, che converte la restante energia cinetica in pressione. Questo passaggio non solo consente di riportare la pressione del flusso d'acqua a quella atmosferica, ma permette di utilizzare quella quota finale di energia cinetica, non sfruttabile in turbina, che andrebbe altrimenti persa allo scarico. Qui esiste il rischio cavitazione.

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16 Turbina Kaplan È una turbina idraulica a reazione che sfrutta piccoli dislivelli, fino a qualche decina di metri, ma con grandi portate, da 2/3 m³/s in su. E’ un'elica, dove le pale si possono orientare, al variare della portata d'acqua permettendo di mantenere alto il rendimento fino a portate del 20-30% della portata nominale. Solitamente è dotata di deflettori statorici fissi che orientano il flusso. Si può ottimizzare il rendimento tramite un sistema di orientamento dei deflettori statorici al variare della portata. Il liquido giunge sulla turbina grazie ad un condotto a forma di chiocciola che alimenta tutta la circonferenza, poi attraversa un distributore che dà al fluido una rotazione vorticosa, essenziale per imprimere il moto alla girante, dove il flusso deviato di 90° la investe assialmente. Allo scarico, come per la turbina Francis, è possibile recuperare energia grazie al diffusore.

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18 ..

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20 Turbina a bulbo

21 . ..

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24 Le leggi di similitudine Il Numero di giri caratteristico tiene conto delle relazioni:  Similitudine geometrica: ogni macchina della serie ha le dimensioni lineari proporzionali con legge lineare. Le sezioni proporzionali con leggi quadratiche.  Similitudine idraulica: per ogni macchina della serie, in punti corrispondenti dei condotti fissi e mobili, le velocità sono proporzionali e gli angoli caratteristici che esse formano sono uguali.  Similitudine meccanica: tutte le macchine della stessa serie hanno uguale rendimento.

25 Rilevamento delle curve caratteristiche della Pelton CONDOTTA DELLA PROVA Turbina posta a giri costanti: giri/min gruppi di prove con: regolazioni reostato: minimo, medio, massimo prevalenza: 15, 30, 50 mca Rilevazione: del braccio del contrappeso sulla dinamo freno, in mm della portata rilevata allo stramazzo Thomson Q stramazzo= 1,24 · √h ⁵ [mc/sec] P idra = Q · H · 9810 [w] P mec = M · ω = p (26,5 N) · l · n/914 [w] ω = 2 · п · n/60 η = P mec/P idra nc = n · √P mec/H ⁵ ∕ ⁴ DISEGNO GRAFICI (Q-P-η)


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