La turbina idraulica è una turbomacchina appartenente alla categoria delle macchine fluidodinamiche. Già intorno al 100 a.C. nacque il prototipo della turbina idraulica, la ruota idraulica. A quel tempo, la sua funzione principale era quella di azionare macchinari per la lavorazione dei cereali e l'irrigazione. La ruota idraulica, in quanto dispositivo meccanico che utilizza il flusso dell'acqua come fonte di energia, si è evoluta nell'attuale turbina idraulica, e il suo campo di applicazione si è ampliato. Dove vengono quindi utilizzate principalmente le moderne turbine idrauliche?
Le turbine sono utilizzate principalmente nelle centrali idroelettriche a pompaggio. Quando il carico del sistema elettrico è inferiore al carico di base, possono essere utilizzate come pompe idrauliche per sfruttare la capacità di generazione di energia in eccesso e pompare acqua dal bacino a valle a quello a monte, immagazzinando energia potenziale; quando il carico del sistema è superiore al carico di base, possono essere utilizzate come turbine idrauliche, generando elettricità per regolare i picchi di carico. Pertanto, una centrale idroelettrica a pompaggio pura non può aumentare la potenza del sistema elettrico, ma può migliorare l'economia operativa delle unità di generazione di energia termica e l'efficienza complessiva del sistema. Dagli anni '50, le centrali idroelettriche a pompaggio sono state ampiamente apprezzate e si sono sviluppate rapidamente in molti paesi del mondo.
La maggior parte delle centrali idroelettriche a pompaggio sviluppate inizialmente o con elevata prevalenza adottano la configurazione a tre macchine, ovvero sono composte da un motore generatore, una turbina idraulica e una pompa idraulica in serie. Il vantaggio risiede nel fatto che la turbina e la pompa idraulica sono progettate separatamente, consentendo a ciascuna di raggiungere una maggiore efficienza. Inoltre, l'unità ruota nella stessa direzione sia per la generazione di energia elettrica che per il pompaggio dell'acqua, permettendo una rapida conversione dalla generazione di energia al pompaggio e viceversa. Allo stesso tempo, la turbina può essere utilizzata per l'avviamento dell'unità. Lo svantaggio principale è rappresentato dagli elevati costi e dal notevole investimento necessario per la centrale.
Le pale della girante della turbina a pompa a flusso obliquo possono ruotare e mantengono buone prestazioni operative anche al variare del dislivello e del carico. Tuttavia, a causa delle limitazioni delle caratteristiche idrauliche e della resistenza dei materiali, all'inizio degli anni '80 il suo dislivello netto era di soli 136,2 metri (prima centrale idroelettrica di Takagen, Giappone). Per dislivelli maggiori, sono necessarie turbine a pompa Francis.
La centrale idroelettrica a pompaggio ha serbatoi superiore e inferiore. A parità di energia immagazzinata, l'aumento del dislivello può ridurre la capacità di accumulo, aumentare la velocità dell'unità e ridurre i costi del progetto. Pertanto, le centrali idroelettriche ad alta prevalenza, superiori a 300 metri, si sono sviluppate rapidamente. La pompa-turbina Francis con la più alta prevalenza idraulica al mondo è installata nella centrale idroelettrica di Baina Basta, in Jugoslavia, ed è entrata in funzione anni fa. Dal XX secolo, le centrali idroelettriche si sono sviluppate nella direzione di parametri elevati e grande capacità. Con l'aumento della capacità di energia termica nel sistema elettrico e lo sviluppo dell'energia nucleare, al fine di risolvere il problema di una ragionevole regolazione dei picchi, oltre a sviluppare o ampliare vigorosamente le centrali elettriche su larga scala nei principali sistemi idrici, i paesi di tutto il mondo stanno costruendo attivamente centrali idroelettriche a pompaggio, con conseguente rapido sviluppo delle pompe-turbine.
In quanto macchina che converte l'energia del flusso d'acqua in energia meccanica rotazionale, la turbina idraulica è una componente indispensabile di un gruppo idroelettrico. Oggi, con l'aggravarsi delle problematiche legate alla tutela ambientale, l'applicazione e la promozione dell'energia idroelettrica, fonte di energia pulita, sono in costante aumento. Per sfruttare appieno le diverse risorse idriche, anche le maree, i fiumi pianeggianti con dislivelli minimi e persino le onde hanno attirato l'attenzione, portando al rapido sviluppo di turbine tubolari e altre piccole unità.
Data di pubblicazione: 23 marzo 2022
