La turbina idraulica è un tipo di macchina a turbina appartenente alla categoria delle macchine fluidodinamiche. Già intorno al 100 a.C. nacque il prototipo della turbina idraulica. A quel tempo, la sua funzione principale era quella di azionare macchinari per la lavorazione dei cereali e l'irrigazione. La turbina idraulica, in quanto dispositivo meccanico azionato dal flusso d'acqua, si è evoluta fino alle turbine idrauliche moderne, e il suo campo di applicazione si è ampliato. Dove vengono quindi utilizzate principalmente le moderne turbine idrauliche?
La turbina idraulica è utilizzata principalmente nelle centrali idroelettriche a pompaggio. Quando il carico del sistema elettrico è inferiore al carico di base, può essere utilizzata come pompa idraulica 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, può essere utilizzata come turbina idraulica per generare elettricità e regolare il carico di picco. 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 a pompaggio sono state ampiamente apprezzate e si sono sviluppate rapidamente in tutto il mondo.
Le centrali idroelettriche a pompaggio sviluppate inizialmente o con elevata prevalenza adottano perlopiù la tipologia a tre macchine, ovvero composte da un motore generatore, una turbina idraulica e una pompa idraulica in serie. Il vantaggio principale risiede nel fatto che la turbina e la pompa idraulica sono progettate separatamente, garantendo un'elevata efficienza. Inoltre, la direzione di rotazione dell'unità è la stessa sia in fase di generazione che di pompaggio, consentendo una rapida conversione dalla generazione di energia al pompaggio e viceversa. Allo stesso tempo, la turbina può essere utilizzata per l'avviamento dell'unità. Gli svantaggi principali sono rappresentati dagli elevati costi e dai grandi investimenti necessari per la centrale.
Le pale della girante della turbina della pompa a flusso inclinato possono ruotare e mantenere buone prestazioni operative anche al variare del dislivello e del carico. Tuttavia, a causa delle limitazioni delle caratteristiche idrauliche e della resistenza dei materiali, il dislivello massimo raggiungibile era di soli 136,2 m all'inizio degli anni '80 (centrale idroelettrica Kogen n. 1 in Giappone). Per dislivelli maggiori, sono necessarie turbine a pompa Francis.
La centrale idroelettrica a pompaggio è dotata di serbatoi superiore e inferiore. A parità di energia immagazzinata, l'aumento del dislivello consente di ridurre la capacità di accumulo, incrementare la velocità di rotazione dell'unità e diminuire i costi del progetto. Pertanto, le centrali idroelettriche ad alto dislivello, superiori a 300 metri, si stanno sviluppando rapidamente. La turbina-pompa Francis con il dislivello idraulico più elevato al mondo è installata nella centrale idroelettrica di Beinabashta, in Jugoslavia. La sua potenza unitaria è di 315 MW e il dislivello idraulico della turbina è di 600,3 metri; la pompa ha un dislivello di 623,1 m e una velocità di rotazione di 428,6 giri/min. È entrata in funzione nel 1977. A partire dal XX secolo, le centrali idroelettriche si sono sviluppate verso parametri elevati e grandi capacità. Con l'aumento della capacità di generazione di energia e lo sviluppo dell'energia nucleare, al fine di risolvere il problema della gestione razionale dei picchi di domanda, i paesi di tutto il mondo stanno costruendo attivamente centrali idroelettriche a pompaggio, oltre a sviluppare o ampliare vigorosamente le centrali idroelettriche di grandi dimensioni nei principali sistemi idrici. Pertanto, le turbine-pompa si sono sviluppate rapidamente.
In quanto macchina energetica che converte l'energia del flusso d'acqua in energia meccanica rotazionale, la turbina idraulica è una componente indispensabile del gruppo elettrogeno. Oggi, il problema della tutela ambientale sta diventando sempre più pressante. L'energia idroelettrica, un metodo di generazione di energia pulita, sta trovando sempre maggiore applicazione e diffusione. Per sfruttare appieno le diverse risorse idriche, anche le maree, i fiumi pianeggianti con basso dislivello e persino le onde hanno attirato un'ampia attenzione, portando al rapido sviluppo di turbine tubolari e altre piccole unità.
Data di pubblicazione: 6 aprile 2022
