La turbina Turgo è una turbina idraulica a impulso progettata per applicazioni a media prevalenza, operando in genere efficacemente con salti netti compresi tra 15 e 300 metri. Inventata e brevettata da Eric Crewdson nel 1919, la Turgo fu sviluppata per soddisfare l'esigenza del mercato di una versione a velocità specifica più elevata della turbina Pelton. Il suo design le consente di gestire una portata maggiore rispetto a una turbina Pelton dello stesso diametro, con conseguente aumento della potenza erogata ed eliminando spesso la necessità di costose trasmissioni per l'aumento della velocità, consentendo il collegamento diretto a un generatore.
A differenza del design Pelton, in cui i getti d'acqua colpiscono le pale al centro e vengono deviati all'indietro, il getto del Turgo è diretto con un angolo acuto (tipicamente 22,5°) rispetto al piano della girante. L'acqua entra da un lato della girante ed esce dal lato opposto, minimizzando l'interferenza tra il flusso in uscita e il getto in entrata. Questo percorso di flusso efficiente, combinato con una girante ad alta velocità specifica, rende il Turgo particolarmente adatto a siti con ampie variazioni di portata.
Componenti chiave e progettazione
La produzione di una turbina Turgo richiede un approccio preciso ai suoi componenti principali per garantirne efficienza e durata.
Il corridore
Funzione e importanza: la girante è il cuore della turbina, dove avviene il trasferimento di energia dall'acqua alla rotazione meccanica. Il suo design influisce direttamente sull'efficienza della turbina.
Progettazione delle pale: Le giranti Turgo presentano pale con una complessa forma 3D e una forma a cucchiaio (勺状 - sháo zhuàng). La superficie della pala è progettata per facilitare un rapido e completo svuotamento dell'acqua, minimizzando l'energia dispersa dal flusso in uscita. Per le turbine più grandi, le pale hanno una sezione trasversale a profilo alare (come l'ala di un aereo) per prestazioni idrauliche superiori, sebbene ciò richieda una maggiore precisione di fabbricazione. Per ridurre i costi, le pale delle turbine più piccole o micro-turbine sono talvolta realizzate in forma emisferica, più semplice da produrre con una perdita di efficienza minima.
Costruzione: La girante è tipicamente assemblata a partire da più pale individuali. Un metodo di costruzione comune prevede la fabbricazione delle pale da lamiere di acciaio di 2 mm di spessore, spesso utilizzando una pressa, seguita da rifilatura e finitura. Queste pale vengono quindi assemblate e saldate tra un rivestimento esterno (wài lún huán – anello esterno della ruota) e un mozzo interno (nèi lún gǔ – mozzo interno della ruota). Il rivestimento esterno conferisce maggiore resistenza alle pale e contribuisce a ridurre le perdite dovute all'attrito con l'aria.
Ugello e controllo del flusso
Funzione dell'ugello: Il ruolo dell'ugello è quello di accelerare l'acqua pressurizzata proveniente dalla condotta forzata trasformandola in un getto ad alta velocità (shè liú -射流). Si tratta di un tubo conico la cui sezione trasversale si riduce gradualmente, aumentando la velocità dell'acqua.
Regolazione del flusso: Per controllare la potenza erogata dalla turbina, è necessario regolare il flusso d'acqua. Ciò si ottiene tramite una valvola a spillo (o a lancia) situata all'interno dell'ugello, che si muove avanti e indietro per modificare il diametro del getto, oppure tramite una valvola di controllo manuale sulla condotta forzata. Inoltre, come misura di sicurezza, vengono utilizzati dei deflettori di getto per deviare rapidamente il getto dalla girante in caso di improvvisa perdita di carico, proteggendo la turbina dal sovraregime e la condotta forzata dalle sovrapressioni.
Cuscinetti e involucri
Cuscinetti: Il gruppo cuscinetti deve sostenere il peso combinato della girante e del rotore del generatore, resistere alla spinta assiale e gestire le forze radiali durante il funzionamento. Una configurazione tipica per un'unità Turgo micro-idroelettrica potrebbe includere sia un cuscinetto reggispinta a rulli che un cuscinetto a sfere radiale a una corona. Questi cuscinetti sono progettati per essere robusti e in grado di resistere alle peggiori condizioni operative, comprese le improvvise accelerazioni.
Produzione e fabbricazione tradizionali
Per le giranti in acciaio, la fusione tradizionale dei metalli e la lavorazione di precisione sono metodi comuni. La complessa forma tridimensionale delle pale spesso richiede la fresatura a controllo numerico (CNC) per raggiungere la precisione richiesta, soprattutto per i profili alari più efficienti. Come già accennato, per le microturbine più semplici, le pale possono essere stampate o punzonate da lamiera e poi saldate, un metodo più economico.
La fabbricazione dei componenti strutturali della turbina, come l'involucro, spesso prevede la saldatura di lamiere di acciaio laminate. L'ugello e le altre parti di controllo del flusso sono in genere lavorate meccanicamente a partire da metalli resistenti alla corrosione come il bronzo o l'acciaio inossidabile per resistere all'erosione.
Metodi moderni e innovativi
Strumenti di progettazione avanzati: la produzione moderna si basa in larga misura sulla fluidodinamica computazionale (CFD) e su altri strumenti di progettazione numerica. Questi pacchetti software consentono agli ingegneri di simulare il flusso d'acqua attraverso la girante, ottimizzando la geometria delle pale per massimizzare l'estrazione di energia e l'efficienza prima ancora di costruire un prototipo fisico.
Produzione additiva (stampa 3D): la stampa 3D si è affermata come un potente strumento di produzione, in particolare per le turbine Turgo in scala pico o per la creazione di prototipi. La ricerca ha prodotto con successo pale complete di turbine Turgo utilizzando stampanti 3D. Il processo prevede:
Progettazione della pala utilizzando un software di modellazione 3D (ad esempio, SolidWorks).
Esportazione del progetto come file STL.
Preparazione della stampa con software di slicing (ad esempio, Ultimaker Cura), dove parametri critici come il flusso del filamento dell'ugello, la densità di riempimento, le strutture di supporto e la temperatura di stampa devono essere configurati con cura.
Esecuzione della stampa su una stampante 3D calibrata.
Questo metodo consente la produzione rapida ed economica di componenti complessi, risultando ideale per applicazioni personalizzate e su piccola scala.
Prestazioni e vantaggi
Se prodotte correttamente, le turbine Turgo offrono diversi vantaggi interessanti:
Efficienza: una turbina Turgo ben realizzata può raggiungere elevati livelli di efficienza. Le unità operative raggiungono in genere circa l'87%, con alcuni test di laboratorio che mostrano picchi fino al 90%. Le turbine di pico-scala possono comunque raggiungere efficienze superiori all'80%.
Robustezza e bassa manutenzione: la turbina Turgo è nota per la sua costruzione semplice e robusta, che si traduce in esigenze di manutenzione minime. Il suo design, in particolare il percorso del getto angolato, riduce il degrado delle prestazioni causato da materiali abrasivi come sabbia o limo rispetto ad altre turbine, poiché l'usura è distribuita in modo più uniforme sulle superfici delle pale.
Flessibilità operativa: uno dei principali punti di forza della Turgo è la sua capacità di mantenere un'elevata efficienza su un'ampia gamma di portate. Ciò la rende particolarmente adatta agli impianti idroelettrici a flusso continuo, dove la portata dell'acqua può variare significativamente. A differenza delle turbine Francis, le cui prestazioni possono calare drasticamente a portate inferiori, la Turgo continua a generare energia in modo efficace.
Le tendenze future nella produzione di turbine Turgo indicano una continua ottimizzazione del design attraverso la modellazione avanzata e una più ampia adozione della produzione additiva sia per la prototipazione che per la produzione dei componenti finali. Con il proseguire delle attività di ricerca e sviluppo, come evidenziato da diverse pubblicazioni e lavori accademici, possiamo aspettarci ulteriori miglioramenti nelle prestazioni e nell'economicità di queste versatili macchine idroelettriche.
Data di pubblicazione: 17 novembre 2025
