La turbina a reazione è un tipo di macchina idraulica che converte l'energia idraulica in energia meccanica sfruttando la pressione del flusso d'acqua.
(1) Struttura. I principali componenti strutturali della turbina a reazione includono la girante, la camera di mandata, il meccanismo di guida dell'acqua e il tubo di pescaggio.
1) Girante. La girante è un componente della turbina idraulica che converte l'energia del flusso d'acqua in energia meccanica rotante. A seconda delle diverse direzioni di conversione dell'energia idrica, anche le strutture della girante delle varie turbine a reazione sono diverse. La girante della turbina Francis è composta da pale elicoidali aerodinamiche, corona della ruota e anello inferiore; la girante della turbina a flusso assiale è composta da pale, corpo della girante, cono di scarico e altri componenti principali: la struttura della girante della turbina a flusso inclinato è complessa. L'angolo di posizionamento delle pale può variare in base alle condizioni di lavoro e corrispondere all'apertura della paletta direttrice. L'asse di rotazione delle pale forma un angolo obliquo (45° ~ 60°) con l'asse della turbina.
2) Camera di mandata. La sua funzione è quella di garantire un flusso d'acqua uniforme verso il meccanismo di guida, riducendo le perdite di energia e migliorando l'efficienza della turbina idraulica. La cassa a spirale metallica a sezione circolare è spesso utilizzata per turbine idrauliche di grandi e medie dimensioni con salti idraulici superiori a 50 m, mentre la cassa a spirale in calcestruzzo a sezione trapezoidale è spesso utilizzata per turbine con salti idraulici inferiori a 50 m.
3) Meccanismo di guida dell'acqua. È generalmente composto da un certo numero di palette di guida aerodinamiche e dai relativi meccanismi rotanti disposti uniformemente sulla periferia della girante. La sua funzione è quella di guidare il flusso d'acqua verso la girante in modo uniforme e di modificare la portata della turbina idraulica regolando l'apertura della paletta di guida, in modo da soddisfare i requisiti di carico del gruppo elettrogeno. Svolge anche la funzione di tenuta idraulica quando è completamente chiuso.
4) Tubo di aspirazione. Parte dell'energia residua nel flusso d'acqua all'uscita della girante non è stata utilizzata. La funzione del tubo di aspirazione è quella di recuperare questa energia e scaricare l'acqua a valle. Il tubo di aspirazione può essere suddiviso in due forme: conica dritta e curva. La prima ha un elevato coefficiente di energia ed è generalmente adatta a piccole turbine orizzontali e tubolari; sebbene le prestazioni idrauliche della seconda non siano buone come quelle della conica dritta, la profondità di scavo è ridotta ed è ampiamente utilizzata nelle turbine a reazione di grandi e medie dimensioni.
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(2) Classificazione. La turbina a reazione è divisa in turbina Francis, turbina diagonale, turbina assiale e turbina tubolare in base alla direzione del flusso d'acqua che passa attraverso la superficie dell'albero della girante.
1) Turbina Francis. La turbina Francis (a flusso assiale radiale o Francis) è un tipo di turbina a reazione in cui l'acqua scorre radialmente attorno alla girante e scorre assialmente. Questo tipo di turbina ha un ampio intervallo di salti applicabili (30 ~ 700 m), struttura semplice, volume ridotto e basso costo. La più grande turbina Francis messa in funzione in Cina è la turbina della centrale idroelettrica di Ertan, con una potenza nominale di 582 MW e una potenza massima di 621 MW.
2) Turbina a flusso assiale. La turbina a flusso assiale è un tipo di turbina a reazione in cui l'acqua fluisce dentro e fuori dalla girante assialmente. Questo tipo di turbina si divide in tipo a elica fissa (tipo a elica a vite) e tipo a elica rotante (tipo Kaplan). Le pale della prima sono fisse, mentre quelle della seconda possono ruotare. La capacità di scarico della turbina a flusso assiale è maggiore di quella della turbina Francis. Poiché la posizione delle pale della turbina rotorica può variare al variare del carico, essa ha un'elevata efficienza in un ampio intervallo di variazioni di carico. La resistenza alla cavitazione e la resistenza meccanica della turbina a flusso assiale sono inferiori a quelle della turbina Francis, e anche la struttura è più complessa. Attualmente, il salto applicabile di questo tipo di turbina ha raggiunto oltre 80 m.
3) Turbina tubolare. Il flusso d'acqua di questo tipo di turbina scorre assialmente dal flusso assiale alla girante, senza rotazione né a monte né a valle della girante. L'intervallo di prevalenza di utilizzo è compreso tra 3 e 20°C. Presenta i vantaggi di un'altezza ridotta della fusoliera, buone condizioni di flusso d'acqua, elevata efficienza, ridotte esigenze di ingegneria civile, basso costo, assenza di voluta e tubo di pescaggio curvo. Minore è la prevalenza d'acqua, maggiori sono i vantaggi.
In base al tipo di collegamento e alla modalità di trasmissione del generatore, le turbine tubolari si dividono in tipo tubolare completo e tipo semi-tubolare. Il tipo semi-tubolare si divide ulteriormente in tipo a bulbo, tipo ad albero e tipo a estensione d'albero, tra cui il tipo a estensione d'albero si divide in albero inclinato e albero orizzontale. Attualmente, le turbine più diffuse sono il tipo tubolare a bulbo, il tipo a estensione d'albero e il tipo ad albero, che vengono utilizzati principalmente per unità di piccole dimensioni. Negli ultimi anni, il tipo ad albero è stato utilizzato anche per unità di grandi e medie dimensioni.
Il generatore dell'unità tubolare a prolunga assiale è installato all'esterno del canale idrico ed è collegato alla turbina idraulica tramite un lungo albero inclinato o un albero orizzontale. La struttura di questo tipo di prolungamento dell'albero è più semplice di quella del tipo a bulbo.
4) Turbina a flusso diagonale. La struttura e le dimensioni della turbina a flusso diagonale (nota anche come diagonale) sono intermedie tra la Francis e la turbina a flusso assiale. La differenza principale è che l'asse della pala della girante forma un certo angolo con l'asse della turbina. Grazie alle caratteristiche strutturali, l'unità non può affondare durante il funzionamento, pertanto il dispositivo di protezione del segnale di spostamento assiale è installato nella seconda struttura per impedire la collisione tra la pala e la camera della girante. Il campo di prevalenza di utilizzo della turbina a flusso diagonale è compreso tra 25 e 200 m.
Attualmente, la potenza nominale di uscita più elevata di una singola turbina a caduta inclinata nel mondo è di 215 MW (ex Unione Sovietica), mentre la prevalenza di utilizzo più elevata è di 136 m (Giappone).
Data di pubblicazione: 01/09/2021
