1.1.1.2.3 La turbina a vapore

UGELLO

Quando un fluido contenuto in un certo recipiente viene messo in comunicazione, mediante un condotto di forma appropriata, con altro ambiente nel quale regna una pressione minore, il  fluido si espande fino a raggiungere la pressione esistente nel predetto ambiente esterno. Il condotto cui viene affidato il compito di mettere in comunicazione i due ambienti a pressione diversa, per fare avvenire l'espansione del fluido con le minori perdite possibili, viene chiamato “ugello" (o, meno usato,  "boccaglio"). 

L'espansione del fluido si manifesta oltre che con il diminuire della pressione del fluido, anche con l'aumento del suo volume specifico e della sua velocità. E' intuitivo che tanto maggiore sarà l'espansione, cioè tanto minore sarà la pressione finale del vapore tanto maggiori risulteranno il volume specifico e la velocità finale; specificamente, con riferimento allo schema del ciclo di vapore, si cercherà di sfruttare come estremi la massima pressione (del vapore) fornita dalla caldaia con la minore pressione raggiungibile e mantenibile al condensatore, che per questo viene mantenuto sottovuoto. Durante l' espansione nell'ugello l' energia termica che il fluido contiene si trasforma in parte in energia cinetica, e l'aumento di questa energia cinetica è equivalente alla diminuzione del contenuto termico del fluido in espansione. In termini molto semplicisti la caduta di contenuto termico si definisce salto entalpico. Le turbine a vapore utilizzano un salto entalpico (in analogia con quelle idrauliche che sfruttano un salto geodetico); l’intero salto di entalpia viene trasformato in energia cinetica nei condotti fissi.

Nella seguente presentazione vediamo in gergo molto elementare come funziona una turbina a vapore:

Se supponiamo ora di sistemare una  fila continua  di palette su una ruota libera di girare e che le palette siano montate in modo che quando una qualsiasi di esse, muovendosi, esce dalla vena fluida, quella immediatamente successiva si sia già presentata, abbiamo realizzato una turbina nella forma più semplice e poiché il suo funzionamento dipenderà dagli impulsi esercitati dal fluido sulle palette, viene chiamata "turbina ad azione". Quindi nella turbina ad azione tutto il salto entalpico avviene nell’ugello dove la pressione viene trasformata in energia cinetica che a sua volta, nell’azionare la ruota a palette, trasformerà quest’ultima energia in energia meccanica ovvero in lavoro.

Guardiamo in questa animazione come si comporta la pressione P del vapore e la velocità V dello stesso in una turbina ad azione. Vedremo che l’intero salto di pressione avviene nell’ugello per poi mantenersi costante per tutte le ruote mobili (stadi) presenti nella turbina. La velocità invece avrà un rapido aumento all’uscita dell’ugello (velocità supersonica) per poi distribuirsi nelle altre ruote (stadi).

TURBINE A REAZIONE

Ricordate quando nella storia della macchina a vapore si è parlato di Erone e della macchina eolipila ? Rivediamo nell’animazione cosa succede:

Si nota che il vapore prodotto ed in pressione nella semisfera inferiore passa, attraverso i due tubi su cui ruota la sfera superiore entrando e mettendo in pressione quest’ultima. Il vapore da quest’ultima trova libero sfogo dai due ugelli orientati in modo che il vapore uscente imprimi una forza tale da far ruotare la sfera. Nella turbina a reazione succede più o meno la stessa cosa. Se la sfera superiore non fosse stata mobile, il vapore uscente non avrebbe prodotto nessun movimento tranne quello di qualsiasi oggetto posto davanti agli ugelli tipo una girandola. Infatti nella turbina ad azione gli ugelli sono fissi al corpo della turbina, il vapore uscente spinge le palette e quindi le ruote in rotazione.

Quindi supponiamo che al posto degli ugelli fissi abbiamo una ruota libera di muoversi i cui spazi tra le palette hanno la forma di ugelli veri e propri, cosa succede all’arrivo del vapore in pressione ?

Succede che la ruota inizia a ruotare a causa del vapore in pressione che tenta non solo di uscire dalla palettatura di quest’ultima, ma le permette di ruotare proprio come abbiamo visto prima nell’esempio dell’eolipila di Erone. In questo caso però l’intero salto entalpico avverrà per buona parte nella prima ruota mobile ed esattamente negli spazi tra le palette, altra parte del salto entalpico invece nelle successive ruote mobili. 

Lo stadio di turbina assiale semplice ad azione è l'elemento base nello studio delle turbine, e può trovare impiego sia nelle turbine a vapore sia nelle turbine a gas, anche se le sue peculiarità lo rendono particolarmente adatto alla zona di alta pressione delle turbine a vapore. Esso è costituito come tutti gli stadi di turbina, da una palettatura fissa (distributore o effusore) e da una girante, ma è caratterizzato dal fatto che tutta la caduta di entalpia disponibile avviene attraverso il distributore. Ciò equivale a dire che l'espansione ha luogo solo nel distributore, mentre la pressione a monte e a valle della girante è la stessa. La girante dunque subisce soltanto l'azione del fluido che si è espanso completamente attraverso il distributore. In figura stadi di una turbina ad azione, composto da due ruote, un diffusore e da 6 ugelli, da notare il profilo della palettatura che è di tipo simmetrico. 

È una turbina ad azione parziale: uscendo dal generatore il vapore ad alta pressione si espande in ugelli fissi prima di venire a contatto con le palette e le mette in azione senza urto. All'uscita della girante il vapore esce con una velocità pressoché nulla grazie all'opportuna curvatura data ai sistemi di palette. L'altissima velocità di questo tipo di turbina (da 10.000 a 30.000 giri/min) impone l'impiego di riduttori di velocità.

Va inoltre osservato che il salto entalpico elaborato da ogni singola girante è proporzionale al quadrato della velocità in ingresso e poiché la velocità diminuisce da uno stadio a quello successivo, i primi stadi Curtis elaborano molta più energia degli ultimi. Per questo motivo le turbine Curtis non presentano mai più di tre stadi. Inoltre, poiché in pochi stadi si può elaborate un’elevata energia e poiché sono turbine ad azione e quindi ammettono una semplice regolazione per parzializzazione, le turbine Curtis sono normalmente impiegate come elementi di testa delle turbine a vapore di grossa potenza.