Turbina idraulica

Una turbina idraulica è una girante a pale che l’acqua in pressione fa ruotare molto velocemente, dentro una cassa chiusa o sotto un getto. Come la ruota idraulica, sfrutta l’energia di un salto d’acqua, ma in una macchina molto più piccola e veloce, e dagli anni Ottanta dell’Ottocento muove i generatori delle centrali idroelettriche.

Che cos’è

Una turbina idraulica è una ruota di pale curve, la girante, che l’acqua in pressione fa girare ad alta velocità. Come la ruota idraulica, ricava energia dall’acqua che cade da una certa altezza. Ma una ruota per di sopra gira all’aria aperta sotto il peso dell’acqua nelle sue cassette, e una ruota per di sotto per la spinta della corrente, a pochi giri al minuto. La turbina riceve l’acqua da una condotta e gira decine o centinaia di volte più in fretta, così una macchina molto più piccola fornisce la stessa potenza.

La sua velocità le permette di azionare un generatore elettrico con pochi ingranaggi o nessuno. Quasi tutte le centrali idroelettriche usano uno di tre modelli: la ruota Pelton, la turbina Francis o la turbina Kaplan.

Come funziona

In una turbina ad azione un ugello trasforma tutta la pressione in un getto veloce e la girante gira in aria. In una turbina a reazione la girante è chiusa e piena d’acqua; la pressione cala tra le pale, che lavorano come ali curve.

Lo spigolo di ogni cucchiaia taglia il getto in due e rimanda indietro le due metà.

La ruota Pelton è una turbina ad azione per salti alti e portate piccole. Uno spigolo divide ogni cucchiaia, fende il getto e rimanda ogni metà quasi in senso opposto. La turbina Francis, a reazione e la più diffusa, copre i salti medi, all’incirca da 40 a 600 metri. La turbina Kaplan, un’elica le cui pale ruotano sul mozzo, serve per salti bassi e grandi portate, sotto gli 80 metri circa.

La tavola mostra un gruppo Francis. L’acqua scende lungo la condotta forzata (1) fino alla cassa a spirale (2), che si restringe avvolgendosi attorno alla macchina perché l’acqua entri in modo uniforme da ogni lato. Le pale direttrici (3) la mettono in rotazione e regolano la portata. Attraversa la girante (4) dall’esterno verso il centro ed esce in basso dal tubo di scarico (5), un condotto che si allarga, la rallenta a poco a poco e recupera parte dell’energia che le resta.

La potenza disponibile è P = ρ·g·Q·H·η: densità dell’acqua ρ (circa 1.000 kg/m³), gravità g (9,81 m/s²), portata Q in m³/s, salto netto H in metri e rendimento η. Con 100 metri di salto, 0,2 m³/s e l’85 % per turbina e generatore insieme, P = 1.000 × 9,81 × 0,2 × 100 × 0,85 ≈ 167 kW. Una grande turbina Francis da sola supera il 90 %.

Il generatore (7) sta sullo stesso albero, e la sua frequenza segue la velocità. Il regolatore (6) la mantiene costante chiudendo le pale direttrici quando l’albero accelera e aprendole quando rallenta. Deve agire con gradualità: chiudere di colpo una lunga condotta provoca un colpo d’ariete, una sovrappressione capace di farla scoppiare. A 100 giri al minuto un generatore ha bisogno di 60 poli per dare 50 hertz.

Come si costruisce

Una ruota di cucchiai alimentata da una canna da giardino che pesca in un ruscello può accendere un fanale da bicicletta. Chiedete prima il permesso al proprietario e all’ente che gestisce le acque: nella maggior parte dei paesi prelevare acqua da un corso d’acqua richiede un’autorizzazione.

Misurare il salto. Stendete una canna dalla presa fino al punto in cui starà la ruota, tenete l’estremità alta sott’acqua e lasciatela scorrere finché non esce più aria. Chiudete poi l’estremità bassa con un manometro: ogni bar di pressione statica corrisponde a circa 10,2 metri di salto. Una livella da cantiere e una stadia, spostate verso valle da un riferimento al successivo, servono da controllo.

Misurare la portata. Per un rivolo sotto i 5 litri al secondo circa, fatelo passare da un tubo in una piccola diga di terra e cronometrate quanto impiega a riempire un secchio. Per un ruscello più grande, cronometrate un galleggiante su 10 metri, moltiplicate la velocità per 0,85 circa, poi per la larghezza e la profondità media.

Calcolare la potenza. Con 8 metri di salto e 0,3 litri al secondo nella canna, l’acqua porta P = 1.000 × 9,81 × 0,0003 × 8 ≈ 24 W. La canna e l’ugello perdono parte del salto, e una ruota e una dinamo fatte in casa trasformano in elettricità solo una parte modesta del resto. Contate su pochi watt, forse abbastanza per una dinamo da bicicletta da 3 watt, e misurate quello che ottenete davvero. Lasciate la maggior parte del ruscello ai pesci.

Due cucchiai affiancati formano una rozza cucchiaia doppia.

Fare la girante. Fissate un disco di compensato di circa 30 cm di diametro su un asse d’acciaio che gira in due cuscinetti. Avvitate sul bordo da otto a dieci coppie di cucchiai da minestra, affiancati, con le coppe che sporgono dal bordo, rivolte al getto, e si uniscono in uno spigolo.

Puntare il getto. Montate un ugello a getto sulla canna e bloccatelo perché il getto colpisca gli spigoli in direzione tangente. Senza perdite uscirebbe a 12,5 m/s; con l’attrito nella canna è più probabile che esca a circa 10 m/s. I cucchiai rendono meglio a metà della velocità del getto, misurata sul cerchio in cui il getto li colpisce: circa 270 giri al minuto se quel cerchio ha 35 cm di diametro.

Aggiungere la dinamo. Montate sull’asse un secondo disco liscio di circa 35 cm e appoggiate contro il suo bordo il rullino di una dinamo a bottiglia. A 270 giri al minuto quel bordo si muove come lo pneumatico di una bicicletta a circa 18 km/h. Collegatela a un fanale da bicicletta con due fili isolati: sulla bicicletta il telaio fa da ritorno alla corrente, qui serve un filo. Riportate l’acqua nel ruscello a valle della ruota.

Sicurezza. Non lavorate mai da soli vicino a un ruscello e non entrateci quando è in piena: l’acqua veloce e fredda travolge e annega. Una canna che scende di 8 metri è già a quasi un bar. Aprite e chiudete lentamente le condotte lunghe, perché un arresto brusco provoca un colpo d’ariete che fa saltare i raccordi. Tenete occhi e dita fuori dal getto, proteggete la girante con un carter e chiudete l’acqua prima di toccarla. Isolate ogni collegamento e tenete le dita lontane anche dal rullino della dinamo. I generatori più grandi raggiungono tensioni pericolose: non collegatene mai uno all’impianto elettrico di un edificio.

Storia ed evoluzione

Nella turbina di Fourneyron l’acqua va verso l’esterno, dalle direttrici fisse alla corona mobile.

Nel 1825 Claude Burdin, professore alla Scuola delle miniere di Saint-Étienne, costruì a Pontgibaud una turbina con un rendimento del 67 %. Il suo ex allievo Benoît Fourneyron ne fece una macchina industriale: nell’aprile 1827, nella ferriera di Pont-sur-l’Ognon, installò una turbina da sei cavalli con un salto di 1,40 metri.

Nel 1849 a Lowell, nel Massachusetts, James B. Francis costruì una turbina perfezionata a flusso centripeto e pubblicò le sue prove nel 1855. Nei distretti auriferi della California Lester Pelton realizzò la sua prima ruota nel 1878 e brevettò la cucchiaia doppia nel 1880.

Nel 1878 Lord Armstrong illuminò la sua casa di Cragside, nel Northumberland, con lampade ad arco alimentate dall’acqua dei laghi della tenuta. Ad Appleton, nel Wisconsin, una centrale fornì corrente continua dal 30 settembre 1882. Nel 1895 la centrale Adams alle cascate del Niagara avviò generatori Westinghouse da 5.000 cavalli, a corrente alternata secondo il sistema di Nikola Tesla; da novembre 1896 la sua corrente raggiunse Buffalo. Viktor Kaplan depositò nel 1913 il brevetto delle pale orientabili, e la prima turbina Kaplan industriale entrò in funzione a Velm, in Austria, nel 1919.

Nel 2023 il mondo contava 1.412 GW di potenza idroelettrica. La diga delle Tre Gole, in Cina, ne ha da sola 22,5 GW, e per il suo bacino sono state spostate circa 1,3 milioni di persone. Le dighe sbarrano la strada ai pesci migratori e trattengono i sedimenti: secondo uno studio pubblicato nel 2019, solo il 37 % dei 246 fiumi più lunghi del mondo scorreva ancora libero per tutta la sua lunghezza.