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Turbina.

(dal francese turbine, der. del latino turbo: vortice). Macchina motrice formata da elementi fissi (distributore e diffusore) e da un organo rotante (girante), munito di palette periferiche opportunamente sagomate per ricevere energia (cinetica o potenziale o di entrambi i tipi) da un fluido sotto forma di velocità o di pressione. • Encicl. - Una t. del tipo più semplice è generalmente costituita da tre elementi: il distributore, la girante e il diffusore. Il distributore convoglia il fluido verso la girante, trasformando parte della sua energia potenziale in cinetica; la girante converte in lavoro-motore la sola energia cinetica del fluido entrante o anche la caduta di energia potenziale che in essa si verifica; il diffusore, infine, riceve il fluido riversato dalla girante e converte, nella maggior misura possibile, l'energia cinetica rimasta in energia potenziale. I tre organi descritti, e in alcuni casi solo i primi due, costituiscono le cosiddette t. semplici o monostadio (provviste cioè di un solo complesso distributore-girante); essi formano invece solo una parte delle t. multiple o multistadio (ovvero con più gruppi distributore-girante), nelle quali il meccanismo illustrato può ripetersi fino a varie decine di volte. ║ Classificazione: per classificare i molteplici tipi di t. finora realizzati, si fa generalmente ricorso a tre criteri: la natura del fluido motore, la geometria del flusso e la modalità di trasmissione d'energia. A seconda della natura del fluido si distinguono le t. a fluido incompressibile e le t. a fluido compressibile. Le prime vengono definite idrauliche perché utilizzano per lo più acqua (più raramente altri liquidi, quali olio, liquidi organici, ecc.) e differiscono dalle ruote idrauliche in quanto la trasformazione dell'energia potenziale in lavoro motore ha luogo solo in minima parte nella girante. Le seconde comprendono le t. a vapore, che utilizzano soprattutto vapore d'acqua, e le t. a gas, nelle quali il fluido motore è costituito per lo più da aria, in casi più rari da CO2 o elio. In base alla geometria del flusso nella girante, che è determinata dalla forma di quest'ultima, le t. si distinguono invece in assiali, quando la velocità del flusso non presenta una componente radiale, radiali, se la stessa è priva di componente assiale, e miste, quando la velocità del fluido possiede entrambe le componenti. Secondo le modalità operative di trasmissione dell'energia, le t. si classificano infine in t. ad azione e t. a reazione. Nelle prime, il lavoro sviluppato sulla girante risulta esclusivamente dalla riduzione della velocità del fluido, in quanto la caduta di pressione disponibile è elaborata per intero nel distributore e trasformata in energia cinetica; nelle seconde, invece, il lavoro sulla girante scaturisce da diminuzione d'energia sia di pressione sia cinetica, poiché la caduta di pressione è elaborata in parte nel distributore e in parte nella girante stessa. Si definisce grado di reazione il rapporto tra l'energia rilasciata dal fluido nella girante e l'energia totale rilasciata. Un'ulteriore distinzione riguarda le t. a vapore, che possono essere parziali o totali. Nelle t. del primo tipo, la girante viene alimentata per mezzo di ugelli situati sulla sua periferica; nelle seconde, invece, il distributore è munito di sistemi di palette che ammettono il vapore lungo tutto il contorno della girante. Va precisato che una t. a vapore a reazione è sempre totale. Inoltre, nelle t. a vapore il salto totale di pressione tra l'entrata e l'uscita è suddiviso in più salti; questi ultimi vengono definiti di pressione o di velocità, a seconda che l'elemento sia rispettivamente a reazione o ad azione. Le t. a gas, infine, possono essere a ciclo aperto o a ciclo chiuso. In particolare, mentre nelle t. del primo tipo si ha un continuo rinnovo del fluido motore, che brucia nel compressore e fuoriesce dalla macchina come gas combusto, in quelle del secondo tipo il fluido evoluente rimane sempre lo stesso. ║ Cenni storici: nel suo significato odierno, il termine t. fu utilizzato per la prima volta dal francese C. Burdin intorno al 1820; tuttavia, macchine molto semplici funzionanti in base a un meccanismo analogo a quello della t. erano diffuse già nell'antichità. T. idrauliche molto rudimentali, consistenti in ruote di legno ad asse verticale munite di pale piatte, erano note fin dai secc. V-IV a. C. in Egitto, in Mesopotamia e, forse, anche in India e in Cina. In età romana (secc. II-I a.C.) fecero la loro comparsa le pale in legno a forma di tazza, nonché le t. ad asse orizzontale, che erano già abbastanza potenti da azionare le macine dei mulini. Per tutta l'antichità e il Medioevo, comunque, furono concretamente impiegate soltanto le t. idrauliche atte a far funzionare i mulini. Lo sviluppo delle t. ricevette un impulso decisivo a partire dalla seconda metà del XVIII sec., allorché J.A. Segner realizzò nel suo arganello idraulico il principio della t. idraulica a reazione (1750), teorizzato da L. Euler. Nel 1827 B. Fourneyron costruì la prima t. a reazione ad asse verticale, di circa 4,4 kW di potenza; nel 1832 ne realizzò una seconda, di 37 kW circa. Le t. di Fourneyron erano entrambe caratterizzate da flusso centrifugo e alimentate tramite un tubo assiale. Nel 1847 J.B. Francis compì i primi esperimenti sulle t. idrauliche centripete (V. OLTRE). I primi modelli di queste ultime furono comunque realizzati qualche anno dopo da J. Thomson (1851) e dallo stesso J. B. Francis (1855), mentre il distributore piano-centripeto a pale mobili fu costruito solo nel 1877 da A. Fink. Nel 1889 A. Pelton, perfezionando il modello già esistente di t. ad azione con ingresso assiale e scarico tangenziale (t. Girard, 1851), costruì la t. che porta il suo nome, tuttora ampiamente utilizzata (V. OLTRE). Caratterizzata da ingresso e scarico tangenziali, la t. Pelton fu ulteriormente perfezionata nel 1904, con l'aggiunta del regolatore a spina Doble. Gli anni 1910-30 videro la comparsa delle t. Kaplan (V. OLTRE); caratterizzate da ingresso e scarico assiali e munite di pale mobili, queste t., insieme alle loro derivate t. a bulbo (V. OLTRE), sono tuttora largamente impiegate nella generazione idroelettrica a bassa caduta. Al 1952 risale, infine, la costruzione della t. Deriaz, simile a una t. Francis ma provvista di pale mobili. Il meccanismo di funzionamento della t. a vapore a reazione e della t. a gas fu realizzato per la prima volta in un dispositivo attribuito a Erone di Alessandria (III sec.), consistente in due tubi ripiegati ad angolo retto nei quali scorreva il fluido motore. Per la produzione di t. a vapore moderne su scala industriale bisogna attendere la prima metà del XVIII sec., allorché l'americano W. Avery ideò una serie di macchine che raggiungevano una potenza di diversi kW; alcune di esse trovarono applicazione pratica nelle segherie americane, altre nella trazione ferroviaria. Nel 1884 l'inglese C.A. Parsons inventò la t. a reazione multistadio, seguita poco dopo da quella ad azione monostadio dello svedese C.G.P. De Laval (V. OLTRE), al quale si deve inoltre la realizzazione, tra il 1890 e il 1897, di numerose t. per propulsione navale. Agli stessi anni risalgono le t. ad azione multistadio del francese C.-E.-A. Rateau (1894) e quelle ad azione a doppia fila di pale dell'americano C.G. Curtis (1897), denominate oggi t. a salti di velocità (V. OLTRE). Nel 1891 Parsons perfezionò la t. omonima con l'aggiunta di un condensatore in depressione che, mantenendo la pressione di scarico bassa, incrementava il lavoro specifico. Nei decenni che seguirono furono introdotti altri modelli, quali la t. ad azione Kolb (1900), con ingresso assiale e scarico centripeto, e la t. a reazione Ljungström (V. OLTRE) (1910), con ingresso assiale e scarico centrifugo; contemporaneamente, la produzione sempre maggiore di energia elettrica ampliò notevolmente l'ambito di applicazione delle t. a vapore, che cominciarono a diffondersi su scala industriale. Sperimentato per la prima volta da Erone di Alessandria, il principio di funzionamento della t. a gas si ritrova in un progetto di Leonardo da Vinci, nel quale è utilizzato per azionare un dispositivo di sollevamento. La prima t. a gas fu comunque realizzata e brevettata nel 1791 dall'inglese J. Barber. A questo primo rudimentale modello fece seguito quello ideato nel 1872 dal tedesco F. Stolze, basato su un meccanismo del tutto analogo a quello dei moderni turbogas: inviata da un compressore a uno scambiatore alimentato da un bruciatore esterno, l'aria riscaldata e compressa veniva fatta espandere in una t. a reazione multistadio, che attivando il compressore avrebbe dovuto produrre lavoro esterno. Nel 1903 i francesi R. Armengaud e C. Lemale idearono la prima t. a ciclo aperto con compressore a tre cilindri, mentre tra il 1905 e il 1908 il tedesco H. Holzwarth e il francese M. Karavodine misero in pratica il principio della combustione della miscela in una camera a volume costante. Nel 1911 l'italiano A. Buchi utilizzò per la prima volta un turbogas come sovralimentatore di un motore Diesel. Agli svizzeri J. Ackeret e C. Keller dobbiamo, infine, l'ideazione dell'impianto turbogas a ciclo chiuso, il cui primo esemplare fu costruito negli anni Cinquanta. Le t. a gas si diffusero comunque soprattutto a partire dagli anni Quaranta, quando iniziarono a essere impiegate come propulsori aeronautici; dopo il secondo conflitto mondiale trovarono larga applicazione nella produzione di energia elettrica e nella trazione aerea e navale. ║ T. Pelton: t. idraulica ad azione tra le più importanti, chiamata anche ruota Pelton. Ad asse per lo più orizzontale, è alimentata da una condotta forzata e può sviluppare potenze comprese tra pochi kW e 250.000 kW. Unica tra le t. idrauliche ad azione a essere sopravvissuta per centrali di potenza, è pressoché esclusiva per salti superiori ai 1.000 m, intendendo per salto la differenza tra il livello del bacino a monte della condotta forzata e quello del canale di scarico a valle della t. stessa. Il distributore è costituito da uno o più boccagli o ugelli a sezione circolare, collocati il più vicino possibile alla girante e aventi la funzione di trasformare l'intera caduta di pressione disponibile in energia cinetica di un getto. Nel boccaglio è sistemata la cosiddetta spina Doble, un elemento coassiale affusolato e mobile che ha la funzione di delimitare, insieme al boccaglio, il condotto cilindrico a sezione anulare nel quale defluisce il liquido. La girante, che consta di un disco rotante in ambiente a pressione atmosferica, è situata a un'altezza tale dal livello dell'acqua a valle da non essere raggiunta dal livello del canale di scarico. Ciascuna delle pale della girante, presenti in numero variabile da 17 a 25, sono costituite da due superfici ovoidali, disposte in modo da formare una coppia di cucchiai uguali affiancati; lo spigolo centrale che le separa deve essere il più affilato possibile, essendo il tagliente sul quale il boccaglio dirige il getto d'acqua. Una volta colpito il tagliente, quest'ultimo si suddivide in due semigetti simmetrici, che deviano sulle superfici concave per poi uscire dai bordi opposti delle pale e finire nel pozzo di scarico. Il distributore e la girante sono contenuti in un involucro detto cassa, generalmente in ghisa o lamiera saldata. Per costruire la girante si utilizza per lo più l'acciaio, comune o speciale inossidabile in fusione integrale monoblocco. La regolazione della portata utile del distributore viene effettuata azionando la spina Doble solo in caso di modesta caduta del carico; allorché, invece, si verifichi una rapida riduzione e cessazione dell'afflusso alla girante, occorre azionare un apposito organo di intercettazione del getto chiamato deviatore sincrono o deviatore a tegolo, oppure semplicemente tegolo. Più precisamente, il tegolo è un elemento rotante che, frapponendosi tra il boccaglio e la girante, devia del tutto o parzialmente il getto, permettendo di regolare con rapidità la portata utile senza modificare la portata del boccaglio e, quindi, della condotta che lo alimenta.
Schema di turbina idraulica Pelton ad asse verticale

T. Francis: t. idraulica a reazione, utilizzata generalmente per salti inferiori ai 700 m; capace di sviluppare potenze comprese tra i 10 e i 300.000 kW, si è rivelata estremamente versatile, divenendo l'unica adatta a condizioni idrotecniche intermedie. A seconda che si tratti di installazioni a bassa caduta oppure di impianti piccoli e di cadute medie e alte, l'acqua affluisce alla t. o direttamente dall'ambiente in cui quest'ultima è collocata (la cosiddetta camera libera), oppure da una camera a spirale (la cosiddetta voluta o coclea o chiocciola), formata da una tubazione che avvolge la macchina per effettuare l'alimentazione totale. Il distributore, chiamato piano centripeto o di tipo Fink dal nome del suo ideatore, consta di due corone circolari parallele tra le quali sono sistemate le pale direttrici. Nel suo passaggio attraverso il distributore l'acqua, che scorre con flusso centripeto in direzione radiale, raggiunge una velocità assoluta inferiore a quella torricelliana secondo il grado di reazione stabilito, arrivando alla girante sotto forma di corrente in pressione e veloce. Ogni pala direttrice è formata da superfici cilindriche a generatrici parallele all'asse, e può essere ruotata attorno a un asse che, facendo da distanziatore, congiunge i due anelli che circoscrivono il distributore. Ruotando tutte le pale direttrici di uno stesso angolo mediante un cerchio mobile, è possibile variare la sezione del flusso, e con essa quella della portata. La girante, mista radiale-assiale, è munita di pale aventi forma di lastre quadrangolari sghembe a curvatura multipla o semplice; l'acqua fuoriesce dal distributore con direzione fortemente inclinata su quella periferica, arriva sul contorno della ruota ed esce con direzione assiale. A differenza della t. Pelton, che funziona con la girante all'aria aperta e sfrutta solo parzialmente il salto, la t. Francis ha la girante immersa nell'acqua e recupera il salto integralmente; in termini di potenza e di salto, quest'ultima è più veloce della prima e, pertanto, comporta costi minori. Inoltre, mentre nella t. Pelton la velocità di trascinamento dipende esclusivamente dal salto, nella t. Francis essa è legata anche alla disposizione delle pale, data dall'angolo di attacco e più in generale dalla forma della girante, ovvero dal numero di giri caratteristico. Nei modelli di t. Francis più grandi, la girante può arrivare a pesare oltre le 500 t, e l'albero può avere un diametro che raggiunge i 2 m; nei modelli più piccoli, la girante è stretta con condotti di modesta sezione, il che può causare ostruzioni.
Schema di turbina idraulica Francis

T. a elica: t. idraulica ad asse per lo più verticale, utilizzata per salti bassi, compresi tra i 5 e i 15 m. Il distributore, munito di pale direttrici rotanti, è simile a quello della t. Francis. Sotto al distributore e a una distanza molto grande da esso si trova la girante, costituita da un'elica nella quale l'acqua scorre con direzione parallela all'asse. Tra l'uscita della girante e il livello a valle è situato un diffusore per il recupero dell'energia cinetica fuoriuscita dalla ruota, che può ammontare fino al 40% dell'energia totale. Questo tipo di t. consente di realizzare grandi velocità di rotazione con buoni rendimenti. ║ T. Kaplan: t. idraulica con girante a elica e asse per lo più verticale, capace di sviluppare potenze comprese tra i 5 e i 250.000 kW. Impiegata per salti che vanno dai 3 agli 80 m, è più complessa ed efficiente della t. a elica, alla quale è oggi preferita in tutte le installazioni ove si prevedano forti variazioni relative alla portata. Caratteristica peculiare della t. Kaplan è la mobilità dei complessi palari, il cui assetto spaziale può essere modificato per mezzo di dispositivi di regolazione che, azionati da un servomotore, agiscono simultaneamente sull'inclinazione sia delle pale direttrici del distributore, sia delle pale della girante, in modo da variare il passo dell'elica. Il distributore, generalmente del tutto radiale centripeto, ha forma e capacità analoghe a quello della t. Francis; la girante consta di un grosso mozzo di forma cilindrico-ogivale, munito di pale elicoidali il cui numero può variare da un minimo di 2 a un massimo di 8. L'acqua giunge alla macchina tramite la camera libera in cui la stessa è avvolta. ║ T. a bulbo o tubolare: costituisce un tipo particolare di t. idraulica a elica, il cui tratto peculiare è costituito dall'andamento rigorosamente lineare del flusso principale della corrente idrica; quest'ultima presenta infatti la stessa forma assiale o lievemente conica sia nel distributore sia nella girante e nel diffusore. L'asse della t. è orizzontale nel caso di impianti di media e grande potenza unitaria (500/50.000 kW), oppure leggermente inclinato nelle cosiddette microcentrali (50/300 kW). La girante è provvista di pale orientabili (generalmente quattro), ma in caso di caduta poco variabile viene spesso sostituita con la girante a elica fissa, che comporta costi molto minori. Il distributore è munito di una ventina di pale, anch'esse orientabili. La macchina elettrica può trovarsi internamente o esternamente al tracciato idraulico: nel primo caso, generalmente preferito al secondo per ragioni di ordine tecnico ed economico, essa viene messa in un carter di metallo aerodinamicamente sagomato con funzione isolante rispetto al flusso idrico, dal quale fuoriesce come prolungamento rotante il mozzo ogivale della t., denominato bulbo per la sua forma fusiforme. Il bulbo può essere disposto prima della t. oppure dopo la t.: nel primo caso si parla di bulbo a monte, nel secondo di bulbo a valle. Assicurando economia di impianto e un buon rendimento, i gruppi a bulbo si stanno gradualmente sostituendo alle tradizionali t. Kaplan. ║ T. De Laval: t. a vapore assiale, ad azione parziale. È caratterizzata da una girante a forma di disco, munita di un'unica serie di palette e ruotante in una camera a pressione uniforme pari a quella finale d'espansione; il distributore, nel quale ha luogo l'intera caduta di pressione, è formato da uno o più condotti dal profilo convergente-divergente, chiamati ugelli di De Laval. Il vapore ad alta pressione esce dal generatore, si espande negli ugelli e viene in contatto con le palette, azionandole senza urto; fuoriesce poi dalla girante con velocità quasi nulla, conferitagli dalla particolare curvatura dei sistemi di palette, e scarica infine nel collettore di raccolta. Per la sua efficienza operativa nonché per la sua semplicità e compattezza strutturale, questa t. trova larga applicazione nell'industria, soprattutto nell'ambito delle piccole potenze (fino a 500 kW circa); l'altissima velocità di rotazione, compresa tra i 10.000 e i 30.000 giri al minuto, impone spesso l'utilizzo di riduttori di velocità. ║ T. Curtis: t. a vapore assiale, ad azione, a salti di pressione e di velocità e a espansioni multiple. Le giranti, costituite da un disco con due o più corone periferiche di palette, girano in una camera a pressione uniforme. Tutte le volte che si verifica un salto di pressione, un dato numero di giranti viene calettato sullo stesso albero, mentre le palette direttrici di distributori fissi separano ogni singola girante dalle altre. Ciò comporta una notevole riduzione della velocità di trascinamento, che nel caso di due salti risulta la metà di quella per un salto unico, ma non influisce sul rendimento, che è comunque buono. ║ T. Rateau: t. a vapore assiale, ad azione e multicellulare. È caratterizzata da una struttura a dischi e diaframmi, dovuta all'alternanza di dischi fissi (detti appunto diaframmi) e rotanti. In particolare, i primi, sui quali sono montati gli ugelli, arrivano fino all'albero formando una serie di camere a pressione via via decrescente; in queste ultime girano i dischi palettati che costituiscono il rotore. Le fughe sono molto ridotte e viene praticamente eliminata ogni spinta assiale; al contrario aumentano le perdite per attrito. Strutturalmente complessa per la bassa velocità periferica e l'elevato numero di salti, la t. Rateau a salti di pressione garantisce comunque un alto rendimento; per questa ragione è ampiamente utilizzata nel campo delle medie potenze sia come t. autonoma nelle centrali industriali e nella propulsione marina, sia come componente di potenti turbomotori. ║ T. Zoelly: t. a vapore analoga alla precedente, caratterizzata da giranti di grande diametro e implicante un numero ridotto di salti. ║ T. Parsons: t. a vapore assiale, a reazione e a salti di pressione. È costituita da una serie di distributori fissi con palette direttrici, alternati a giranti munite di palette mobili e calettate sull'albero. Frazionata in più stadi a reazione, la t. Parsons permette di utilizzare cadute elevate con velocità modeste; è infatti ampiamente utilizzata in tutte le applicazioni fisse e propulsive di potenza media e grande, sia come macchina autonoma sia come componente di più potenti motori. ║ T. Ljungström: t. a vapore radiale, nella quale il vapore fluisce attraverso varie corone di pale rotanti in senso opposto, portate alternativamente da due dischi indipendenti controrotanti. La disposizione delle pale è tale che le corone di ogni disco alloggino nei vani anulari che separano le pale dell'altro disco, creando uno spazio palettato continuo. Ciascun disco è solidale a un albero e fa girare un proprio generatore-utilizzatore; dal momento che i due alternatori sono accoppiati, i dischi ruotano alla stessa velocità. Mediamente, a una velocità di 3.000 giri al minuto degli alternatori corrisponde una velocità relativa di 6.000 giri al minuto delle palette. Rispetto a una macchina a distributori fissi, una t. Ljungström ha il vantaggio di essere più leggera e di occupare meno spazio; nonostante ciò, la sua applicazione trova dei limiti a causa della sua stessa struttura.