Analisi fluidodinamica e sperimentale su una turbina Cross-Flow

L'energia idroelettrica è una forma di energia rinnovabile che oggi sta subendo un profondo processo di trasformazione passando da un sistema centralizzato di produzione ad un sistema di tipo distribuito. Tale processo ha dato un forte impulso alla costruzione di impianti di produzione idroelettrici su piccola scala. Questi impianti si possono realizzare: 1) lungo piccoli corsi d'acqua con piccoli salti disponibili, 2) alla fine di lunghe condotte di adduzione in corrispondenza della sezione di consegna ad un serbatoio cittadino, 3) nelle reti di distribuzione idriche dove il carico piezometrico in eccesso si dissipa con valvole di regolazione, 4) a valle di impianti di depurazione nel caso siano disponibili dei salti nella restituzione. Nel caso di reti idriche l'energia prodotta da questi piccoli impianti può essere utilizzata dal gestore per ridurre i costi energetici e dunque migliorare la gestione degli stessi. D'altra parte siffatte installazioni richiedono turbine e sistemi di controllo atti a mantenere buone efficienze di produzione al variare delle portate turbinate (Laghari et al. 2013). Viceversa, le apparecchiature tradizionali sono finalizzate a lavorare in grandi centrali con portate molto regolari ed il loro utilizzo non può essere facilmente adattato a sistemi mini e micro idroelettrici. Pertanto al fine di migliorare l'efficienza e ridurre i costi complessivi del mini idroelettrico, ricercatori e studiosi stanno analizzando la possibilità di utilizzare turbine idrauliche di nuova concezione, munite di dispositivi di controllo della portata e di sistemi per la regolazione elettrica della velocità di rotazione (Williams e Simpson, 2009; McAdam et al. 2013). Tra le micro turbine le Cross-Flow sono quelle che presentano un miglior rapporto qualità/prezzo, anche se hanno generalmente un'efficienza inferiore alle turbine Pelton e Francis. In questo studio viene presentato un lavoro sperimentale effettuato per testare le prestazioni di una turbina Cross-Flow economica e di alta efficienza, progettata seguendo un approccio teorico precedentemente sviluppato dagli stessi autori e verificato mediante una serie di simulazioni numeriche eseguite con il codice CFX-Ansys (Sammartano et al. 2013). La progettazione assume che il massimo rendimento della turbina si abbia quando la velocità relativa tangenziale Vt (Vcosα) è due volte la velocità di rotazione della girante U (R). Inoltre, la velocità in prossimità dell'ingresso della girante V è posta proporzionale alla radice quadrata del carico totale nella stessa sezione H, considerando un coefficiente di proporzionalità costante per data geometria Cv, così come evidenziato nell'equazione (1). I valori di Cv utilizzati di solito per questo approccio sono prossimi all'unità (Cv ≈ 0.98), come per le turbine Pelton o Turgo (Chattha et al. 2010, Zia et al. 2010). Tale approssimazione è però accettabile solo se la pressione assoluta in ingresso nella girante è prossima a quella atmosferica. Alcuni studi numerici hanno messo in evidenza che in prossimità della girante si hanno pressioni relative non nulle (Yang et al. 2010, De Andrade et al. 2011, Sammartano et al. 2013). L’analisi numerica di Sinagra et al. (2013) evidenzia che il Cv non è prossimo ad 1, ma ricade nel range 0.75 ÷ 0.85. Al fine di indagare nei riguardi dell'efficacia della procedura di progettazione e del coefficiente di velocità è stato progettato e costruito un prototipo di Cross-Flow presso il laboratorio dell'istituto INAF dell'Università di Palermo. Una serie di prove sperimentali sono state quindi condotte utilizzando un banco di prova costruito presso il laboratorio di Idraulica dell'Università di Palermo. L'impianto sperimentale è costituito da un banco di prova del prototipo e da un circuito di ricircolo che alimenta il prototipo di Cross-Flow. Il banco di prova è costituito da: 1) un torsiometro che misura la coppia meccanica e la velocità di rotazione; 2) un generatore sincrono da 15 kW con 4 poli (1500 r.p.m.) collegato alla turbina tramite una coppia di pulegge con rapporto di trasmissione 1:2; 3) un banco di resistenze elettriche per dissipare il carico elettrico. La potenza idraulica disponibile istantaneamente è valutata a mezzo di un misuratore ultrasonico di velocità e di un manometro installato nella sezione di ingresso del distributore. La misura delle grandezze idrauliche e meccaniche è effettuata tramite un sistema di schede analogiche e digitali collegate ad un PLC. I risultati dei test preliminari, effettuati per un valore di quota piezometrica costante e pari a 4 m, mostrano che i valori sperimentali dell'efficienza della macchina sono poco superiori a quelli calcolati tramite le simulazioni effettuate con il codice CFX (Fig. 1a) e che il massimo si ha per un valore di Vt/U =1.8. Inoltre, in accordo con i risultati ottenuti con le simulazioni si osserva come il coefficiente Cv ricade nel range 0.75 ÷ 0.85 (Fig. 1b), assumendo valori più alti in prossimità del punto di progetto (Vt /U = 2). Il coefficiente di velocità sembrerebbe effettivamente influenzato dalla contropressione esercitata dalla girante e dalla velocità di rotazione della girante.