Procedure per la progettazione standardizzata delle turbine delle piccole centrali idroelettriche

The thesis presents the definition and development of standardized design procedures of three type of hydraulic turbines for small hydraulic power plants: Pelton, Francis and Kaplan. In order to properly define the design parameter of each type of turbine, a technical-economical criterion was first applied to the flow duration curves of the turbine installation sites. Then, the critical aspects of the design procedure of each type of turbine were analyzed. As regards the Pelton turbines, a numerical investigation of the interaction between the jet and the bucket is presented. Unsteady numerical analyses were carried out on a single jet Pelton Turbine installed in the north of Italy. A two-phase inhomogeneous model was used. Two different jet configurations were analyzed and compared. In the first configuration the interaction between the runner and an axial-symmetric jet characterized by a given velocity jet profile was investigated, whereas in the second configuration the runner was coupled with the needle nozzle and the final part of the penstock and the interaction between the jet and the bucket was analyzed. A detailed analysis of the torque highlighted the influence of the shape of the water jet on the turbine losses and the influence of the stator on the efficiency of this type of hydraulic machines was shown. The numerical results was compared with the experimental data derived from the installation test of the turbine in order to validate the numerical analysis. As regards the Francis turbines, the analysis was focused on the design procedure of the statorical part. Numerical analyses, carried out on an installed and working machine, highlighted problems on the prediction of the operating conditions due to the distributor design procedure. To overcome these problems, an alternative distributor design procedure was presented and validated by numerical analysis. Finally, for the Kaplan turbines a new design methodology of the blade profiles is presented. Moreover, in order to overcome the prediction problems highlighted for the Francis turbines, a prediction criterion of the flow deflection obtainable from the distributor is also proposed.

La tesi presenta procedure di progettazione standardizzata sviluppate per tre tipologie di turbine idrauliche impiegate in centrali idroelettriche di piccola potenza: turbine Pelton, Francis e Kaplan. In primo luogo, per definire in modo appropriato e razionale i parametri progettuali delle turbine, le curve di durata delle portate dei siti di installazione sono state analizzate mediante un criterio sviluppato sulla base di parametri sia tecnici che economici. Si sono poi analizzati in dettaglio gli aspetti critici della procedura di progettazione delle varie tipologie di turbine. Per quanto riguarda le turbine Pelton, oggetto dell'indagine è stata l'interazione tra il getto e la pala a doppio cucchiaio. Analisi numeriche non-stazionarie multifase sono state condotte su di una turbina Pelton a singolo getto installata nel Nord Italia della quale si sono prese in considerazione due diverse configurazioni. Nella prima si è analizzata l'interazione tra la girante e un getto ideale assial-simmetrico a cui è stato assegnato un definito profilo di velocità, mentre nella seconda configurazione la girante è stata accoppiata con l'ugello e la parte finale della condotta forzata per analizzare l'interazione tra la girante e un getto dalle caratteristiche più vicine alla realtà. Un'analisi dettagliata della coppia all'albero ha consentito di valutare l'influenza della forma del getto e dell'elemento statorico sulle perdite e l'efficienza di questa tipologia di macchine idrauliche. I risultati numerici sono stati quindi confrontati con i dati sperimentali dei test di installazione della turbina allo scopo di valutare l'accuratezza dell'analisi numerica. Per quanto riguarda invece la turbine Francis, analisi numeriche condotte su di una macchina installata e funzionante, hanno evidenziato problemi di predizione della condizione di funzionamento dovuti alle procedure di progettazione dell'organo statorico. Per ovviare a questi problemi, si è sviluppata una procedura alternativa per il dimensionamento del distributore che consentisse di prevedere la condizione di funzionamento della macchina in modo più accurato. Tale procedura è stata convalidata tramite analisi numerica. Per quanto attiene le turbi ne Kaplan, è stata sviluppata una metodologia standardizzata di calcolo dei profili palari. Inoltre per ovviare ai problemi di predizione riscontrati anche per questa tipologia di turbine si è sviluppato un criterio di predizione della deviazione all'uscita dell'organo statorico, verificato per via numerica.