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- เผยแพร่เมื่อ 29 ส.ค. 2024
- TURBINE A VAPORE
Il successo della turbina idraulica suggerì la possibilità di applicare il principio della turbina alla produzione di energia meccanica ed elettrica utilizzando il vapore. Mentre la macchina a vapore di Watt, a moto alternativo, utilizzava la pressione del vapore, la turbina ne sfruttava l'energia cinetica con un rendimento conseguentemente maggiore. Le turbine sono più piccole, più leggere e più economiche delle macchine a vapore alternative di pari potenza e dal punto di vista meccanico presentano il vantaggio di produrre direttamente un moto rotatorio, senza richiedere l'uso di alberi a gomiti o altri meccanismi per la trasformazione del moto rettilineo alternativo. Come conseguenza di ciò, la turbina a vapore ha sostituito la macchina alternativa come motore primo nelle grandi centrali termoelettriche e nella propulsione navale. Inoltre, alimentate da generatori di vapore accoppiati con scambiatori di calore, le turbine a vapore sono impiegate nella produzione di energia elettrica nelle centrali nucleari e nella propulsione nucleare delle navi.
Nelle applicazioni industriali che richiedono sia il calore di processo (cioè il calore necessario allo svolgimento di un processo tecnologico) sia l'elettricità, il vapore viene portato ad alta pressione nella caldaia, in modo che, dopo aver alimentato la turbina, si trovi nelle condizioni di pressione e temperatura richieste dal processo. Le turbine a vapore possono anche essere inserite in cicli combinati con un generatore di vapore che recupera il calore che andrebbe altrimenti perduto, come quello contenuto nei gas di scarico di una turbina a gas (vedi sotto).
La turbina a vapore non è stata il frutto dell'ingegno di una singola persona ma si è sviluppata negli ultimi anni del XIX secolo, come risultato del lavoro di più inventori, fra i quali spiccano il britannico Charles Algernon Parsons e lo svedese Carl Gustav Patrik de Laval. A Parsons si deve il cosiddetto principio della stadiazione, cioè la suddivisione in diversi stadi dell'espansione del vapore, il quale compie lavoro utile a ogni stadio. De Laval invece fu il primo a progettare una disposizione di ugelli e palette particolarmente adatta a sfruttare efficacemente l'espansione del vapore.
Funzionamento della turbina a vapore
Il funzionamento della turbina a vapore è basato sui principi della termodinamica: il vapore che si espande subisce un abbassamento di temperatura e quindi una diminuzione di energia interna. Quest'ultima si trasforma in energia meccanica, sotto forma di accelerazione delle particelle che lo compongono. Tale trasformazione rende direttamente disponibile una grande quantità di energia meccanica.
Sebbene costruite in base a due diversi principi, le parti essenziali di tutte le turbine sono simili. Anzitutto ci sono gli ugelli, attraverso i quali il vapore fluisce, si espande, perde calore e acquista energia cinetica; poi ci sono le palette, contro le quali il vapore ad alta velocità esercita pressione. La disposizione di ugelli e palette, fisse o mobili, dipende dal tipo di turbina. Oltre a questi due componenti di base, le turbine comprendono le giranti sulle quali sono fissate le palette, un albero su cui sono montate le giranti, un involucro esterno (o cassa) e altri dispositivi accessori, inclusi quelli di lubrificazione e di regolazione.
Tipi di turbina a vapore
La forma più semplice di turbina a vapore è la cosiddetta turbina ad azione, nella quale il vapore, uscendo ad alta pressione da una serie di ugelli opportunamente disposti all'interno della cassa, colpisce direttamente le palette montate sulla parte periferica della girante, facendo ruotare quest'ultima attorno all'albero centrale.
Nella turbina a reazione, invece, l'energia meccanica viene ottenuta in parte dall'impatto del vapore sulle alette, ma soprattutto dall'accelerazione del vapore in espansione. Le turbine di questo tipo infatti comprendono due serie di palette, una fissa, che costituisce il distributore e una mobile montata sulla girante. Distributore e girante si affrontano e le palette del distributore sono disposte in modo che ogni coppia funzioni come un ugello attraverso il quale il vapore si espande agendo sulle palette della girante. Quest'ultima, nelle turbine a reazione, non è una ruota, ma ha forma di tamburo il cui asse ha la funzione di albero della turbina.
Allo scopo di utilizzare nel modo più efficiente possibile l'energia ottenibile dal vapore, in entrambi i tipi di turbina il ciclo di espansione è diviso in più stadi, in ciascuno dei quali solo una parte dell'energia termica viene trasformata in energia cinetica. Se tale trasformazione avvenisse totalmente in un unico stadio, la velocità di rotazione della girante potrebbe essere eccessiva. In genere, le turbine a reazione richiedono più stadi di quelle ad azione.
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