Discussione: Variatore di velocià turbina coclea

Ciao Giorgio,

la tua idea è già utilizzata da Spaans, ma per le turbine piccole. Pensa le macchine del tuo amico, sono macchine da circa 6000 l/s, fanno 0,3 giri al secondo quindi vuol dire che in coclea ci stanno qualcosa come 18.000 litri di acqua ... ora se la coclea è realizzata con il trogolo di cemento il peso dell'acqua si scarica sul suolo, se la coclea è realizzata in tubo questo devo sopportare tutto il peso, i cuscinetti pure e cosa non da poco l'imbocco a monte deve essere in grado di seguire tutti movimenti ...
Non so che differenza di resa ci possa essere, sicuramente interessante dove la percentuale di trafilamento risulta essere alta rispetto alla portata nominale ... ma penso che i costi per eliminarla forse siano maggiori dei benefici, specialmente su macchine grandi.
Sulle piccole qualcuno lo fa ... forse la conviene!

Ciao

Mat

Ciao Itus, seguendo il tuo discorso, se blocco l'albero di una kaplan e lascio il distributore completamente aperto e le pale anch'esse aperte ad esempio a 20 gradi, anche li l'acqua scorrerebbe in mezzo all'elica, il discorso della coclea ferma, cosi come una kaplan ferma è solo una questione di energia da applicare agli alberi per fermarle ma il principio fisico che "governa" la reazione sia lo stesso nelle due macchine, non vedo la coclea come surrogato della ruota, al massimo potrebbe essere un misto, mi sbaglio?

Mat, in effetti non avevo pensato a questi pesi.... forse hai ragione è una questione di dimensione, ho visto infatti la spaans dopo la tua segnalazione, interessante direi, chissà qual'è il limite a cui ci si riesce a spingere, sul loro sito non è specificato niente e quella che si vede se non sbaglio è 12kw, si potesse arrivare a superare la fatidica soglia dei 20kw per cedere l'energia in rete sarebbero da prendere in seria considerazione per le piccole derivazioni

Originariamente inviata da giorgiokawa

Ciao Itus, seguendo il tuo discorso, se blocco l'albero di una kaplan e lascio il distributore completamente aperto e le pale anch'esse aperte ad esempio a 20 gradi, anche li l'acqua scorrerebbe in mezzo all'elica, il discorso della coclea ferma, cosi come una kaplan ferma è solo una questione di energia da applicare agli alberi per fermarle ma il principio fisico che "governa" la reazione sia lo stesso nelle due macchine, non vedo la coclea come surrogato della ruota, al massimo potrebbe essere un misto, mi sbaglio?

Sì; pensare alla coclea come una turbina è un grosso sbaglio. Le pale di una turbina Kaplan o più in generale di un'elica hanno un profilo idrodinamico che massimizza la spinta fornita dal fluido in movimento (acqua) ottenendo rendimenti elevati.
Una coclea non ha le pale (in questo caso le spire) sagomate secondo principi idrodinamici; probabilmente messa in verticale come una turbina si muoverebbe ma avrebbe un rendimento minimo.
Una coclea usata come turbina è paragonabile ad un aereo con le ali piatte come una tavola.

La coclea è fisicamento molto più simile ad una ruota idraulica rispetto che ad un'elica: sia nelle ruote che nelle viti di Archimede ci sono masse d'acqua (nella ruota si riempiono le vaschette o gli spazi tra le pale mentre nelle viti si riempiono gli spazi interspirali) che si muovono verso il basso e sfruttano l'energia potenziale trasfomandola in energia "meccanica".

Originariamente inviata da Matasnic

ora se la coclea è realizzata con il trogolo di cemento il peso dell'acqua si scarica sul suolo, se la coclea è realizzata in tubo questo devo sopportare tutto il peso, i cuscinetti pure e cosa non da poco l'imbocco a monte deve essere in grado di seguire tutti movimenti

Questo secondo me è un problema secondario perchè si potrebbero mettere dei cuscinetti di supporto sotto il tubo (per capirsi tipo banco di prova per le ruote delle auto), il problema è proprio nel fatto che l'acqua in contatto con il tubo esterno deve percorrere un tratto molto lungo opponendo molta resistenza e di conseguenza riducendo i rendimenti finali.

Originariamente inviata da giorgiokawa

Mat, in effetti non avevo pensato a questi pesi.... forse hai ragione è una questione di dimensione, ho visto infatti la spaans dopo la tua segnalazione, interessante direi, chissà qual'è il limite a cui ci si riesce a spingere, sul loro sito non è specificato niente e quella che si vede se non sbaglio è 12kw, si potesse arrivare a superare la fatidica soglia dei 20kw per cedere l'energia in rete sarebbero da prendere in seria considerazione per le piccole derivazioni

Ciao Giorgio,

diciamo che penso sia fattibile in quanto parlavo con un produttore e mi diceva che stava puntando su quella tipologia per un discorso di preassemblaggio direttamente in ditta e poi in cantiere si sarebbe provveduto solo a posizionarla. Penso quindi che i 20 KW siano fattibili ma poi entra il discorso costi ... e li so che quelle fatte in tubo sono più costose e non sembra che il maggior costo rientri velocemente.
Pensa che sulle macchine che avrai visto se vengono fermate piene ... l'acqua ci mette più di qualche minuto a defluire e considerando che normalmente girano a circa 20 giri minuto ... penso che l'acqua che trafila sia molto poco in rapporto a quella che passa.
Queste sono mie considerazioni, se mai riuscirò a fare delle misure ... le riporterò!
ciao
Mat

sul discorso coclea Kaplan ... mi permetto di dire una cosa, la coclea è una "ruota" veloce storta (passami i temini), lavora per peso come la ruota, mentre le pale delle kaplan lavorano come un'ala di un aereo
la coclea è un acquilone, sfrutta la resistenza fatta al vento per stare in aria ... sfrutta il peso dell'acqua per girare, mentre la kaplan è un aereo sfrutta le forze aereodinamiche per volare ... l'elica ha un profilo "alare"
sono 2 principi molto diversi

Mat, dici che i costi di quelle "intubate" è superiore a quelle standard e la cosa ha una logica già solo per il ferro in più e per la complicanza per costruirla, mi piacerebbe proprio sapere però cosa costerebbe in più al kw una turbina fatta con questa tecnologia anche perchè oramai i salti e le portate disponibili stano davvero diventando risicate e poter dare un senso economico a derivazioni da 1500 l/s per 2 metri di salto se s riuscisse nel complesso della realizzazione a spendere poco non sarebbe male, anche se il discorso di perdite per strisciamento dell'acqua posto da Itus ha più che un senso. Proverò magari a farmi dare dei riferimenti in tal senso, sempre che lorsignori vogliono darmi retta, vedremo.
Per il discorso coclea kaplan, da frequentatore dei cieli per diletto adesso ho perfettamente recepito la sostanziale differenza che mi sfuggiva.

a presto

Giorgio

Originariamente inviata da itus

Sì; pensare alla coclea come una turbina è un grosso sbaglio
...

Mi trovo sostanzialmente daccordo con Itus dove afferma che la coclea non è una turbina.
Nell'uso diventato ordinario, sia come pompa che come generatore idraulico volumetrico a gravità, la coclea forma, fra le spire adiacenti, dei cassetti sghembi, o meglio tasche, dove l'acqua contenuta, agisce per gravità secondo l'asse coclea, ed essendo le pale inclinate e il moto assiale impedito, imprime una rotazione attorno all'asse. Funziona in linea di principio come una ruota idraulica di fianco o alle reni, pur differendo per l'orientamento del moto.
La coclea, diventa uno scivolo, quando la inclinazione del suo asse dovesse diventare superiore al rapporto fra la circonferenza dell'asse/albero e il passo, cioè: tang alfa= pigreco*d/p. Da questo punto in avanti, come detto, la coclea diventa uno scivolo, o se funzionante con flusso a piena sezione, una grossolana elica intubata, con dei rendimenti, come hanno ben sottolineato Itus e Mastanic, sicuramente modesti.

Per valutare l'entità dei trafilaggi fra spire e cassa/truogolo nelle coclee idrauliche, occorre comprendere che l'acqua che scende lungo la coclea e la mette in movimento, viene ricompresa fra la cassa, le spire adiacenti, l'asse e la superfice libera. Si vengono a formare come delle "tasche" che impegnano la parte bassa della coclea (fra ogni spira), tendenzialmente la metà inferiore o poco più. La forma della tasca è alquanto particolare, perchè le superfici laterali sono costituite da due spire adiacenti, di conseguenza, svergolate ad elica.
Il livello dell'acqua nelle tasche, dipende ovviamente dalla portata, che riempie più o meno la coclea, ma, ipotizzando il funzionamento alle caratteristiche nominali, cioè massime, la coclea sarà piena fino alla tracimazione dall'albero rotante o asse.
In ogni caso, il dislivello fra ogni tasca (fra una tasca e quella immediatamente successiva) sarà pari a:
hu= ht/(npr*nsp)
dove :
ht= dislivello totale
npr= numero principi della coclea
nsp= numero spire di ogni elica
nps= L/P
L= lunghezza totale elica coclea
P= passo elica
Se in prima approssimazione, assimiliamo il gioco o luce fra spire e truogolo come una bocca a battente rigurgitata, la portata
fra le tasche sarà:
Qt=ce*A*radq(2*g*hu)
dove:
ce= coefficiente di efflusso, che dovrebbe essere attorno a 0,62 ma che sarà, per le approssimazioni introdotte e le proporzioni
della "bocca" ,sicuramente minore. (a rigore andrebbero integrati i flussi di dimensioni discrete della bocca)
As, area della bocca, a forma di segmento di corona circolare, e quindi pari a:
As= asc*pigreco*(R^2-r^2)/360°
dove:
asc°= angolo del settore circolare a coclea piena
R= raggio truogolo
r= raggio spire
asc= 180°+2*at°
sen at= r/R

Si tratta di un metodo che non ha pretese di rigore, ma può fornire una valutazione di prima approssimazione.

Sulla base del metodo esposto, faccio una ipotesi applicativa di una coclea con i relativi trafilaggi:

Portata 1,2 m3/sec
Dislivello utile 5 m
Diametro coclea (interno truogolo) 2 m
N° principi 3
Passo 2 m
Diametro asse/tubo 1 m
Lunghezza utile elica 10 m
Gioco elica-truogolo 5 millimetri
(probabilmente insufficenti, da verificare il flesso dell'albero e tolleranze)
Coefficente di efflusso 0,62

In queste condizioni si avrà:
Area segmento circolare (fessura) 0,021 m2
Dislivello fra tasche adiacenti 0,33 m
Trafilaggio max fra le tasche adiacenti 0,033 m3/sec
Velocità flusso nella fessura 1,6 m/sec
Rapporto portata/trafilaggi 2,8 %

Da questa analisi risulta che le perdite volumetriche dovute ai trafilaggi sono nell'ordine del 3% per la coclea descritta.

ciao Wilmorel, il 3% non è per niente poco, in fin dei conti è una bella fetta della differenza di rendimento che c'è tra coclea ad una turbina "classica", l'idea dell'intubamento delle spire quindi non sembra essere sbagliata e dovrebbe produrre teoricamente un bell'incremento di rendimento, va capito quanto potrebbe valere il discorso di perdite per strisciamento dell'acqua sull'involucro esterno come evidenziato da Itus