La turbina idraulica è quel dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica; è essenzialmente costituita da un organo fisso, il distributore e da uno mobile, la girante. Il primo ha tre compiti essenziali: indirizza la portata in arrivo alla girante imprimendovi la direzione dovuta, regola la portata mediante organi di parzializzazione, provoca una trasformazione parziale o totale in energia cinetica dell'energia di pressione posseduta dalla portata. L'entità di questa trasformazione è l'elemento più importante per la classificazione delle turbine: quando la trasformazione da potenziale a cinetica avviene completamente nel distributore, si parla di turbine ad azione, altrimenti di turbine a reazione. La girante infine trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica resa sull'albero motore. 1

Le Pelton sono turbine ad azione nelle quali uno o più ugelli (una turbina ad asse verticale può avere fino a sei ugelli, con una o due giranti) trasformano totalmente la pressione dell'acqua in energia cinetica.

Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo. Solitamente sono dotate di un tegolo deflettore, che ha lo scopo di deviare il flusso dalle pale, in caso di brusco distacco di carico, in modo da evitare la fuga della turbina senza dover chiudere troppo velocemente la valvola di macchina, manovra che può causare colpi d'ariete intollerabili nella condotta. Il piano degli ugelli è sempre quello meridiano della girante.

L'acqua abbandona le pale a velocità molto bassa (idealmente a velocità nulla) per cui la cassa, che contiene la ruota, non deve resistere a nessuna pressione e può quindi essere molto leggera. Sono usate per salti compresi nell'intervallo 50-1300m.

Le Pelton possono essere utilizzate sia in asse verticale che orizzontale, sia in grandi impianti che per impianti micro-idroelettrici.

Turbina Pelton

Maxi turbina Pelton

Micro turbina Pelton

La Turgo è una turbina ad azione che può lavorare con salti tra i 15 ed i 300m.

Rispetto alla Pelton ha pale con forma e disposizione diverse ed il getto colpisce simultaneamente più pale, similmente alle turbine a vapore. Il volume d'acqua che una turbina Pelton può elaborare è limitato dal fatto che il flusso di ogni ugello possa interferire con quelli adiacenti, mentre la turbina Turgo non soffre di questo inconveniente.

Il minor diametro necessario comporta, a parità di velocità periferica della girante, una maggiore velocità angolare, che consente quindi l'accoppiamento al generatore senza il moltiplicatore, con conseguente diminuzione dei costi ed aumento dell'affidabilità.

Non diffusa in Italia, bensì nel resto dell'Europa, i costruttori la consigliano per situazioni con notevole variazioni di afflussi ed acque torbide.

Turbina Turgo

Mini turbina Turgo

Schema getto turbina Turgo

Turbina a flusso incrociato,viene anche chiamata turbina Banki-Michell, in onore dei suoi inventori, oppure turbina Ossberger, il nome della ditta che la fabbrica da più di 50 anni. Questa turbina ad azione si utilizza con una gamma molto ampia di portate e salti tra 5 m e 200 m.

Il suo rendimento massimo è inferiore all'87%, però si mantiene quasi costante quando la portata discende fino al al 16% della nominale e può raggiungere una portata minima teorica inferiore al 10% della portata di progetto.

L'acqua entra nella turbina attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota, che funziona quasi completamente sommersa (con un piccolo grado di reazione).

Il flusso che abbandona il primo stadio cambia di direzione al centro della ruota e s'infila nel secondo stadio, totalmente ad azione. La ruota è costituita da due o più dischi paralleli, tra i quali si montano, vicino ai bordi, le pale, costituite da semplici lamiere piegate. Queste ruote si prestano alla costruzione artigianale nei paesi in via di sviluppo, anche se non raggiungono i rendimenti dei gruppi realizzati con tecnologie appropriate.

Micro turbina Banki

Schema turbina Banki

Particolare schema turbina Banki

Sono turbine a reazione a flusso assiale, utilizzate generalmente per bassi salti (2-20m).
Le pale della ruota nella Kaplan sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili.
Quando sia le pale della turbina sia quelle del distributore sono regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione); se sono regolabili solo le pale della ruota, la turbina è una semi-Kaplan (o a singola regolazione).

Le pale della ruota si muovono girando intorno ad un perno solidale con un sistema di bielle-manovelle collegate ad un tirante verticale (posto all'interno dell'albero cavo della turbina) che è azionato da un servomotore idraulico. Le turbine ad elica hanno distributore e ruota a pale fisse e sono utilizzate quando il salto e la portata sono praticamente costanti.

La potenza massima oggi raggiunta dalle turbine Kaplan è di circa 200.000 kW in alcune turbine impiegate in impianti brasiliani.

TURBINE A BULBO
La turbina a bulbo è una turbina a reazione che deriva dalla Kaplan, con il generatore ed il moltiplicatore (se esiste) contenuti in una cassa impermeabile, a forma di bulbo, immersa nell'acqua.

Le turbine a bulbo sono quelle che vengono impiegate negli impianti che sfruttano il moto ondoso delle maree (es. La Rance in Francia).

Turbina Kaplan

Flusso turbina Kaplan

Turbina a bulbo Kaplan

In commercio si trovano anche micro-turbine a bulbo
www.ultraflexgroup.it

Sono turbine a reazione a flusso radiale con distributore a pale regolabili e girante a pale fisse, molto utilizzate per i medi salti (vengono usate per salti compresi nell'intervallo 10-350m).

Nelle turbine Francis veloci, l'alimentazione è sempre radiale, mentre lo scarico dell'acqua è solitamente assiale; in queste turbine l'acqua si muove come in una condotta in pressione: attraverso il distributore (organo fisso) perviene alla ruota (organo mobile) alla quale cede la sua energia, senza entrare in nessun momento in contatto con l'atmosfera.

Queste turbine non hanno molti vantaggi rispetto alle precedenti descritte e negli impianti di recente costruzione non vengono adottate se non in centrali di pompaggio nelle quali hanno funzione di produzione e di pompaggio.

Turbina Francis

Mini turbina Francis

Ghatta è una turbina idraulica ad asse verticale tradizionale in molti paesi, fino agli anni 50/60 c'erano molti sistemi che adottavano questa turbina per azionare direttamente macchine utensili in piccoli laboratori artigiani anche in Italia, specialmente nel nord-est, attualmente viene ancora utilizzata in Nepal e altri paesi asiatici. La turbina è costruita in legno ed è di semplice realizzazione e manutenzione, questo ovviamente è a scapito del rendimento, la potenza è al massimo di 12 kW

Dalla turbina Ghatta deriva la turbina MPPU (Multi-Purpose Power Unit), il nome deriva dalla molteplicità di usi alla quale originariamente era destinata, la realizzazione è relativamente semplice anche se tutti i componenti sono in acciao anziché in legno, i rendimenti sono migliori e la potenza è attorno ai 25 kW, è essenzialmente una soluzione a basso costo e ha la caratteristica di poter essere smontata e trasportata facilmente

Vista d'insieme di un sistema a turbina Ghatta

Una turbina Ghatta in legno e una MPPU in acciao

Turbina MPPU in funzione

La còclea idraulica è conosciuta fin dall’antichita, come ruota o chiocciola di Archimede. Nuovo è il brevetto di utilizzazione della chiocciola di Archimede (invertendo il processo originario) per realizzare una turbina idroelettrica.
Le principali caratteristiche di questa tecnologia sono:

- utilizzo di griglie a passo ampio grazie alla capacità della colclea di accettare materiali alluvionali e detriti di taglia superiore;
- nessun utilizzo di strigliatori e quindi nessuna produzione di rifiuti da smaltire;
- semplicità massima di installazione e di manutenzione
- bassi costi di impianto e gestione.
Le turbine a coclea sono utilizzate per salti da 1 a 10 metri e portate d’acqua da 0,5 a 5,5 m³/sec.
La caratteristica più importante di queste turbine è che, diversamente da Kaplan o Francis, continuano a funzionare anche con minime portate d’acqua, ciò le rende molto adatte per corsi d’acqua con portate irregolari.

Fonte:
www.ritz-atro.de

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Le ruote idrauliche sono state le prime  "turbine", un tempo erano l'unico sistema per poter sfruttare l'energia cinetica dei corsi d'acqua, i sistemi di utilizzo erano tre a seconda del dislivello utilizzabile:

• Per di sopra
  Ruota detta 'a cassetta', veniva sfruttato il peso dell'acqua e non la sua velocità o spinta. In questo sistema l'acqua viene temporaneamente immagazzinata in piccoli contenitori, le cassette per l'appunto, sulla parte superiore della ruota e svuotate al compimento del semigiro inferiore.  Non sono necessari grandi volumi d'acqua, ma necessita un dislivello almeno di poco superiore al diametro della ruota che deve essere di grandi dimensioni, richiede inoltre una tecnologia raffinata nella regolazione e convogliamento dell'acqua, come pure nella costruzione della ruota. Questo sistema è ormai quasi completamente in disuso  in quanto  altre turbine sono più efficienti e più economiche quando si ha la disponibilità di un salto.

• A metà
  Detta anche 'di petto'. Utilizzata quando il dislivello del salto d'acqua non è sufficiente per alimentare dal 'di sopra' la ruota. Si sfruttava quindi la velocità della piccola quantità d'acqua dovuta al piccolo salto.  Attualmente è preferibile ad altre soluzioni quando il salto è inferiore al metro.

• Per di sotto
  Ruota detta 'a palette', dove l'acqua spinge le pale immerse nella corrente. Attualmente è l'unico sistema che permetta di utilizzare i corsi d'acqua dove non sia possibile avere un salto. Adatta a grandi volumi d'acqua anche con poca velocità o a piccoli volumi d'acqua ma con buona velocità.
  La potenza erogabile può essere valutata misurando il dislivello dell'acqua tra monte e valle ruota (H in figura 1) e la portata o, con altro metodo, considerando la coppia creata sull'albero dalla pressione H agente sul raggio efficace della ruota e la velocità di rotazione.
  Un tempo le palette della ruota erano dritte, nei modelli più recenti le pale hanno profilo curvilineo, per ridurre le perdite dovute alla resistenza dell'acqua all'uscita della pala stessa dall'immersione.
  
  E' possibile utilizzare questa tecnica anche in sistemi galeggianti, un tempo sul Po c'erano alcuni mulini natanti.

www.magicoveneto.it  
www.it.wikipedia.org  
www.wasserrad-drews.de  

Moderna ruota per di sotto

fig.2

Mulino galleggiante

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La Peace Turbine è una turbina congegnata per funzionare in correnti d'acqua, senza la necessità di usufruire di un salto, possono essere installate singolarmente o in serie sullo stesso asse, inoltre possono essere installate " in cascata" sullo stesso corso d'acqua ad una distanza che dipende dalla velocità della corrente stessa.

L'installazione di queste turbine può essere fissa o galleggiante, il prototipo visibile nell'immagine sottostante, composto da tre turbine sullo stesso asse,  ha una produttività di 100.000 kWh/anno in una corrente d'acqua con velocità di 1,5 metri al secondo

una turbina singola con un diametro di 1000 mm immersa in una corrente d'acqua con velocità di 1m/s sviluppa una potenza di 1 kW,  se la velocità è di 2 m/s la potenza sviluppata è di 8 kW

Fonte:
www.euroenergie-net.de
www.rolf-keppler.de