Turbine a vapore

Le turbine a vapore si sono affermate come principale motore per la generazione  dell'energia elettrica, soppiantando i motori alternativi a vapore. 

Solo negli ultimi anni il mercato delle turbine a vapore è stato raggiunto da quello delle turbine a gas, con le quali peraltro si “sposano” per l’uso nei cicli combinati.

Trattandosi di motori a combustione esterna, le turbine a vapore permettono l’uso di combustibili diversi (fossili, biomasse, energia nucleare, energia solare, ecc.) per la produzione del vapore d’acqua necessario al loro azionamento, inoltre l’elevata velocità di rotazione ne permette l’accoppiamento diretto con i generatori elettrici. 

Queste caratteristiche, unite al favorevole rapporto peso/potenza e all’affidabilità, ne hanno decretato la universale diffusione come sistema per la generazione termoelettrica. Esse sono costruite con taglie che vanno dai pochi kW di potenza fino e oltre potenze dell’ordine dei 1.500 MW.

Modalità di espansione del vapore

Gli stadi di turbina si dividono in:

  • stadi ad azione, dove l’intero salto entalpico è elaborato nello statore della macchina (turbina a impulso) - sono generalmente usati in piccole turbine o come primi stadi delle turbine di medio-grandi dimensioni; le turbine ad azione pluristadio possono essere realizzate a "salti di velocità" oppure a "salti di pressione"
  • stadi a reazione, dove l’espansione del vapore avviene sia nella parte statorica, sia nella parte rotorica o solo nella parte rotorica. L’accelerazione del fluido dovuta alla sua espansione nel rotore genera un effetto di reazione che contribuisce a generare la spinta sulla palettatura. Gli stadi a reazione hanno rendimenti leggermente superiori a quelli ad azione e per questo sono ampiamente usati in ogni applicazione.

Turbine a condensazione

Il vapore è immesso in turbina e si espande in essa fino alla più bassa pressione possibile. In funzione del fluido raffreddante disponibile (es. corsi d'acqua, mare, aria), l'uso di un condensatore rende possibile il raggiungimento di pressioni di scarico turbina inferiori a quella atmosferica. L’assetto in condensazione è volto a sfruttare l’intero salto entalpico disponibile ed è quello tipico degli impianti termoelettrici.

Turbine in contropressione

Sono tipicamente usate in applicazioni di processo, dove la portata di vapore è regolata a valle della turbina dalle esigenze di un ciclo produttivo. In turbina è quindi elaborata solo una parte del salto entalpico disponibile, lasciando la restante parte a disposizione per le esigenze del ciclo produttivo. Sono comuni nell’industria petrolchimica, nell’industria cartaria, negli impianti di teleriscaldamento, in quelli di desalinizzazione ecc. ossia laddove siano richieste ingenti quantità di vapore a pressioni relativamente basse. 

Turbine a singolo corpo

Usate nelle realizzazione di medie e piccole potenze: tutti gli stadi (o il singolo stadio) della turbina sono racchiusi in un'unica cassa.

Turbine a più corpi

Al fine di ottimizzare le prestazioni, le turbine di maggiori dimensioni sono suddivise in più corpi (ad es. corpo di alta, media e bassa pressione). I diversi corpi di turbina possono essere calettati su di uno stesso albero (configurazione tandem) oppure su alberi diversi (cross compound), azionanti diversi generatori. In questo ultimo caso è possibile avere diverse velocità di rotazione sui diversi alberi, ottimizzando il dimensionamento dei diversi corpi di turbina.

Sistemi ibridi

Con lo sviluppo dei cicli combinati si realizzano oggi anche sistemi ibridi, con accoppiamento sullo stesso albero della turbina a gas con quella a vapore.

Le turbine a vapore sono ampiamente diffuse anche negli impianti di cogenerazione di media e grossa taglia, con diverse configurazioni d'impianto: sistemi a contropressione, cicli semplici o combinati con spillamento di vapore.

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