Progetto del terzo anno di Meccanica dell'esame di Macchine con Dossena (voto 29). Presentazione turbina Kaplan. 1. Scelta impianto 2. Distributore 3. Rotore: scelta dei profili, triangoli di velocità e potenza estratta 4. Accoppiamento con il diffusore 5. Verifica a cavitazione

1. Introduzione
Dimensionamento
Progetto di una turbina Kaplan
Bianconi Lorenzo
Bocchinfuso Francesco
Bresciani Federico
Politecnico di Milano - 25 luglio 2016
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

2. Introduzione
Dimensionamento
La diga di Col´ıder `e situata sul fiume Teles Pires nello stato del
Mato Grosso, in Brasile.
Iniziata nel 2011, fa parte di un progetto da sei centrali sullo stesso
fiume ed `e nella fase finale di costruzione da parte della societ`a
energetica brasiliana COPEL.
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

3. COLÍDERBrazil
2
Turbinecapacity
Ratedhead
Speed
Typeof turbine
Ratedvoltage
Frequency
Runner diameter
Generator capacity
DataSheet
3x103MW
21.51m
90rpm
Kaplan
13.8kV
60Hz
7800mm
3x111.11MVA
COLÍDER
www.impsa.com
HydropowerPlant
Brazil
Name
Country
Customer
Scopeofsupply
Installedcapacity
Meanannualproduction
Colíder
Brazil
COPEL
quipment
MW
1100GWh
Turnkeye
309
2,000,000 BOE/year
700,000 households/year
100,000 t of CO /year2
Highlights
Generatingunit
Hydromechanical componentsandhoistingdevices
Automation
Balanceof plant
Supervisionof assembly, erectionandstartupoperations
Operationandmaintenance
SubstationsandHVTL
Civil works
Turbinecapacity
Ratedhead
Speed
Typeof turbine
Ratedvoltage
Frequency
Runner diameter
Generator capacity
Scopeof supply DataSheet
3x103MW
21.51m
90rpm
Kaplan
13.8kV
60Hz
7800mm
3x111.11MVA
Colíderisthefirstof4hydropowerpowerplantstobebuiltontheTelesPiresRiverwithintheframeworkofthePrograma
deAceleraçãodeCrescimentoofthefederalgovernmentofBrazil.
Duringconstructionof theColíder hydropower plant, 32socio-environmental programswereimplemented inorder to
prevent,mitigateandoffsetpotentialadverseeffectsonnaturalenvironments.

4. Introduzione
Dimensionamento
Dati di progetto
Portata nominale Q = 700 m3/s
Quota del pelo libero della diga: z0 = 28.6 m
Salto motore Hm = 21.51 m
Numero di paia poli p = 60 e frequenza f = 60 Hz
⇒ n = f ·60
p = 60 rpm
ωs =
ω
√
Q
(gH)0.75
3.01
⇒ Ds,opt = 2 ⇒ D =
Ds
√
Q
(gH)0.25
13.9 m
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

5. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Distributore
Grazie al predistributore:
V1t = 1.9 m/s
V1r = 5 m/s
Angolo di calettamento γ = 31◦
Diametro di uscita D2D = 14.7 m
Dmozzo = 0.5 D = 6.95 m
Numero di pale zD = 38
Corda LD = 1.7 m
b0 = 2.53 m



V2t,teorica = 3.6 m/s
CL∞ = 0.443
CD∞ = 0.028
⇒



KD = 0.6
CL = KD CL∞ = 0.266
V2t = 2.9 m/s
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

6. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Distributore
V2r = 5.6 m/s
α1 = 20.8◦
α2 = 27.2◦
α1
α2
D1D
D2D
V1
V2
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

7. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Rotore
Dividendo in tubi di flusso, si calcolano le grandezze per hub, mid
e tip:
Vortice libero: V3t = D2D
D3
V2t
U = ω D3
2
Vm =
4Q
π(D2 − D2
mozzo)
= 5.7 m/s costante lungo il raggio
Grado di reazione r=



0.86 all’hub
0.93 al mid
0.96 al tip
Numero di pale zR = 6, poich`e nc 548
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

8. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Rotore
Entrata
V3t U W3t α3 β3
HUB 5.85 22.85 -17 46.5 160.1
MID 3.88 34.48 -30.6 57.8 168.6
TIP 3.1 43.10 -40 63.3 171.2
HUB MID TIP
V
U
W α β
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

9. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Rotore
Scelta dei profili
Inizialmente V4t = 0 per ottimizzare η
Passo ti = π Di /zR e corda Li = ci ti
GOE CL,∞ K CL CD β∞ i γ = β∞ + i
HUB 301 0.79 1.9 1.5 0.01 72.8 7 79.8
MID 437 0.215 2 0.43 0.01 79.3 0 79.3
TIP 377 0.103 2.1 0.215 0.01 81.6 -2 79.6
˙m U (V3t − V4t) = ω r ·
1
2
ρ W 2
∞ CL sin (β∞) − CD cos (β∞) L b · zR
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

10. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
GOE 301 - HUB
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

11. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Rotore
Uscita
V4t U W4t α4 β4
HUB -2.18 22.85 -25.03 111.4 166.1
MID -1.56 34.48 -36.04 105 170.3
TIP -1.17 43.1 -44.24 101.1 172.1
βα
HUB MID TIP
V
U
W
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

12. A-A ( 1 : 35 ) B-B ( 1 : 35 )C-C ( 1 : 35 )
A
A
B
B
C
C
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
A A
B B
C C
D D
pala_rot
utente 23/07/2016
Progettato da Controllato da Approvato da Data
1 / 1
Edizione Foglio
Data
5577,78
6326,82
7151,84

13. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Rotore
Potenza estratta
leu = Ui (V3t,i − V4t,i ) =



183.62 J/kg
187.64 J/kg
184.21 J/kg
η = leu/gH = 0.878
P = ρ Q leu = 129.6 MW
ηstatistico = 0.89
Pstimata = ρ Q gH/ηstat = 131.5 MW
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

14. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Diffusore
Perdite a monte della turbina: ξM = 3
Perdite a valle: ξV = 2.4
Velocit`a sul pelo libero della diga: V0 = 2 m/s
Quota della macchina: z4 = −5 m
Quota di valle: z5 = 0 m
Velocit`a del fiume all’uscita: V5 = 2 m/s
Sezione di uscita del diffusore: Sdiff = 150 m2
Scegliendo δ = 6◦, la lunghezza risulta 17.3 m
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

15. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
4
5z=0
z4
Sdiff
P4T, diff = Patm + ρ
V 2
5
2
+ g (z5 − z4) + ξV
Q2
2 S2
diff
= 178 508 Pa
P4T, rot = Patm + ρ
V 2
0
2
+ g (z0 − z4) − gH − ξM
V 2
1
2
= 178 508 Pa
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

16. Introduzione
Dimensionamento
Distributore
Rotore
Diffusore
Cavitazione
Per Wislicenus NPSHR = 1
g
w
√
Q
4
4
3
= 14.7 m
Per Thoma NPSHR = H · σ = H · e1.67 log nc −10.74 = 17.4 m
Pvap + Pg = 6000 Pa
NPSHD =
P4T,rot −(Pvap+Pg )
ρg = 17.7 m > 17.4 m
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan

20. Introduzione
Dimensionamento
Bibliografia
IMPSA, www.impsa.com/en.
AirFoil Tools, www.airfoiltools.com.
ClareDot, www.claredot.net
Copel, www.copel.com/uhecolider
Coen, Turbine idrauliche.
Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan