Turbina Francis
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La turbina Francis è una turbina a reazione sviluppata nel 1948 da James B. Francio, un ingegnere Inglese trasferitosi negli USA. È una turbina a flusso centripeto: l’acqua raggiunge la girante tramite una condotta a chiocciola che la colpisce per intero, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, statorica, indirizzando il flusso per investire le pale della girante. La turbina viene denominata a reazione poiché non sfrutta solo la velocità ma anche la pressione del getto d’acqua, che quando giunge nella girante, è ancora superiore a quella atmosferica. Infatti attraverso il condotto convergente costruito dal canale tra le pale del distributore è quello tra le pale della girante stessa si finisce di convertire la pressione ancora presente in velocità (energia cinetica). Per ottimizzare il funzionamento della turbina, l’espansione dell’acqua viene prolungata al di sotto della pressione atmosferica, così da creare una sorta di effetto vuoto, che fa aumentare ancora di più la differenza di pressione. A valle della girante, nello scarico è necessario riportarsi alle condizioni esterne, quindi si comprime il fluido grazie al diffusore, che converte la restante energia cinetica in pressione. Questo passaggio non solo consente di riportare la pressione del flusso d’acqua a quella atmosferica, ma permette di utilizzare quella quota finale di energia cinetica, non sfruttabile in turbina,, che, andrebbe altrimenti persa nello scarico. Se si esagera nella ricerca del vuoto però si rischia di incappare nel fenomeno, sgradito, della cavitazione per cui l’acqua, scesa al di sotto della pressione di liquido saturo, si trasformerebbe in vapore, corrodendo e distruggendo i calettamenti della girante. Questo tipo di turbina viene impiegata in corsi d’acqua con dislivelli da 10 metri sino a 300 metri e portate da 2-3m3/s fino a 40-50m3/s. la sua regolazione avviene grazie alla variazione di apertura (angolo di incidenza) delle pale nel distributore, quindi modificando il condotto convergente che esse creano determinando una variazione della portata elaborata dalla girante. Questa variazione modifica anche il flusso sulle pale della girante, facendola arrivare con angolo diverso da quello di progetto e per la composizione delle velocità si determinano componenti rotazionali che non hanno contributo di potenza, in condizioni estreme può accadere che il fluido non aderisca più alle pale provocando cavitazione sul lato aspirazione o pressione (potrebbe staccarsi o urtare le pale), introducendo oltre alle perdite di potenza anche fenomeni di erosioni delle superfici. Per questi motivi la turbina francio ha un modesto campo di regolazione, se non si vuole uscire dalle condizioni ottimali di efficienza. Quando le portate si accrescono è necessario realizzare giranti più grandi, con una sezione di maggiori dimensioni.
