Un fluido di lavoro contiene energia potenziale (testa di pressione) ed energia cinetica (testa di velocità). Il fluido può essere comprimibile o incomprimibile. Diversi principi fisici sono impiegati dalle turbine per raccogliere questa energia:
Le turbine a impulsi cambiano la direzione del flusso di un fluido ad alta velocità o di un getto di gas. L’impulso risultante fa girare la turbina e lascia il flusso del fluido con un’energia cinetica diminuita. Non c’è cambiamento di pressione del fluido o del gas nelle pale della turbina (le pale mobili), come nel caso di una turbina a vapore o a gas, tutta la caduta di pressione avviene nelle pale stazionarie (gli ugelli). Prima di raggiungere la turbina, la testa di pressione del fluido viene trasformata in testa di velocità accelerando il fluido con un ugello. Le ruote Pelton e le turbine de Laval utilizzano esclusivamente questo processo. Le turbine a impulso non richiedono un contenitore di pressione intorno al rotore, poiché il getto del fluido è creato dall’ugello prima di raggiungere le pale sul rotore. La seconda legge di Newton descrive il trasferimento di energia per le turbine a impulso. Le turbine a impulso sono più efficienti nei casi in cui il flusso è basso e la pressione di ingresso è alta.
Le turbine a reazione sviluppano la coppia reagendo alla pressione o alla massa del gas o del fluido. La pressione del gas o del fluido cambia mentre passa attraverso le pale del rotore della turbina. Un involucro di pressione è necessario per contenere il fluido di lavoro mentre agisce sullo stadio o sugli stadi della turbina o la turbina deve essere completamente immersa nel flusso del fluido (come nelle turbine eoliche). L’involucro contiene e dirige il fluido di lavoro e, per le turbine ad acqua, mantiene l’aspirazione impartita dal tubo di tiraggio. Le turbine Francis e la maggior parte delle turbine a vapore usano questo concetto. Per i fluidi di lavoro comprimibili, di solito si usano più stadi di turbina per sfruttare il gas in espansione in modo efficiente. La terza legge di Newton descrive il trasferimento di energia per le turbine a reazione. Le turbine a reazione sono più adatte a velocità di flusso più elevate o ad applicazioni in cui la testa del fluido (pressione a monte) è bassa.
Nel caso delle turbine a vapore, come quelle usate per applicazioni marine o per la generazione di elettricità sulla terraferma, una turbina a reazione di tipo Parsons richiederebbe circa il doppio del numero di file di pale di una turbina a impulsi di tipo de Laval, per lo stesso grado di conversione di energia termica. Mentre questo rende la turbina Parsons molto più lunga e pesante, l’efficienza complessiva di una turbina a reazione è leggermente superiore a quella di una turbina a impulso equivalente per la stessa conversione di energia termica.
In pratica, i moderni progetti di turbine usano entrambi i concetti di reazione e di impulso in vari gradi, quando possibile. Le turbine eoliche usano un profilo aereo per generare una portanza di reazione dal fluido in movimento e imprimerla al rotore. Le turbine eoliche guadagnano anche un po’ di energia dall’impulso del vento, deviandolo ad angolo. Le turbine con più stadi possono usare sia la reazione che l’impulso ad alta pressione. Le turbine a vapore erano tradizionalmente più a impulso, ma continuano a muoversi verso progetti a reazione simili a quelli usati nelle turbine a gas. A bassa pressione il fluido operativo si espande in volume per piccole riduzioni di pressione. In queste condizioni, il blading diventa strettamente un design di tipo reazione con la base della pala esclusivamente ad impulso. La ragione è dovuta all’effetto della velocità di rotazione per ogni pala. Come il volume aumenta, l’altezza della pala aumenta, e la base della pala gira ad una velocità più lenta rispetto alla punta. Questo cambiamento di velocità costringe un progettista a passare dall’impulso alla base, a una punta ad alta reazione.
I metodi classici di progettazione delle turbine sono stati sviluppati nella metà del 19° secolo. L’analisi vettoriale metteva in relazione il flusso del fluido con la forma e la rotazione della turbina. All’inizio furono usati metodi di calcolo grafico. Le formule per le dimensioni di base delle parti della turbina sono ben documentate e una macchina altamente efficiente può essere progettata in modo affidabile per qualsiasi condizione di flusso del fluido. Alcuni dei calcoli sono formule empiriche o “regola del pollice”, e altri sono basati sulla meccanica classica. Come per la maggior parte dei calcoli ingegneristici, sono state fatte delle assunzioni semplificative.
I triangoli della velocità possono essere usati per calcolare le prestazioni di base di uno stadio della turbina. Il gas esce dalle palette di guida stazionarie dell’ugello della turbina alla velocità assoluta Va1. Il rotore ruota alla velocità U. Relativamente al rotore, la velocità del gas mentre impatta sull’ingresso del rotore è Vr1. Il gas viene fatto girare dal rotore ed esce, relativamente al rotore, alla velocità Vr2. Tuttavia, in termini assoluti la velocità di uscita del rotore è Va2. I triangoli di velocità sono costruiti usando questi vari vettori di velocità. I triangoli di velocità possono essere costruiti in qualsiasi sezione della pala (per esempio: mozzo, punta, sezione centrale e così via), ma di solito sono mostrati al raggio medio della pala. La prestazione media della fase può essere calcolata dai triangoli di velocità, a questo raggio, usando l’equazione di Eulero:
Δ h = u ⋅ Δ v w {displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}
Dunque:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}
dove:
Δ h {displaystyle \Delta h}
è la caduta dell’entalpia specifica attraverso lo stadio T {\displaystyle T}
è la temperatura totale (o di stagnazione) di entrata della turbina u {displaystyle u}
è la velocità periferica del rotore della turbina Δ v w {displaystyle \Delta v_{w}
è la variazione della velocità del vortice
Il rapporto di pressione della turbina è una funzione di Δ h T {displaystyle {\frac {Delta h}{T}}
e dell’efficienza della turbina.
Il design moderno delle turbine porta i calcoli oltre. La fluidodinamica computazionale fa a meno di molti dei presupposti semplificatori usati per derivare le formule classiche e il software facilita l’ottimizzazione. Questi strumenti hanno portato a miglioramenti costanti nella progettazione delle turbine negli ultimi quarant’anni.
La classificazione numerica primaria di una turbina è la sua velocità specifica. Questo numero descrive la velocità della turbina alla sua massima efficienza rispetto alla potenza e alla portata. La velocità specifica è derivata per essere indipendente dalla dimensione della turbina. Date le condizioni di flusso del fluido e la velocità di uscita dell’albero desiderata, la velocità specifica può essere calcolata e un design di turbina appropriato può essere selezionato.
La velocità specifica, insieme ad alcune formule fondamentali può essere utilizzata per scalare in modo affidabile un design esistente di prestazioni note a una nuova dimensione con prestazioni corrispondenti.
Le prestazioni fuori progetto sono normalmente visualizzate come una mappa o una caratteristica della turbina.
Il numero di pale nel rotore e il numero di palette nello statore sono spesso due numeri primi diversi per ridurre le armoniche e massimizzare la frequenza di passaggio delle pale.