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Ruota Idraulica

La Ruota Idraulica Mobile (o Ruota ad Acqua / o ruota di Poncelet)

Generalità sulla ruota idraulica

Le ruote idrauliche (o Ruote ad Acqua / o ruote di Poncelet) sono macchine che rappresentano il modo più semplice ed antico di convertire l’energia idrica dei fiumi e dei torrenti in energia meccanica utilizzabile poi per diversi fini, nel caso di nostro interesse si farà riferimento all’azionamento di un alternatore per la produzione di energia elettrica. Semplificandone la descrizione, sono costituite da un corpo cilindrico che forma l’albero centrale con una corona di pale fissata perifericamente sulla quale agisce la spinta dell’acqua.A seconda della modalità con la quale il corso d’acqua investe le pale della ruota si possono individuare due tipologie di macchine:
  • Ruota per di sotto, o ruota al fianco, la quale riceve il moto dall’impatto dell’acqua sulle pale, sfruttando essenzialmente l’energia cinetica dell’acqua in movimento.
  • Ruota per di sopra, o ruota colpita al vertice, che viene investita dall’alto e sfrutta l’energia potenziale dell’acqua.
[ Wikipedia: Ruota Idraulica ]L’impianto di nostro interesse è composto da: ruota idraulica, paratoia, distributore, sistema di sollevamento, griglia paratronchi, alternatore e sistema di automazione.

La ruota idraulica da sotto

Vista prospettica della ruota idraulica
La ruota idraulica da sotto da noi proposta è particolarmente indicata per l’istallazione in corsi d’acqua aventi anche poco dislivello geodetico, in quanto è in grado di sfruttare la componente cinetica dell’energia dell’acqua.Per ottimizzare la spinta idraulica sulla ruota, le pale sono state realizzate con un profilo opportunamente sagomato, la cui curvatura permette ai filetti della vena fluida in ingresso di entrare nella schiera delle pale senza che si creino urti o turbolenze o gorghi con conseguenti perdite energetiche. Allo stesso tempo la curvatura del profilo consente alla ruota, di sfruttare al massimo anche la componente potenziale dell’energia dell’acqua in uscita.L’acqua infatti entrando in contatto con le pale della ruota idraulica, cede ad esse la propria energia cinetica durante l’ingresso dopodiché l’acqua defluisce naturalmente verso il basso scaricando il suo peso sul profilo curvo della pala, esercitando un‘ulteriore spinta sulla ruota. L’ulteriore vantaggio del profilo curvo della pala è che permette il totale svuotamento delle pale stesse in uscita dall’ acqua, evitando resistenze che comprometterebbero il rendimento della ruota idraulica.La ruota idraulica da noi proposta è progettata secondo il criterio della modularità e può essere realizzata utilizzando uno o più moduli di base da accoppiare, sino a raggiungere le dimensioni in larghezza (per larghezza si intende la larghezza del canale) richieste dall’impianto idroelettrico. Questo permette di rispondere facilmente alle diverse necessità di ogni sito e facilita le operazioni di montaggio e dì manutenzione.
Ruota Idraulica o Ruota ad Acqua
La caratteristica distintiva della ruota idraulica da noi proposta è quella di poter essere impiegata vantaggiosamente anche in siti con bassissimo salto geodetico garantendo comunque un elevato rendimento energetico. In canali privi di un salto geodetico, ma rientranti in particolari casi, ad esempio in canali con una distanza tra il pelo libero delle acque e la sommità della parete laterale del canale maggiore di circa m. 1,80, in tali situazioni è l’impianto stesso, anche attraverso la paratoia inclinata e la mobilità dell’intero impianto che opera come un sistema integrato, a creare un salto geodetico che viene sfruttato grazie all’impiego di un opportuno sistema di adduzione dell’acqua alla ruota ed alla regolazione in altezza della macchina, garantendo comunque un elevato rendimento energetico. Inoltre la ruota di per sé permette anche la risalita dei pesci rispettando le caratteristiche ittico faunistiche del corso d’acqua.

La paratoia

Una paratoia inclinata e regolabile in altezza, sia in direzione obliqua che in direzione verticale, utilizzata per l’innalzamento ed il mantenimento, durante l’esercizio dell’impianto, del massimo livello dell’acqua richiesto, permette anche di ottenere sia un incremento del salto geodetico sia la sua eventuale creazione, laddove il salto sia assente. La paratoia con le sue regolazioni in altezza permette anche la regolazione della quantità d’acqua in ingresso alla macchina durante le variazioni di portata del corso d’acqua.

Il distributore

Il distributore è assimilabile ad un flap deflettore regolabile ed è posizionato sul fondo del corso d’acqua, immediatamente a monte della ruota. La presenza del distributore regolabile permette ai filetti fluidi del flusso d’acqua in ingresso di entrare in contatto con le pale della ruota secondo un’angolazione ottimale che si allinea al profilo curvo delle pale impedendo sia un urto da impatto sia distacchi della vena fluida con conseguente creazione di gorghi, al fine di mantenere elevato il rendimento dell’impianto. Il distributore lavora in un sistema integrato con la paratoia mobile e con la ruota idraulica mobile. L’inclinazione del distributore viene regolata in funzione alla variazione della portata e della velocità della vena idraulica. Il distributore concorre anche all’ossigenazione dell’acqua incrementando la qualità delle caratteristiche chimico-fisiche del corso d’acqua.

Il sollevamento

Vista prospettica del sistema di movimento (sollevamento) della ruota idraulica
Il sistema di sollevamento integrato dei diversi componenti dell’impianto, realizzato tramite attuatori elettromeccanici, permette di innalzare sia la ruota che la paratoia inclinata al di sopra del pelo libero dell’acqua, liberando di fatto il corso d’acqua sottostante ripristinandone temporaneamente le caratteristiche originarie.La ruota idraulica e la paratoia possono essere sollevate, sia contemporaneamente in modo congiunto sia singolarmente in modo disgiunto. La possibilità di regolazione della ruota idraulica in altezza permette di avere in ogni momento l’immersione ottimale della pale in acqua affinché la ruota possa sfruttare sempre la massima portata e velocità della vena fluida.Il sistema di sollevamento per la regolazione in altezza non richiede l’intervento di un operatore in quanto è automatizzato e dotato di sensori e attuatori che assicurano l’intervento sotto controllo e comando di PLC. L’automazione non esclude il controllo manuale, l’operatore infatti potrà sempre intervenire nella gestione manuale dell’impianto.

La griglia paratronchi

La griglia para-tronchi a protezione della ruota idraulica e dell’intero sistema, è costituita da una griglia a maglie larghe, dotata di una catena automatizzata, ed è posta immediatamente a monte della paratoia. La griglia paratronchi viene posizionata per trattenere rami, tronchi e qualsiasi altro materiale, di dimensioni superiori alla larghezza delle maglie, che possa essere trasportato dalla corrente, in modo da proteggere l’integrità delle pale della ruota ad acqua e dell’intero sistema.A monte della griglia paratronchi verrà posizionata una prima sonda di livello che legge in tempo reale l’altezza dell’acqua nel bacino ed una seconda sonda che legge l’eventuale accumulo di materiale. Nel momento in cui le sonde leggano o un livello massimo delle acque superiore a quello impostato o un eccessivo accumulo di materiali, comanderanno, in modo disgiunto tra loro, l’immediato sollevamento della ruota ad acqua e della paratoia inclinata. Quando la ruota e la paratoia avranno raggiunto un l’altezza superiore al livello del pelo libero dell’acqua di monte, la griglia paratronchi sarà azionata in maniera da far defluire tutti i detriti a valle di se stessa.

L’alternatore

Il movimento della ruota aziona un alternatore di tipo sincrono a magneti permanenti, alloggiato in un vano tecnico, ricavato all’interno dell’albero cilindrico della ruota stessa. La trasmissione del moto dalla ruota idraulica al generatore di energia elettrica avviene tramite una cinghia dentata opportunamente dimensionata. Si è preferito ricorrere alla trasmissione con cinghia dentata in quanto questo sistema garantisce l‘assenza di slittamento durante la trasmissione del moto dall’albero della ruota a quello dell’alternatore ed allo stesso tempo richiede una minore manutenzione, non essendoci parti metalliche in diretto contatto.

L’automazione

L’impianto d’automazione per la gestione di tutto il sistema integrato è realizzato con PLC di primaria marca (Telemecanique, Siemens, ecc.). Il software di controllo è realizzato appositamente per la gestione dell’intero sistema. Per la supervisione dell’intero sistema è previsto anche il montaggio di un PC industriale sul fronte del quadro d’automazione. Nel PC verranno registrati ogni 10 minuti tutti i dati di produzione, tutti gli eventuali allarmi ed anomalie che verranno trasmessi nelle sedi richieste, essendo possibile collegarsi a distanza con il sistema disponendo di un adeguato collegamento telefonico, per verificare in tempo reale la situazione dell’impianto.

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