turbina

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Energia dai fluidi in movimento

La turbina, nelle sue più semplici realizzazioni – come i mulini a vento o ad acqua –, è una delle macchine usate fin dall’antichità per produrre potenza meccanica sfruttando l’energia di fluidi in movimento. Anche oggi turbine sempre più perfezionate sono indispensabili in impianti come le centrali elettriche, nei motori a reazione degli aerei o nei motori a turbocompressore di molte automobili

Le più semplici sono nei mulini

La turbina è un meccanismo che sfrutta l’energia cinetica di un fluido in movimento (gas, liquido o vapore) per mettersi a sua volta in moto e trasmettere energia ad altre parti meccaniche. Le turbine più semplici sono composte da pale o lame incastonate su un perno centrale, il rotore, da cui si dipartono a raggiera e, generalmente, in modo simmetrico.

Un esempio di questo tipo di turbina è rappresentato dai mulini a vento o dalla ‘ruota’ di quelli ad acqua. Il fluido, aria o acqua nei due casi, nel suo scorrere esercita una forza sulle pale alle quali cede parte della propria energia mettendole in movimento.

L’esempio appena fatto, molto semplice, non deve trarre in inganno: le odierne turbine industriali possono essere fra i più sofisticati e imponenti meccanismi costruiti dall’uomo. Il fluido viene infatti veicolato verso le pale della turbina in modo che il flusso le raggiunga con la massima velocità possibile, così da ottimizzare il rendimento; inoltre, poiché la direzione dell’impatto del fluido rispetto alla superficie delle pale è molto importante, la loro inclinazione è ad assetto variabile.

Turbine ed elettricità

L’invenzione della turbina a vapore e della relativa applicazione alla produzione di energia elettrica si deve all’irlandese Charles Parsons che nel 1884 la applicò a una dinamo, costruendo un impianto della potenza di 7,5 kW. L’importanza del brevetto di Parsons venne compresa dall’imprenditore statunitense George Westinghouse, che ne iniziò l’applicazione industriale, rendendo l’energia elettrica un bene ampiamente disponibile a costi accessibili.

Il problema principale dell’utilizzo di turbine nella produzione di energia elettrica risiede nel controllo del numero di giri della turbina stessa e della regolarità del suo moto. Quest’ultimo parametro è fondamentale, dato che, generalmente, le turbine delle centrali elettriche sono accoppiate direttamente ai generatori, e una variazione del numero di giri delle turbine potrebbe modificare la frequenza della corrente generata. Per gli impianti europei, che generano corrente elettrica a 50 Hz, la velocità tipica delle turbine di una centrale elettrica è di 3.000 giri al minuto. Praticamente tutta l’elettricità di cui disponiamo proviene da centrali a turbina, anche – per certi versi, soprattutto – da quelle nucleari. Nelle centrali nucleari la reazione di fissione del nucleo atomico viene utilizzata per produrre energia termica, ma questa serve semplicemente a generare vapore che viene convogliato proprio verso gigantesche turbine che, girando, producono l’energia elettrica per effetto dinamo.

Turbine per muoversi

Molte navi – specie quelle militari – e sommergibili hanno come sorgente di potenza un reattore nucleare, che permette loro di non doversi rifornire di carburante convenzionale per anni. Il motore che serve per far viaggiare queste navi è basato su turbine, messe in movimento dal vapore ottenuto scaldando grandi quantità di acqua con il calore sviluppato dal reattore nucleare.

Turbine sono poi impiegate nei motori degli aeroplani a reazione, ma anche in veicoli spaziali: gli Space shuttle – le navette della nasa, l’agenzia spaziale statunitense – utilizzano motori a turbina della potenza di 19 MW, equivalente a quella erogata da cinque motrici elettrodiesel del tipo di quelle utilizzate dai treni Eurostar. Una turbina che lavora al contrario, ossia che utilizza il proprio moto per accelerare quello di un fluido, è chiamata compressore o turbopompa. Nei motori a pistoni turbocompressi, come quelli di molte automobili ma anche di aerei, i gas di scarico vengono utilizzati per far funzionare un compressore di aria da immettere nelle camere a scoppio del motore stesso, ottimizzando il rendimento del medesimo.