Turbina a vapore

In una turbina a vapore il vapore si espande attraverso file di palette fisse e mobili: la sua pressione diventa velocità, e la velocità fa girare un albero. Charles Parsons ne collegò una a una dinamo nel 1884; le sue discendenti azionano oggi i generatori che producono la maggior parte dell'elettricità del mondo.

Che cos’è

Una turbina a vapore è una ruota mossa dal vapore, senza pistone né manovella. Il vapore attraversa file di palette disposte attorno a un albero ed esce dalla macchina a una pressione molto più bassa; l’energia che cede lungo il percorso fa girare l’albero. Il moto è regolare e veloce, adatto a un generatore elettrico.

Le centrali a carbone e quelle nucleari fanno bollire acqua per azionarle. Le centrali a gas a ciclo combinato producono vapore con lo scarico caldo di una turbina a gas, e gli impianti solari termodinamici e la maggior parte di quelli geotermici fanno lo stesso con il calore del sole o del sottosuolo. Tutte insieme fanno della turbina a vapore la fonte della maggior parte dell’elettricità del mondo.

Come funziona

Il vapore cede la sua energia espandendosi. In un ugello, un condotto che si restringe, la pressione cala e il vapore accelera. Nel punto più stretto, la gola, può raggiungere la velocità del suono; per andare più veloce gli serve un condotto che si allarghi dopo la gola, la forma svasata degli ugelli di de Laval. In ogni stadio una corona di palette fisse sulla cassa fa da serie di ugelli e getta il vapore su una corona di palette mobili, curve, montate sul rotore: deviano il getto, e quel cambio di direzione le spinge.

La ruota ad azione di de Laval: ugelli che si allargano mandano i getti attraverso un’unica corona di palette.

In uno stadio ad azione quasi tutto il salto di pressione avviene negli ugelli fissi, e le palette mobili si limitano a ricevere il getto. In uno stadio a reazione, quello scelto da Parsons, si restringono anche i canali fra le palette mobili: il vapore continua a espandersi attraversandoli e le spinge all’indietro uscendo. In uno stadio Parsons l’espansione si divide più o meno a metà tra la fila fissa e quella mobile.

Se un grande salto di pressione si scarica attraverso un solo ugello, il getto esce a oltre 1.000 metri al secondo, e le palette rendono meglio a circa metà di quella velocità. Una ruota singola dovrebbe girare a velocità pericolose e avrebbe bisogno di un riduttore. Parsons divise il salto in molti piccoli gradini, così l’albero gira a un regime che una dinamo può sfruttare.

Man mano che la pressione scende il vapore occupa più spazio, perciò le palette si allungano verso lo scarico: nell’ultima fila delle turbine costruite per Hinkley Point C, in Inghilterra, misurano 1,9 metri.

Il vapore scaricato all’aria aperta smette di espandersi alla pressione atmosferica. Un condensatore, una camera piena di tubi raffreddati con acqua di fiume, di mare o di torre evaporativa, riporta allo stato liquido il vapore di scarico e mantiene un vuoto quasi completo all’uscita della turbina, così il vapore continua a espandersi e a lavorare dentro la turbina prima di condensare. Le prime turbine a condensazione di Parsons, a Cambridge nel 1892, eguagliarono le migliori macchine a pistoni della stessa potenza.

Questo circuito è il ciclo Rankine: una pompa spinge l’acqua nella caldaia, che la trasforma in vapore; il vapore si espande nella turbina e il condensatore lo riporta allo stato liquido per la pompa. Pompare un liquido costa poco rispetto a ciò che rende il vapore, quindi il ciclo dà lavoro utile. La pompa discende dalla pompa a stantuffo, caldaia e condensatore dalla macchina a vapore; un frigorifero percorre un circuito simile al contrario.

Su una rete a 50 hertz un generatore a due poli calettato sull’albero gira a 3.000 giri al minuto, a 3.600 su una rete a 60 hertz. Poi i trasformatori alzano la tensione per le linee.

Come costruirla

Una turbina da centrale è alimentata da una caldaia, cioè un recipiente a pressione: non costruitene. Questo modello funziona ad aria. Servono una teglia usa e getta di alluminio, due tappi di sughero, un ferro da maglia, cannucce, una scatola di cartone, colla e un asciugacapelli con aria fredda oppure una pompa da bicicletta.

Ritagliare una ruota a palette. Ritagliare un disco di 10 cm. Fare da 12 a 16 tagli dal bordo, fermandosi a 2 cm dal centro, e ruotare tutte le palette nello stesso verso di circa 30 gradi.

Montarla. Incollare la ruota a un tappo infilato sul ferro, che gira dentro due pezzi di cannuccia fissati da una parete all’altra della scatola.

Confrontare un tubo e un ugello. Con la stessa pompa, alla stessa distanza e con lo stesso angolo, soffiare sulle palette con un tubo largo, poi con una cannuccia accorciata tenuta di sbieco, e osservare quale fa girare la ruota più in fretta.

Aggiungere uno stadio. Incollare una seconda ruota, con le palette ruotate nello stesso verso, a un secondo tappo sullo stesso ferro, 3 cm dietro la prima. In mezzo, fissare alla scatola un anello di cartone con le palette ruotate nel verso opposto e un foro centrale abbastanza largo da non toccare né il ferro né le ruote. Soffiare lungo il ferro attraverso la ruota anteriore, poi togliere l’anello e confrontare: le palette fisse dovrebbero rimandare sulla seconda ruota l’aria che esce dalla prima.

Misurare la tensione. Collegare al ferro, con un pezzo di tubetto, un piccolo motore a corrente continua da modellismo e attaccare ai suoi morsetti un multimetro sulla scala dei volt in continua. Se la ruota riesce a far girare il motore, la lettura sale con la velocità.

Non provate il modello con il vapore. Bollendo, l’acqua diventa più di mille volte il suo volume di vapore, e un recipiente riscaldato chiuso od ostruito accumula pressione finché scoppia. Le caldaie vere seguono progetti certificati, hanno valvole di sicurezza e vengono verificate regolarmente da una persona competente; una caldaia fatta in casa non offre nessuna di queste garanzie.

Sicurezza. Il vapore ustiona in una frazione di secondo, anche al beccuccio di un bollitore, dove è invisibile: tenere lontani mani e volti. Non chiudere, tappare né ostruire mai un recipiente riscaldato. Una ruota di alluminio in rotazione ha bordi taglienti e può scagliare una paletta: indossare occhiali e legare i capelli. Usare solo un piccolo motore da modellismo e un multimetro, mai la rete elettrica, e tenere l’asciugacapelli lontano dall’acqua.

Storia ed evoluzione

L’eolipila di Erone: due getti di vapore fanno girare la sfera sui suoi perni.

Nel I secolo d.C. Erone di Alessandria descrisse l’eolipila, una sfera cava fatta girare dal vapore che usciva da beccucci piegati: il primo dispositivo noto che trasforma il vapore in rotazione. Nel 1629 Giovanni Branca pubblicò il disegno di una macchina in cui un getto di vapore soffia su una ruota a pale; probabilmente non fu mai costruita. In Svezia Gustaf de Laval brevettò nel 1883 una piccola ruota a reazione per le sue scrematrici e, nel 1889, una turbina ad azione a un solo stadio con riduttore.

Nel 1884 Charles Parsons, socio della Clarke, Chapman di Gateshead, collegò direttamente a una dinamo una turbina a molti stadi a reazione. Dava 7,5 chilowatt a 18.000 giri al minuto, e nel 1888 circa 200 gruppi simili illuminavano navi. Nel 1890 la centrale di Forth Banks, a Newcastle, fu la prima a usare turbine.

Turbinia a tutta velocità: tre turbine su tre alberi muovevano nove eliche.

Per mostrare che cosa valeva la turbina su una nave, Parsons costruì la Turbinia, un’imbarcazione di 31 metri che raggiunse 34,5 nodi. Il 26 giugno 1897 la fece sfilare senza invito davanti alle file di navi da guerra della rivista navale di Spithead. Nel 1905 un comitato dell’Ammiragliato raccomandò le turbine per tutte le classi di navi da guerra.

Negli Stati Uniti Charles Curtis vendette i suoi diritti alla General Electric nel 1896. Il suo gruppo da 5.000 chilowatt del 1903, allora il più potente del mondo, era alto 7,6 metri, contro i 18 di una macchina a pistoni di potenza simile. I gruppi arrivarono a 660 megawatt a Drax negli anni Settanta, e ciascuna delle due turbine costruite per Hinkley Point C ha una potenza nominale di 1.770 megawatt.