Studio e ottimizzazione di un meccanismo di scatto centrifugo per l'arresto di emergenza nelle turbine idrauliche

This work investigates a safety device known as “centrifugal actuation mechanism” currently employed from ZECO Hydropower in hydroelectric power plants. The aim is improving its calibration procedure and operational application. The study first analyze the critical operating conditions associated with hydroelectric systems, in particular transient regimes such as turbine runaway, water hammers in penstocks and emergency shutdown events, which suggest the adoption of reliable and automatic safety systems. A detailed analysis of the existing centrifugal mechanism is then conducted through the development of a mathematical model, setting the calibration parameters required to achieve the desired actuation conditions. By considering key turbine characteristics, including shaft diameter and runaway speed, this model allows the identification of the appropriate mechanism configuration and corresponding settings. Results, using different spring configurations, are validated through an experimental calibration procedure carried out in a workshop: the mechanism is mounted on a milling machine in order to reproduce the rotational speeds of the turbine shaft. A mapping of the actuation speeds is performed, and the springs constants estimated by the mathematical model are compared with those effectively employed in practice. Depending on the selected turbine, results provide precise criteria, sorting the required mechanism and its calibration settings. Finally, critical aspects of the current mechanism are identified, leading to the proposal of both conservative and radical optimization ideas.

La presente relazione ha lo scopo di studiare un meccanismo di sicurezza denominato "meccanismo di scatto centrifugo" attualmente in uso presso l'azienda ZECO Hydropower, con l'intento di facilitarne la messa a punto ed impiego operativo. Nella prima parte sono state analizzate le criticità di un impianto idroelettrico ad esso collegate, in particolare i regimi transitori come la condizione di fuga della turbina, il colpo d'ariete nelle condotte e in generale l'arresto di emergenza. Questi inconvenienti giustificano l'utilizzo di sistemi di sicurezza ed automazione atti ad evitare il danneggiamento dell'impianto e garantirne un normale funzionamento: tra questi il meccanismo di scatto centrifugo, oggetto di studio della relazione. In seguito si è passati all'analisi vera e propria del meccanismo attuale, elaborando un modello matematico atto a determinare le regolazioni necessarie per ottenere l'intervento desiderato: conoscendo alcuni dati della turbina da servire, in particolare il diametro dell'albero e la velocità di fuga, è possibile determinare quale meccanismo impiegare e le relative regolazioni. I risultati ottenuti, considerando diversi tipi di molle, sono stati poi confrontati con il modello sperimentale, ovvero il processo di taratura del meccanismo in officina, dove il meccanismo viene installato su una fresatrice e messo in rotazione simulando le velocità all'albero della macchina. È stata svolta una mappatura delle velocità di intervento per ogni molla e regolazione viste in precedenza nel modello matematico, comparando le costanti elastiche stimate da quest'ultimo con le costanti elastiche effettivamente utilizzate nella realtà per ottenere l'attivazione. I risultati ottenuti saranno utilizzati dagli installatori per determinare in modo univoco quale meccanismo e quali regolazioni utilizzare in base alla macchina che andrà servita. Alcune criticità del sistema sono state utili per determinare delle ottimizzazioni del meccanismo, ottenendo una soluzione conservativa e una più radicale.