Progettazione e sviluppo di un sistema digitale per la misura della velocità e il controllo automatizzato del distributore delle turbine Francis

Le turbine idrauliche, fondamentali per la produzione di energia rinnovabile, convertono l'energia cinetica dell'acqua in energia meccanica e successivamente in energia elettrica. Comprendere il loro funzionamento in condizioni variabili è cruciale per ottimizzare le prestazioni e garantire la sicurezza operativa. Le prove in transitorio, che simulano variazioni di carico e condizioni operative reali, sono essenziali per valutare la risposta dinamica delle turbine. Tali analisi consentono di migliorare l'efficienza, ridurre i rischi di guasti e prolungare la vita utile delle apparecchiature, contribuendo così a una gestione più sostenibile delle risorse energetiche. Questa tesi sperimentale ha l'obiettivo di equipaggiare le turbine idrauliche con un sistema di misurazione e controllo dei parametri fondamentali, come la velocità di rotazione e l’apertura angolare delle palette del distributore, per permettere prove in condizioni transitorie di funzionamento. È stato sviluppato un sistema di acquisizione della velocità di rotazione dell’albero della turbina e un sistema di controllo automatizzato dell’apertura delle palette del distributore, sostituendo un sistema di misurazione obsoleto e un controllo manuale impreciso e scomodo. Il progetto dell’encoder incrementale sperimentale ha incluso lo sviluppo di un prototipo e la scrittura di uno script Arduino per la lettura e l'elaborazione dei dati dai fototransistor. Dopo aver verificato il corretto funzionamento, è stata progettata una box con al suo interno arduino per il controllo e la visualizzazione dei dati, insieme ai supporti per la strumentazione elettronica necessari per montare l’encoder sulla turbina. La progettazione è stata realizzata su SolidWorks e i componenti sono stati stampati in 3D utilizzando resina epossidica. Successivamente, il sistema è stato montato sulla turbina e sono state condotte prove sperimentali, confrontando l’encoder con una dinamo tachimetrica preesistente. Il sistema di regolazione dell’apertura delle palette del distributore della turbina Francis si basa sulla dinamica degli azionamenti meccanici. Analizzando il sistema manuale preesistente, che utilizzava un volantino e una vite conduttrice, è stata proposta l'implementazione di un motoriduttore su guida lineare per sostituire il movimento manuale. La manopola è stata rimossa e il motore è stato calettato direttamente sulla vite. Dopo aver studiato la catena cinematica e calcolato la coppia necessaria per l’azionamento, è stato selezionato il motore adatto. È stato sviluppato un modello CAD 3D del sistema di azionamento per una progettazione accurata, e creato uno script Arduino per il controllo del motore, utilizzando un driver per l'interfaccia Arduino-motoriduttore e un encoder assoluto sperimentale a 8 bit per realizzare un anello chiuso. Per ragioni di sicurezza, sono stati installati finecorsa meccanici per prevenire angoli di apertura e chiusura non permessi dal sistema. In conclusione, i risultati ottenuti sono significativi sia per il controllo del distributore che per l'acquisizione della velocità di rotazione. Questo sistema integrato offre ottime prospettive per lo sviluppo di prove in condizioni transitorie della turbina, fornendo dati accurati e precisi per tali analisi. Tutto il lavoro sperimentale è stato svolto presso il laboratorio di macchine idrauliche con sperimentazione indoor, garantendo un controllo accurato delle condizioni operative e una validazione rigorosa dei risultati.