Studio dei regimi di rotazione ottimali delle turbine Francis nel contesto idroelettrico italiano

Francis-type turbines are the most widely used in hydroelectric power plants in Italy. Given the available water flow conditions, their design requires a preliminary selection of the rotational speed. This parameter significantly affects turbine performance; therefore, the question arises of how to provide a reliable tool to support this choice. This study addresses the issue by developing selection charts for the optimal rotational speed of Francis hydraulic turbines. The results are based on the collection and processing of statistical data regarding the overall efficiency of the machines under varying operating conditions. By integrating the information contained in a general turbine selection diagram for Pelton, Francis, and Kaplan types with efficiency data as a function of the specific speed, two charts were generated. The first chart shows, for each point, the maximum achievable overall efficiency for a Francis turbine in a given plant configuration; the second chart indicates the corresponding rotational speed associated with that efficiency. The proposed results were then compared with the choices made by an Italian hydroelectric plant operator. A certain discrepancy was observed, prompting an investigation into the causes, particularly related to cavitation behavior in the studied turbines. Consequently, the two optimal-speed charts were enriched with safety constraints, summarized in a third diagram aimed at preventing this destructive phenomenon. The study concludes that the selection of the rotational speed for Francis-type turbines cannot generally rely solely on maximizing overall efficiency; in several cases, a more in-depth analysis is required.

Le turbine di tipo Francis sono le più diffuse negli impianti di produzione di energia idroelettrica in Italia. Note le condizioni disponibili sul flusso d’acqua, la loro progettazione richiede una scelta preliminare del loro regime di rotazione. Questo parametro influenza notevolmente le prestazioni della turbina, pertanto ci si è chiesti come creare un ausilio nella sua scelta. Lo studio fornisce una risposta, tramite la creazione di diagrammi di scelta del regime di rotazione ottimale per turbine idrauliche di tipo Francis. I risultati ottenuti si basano sulla raccolta e la rielaborazione di dati statistici sul rendimento totale delle macchine al variare delle loro condizioni operative. Integrando le informazioni contenute in un diagramma di selezione delle turbine Pelton, Francis e Kaplan, con quelle sul rendimento in base al numero tipico di macchina, si sono ottenuti due diagrammi che mostrano per ogni loro punto, il primo, il valore massimo di rendimento totale ottenibile in tale impianto con una turbina Francis, il secondo, il regime di rotazione associato a tale rendimento. I risultati ottenuti sono stati infine messi al confronto con le scelte intraprese da un gestore di centrali idroelettriche italiano: si è osservata una certa discrepanza; dunque, se ne sono cercate le cause nel comportamento a cavitazione delle turbine studiate. Si sono così arricchiti i due diagrammi sui regimi di rotazione ottimali con le relative condizioni di sicurezza, raccolte in un terzo diagramma volto ad evitare tale fenomeno distruttivo. Si è concluso che la scelta del regime di rotazione per le turbine di tipo Francis non può, in generale, basarsi esclusivamente sul massimizzare il loro rendimento totale, ma richiede in diversi casi uno studio più approfondito.