IMPIANTI IDROELETTRICI

Part II:

• Opere d’adduzione a monte delle condotte forzate• Vasche d’oscillazione• Condotte forzate• Macchinari delle centrali

Condotte forzate, generalità

Condotte Forzate

Le condotte forzate costituiscono opere di notevole importanza:

• dal punto di vista economico, per l’incidenza spesso assai sensibile cheesse presentano sul costo complessivo dell’impianto;

• sotto l’aspetto tecnico, per gli elevati valori di portata e di pressioned’esercizio.

La sezione tipica delle condotte forzate è quella circolare per ragioni diordine:

• idraulico, perché il cerchio è, fra tutte le sezioni chiuse, quella che aparità di sezione, ammette il minimo contorno bagnato;

• statico, perché la sollecitazione dominante è una pressione internapressoché uniforme;

• costruttivo.

Penstock classification

CONDOTTE

FORZATE

o In legno

o In cemento armato

o In materiale metallico (acciaio, ghisa)

Sono opere di notevole importanza, soggette a notevoli valori di velocità e pressioni di

esercizio. Poiché devono resistere anche ai transitori di colpo d’ariete, devono essere

particolarmente robuste dal punto di vista statico (ben più della/e condotta/e di adduzione a

monte del pozzo piezometrico) e quindi presentano costi per unità di lunghezza più elevati

rispetto alle gallerie. Per tale motivo sono accettati diametri minori rispetto alle gallerie, con velocità di esercizio quindi più elevate.

Una prima classificazione delle condotte forzate è sulla base dei materiali da costruzione

oppure sulle modalità di posa :

La sezione delle condotte forzate è tipicamente circolare, sia per ragioni idrauliche che statiche.

Per le condotte scoperte è opportuno seguire per quanto possibile la linea di massima

pendenza, regolarizzare il profilo secondo livellette, con scavi e riporti di altezze limitate (max 2-

3 m) il profilo regolarizzare il profilo secondo livellette, con scavi e riporti di altezze limitate (max

2-3 m) il profilo longitudinale delle livellette secondo linee di displuvio del tereeno per evitare

erosione o accumulo acque meteoriche. Ad ogni variazione di livelletta (e dove serve) blocco di

ancoraggio.

Condotte in roccia

Condotte scoperte

Penstock

Per le condotte scoperte è opportuno

seguire per quanto possibile la linea di massima pendenza,

regolarizzare il profilo secondo livellette, con

scavi e riporti di altezze limitate (max 2-3 m)

secondo linee di displuvio del tereeno per evitare erosione o accumulo acque meteoriche.

Ad ogni variazione di livelletta (e dove serve) blocco di ancoraggio.

Penstock

Condotte in roccia

Le condotte in roccia sono ricavate entro il terreno con la stessa

tecnica costruttiva usata per le gallerie. Hanno superficie interna

di regola rivestita. Se la roccia è di buone caratteristiche

meccaniche, può bastare rivertimento in calcestruzzo non

armato ovvero armato con armature (barre longitudinali e

cerchiature) e spessori tanto più forti quanto più grande è il

contributo di resistenza richiesto al rivestimento (roccia non

resistente). Usualmente il rivestimento ha spessore variabile tra

20 e 60 cm circa.

Per aumentare la resistenza ed impermeabilità del rivestimento

interno, si l’anello di cls può essere foderato internamente con

lamierino in acciaio (condotta metallica annegata nel cls, al

limite il terreno può non contribuire alla resistenza statica

Condotte in roccia

Condotte Forzate

Sono ricavate nel terreno con la stessa tecnica costruttiva in uso per le gallerie

ferroviarie e stradali.

Il diametro varia da 2 a 10 metri.

Il campo di applicazione delle condotte in roccia è quello

delle grandi portate e delle pressioni modeste (es.: tronco

adduttore a monte della vasca di oscillazione)

Il rivestimento può essere:

• semplice: intonaco;

calcestruzzo non armato.

con armatura in ferro doppia;

• con funzioni statiche: con armatura in ferro semplice;

• con requisiti di resistenza e impermeabilità:

con anello di calcestruzzo foderato

internamente da una lamiera di ferro.

Penstock

Condotte in roccia

Vantaggi della c.f. in roccia sono:

- svincolarsi dal profilo del terreno con possibilità di realizzare c.f. a fortissima

pendenza, con minore lunghezza che può:

- compensare anche il maggiori costi unitari,

- ridurre l’entità delle perdite di carico distribuite alla c.f.

- ma anche può rendere le manovre all’otturatore idraulicamente “lunghe”

(sensu Allievi) e quindi minori colpi d’ariete.

- maggiore stabilità alla regolazione dell’impianto.

- La c.f. è sottratta ai rischi di valanghe, frane,.., e alle offese belliche.

Condotte in legno

Condotte Forzate

Sono una soluzione quasi totalmente sconosciuta in Italia e di scarso utilizzo

anche all’estero.

Si tratta di un fasciame costituito da doghe in

legno tenute da cerchiature (in tondino d’acciaio)

che all’atto della costruzione vengono poste in

tensione a mezzo di apposito apparecchio a vite.

Il legname (di solito pino ma a volte anche abete o

faggio) va accuratamente scelto senza difetti ed

impregnato di sostanze conservatrici per

assicurarne la durata.

Penstock

Condotte scoperte

Condotte in calcestruzzo armato

Le c.f. in c.a. sono usualmente utilizzate per diametri da 2÷3 a 6÷8 m e per pressioni di

solito non superiori a 70÷80 m di c.a..

Diametri e pressioni più piccoli: cilindro in c.a. a spessore costante con armatura a barre

longitudinali e cerchiature

Diametri e pressioni più forti: nervature esterne ad anello (cerchiature) con internamente

cilindro corrente in c.a.. Al limite per pressioni particolarmente elevate, si aggiunge

lamierino-camicia continuo, interno od annegato nel c.a..

Sono generalmente su appoggio continuo e ricoperte in terra, meno frequenti le c.f. in

c.a. a giorno e su selle di appoggio. Ad intervalli opportuni necessario inserire giunti di

dilatazione termica e deformazione.

Le c.f. in c.a. sono più liscie di quelle in acciaio, meno soggette a corrosione, hanno

maggiori problemi di impermeabilità, più complicato l’inserimento dgli organi di

regolazione (valvole saracinesche, misuratori portata,...).

Condotte in cemento armato

Condotte Forzate

Vantaggi:

Il campo di applicazione delle condotte in cemento armato è quello delle grandi

portate e delle basse pressioni, inferiori a 60 – 80 metri di colonna d’acqua.

Le tubazioni in cemento armato sono generalmente:

• munite di appoggio continuo;

• ricoperte di terra allo scopo di realizzare una protezione meccanica e termica;

• a cielo aperto, con giunti di dilatazione al fine di impedire che deformazioni

termiche o spostamenti degli appoggi compromettano l’integrità della condotta

stessa.

Svantaggi:

• migliore conservazione rispetto alle condotte metalliche;

• imperfetta tenuta per deficiente impermeabilità;

• formazione di screpolature;

• difficoltà nell’installazione di dispositivi come organi di

regolazione o di misura.

Condotte in cemento armato, costruzione

Condotte Forzate

Per piccoli diametri il tubo è costituito da:

• soletta curva di spessore costante, munta di:

• armatura circolare in tondini di ferro con barre longitudinali di

ripartizione;

• nervature ad anello per pressioni maggiori.

Per pressioni elevate si aumentano resistenza e impermeabilità, inserendo:

• camicia metallica a diretto contatto con l’acqua o annegata nello spessore del

tubo.

Per grandi diametri si effettua:

• costruzione in opera;

• vibrazione del getto per assicurarne la compattezza;

• impasto assai grasso, con una dosatura di cemento non inferiore ai 400 Kg/m3.

Il diametro varia da 2 – 3 metri fino a 6 – 8 metri.

Penstock

Condotte scoperte

Condotte metalliche

Sono di gran lunga le più utilizzate. Si suddividono, in relazione al materiale

impiegato e alla modalità di costruzione in:

Condotte in ghisa: non utilizzate nel passato per la scarsa resistenza meccanica e

fragilità –soprattutto a variazioni di carico repentine come nel colpo d’ariete- e per la

limitata classe di diametri. Solo più recentemente vengono utilizzate nei mini hydro

dove i carichi non sono elevati (e.g. turbine in adduzioni di acquedotti, potabilli o

irrigui,..)

Condotte in acciaio

Classificabili secondo i criteri di costruzione,

Condotte senza saldature

Condotte chiodate

Condotte saldate

Condotte cerchiate

Campo d’applicazione: in generale, per tutti i tubi in acciaio, alte pressioni

e portate fino a 10 m3/s; al crescere delle pressioni si passa dal tipo

chiodato a quello cerchiato, attraverso i tubi saldati.

Penstock

Le condotte in ghisa sono quasi inutilizzate per la scarsa resistenza

meccanica e la fragilità (non resisterebbero ai colpi d’ariete).

I tubi senza saldature sono:

• in acciaio semiduro;

• prodotti per trafilatura in elementi di lunghezza 10 m;

• di diametro massimo di 1000 mm.

I tubi chiodati, saldati, cerchiati sono:

• in lamiere d’acciaio extradolce curvate e unite;

• prodotti in elementi di lunghezza 6 m;

• di diametro massimo di 9 m.

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Opere accessorie

Condotte Forzate

Le opere accessorie, sempre presenti lungo lo sviluppo delle

condotte forzate, sono costituite da:

• giunti fra i diversi elementi di tubo:

• giunzioni trasversali;

• giunti di dilatazione;

• selle d’appoggio;

• blocchi d’ancoraggio.

Opere accessorie

Condotte Forzate

Giunzioni trasversaliGiunzione con chiodature a sovrapposizione:

• adatta a basse pressioni;

• utilizzata per condotte chiodate.

Giunto a manicotto:

• adatto a pressioni maggiori;

• utilizzato per tubi saldati.

Flangia:

• adatta a pressioni molto elevate;

• con guarnizione in gomma;

• serrata con bulloni.

Condotta forzataGiunti di dilatazione

oltre ai giunti rigidi si inseriscono giunti scorrevoli, che servono per compensare la

dilatazione termica, per i cedimenti degli appoggi, per le imperfezioni di posa.

• lasciano sfogo ai movimenti di dilatazione e contrazione termica;

• assorbono gli errori di misura commessi all’atto del montaggio

Il tipo più comune è il giunto semplice a stoppa e premistoppa.

Condotta forzataSelle d’appoggio

Sella con rulli di scorrimento • attriti quasi annullati.

Condotta forzataSelle d’appoggio

Opere accessorie

Blocchi d’ancoraggio, premessa

La condotta è divisa in:

• livellette, ossia tratti a pendenza costante proggettati in modo da

minimizzare il numero dei vertici;

• vertici, ovvero punti di cambiamento di pendenza:

• in un vertice convesso verso l’alto la condotta, per effetto della

pressione interna, tende a sollevarsi;

• in un vertice convesso verso il basso, a schiacciarsi contro il

terreno.

Le azioni descritte devono essere neutralizzate da appoggi murari di

dimensioni e peso appropriati, i cosiddetti blocchi d’ancoraggio

Opere accessorie

Condotte Forzate

Blocchi d’ancoraggio

Le azioni descritte devono essere neutralizzate da appoggi murari di

dimensioni e peso appropriati, i cosiddetti blocchi d’ancoraggio,

che possono essere di tipo:

semi-annegato;

completamente annegato.

Condotta forzataBlocchi d’ancoraggio

Posti ad ogni cambio di livelletta (almeno). Nel metodo costruttivo “italiano” i blocchi di

ancoraggio hanno in corrispondenza dei giunti di dilatazione, di solito posti a valle del blocco. I

blocchi possono avere tubazione annegata o cerchiata sul blocco:

Blocco semi-annegato

Blocco completamente annegato

Condotta forzataSelle d’appoggio

Condotta forzataBlocchi d’ancoraggio

Pezzi speciali

I pezzi speciali che ricorrono nelle condotte forzate sono:

• passi d’uomo, per l’accesso interno alle condotte;

• gomiti, inseriti in ogni cambiamento di direzione, sia altimetrico che

planimetrico;

• organi di chiusura e sicurezza (in genere valvole a farfalla), posti in

testa alla condotta;

• organi d’intercettazione (valvole rotative o a fuso) al piede della

condotta di direttamente connessi alle macchine idrauliche;

• biforcazioni, situati nelle immediate vicinanze della centrale.

Condotta forzataPasso d’uomo e pezzi speciali

Condotta forzataValvole a sfera

Condotta forzataValvole a fuso o Johnson

Pezzi speciali

Biforcazioni/Partitori

Alimentare ogni turbina con una propria condotta comporta:

• Vantaggio: le perturbazioni generate da una macchina restano

circoscritte ad una sola condotta di alimentazione;

• Svantaggi: impossibile smistare la portata su macchine diverse;

notevoli costi per la costruzione di molte condotte.

Le biforcazioni (ad es. con collettore):

• consentono di risolvere i suddetti

problemi;

• introducono perdite di carico per le

inevitabili variazioni di direzione e

sezione.

Condotta forzataPartitori

Penstock

materials

Materiali

legno

cls

c.a.

c.a. precompresso

acciaio saldati

chiodati

trafilati

cerchiati a caldo

a freddo

Penstock

Materials: welded steel

Penstock

Materials: ribbed steel pipe

Penstock

Materials: ribbed steel pipe

Penstock

Materials: ribbed steel pipe

Penstock

Penstock

Hydraulic design

Vmin=34 m/s

71,482,100145,0 DqJ

(Formula di Scimemi-Veronese)

Vmax=67 m/s

600 595 590 585

0

100

200

300

400

500

600

700

-200 300 800

qu

ote

rela

tive

[m

]

distanze orizzontali [m]

CONDOTTA FORZATAProfilo altimetrico

e linea piezometrica

z

ho

Penstock