IT201800009754A1 - Turbocompressore centrifugo supersonico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per BREVETTO D’INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

“TURBOCOMPRESSORE CENTRIFUGO SUPERSONICO”

CAMPO DEL TROVATO

L’invenzione afferisce al campo dei dispositivi compressori di gas ed in maggior dettaglio concerne un turbocompressore.

STATO DELL’ARTE

I compressori centrifughi sono macchine ben note, che comprendono una girante ed un diffusore. La girante riceve il fluido da comprimere e lo lancia al diffusore a pressione aumentata e a velocità tipicamente molto alte che a volte sono di poco inferiori alla velocità del suono. Il diffusore non compie lavoro meccanico, limitandosi a convertire l’energia cinetica del fluido scaricato dalla girante in energia di pressione. Nel diffusore, il gas subisce un rallentamento notevole, per esempio da 300m/s a 20 o 30m/s, e questo richiede una lunga zona di rallentamento subsonico a sezione crescente, che aumenta l’ingombro e il peso del diffusore.

La girante, di converso, presenta una efficienza altissima, superiore anche a 0,9 nelle macchine grandi e medie, e mantiene comunque una buona efficienza nelle macchine di dimensioni più ridotte; diversamente, il diffusore può raggiungere rendimenti elevati solo se viene realizzato in dimensioni notevoli e con i migliori accorgimenti della gas-dinamica.

È altresì noto l’uso di turbocompressori. I turbocompressori sono tipicamente impiegati per la sovralimentazione di motori endotermici. Essi comprendono un compressore centrifugo configurato per sovralimentare aria al motore endotermico e altresì una turbina, alimentata con i gas di scarico del motore stesso. La turbina e il compressore centrifugo possono essere tra loro accoppiati mediante un albero fissato ai rispettivi elementi ruotanti. Esistono altresì turbocompressori atti ad essere installati in applicazioni industriali diverse rispetto a quella precedentemente citata, ad esempio per la cogenerazione, un moderno sistema di produzione di energia elettrica e ulteriore utilizzazione del calore contenuto nei gas di scarico.

Il richiedente ha osservato che, tanto per i compressori centrifughi quanto per i turbocompressori, l’efficienza operativa può essere sostanzialmente aumentata. Infatti, la girante converte sostanzialmente tutto il lavoro meccanico fornito al suo asse in energia trasferita al fluido; il diffusore non compie lavoro meccanico, limitandosi a convertire l’energia cinetica del fluido scaricato dalla girante in energia di pressione. Nel diffusore, il gas subisce un rallentamento notevole, per esempio da 300m/s a 20 o 30m/s, e questo richiede una lunga zona di rallentamento subsonico a sezione crescente che aumenta l’ingombro e il peso del diffusore.

La girante, di converso, presenta una efficienza altissima, superiore anche a 0,9 nelle macchine grandi e medie, e mantiene comunque una buona efficienza nelle macchine di dimensioni più ridotte; diversamente, il diffusore può raggiungere rendimenti elevati solo se viene realizzato in dimensioni notevoli e con i migliori accorgimenti della gas-dinamica.

Per questo, tra gli scopi della presente invenzione figura dunque la realizzazione di un turbocompressore ad efficienza particolarmente elevata, superiore a quanto finora risulta appartenente all’arte nota.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

L’invenzione si propone dunque di realizzare un turbocompressore che sia in grado di migliorare la tecnologia dei compressori esistenti ottenendo elevato rendimento, elevata potenza specifica ed elevata pressione massima in rapporto alle dimensioni.

Secondo un primo aspetto viene realizzato un turbocompressore, comprendente (riferimento per gli indici le Fig.1 e Fig.2):

- un compressore centrifugo (10) avente una cassa (1), una girante (2) ed un diffusore (3) ospitati dentro la cassa (1), in cui la girante (2) è ospitata ed è configurata per ruotare all’interno del diffusore (3) in modo tale che il diffusore (3) possa in uso raccogliere direttamente il flusso uscente dalla girante (2),

- un primo albero (6) fissato a detta girante (2) e con essa solidalmente ruotante; - un secondo albero (7) fissato a detto diffusore (3) e con esso solidalmente ruotante;

- almeno una prima turbina (20) connessa a detto primo albero (6); e - un attuatore per detto secondo albero (7).

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il detto attuatore per il detto secondo albero (7) comprende una seconda turbina (30) connessa a detto secondo albero (7) o un sistema di trasferimento di moto, accoppiato alla detta prima turbina (20) ed al detto secondo albero (7).

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il detto sistema di trasferimento di moto comprende una pluralità di ingranaggi o ruote dentate di cui almeno uno/a è rigidamente connesso al detto secondo albero (7) e muove in rotazione il detto secondo albero (7) in un predefinito rapporto di trasmissione e/o di velocità rispetto al primo albero (6).

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, la detta seconda turbina (30) è affiancata alla detta prima turbina in una direzione sostanzialmente coincidente con la direzione lungo la quale è orientato il detto primo albero (6), e in cui il secondo albero (7) è coassiale al detto primo albero (6) e presenta una cavità entro la quale è contenuto il primo albero (6).

Secondo un ulteriore aspetto, il detto diffusore (3) presenta una pluralità di palette individuanti nel complesso un perimetro interno ed un perimetro esterno sostanzialmente di inviluppo circolare, in cui la girante (2) presenta una pluralità di palette che individuano un perimetro esterno di sostanziale inviluppo circolare.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il perimetro interno, di inviluppo sostanzialmente circolare definito dalla pluralità di palette del diffusore (3), presenta un primo raggio (R21) rispetto ad un centro dello stesso diffusore (3) sul quale è centrato l’asse di rotazione del diffusore, in cui il perimetro esterno di inviluppo circolare definito dalla pluralità di palette della girante (2) presenta un secondo raggio (R1) rispetto all’asse di rotazione della girante stessa, detto asse di rotazione della girante coincidendo con l’asse di rotazione del diffusore (3).

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il primo raggio (R21) è di poco maggiore del secondo raggio (R1), opzionalmente tanto da poter essere assunto uguale a R1 nei primi calcoli di orientamento.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il detto turbocompressore, in configurazioni operative a carichi alti e medi, opera con il diffusore (3) percorso dal gas a regime supersonico con il numero di Mach maggiore di uno.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il turbocompressore comprende almeno una configurazione operativa nella quale il detto diffusore (3) ruota nel senso contrario alla girante impartendo al gas in esso presente una velocità relativa supersonica e nel cui interno si producono onde d’urto che esercitano la compressione del gas secondo la teoria fisica di Hugoniot.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il diffusore (3) presenta palette (5) rivolte all’indietro rispetto al senso di rotazione del diffusore, ed il numero di palette (5) è maggiore o uguale a 16, preferibilmente compreso tra 16 e 20, e/o è compreso tra 4 e 5 per quadrante, in particolare allorquando il rapporto tra il raggio del perimetro esterno (R2) e il perimetro interno (R21) definito dalle palette (5) è sostanzialmente compreso tra 1.2 e 1.4. Un numero di palette maggiore di 20 non compromette il funzionamento del sistema per quanto concerne la gasdinamica; un numero inferiore a 16 richiede un rapporto R2/R1 maggiore dei valori dati.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, le palette (5) del diffusore (3) presentano una porzione anteriore configurata per generare un’onda d’urto forte, che si sviluppa automaticamente nell’onda denominata “Mach reflection”; detta porzione anteriore consistendo, allorquando il turbocompressore opera in regime stazionario, in un cuneo (wedge) il cui vertice giace sulla circonferenza avente detto secondo raggio (R1) e sottende un angolo θ del valore compreso nell’intervallo [3 -6]<o>; e il cui lato base, è formato da un tratto rettilineo di una lunghezza del valore sostanzialmente compreso tra una predeterminata lunghezza L ed 1,25 volte la detta predeterminata lunghezza L che risulta orientato nella direzione della velocità relativa (w1) della corrente di gas proveniente dalla girante 2 e il lato opposto del cuneo ha una lunghezza pari a L.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, alla fine del detto primo tratto rettilineo è presente un angolo concavo (concave corner) del valore compreso tra 1 e 2 gradi sessagesimali misurato su di una continuazione rettilinea del detto tratto di base per una lunghezza del valore di circa L/3.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il rapporto tra il raggio del perimetro esterno ed il perimetro interno definito dalle palette (5) è sostanzialmente pari a 6/8 ≈ 1,3.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il detto compressore (10) è un compressore configurato per comprimere gas con le onde d’urto sviluppantisi all’interno del diffusore (3), preferibilmente come avviene nelle gallerie aerodinamiche supersoniche.

Forma inoltre oggetto dell’invenzione un impianto, il quale comprende un turbocompressore secondo uno o più degli aspetti qui citati, ed un gruppo di comando (103), detto gruppo di comando comprendendo un ingresso per aria ed una prima uscita per aria connessa, in particolare in modo diretto, con un ingresso di alimentazione (20i) per la detta prima turbina (20), ed una seconda uscita connessa, in particolare in modo diretto, con un ingresso di alimentazione (30i) della detta seconda turbina (30), detto gruppo di comando (103) essendo configurato in modo tale da operare una regolazione della suddivisione dei gas forniti alla prima turbina (20) ed alla seconda turbina (30), fornendo una quantità di gas alla prima turbina ed alla seconda turbina tale da farle ruotare ad una medesima velocità di rotazione e/o ad un predeterminato rapporto di velocità di rotazione.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il detto gruppo di comando (103) comprende un sistema di controllo configurato per causare una rotazione controllata della detta prima turbina (20) e della detta seconda turbina (30) in modo tale che la girante (2) ruoti in uso, preferibilmente sempre, ad un regime subsonico mentre il diffusore (3) ruoti in uso, in particolare in alcune configurazioni operative stazionarie, ad un regime supersonico, oppure ad un regime subsonico.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il detto gruppo di comando (103) comprende un elemento di distribuzione variabile del flusso, atto a permettere una distribuzione variabile del flusso di gas fornito in uso alla prima turbina (20) e alla seconda turbina (30), e/o a parzializzare il flusso di gas fornito alla prima turbina (20) e/o alla seconda turbina (30).

Secondo un ulteriore aspetto, viene inoltre descritto un metodo di attuazione di un turbocompressore secondo uno o più dei precedenti aspetti, detto metodo comprendendo:

- un passo di alimentazione controllata della almeno una prima turbina (20);

- una attuazione del compressore (10) per mezzo almeno della prima turbina (20), in cui, per mezzo della detta attuazione, la girante (2) del detto compressore viene fatta ruotare ad una velocità tale che la corrente di gas alimentato abbia velocità subsonica ed in cui, per mezzo della detta attuazione, il diffusore (3) venga fatto ruotare in direzione opposta rispetto alla direzione di rotazione assunta dalla detta girante (2), ed in cui la rotazione del detto diffusore impartisca al gas, almeno in una configurazione operativa stazionaria, una velocità relativa supersonica tale da generare nel suo interno, delle onde d’urto che comprimono il gas entrante riducendone di colpo la velocità a valori subsonici.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, la rotazione del diffusore è una rotazione a regime supersonico tale da generare nell’interno del diffusore, una onda d’urto consistente in una Mach reflection, per comprimere il gas secondo la legge fisica di Hugoniot, compressione aumentata a valle di detta onda dalla rotazione dello stesso diffusore.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il detto metodo comprende un passo di connessione della almeno una prima turbina (20) al gruppo di controllo (103), in modo tale che un ingresso (20i) della detta prima turbina (20) venga alimentato in modo controllato da o attraverso il gruppo di controllo (103), e/o un passo di controllo della almeno una prima turbina (20) per mezzo di detto gruppo di controllo.

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, il metodo comprende un passo di regolazione e/o distribuzione controllata di un flusso di gas a detta prima turbina (20) e a detta seconda turbina (30), in cui nel detto passo di regolazione e/o distribuzione controllata, il detto flusso di gas è regolato attraverso il gruppo di controllo (103).

Secondo un ulteriore aspetto non limitativo, la regolazione attuata dal detto gruppo di controllo è effettuata per mezzo di un segnale di controllo ricevuto da un impianto o motore esterno, ed è opzionalmente eseguita in modo tale da mantenere la detta girante 2 e il detto diffusore 3 alle velocità di rotazione convenute, subsonica nella girante (2) e supersonica o subsonica nel distributore (3).

Ulteriori dettagli ed aspetti dell’invenzione verranno resi chiari nella seguente descrizione dettagliata dell’invenzione, facendo riferimento alle figure annesse.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L’invenzione verrà ora descritta in una o più forme di realizzazione preferite e non limitative con riferimento alle figure annesse, nelle quali:

- la figura 1 illustra un diagramma schematico del turbocompressore della presente invenzione in una configurazione preferita;

- la figura 2 illustra una rappresentazione schematica del compressore di figura 1, in una rappresentazione con maggiore dettaglio;

- la figura 3 illustra schematicamente l’insieme della girante e del diffusore ruotante in direzione opposta con la rappresentazione vettoriale delle velocità interessanti il sistema;

- la figura 4A e la figura 4B illustrano rispettivamente la zona anteriore delle palette metalliche 5 del diffusore in un regime di funzionamento stazionario (figura 4A) e in un regime variabile (figura 4B) investite dal gas alle velocità relative w;

- la figura 5 illustra un primo diagramma di velocità assolute v e relative w;

- la figura 6 illustra un secondo diagramma di velocità;

- la figura 7 illustra un diagramma schematico del turbocompressore della presente invenzione, in un impianto fornito altresì di un organo di controllo, associato ad un motore.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

In figura 1 è indicato nel suo complesso un turbocompressore, in particolare un turbocompressore centrifugo, comprendente una prima turbina 20, una seconda turbina 30 ed un compressore 10, in particolare un compressore centrifugo. Il turbocompressore qui descritto è concepito per comprimere gas.

La prima turbina 20, così come la seconda turbina 30, presentano ognuna un ingresso 20i, 30i ed una uscita 20u, 30u e possono essere radiali o assiali.

Il compressore 10 è un compressore comprendente una cassa 1, una girante 2 ed un diffusore 3, entrambi contenuti nella cassa 1 e dotati di rispettive palette. La girante 2 ed il diffusore 3. In particolare, il diffusore 3 è un diffusore tangenziale, ed è installato esternamente alla girante 2 e presenta una pluralità di palette 5 orientate all’indietro rispetto al senso di rotazione che esso in uso assume. Nella forma di realizzazione illustrata in figura 2, il compressore 10 presenta una girante 2 ed un diffusore 3 di tipo radiale.

La girante 2 ed il diffusore 3 sono installate in modo tale da essere coassiali, cioè centrate su di un asse di riferimento indicato nelle figure annesse come asse X. La girante 2 ed il diffusore 3 sono ognuna rispettivamente connessa con un proprio albero. Il primo albero 6, solidale con la girante 2, è preferibilmente ma non limitatamente di dimensione più ridotta ed è installato all’interno del secondo albero 7, fissato al diffusore 3. Il secondo albero 7 è pertanto cavo, e presenta una cavità con sezione trasversale circolare entro la quale è ruotabilmente inserito il primo albero 6.

Come è possibile osservare dalla rappresentazione schematica di figura 1 e dalla figura 2, il primo albero 6 è connesso con la prima turbina 20, mentre il secondo albero 7 è connesso con la seconda turbina 30. Così facendo, l’assieme realizzato dalla prima turbina 20, dalla seconda turbina 30 e dal compressore 10 realizza un turbocompressore a sviluppo assiale, in cui la prima turbina 20 e la seconda turbina 30 sono giustapposte l’una all’altra, in particolare essendo allineate lungo l’asse X e presentano alberi coassiali. Per tale ragione la prima turbina 20 comanda la girante 2 del compressore, mentre la seconda turbina 30 comanda il diffusore 3 del compressore.

L’utilizzo di due turbine distinte favorisce la flessibilità di impiego del turbocompressore oggetto dell’invenzione, il quale è concepito in modo tale da poter essere impiegato ad esempio e non limitatamente in impianti industriali a cicli combinati ed in particolare in impianti di cogenerazione, in cui le due turbine possono essere alimentate da gas di natura differente.

La girante 2 ed il diffusore 3 sono di principio installate in modo folle l’una rispetto all’altra, ma in particolare sono configurati in uso per girare in senso opposto l’uno rispetto all’altro. Tale configurazione operativa è ben rappresentata in figura 2, ove le frecce presenti sulle palette della girante 2 e sulle palette del diffusore 3 sono contrapposte individuando due velocità di rotazione ωD e ωG. Il diffusore 3 è disposto attorno alla girante 2 e ruota in senso opposto rispetto a quest’ultima così da raccoglierne il flusso uscente. La girante 2 ruota in un predefinito senso di rotazione con velocità periferica u1, mentre il diffusore 3 ruota in direzione opposta con una velocità periferica interna u21, e con una velocità periferica esterna u2.

In una configurazione alternativa non illustrata nelle figure annesse, è possibile ottenere due velocità di rotazione uguali ma di segno opposto per il primo albero 6 ed il secondo albero 7 mediante la sostituzione della seconda turbina 30 con degli ingranaggi 30’ connessi alla prima turbina 20, in particolare portati frontalmente sulla prima turbina. Preferibilmente ma non limitatamente, gli ingranaggi portano ruote coniche con dentatura identica. Una ruota conica è installata in modo fisso sul secondo albero 7, mentre un’altra ruota conica dello stesso diametro è installata in modo fisso sul primo albero 6. La prima e la seconda ruota conica ruotano in senso opposto solidalmente con il relativo albero e azionano preferibilmente una coppia di ruote dentate cilindriche ruotanti folli su due assi simmetricamente disposti e fissati alla cassa 1.

In una configurazione d’uso preferita, la prima turbina 20 viene alimentata attraverso il suo ingresso 20i in modo tale da causare una rotazione della girante 2 per convogliare gas in regime subsonico, mentre la seconda turbina 30 viene alimentata attraverso il suo ingresso 30i in modo tale da causare una rotazione del diffusore 3 con una velocità angolare opposta che trasforma la corrente entrante subsonica in una corrente supersonica.

In particolare, il regime subsonico del gas nella girante 2 è mantenuto sempre, in ogni tipo di applicazione, mentre il diffusore 3 può essere fatto operare sia in regime subsonico che in regime supersonico; in particolare, all’interno del diffusore 3 il regime supersonico prende luogo ad alti carichi, mentre il regime subsonico prende luogo a bassi carichi.

Il Richiedente, osservata l’esiguità dello spazio presente tra la girante 2 e il diffusore 3, ha preferito considerare il raggio R21 della porzione interna del diffusore 3 circa uguale al raggio R1 della porzione esterna della girante 2 al fine di semplificare notevolmente le formule matematiche comprese nella presente descrizione del turbocompressore.

A titolo di esempio, il Richiedente ha fornito i seguenti dati. La velocità periferica della girante 2 di raggio R1 sia pari a 300 m/s e quella del diffusore 3 di 250 m/s, in R21 circa uguale a R1; trascurando le velocità radiali del gas (di fatto trascurabili a fronte delle velocità periferiche) la velocità relativa w1 sulla bocca del diffusore 3 ruotante risulta di 300 250 = 550 m/sec, regime nettamente supersonico, corrispondente al numero di Mach 1.6 circa, contro il valore di 0.88 assunto nella girante 2. Il Richiedente fa altresì notare che non esiste una zona transonica tra il flusso subsonico che attraversa la sezione circolare corrispondente al raggio R1 della girante 2 a 300 m/s ed il flusso supersonico in arrivo sulla superfice del diffusore 3 alla velocità relativa w1 (rispetto all’osservatore rotante) di 550 m/s. Il compressore oggetto dell’invenzione è pertanto un compressore in cui la zona transonica in tutte le configurazione d’uso operative risulta eliminata dalla rotazione del diffusore 3 ruotante relativamente alla girante 2, operando in uso la compressione del gas mediante una onda d’urto nella zona anteriore del diffusore 3. Le onde d’urto hanno la facoltà naturale di comprimere il gas in un tempo brevissimo (quello necessario per attraversare lo spessore della superficie sottilissima dell’onda d’urto) con una efficienza migliore di quella ottenuta nei diffusori fissi dei compressori convenzionali. Soltanto nelle fasi di avviamento e di fermata, il compressore 10 presenta una zona transonica molto ridotta nella zona anulare frapposta fra la girante 2 e il diffusore 3, ma tale zona transonica compare e sparisce in un tempo brevissimo, allorquando il numero di Mach, che varia nel tempo, transita sul valore 1.

Allorché un gas entra in contatto con la sezione di ingresso del diffusore 3, che è quella radialmente più interna e che definisce la bocca di ingresso dei gas, vengono generate delle efficienti onde d’urto dovute alla velocità relativa w1 supersonica che sussiste rispetto ad un osservatore relativo, e cioè ad un osservatore solidale con il diffusore 3. Queste onde fanno crollare la velocità del gas dalla velocità relativa w1 (con numero di Mach M1>1) ad una velocità relativa w2’ (con numero di Mach M2<1) inferiore alla velocità del suono; con il crollo della velocità del gas, si ha un incremento della pressione del gas medesimo, come stabilito dalle leggi dell’aerodinamica supersonica. La compressione che ne consegue avviene lungo un brevissimo percorso, che dipende dalla geometria dell’onda. Si noti anche che la compressione del gas qui descritta è la cosiddetta compressione di Hugoniot, che possiede un rendimento ben superiore rispetto alla compressione politropica in regime subsonico.

Come illustrato dall’analisi vettoriale in figura 3, la girante interna 2 ruota in un senso con velocità periferica u1. Il diffusore 3 ruota in senso opposto con velocità periferica u2 sul raggio R2 e la velocità periferica u21 in R21 (praticamente coincidente con R1). La velocità assoluta del gas in uscita dalla girante è v1, mentre w1 è la velocità relativa del gas entrante nel diffusore mobile 3; in uscita dal diffusore la velocità del gas assume il valore w2, che si somma alla sua velocità periferica u21 rispetto alla cassa 1, per risultare in una velocità assoluta v2.

Gli esempi riportati nel presente documento mostrano la possibilità di poter svolgere progetti tali da escludere una ulteriore zona di rallentamento del gas in regime subsonico, a valle del diffusore 3. Risulta pertanto sufficiente fornire un convogliatore fisso alla cassa 1 del compressore 10, con sezione linearmente variabile lungo la sua circonferenza, in toto o nelle singole porzioni di mandata.

Come indicato in figura 4A e lungo una generica sezione assiale della palettatura del diffusore 3, ogni paletta comprende una superficie superiore di lunghezza rettilinea L ed una superficie inferiore di lunghezza 1,25 L, che collidono sul vertice V, formando in esso un predefinito angolo θ; il prolungamento, dal vertice, della superficie inferiore, preferibilmente ma non limitatamente, presenta una direzione uguale a quella della velocità w1 assunta dalla corrente gassosa nella configurazione operativa di funzionamento a regime stazionario.

Il Richiedente fa osservare che l’angolo θ ha un valore che dipende dal tipo di regime scelto e, preferibilmente ma non limitatamente, è compreso nell’intervallo θ = [3 - 6]<O>. Nel caso di funzionamento in regime stazionario, la superficie inferiore delle palette del diffusore 3 viene semplicemente lambita dal gas messo in movimento dalla girante 2 con un angolo di incidenza α = 0. Diversamente, sulla superficie superiore si forma, a partire dal vertice V, un’onda d’urto di tipo forte (“strong wave”) che presenta uno sviluppo sostanzialmente rettilineo avente una forte inclinazione β sempre maggiore di 80<O >per poi incurvarsi gradualmente verso l’alto fino a raggiungere la parete inferiore della paletta adiacente, terminando in direzione ad essa perpendicolare. Questo fenomeno, cioè la formazione della mach reflection già descritta, avviene se la zona a valle dell’onda d’urto è corretta secondo le regole della dinamica supersonica dei gas; queste regole sono pienamente soddisfatte all’interno del diffusore del turbocompressore oggetto dell’invenzione, così come nei disegni delle sezioni anteriori delle palette di cui in figura 4. La figura 4A ne dà il profilo quando il regime è stazionario, mentre la 4B vale per un regime variabile. Diversamente, in caso di regime non stazionario, l’angolo ε sulla superficie inferiore ha lo scopo di generare una strong wave che parte da detto spigolo e si interseca con la Mach reflection generata sul vertice V. L’angolo acuto ε ha un valore compreso nell’intervallo [1–2]<° >.

Il compressore oggetto dell’invenzione è contraddistinto inoltre da una particolare configurazione che riguarda l’interazione tra due palette adiacenti durante il funzionamento, configurazione che deve soddisfare la condizione, per il condotto presente all’interno del diffusore 3, di contenere lo sviluppo della onda d’urto SW che va dal vertice V a circa metà dello sviluppo della superficie (inferiore) della paletta adiacente considerata idealmente tutta rettilinea da R21 a R2, che indichiamo con LP (vedi Fig.3 come riferimento per tutte le voci qui indicate). A tal fine viene fornita la formula che dà il valore LP della lunghezza della paletta tutta dritta come in figura divisa per R2: LP / R2 = N/D

ove

ϒ= angolo tra la superficie inferiore dritta iniziale della paletta LP e la tangente nel suo vertice V alla circonferenza di raggio R1.

Da questa regola dipende pertanto il numero delle palette richieste dal diffusore 3. Si è dimostrato che con un rapporto tra il raggio R2 ed il raggio R21 pari a 8/6 ≈1,3, e comunque con un rapporto R2/R21 compreso tra 1.2 ed 1.4, la distanza angolare tra due vertici non deve scendere al di sotto di circa 20°; il suggerimento è dunque quello di scegliere non meno di 18 palette: tale numero deriva dalla divisione dell’angolo giro, 360°, per la distanza angolare tra i due vertici precedentemente calcolata. La distanza angolare tra le palette, preferibilmente non deve essere inferiore a 4 e 5 palette per quadrante allorquando il rapporto R2/R21 è circa pari a 1,3.

La zona a valle dell’onda d’urto si trova in regime subsonico, ed è contraddistinta da un flusso sostanzialmente uniforme e nel percorso lungo il diffusore 3 il gas osserva un percorso divergente.

Il Richiedente osserva che quando il regime di funzionamento del compressore oggetto dell’invenzione non è costante, ma variabile, la direzione del vettore w1 che dovrebbe essere costante al variare del carico e del numero di giri del compressore, varia in funzione delle velocità periferiche dei due corpi, la girante 2 ed il diffusore 3 e in funzione della portata di gas.

Dunque, in regime stazionario il ventre della paletta del diffusore 3, che parte dal vertice V e ha la direzione della velocità relativa w1 della corrente, inizialmente rettilinea, ha lunghezza LI pari a 1,25 L, essendo L uguale al lato del poligono di N lati inscritto sulla circonferenza di raggio R21 mentre la superficie superiore forma con il ventre un angolo θ del valore compreso tra 3° e 6° e ha lunghezza Ls sostanzialmente pari ad L.

Un esempio applicativo del turbocompressore oggetto della presente invenzione è quello della cogenerazione che richiede regimi stazionari a valori diversi di carico. La figura 5 mostra un regime delle velocità a valori di carico diversi (grosso modo le velocità radiali v1r) caratterizzato dalla direzione costante del vettore w1. La direzione della velocità relativa w1 all’ingresso del diffusore 3 non cambia se la velocità periferica u1 della girante 2 risulta proporzionale alla velocità radiale v1r del gas; e rimane costante anche la direzione del vettore v1. E la figura mostra che la velocità periferica u21 del diffusore 3 deve essere proporzionale alla velocità periferica u1 della girante 2. In questo caso si marcia in regime supersonico nel distributore 3 a carichi elevati, in particolare oltre il 50%, se le velocità periferiche sono nell’ordine di 300 m/s. La potenza richiesta rimane sempre circa il doppio di quella di un turbocompressore convenzionale.

Il Richiedente ha altresì concepito il turbocompressore oggetto dell’invenzione anche per l’impiego in motori alternativi a combustione, contraddistinti da alte prestazioni. In questo caso è possibile fare operare il turbocompressore oggetto dell’invenzione con il seguente rapporto di potenza rispetto al compressore centrifugo convenzionale: 2 a pieno carico e 3 a mezzo carico, nel caso in cui il diffusore 3 ruoti a 300 m/s. Con il diffusore 3 ruotante a 400 m/s (valore possibile perché la sua rotazione avviene in seno all’aria che viaggia a 100 m/s) detto rapporto sale a 1+ (500/100) = 6 volte, quando il carico è 1/4. Il Richiedente osserva che questo sistema offre ai progettisti di motori da competizione una ripresa in gara veramente straordinaria, se il motore è in grado di dare con il gas di scarico la potenza necessaria. Gli interessanti risultati ottenibili con questa applicazione del turbocompressore possono portare a prevedere la comparsa di un nuovo sistema di ricupero di energia dei gas di scarico dei motori alternativi.

Negli esempi a regime supersonico, si mantiene il diffusore 3 allo stesso numero di giri (velocità periferica costante a 300 m/s) e si varia la velocità periferica della girante 2 nello stesso rapporto del carico del motore, in pratica relazionando la sua velocità periferica al numero di giri (rpm) del motore. Un vantaggio lo si ottiene anche nella progettazione: la direzione del vettore w1 varia con la portata di gas fornito dalla girante 2 di un angolo di un paio di gradi soltanto; in accordo alla tabella che segue, nella prima riga si trova il rapporto tra la velocità radiale di v1 e la velocità periferica u1 della girante 2 e nella seconda riga l’angolo α compreso dalla direzione del vettore w1 con la tangente sul vertice V.

v1r / u1 = 0.025 0.050 0.075 0.100

arc tg α = 1.15° 1.91 ° 2.45° 2.86°

Il carico varia da 1/4 a 1. I valori si ricavano dalla figura 6 (fuori scala) dove sono indicati i vettori v1 e w1 nelle condizioni sopra considerate.

Nella realtà, la variazione della direzione di w1 dipende anche dalla velocità di variazione del carico di gas che alimenta la turbina T1, sia per l’inerzia alla rotazione della girante 2, sia per eventuali ritardi del gruppo di comando A della prima e della seconda turbina 20, 30, che come illustrato in figura 7, dà lo schema dell’impianto.

In particolare, l’impianto oggetto dell’invenzione consta di un motore 100, in particolare un motore alternativo a combustione interna fornito di un ingresso 101 per aria e di almeno un condotto di scarico 102; il motore 100 è connesso al turbocompressore precedentemente descritto in modo tale che il condotto di scarico 102 alimenti la prima turbina 20 e la seconda turbina 30, preferibilmente mediante di un gruppo di comando 103. In dettaglio, il gruppo di comando 103 prevede un ingresso alimentato direttamente dal condotto di scarico 102 ed una prima uscita alimentante direttamente l’ingresso 20i della prima turbina 20 ed una seconda uscita alimentante direttamente l’ingresso 30i della seconda turbina 30.

In particolare, il gruppo di comando 103 è configurato in modo tale da operare una regolazione della suddivisione dei gas forniti alla prima turbina 20 ed alla seconda turbina 30, in modo tale da rispettare le configurazioni operative sopra riportate, ad esempio fornendo una quantità di gas alla prima turbina ed alla seconda turbina tale da farle ruotare ad una medesima velocità di rotazione e/o ad un predeterminato rapporto di velocità di rotazione.

In particolare, il controllo attuato dal gruppo di comando 103 può essere un controllo ad impulsi esercitato dal motore sul gruppo di comando 103 mediante una linea di trasmissione dati identificata con il numero di riferimento 104. Inoltre, il gruppo di comando 103 può prevedere una linea di controllo ausiliaria 105 atta a ricevere segnali controllo della suddivisione dei gas tra la prima turbina 20 e la seconda turbina 30 per il controllo iniziale, ad esempio quando la prima turbina 20 e/o la seconda turbina 30 sono in fase di accelerazione, preferibilmente avendo comunque cura di alimentare la prima turbina 20 in modo tale che la girante 2 del compressore 10 sia mantenuta in regime subsonico. Pertanto, il gruppo di comando 103 comprende almeno un elemento di distribuzione variabile del flusso, realizzato sotto forma di valvola o equivalente mezzo di parzializzazione o regolazione di flusso, configurato per regolare il flusso di gas fornito alla prima turbina 20 rispetto alla seconda turbina 30 e/o parzializzare anche in modo indipendente il flusso di gas fornito alla prima turbina 20 ed alla seconda turbina 30.

Si calcola ora la potenza richiesta dal turbocompressore oggetto dell’invenzione, data dalla somma delle potenze richieste dalla girante 2, Πg, e dal diffusore 3 mobile, Πd, al fine di fare un confronto semplice e sicuro con il Compressore convenzionale, che richiede potenza soltanto per la girante.

Il modulo delle Coppie motrici viene calcolato mediante il momento della quantità di moto (Momentum of momentum) e la potenza richiesta dai due alberi rotanti scegliendo la Girante a pale radiali e con la velocità del gas all’ingresso della girante diretta radialmente; se indichiamo con m la portata in massa del gas, ω la velocità angolare, Γ la coppia delle forze in gioco e Π la potenza teorica (escluse le resistenze passive) sull’asse (il pedice g indica la girante 2 ed il pedice d indica il diffusore mobile, cioè la corona rotante) otteniamo:

Γg = m (R1 v1t – R0 v0t) v1t = u1 v0t = u0 Γg ≈ m R1 u1 (1 - u0 R0/u1 R1) ma: u1 = ω1 R1 e u0 = ω1 R0 Γg ≈ m R1 u1 (1 - (u0/u1)2) Πg = Γg ω1 ω1 =u1/R1 Πg ≈ m u12 (1 - (u0/u1)2), ma (u0/u1)2 è piccolo Πg ≈ m u12

Γd = m (R1 v1t R2 v2t) c1t = u1 Γd = m R1 u1 (1 v2t R2/u1 R1)

Πd = Γd ω2 ω2 =u2/R2 Πd = m u1 u2 (R1/R2) (1+ v2t R2/u1 R1), ma u2 = ω2 R2; e m u1 u2 (R1/R2) = m u1 ω2 R1 = m u1 (ω2/ ω1) ω1R1 ed essendo ω1R1 = u1 otteniamo Πd = m u12 (ω2/ ω1)(1+ v2t R2/u1 R1) e se trascuriamo v2t R2/u1 R1 Πd = m u12 (ω2/ ω1)

e la potenza del nuovo compressore: Π = Πg Πd = m u12 (1 (ω2/ ω1))

Se facciamo il confronto tra il nuovo compressore e il compressore convenzionale a parità di Girante, la potenza del convenzionale risulta Πc = Πg e il rapporto tra le loro potenze a parità di portata in massa risulta:

Π / Πc = [m u12 m u12 (ω2/ ω1)] /( m u12) cioè

Π / Πc = 1 (ω2/ ω1)

Questo compressore può raggiungere e superare a parità di dimensione il doppio della potenza del compressore convenzionale; esso sostanzialmente funziona come fossero due giranti strettamente interconnesse in serie, la prima in regime subsonico e la seconda in regime supersonico.

Si noti che, a rigore, nel termine trascurato (1+ v2t R2/u1 R1) il prodotto (v2t/u1) (R2/R1) può superare (1/4); pertanto Π / Πc risulta maggiore del valore indicato dalla formula semplificata.

Mostriamo ora alcuni esempi; per comprenderne i calcoli si consideri che in regime supersonico si forma l’onda d’urto all’imbocco nel Diffusore rotante; l’onda comprime il gas alimentato dalla Girante e subito a valle avvengono i fenomeni fisici in seno ad un corpo in rapida rotazione. Il primo esempio è stato scelto a regime subsonico perché più semplice. La equazione adottata valida in tutti i casi considerati è la formula di Bernoulli, valevole per un osservatore relativo (cioè solidale al diffusore 3 ruotante). Si considera l’aria gas perfetto: κ= 1.4 Ṙ = 287.

Al fine di eseguire un confronto tra il nuovo diffusore mobile e il diffusore convenzionale fisso consideriamo questa particolare configurazione operativa: la girante alimenta il diffusore 3 mediante aria a pressione e temperatura sostanzialmente pari a quelle ambientali, e dunque con p1≈1 atm e T1≈288K. Simboli: u velocità periferica, v e w velocità assoluta e relativa in ordine, p pressione, T temperatura assoluta, H entalpia, Cv e Cp calore specifico a volume e pressione costante, c1 velocità del suono, M numero di Mach, Π potenza su Albero.

Nei tre casi a regime supersonico (M >1) sulla bocca del diffusore 3) i valori delle variabili del gas calcolati immediatamente a valle dell’onda d’urto si trovano assieme ai dati (dipendono solo da M noto) mentre quelli in uscita dal diffusore mobile dipendenti anche dalla velocità di rotazione del diffusore mobile si trovano nei calcoli. In tutti i casi si assume R2/R1 = 1.3

1. Caso subsonico a basso carico con diffusore 3 ruotante a ω2 = ω1.

DATI: ω1 = ω2 v1 = u1 = 150 m/s u21= –150 m/s w1/w2 = 2.5

Le velocità relative in seno alla corona: w1 = 150 – (–150) = 300 m/s

w2 = 120 m/s < 150 m/s OK v2 = 150 – 120 = 30 m/s

Calcolo della variazione di entalpia ΔH2.

ΔH2 = H2 – H1 = (1/2) { (w1<2 >– w2<2 >) ω2<2 >R2<2 >[ 1 – (ω1 R1/ω2 R2)<2 >] } ω1 R1 = 150 m/s ω2 R1 = –150 ω2 R2 = – 150 1,3 = –195 (m/s) ΔH2 = (1/2) [(300<2 >– 120<2 >) (–195)<2 >(1 – (150/195)<2 >]

ΔH2= (1/2) [(75600) (38025) (1 – (150/195)<2 >] = 45562.5 Joule/kg Calcolo della temperatura T2, pressione p2 (con n = ϒ ) e controllo ( p2/ρ2 = Ṙ T2). ΔH2 = Cp (T2–T1) ) Cp = [ϒ Ṙ/(ϒ–1) ]=1004.5

ΔT2 = ΔH2 /Cp = 45562.5/1004.5 = 45.36 K

T2 = 288 45.36=333.36 K T2/T1= 33.36/288=1.1575 p2/p1=1.1575 <3.5 >=1.66 ΔH2 = p2/ρ2 – p1/ρ1 Cv ΔT2 p2/ρ2 = p1/ρ1 ΔH2 – Cv ΔT2

p1/ρ1 = Ṙ T1 = 287 288 = 82656

Cv = [Ṙ /(ϒ–1)] = 717.5 Cv ΔT2 = 717.5 45.36 = 32545.8

p2/ρ2 = 95672.7 J/kg T2 = (p2/ρ2)/ Ṙ T2=95672.7/287=333.36 K Confronto con il diffusore convenzionale:

Π / Πc = 1 150/150 = 2

2. Caso supersonico a pieno carico con diffusore 3 ruotante a ω2 = ω1.

DATI: v1 = u1 = 300 m/s u21= – 300 m/s u2 = 1.3 u21= 390 m/s. Le velocità relative nella Corona sono: w1 = 300 – (–300) = 600 m/s

w2 = da calcolare, c1 = (k Ṙ T1)<1/2 >= (1.4 287 288)<1/2 >= 340 m/s

M1 = 600/340 = 1.765 p2/p1=3.45 ρ2/ ρ1 = 2.30 T2/T1= 1.50 w2 = w1(ρ1/ρ2) = 600/2.3 = 260 m/s < 390 m/s OK

La velocità a valle dell’onda d’urto: 390 – 260 = 130 m/s. v2 ˂ 130 m/s Calcolo della variazione totale di entalpia ΔH2 in seno alla corona ruotante. H21 w1<2>/2 – (ω1 R1)<2>/2 = H2 w2<2>/2 – (ω2 R2)<2>/2

ΔH2 = H2 – H21 = (1/2) { (w1<2 >– w2<2 >) (ω2 R2)<2 >[ 1 – (ω1 R1/ω2 R2)<2 >] } ω1 R1 = 300 m/s ω2 R1 = –300 ω2 R2 = –300 1,3 = –390 (m/s) ΔH2 = (1/2) [(600<2 >– 260<2 >) (–390)<2 >(1 – (300/390)<2 >] = 177250 J/kg Calcolo della temperatura T2, pressione p2 (con n = ϒ) e controllo (p2/ρ2 = Ṙ T2) . ΔH2 = Cp (T2 –T1) ) Cp = [ϒ Ṙ/(ϒ–1) ]=1004.5

ΔT2= ΔH2 /Cp = 177250/1004.5 = 176.5 K

T2 = 288 176.5= 464.5 K (= 191.5 <O>C)

ΔH2 = (p2/ρ2) – p1/ρ1 Cv ΔT2 p2/ρ2 = p1/ρ1 ΔH2 – Cv ΔT2

p1/ρ1 = Ṙ T1 = 287 288 = 82656 Cv = [Ṙ /(ϒ – 1)] =717.5

Cv ΔT2 = = 717.5 176.5 = 126639 (p2/ρ2)= 133267 J/kg

T2 = (p2/ρ2)d / Ṙ = 133267/287 = 464.34 K p2/p1 = (T2/T1) <n / (n–1) >= 5.32 Confronto con il diffusore convenzionale:

Π / Πc = 1 300/300 = 2

3. Caso supersonico a carico ridotto (2/3) con diffusore 3 ruotante a ω2 > ω1. DATI: v1 = u1 = 200 m/s u21= –300 m/s u2 = 1.3 u21= 390 m/s Le velocità relative nella Corona sono: w1 = 200 – (–300) = 500 m/s w2 = da calcolare, c1 = (k Ṙ T1)<1/2 >= (1.4 287 288)<1/2 >= 340 m/s

M1 = 500/340 = 1.47 p2/p1=2.3545 ρ2/ ρ1 = 1.8105 T2/T1= 1.3005 w2 = w1(ρ1/ρ2) = 500/1.81 = 276 m/s < 390 OK

La velocità a valle dell’onda d’urto: 390 – 276 = 114 m/s v2 ˂ 114 m/s Calcolo della variazione totale di entalpia ΔH2 in seno alla corona ruotante. H21 w1<2>/2 – (ω1 R1)<2>/2 = H2 w2<2>/2 – (ω2 R2)<2>/2

H2 = H2 – H21 = (1/2) { (w1<2 >– w2<2 >) (ω2 R2)<2 >[ 1 – (ω1 R1/ω2 R2)<2 >] } ω1 R1 = 200 m/s ω2 R1 = –300 ω2 R2 = –300 1,3 = –390 (m/s) ΔH2 = (1/2) [(500<2 >– 276<2 >) (–390)<2 >(1 – (200/390)<2 >] = 142962 J/kg Calcolo della temperatura T2, pressione p2 (con n = ϒ ) e controllo (p2/ρ2 = Ṙ T2). ΔH2 = Cp (T2–T1) ) Cp = [ϒ Ṙ/(ϒ–1) ]=1004.5

ΔT2 = ΔH2 /Cp = 142962/1004.5 = 142.3 <O>K

T2= 288 142.3 = 430.3 K (= 157.3 <O>C)

ΔH2 = (p2/ρ2) – p1/ρ1 Cv ΔT2 p2/ρ2 = p1/ρ1 ΔH2 – Cv ΔT2

p1/ρ1 = Ṙ T1 = 287 288 = 82656 Cv = [Ṙ /(ϒ – 1)] =717.5

Cv ΔT2 = = 717.5 142.3= 102100 (p2/ρ2) = 123518 J/kg

T2 = (p2/ρ2) / Ṙ = 123518 /287 = 430.4 p2/p1 = (T2/T1)<n/(n–1) >= 4.08 Confronto con il diffusore convenzionale:

Π / Πc = 1 300/200 = 2.5

4. Caso supersonico a carico ridotto (1/2) con diffusore 3 ruotante a ω2 > ω1. DATI: v1 = u1 = 150 m/s u21= –300 m/s u2 = 1.3 u21= 390 m/s Le velocità relative nella Corona sono: w1 = 150 – (–300) = 450 m/s

w2 = da calcolare, c1 = (k Ṙ T1)<1/2 >= (1.4 287 288)<1/2 >= 340 m/s M1 = 450/340 = 1.32 p2/p1=1.866 ρ2/ ρ1 = 1.551 T2/T1= 1.204

w2 = w1(ρ1/ρ2) = 450/1.866 = 241 m/s < 390 m/s OK

La velocità a valle dell’onda d’urto: 390 – 241 = 149 m/s v2 ˂ 149 m/s Calcolo della variazione totale di entalpia ΔH2 in seno alla corona ruotante.

H21 w1<2>/2 – (ω1 R1)<2>/2 = H2 w2<2>/2 – (ω2 R2)<2>/2

ΔH2 = H2 – H21 = (1/2) { (w1<2 >– w2<2 >) (ω2 R2)<2 >[ 1 – (ω1 R1/ω2 R2)<2 >] }

(ω1 R1) = 150 m/s ω2 R1 = –300 ω2 R2 = –300 1,3 = –390 (m/s) ΔH2 = (1/2) [(450<2 >– 241<2 >) (–390)<2 >(1 – (150/390)<2 >] = 137010 J/kg Calcolo della temperatura T2, pressione p2 (con n = ϒ ) e controllo (p2/ρ2 = Ṙ T2). ΔH2 = Cp (T2 –T1) ) Cp = [ϒ Ṙ/(ϒ–1) ]=1004.5

ΔT2 = ΔH2 /Cp = 137010/1004.5 = 136.4 K

T2 = 288 136.4= 424.4 K

ΔH2 = p2/ρ2 – p1/ρ1 Cv ΔT2 p2/ρ2 = p1/ρ1 ΔH2 – Cv ΔT2

p1/ρ1 = Ṙ T1 = 287 288 = 82656 Cv = [Ṙ /(ϒ – 1)] =717.5

Cv ΔT2 = = 717.5 136.4 = 97867 (p2/ρ2) = 121799 J/kg

T2 = (p2/ρ2)d / Ṙ T2=121799/287=424.39 K p2/p1 = (T2/T1)<n/(n–1) >= 3.88 Confronto con il diffusore convenzionale:

Π / Πc = 1 300/150 = 3

Il Richiedente fa osservare che i calcoli fin qui mostrati, sono relativi al solo diffusore mobile e con onda d’urto perfettamente perpendicolare ovunque alla w1; inoltre la pressione p2 ottenuta risulta pari a p2/p1 volte la pressione p1 fornita dalla girante 2 al diffusore 3 (e non la pressione pO alimentata alla girante 2). Detto rapporto p2/p1 è definito a cavallo dell’onda d’urto.

I vantaggi offerti dal turbocompressore oggetto dell’invenzione sono chiari alla luce della descrizione che precede. Il turbocompressore fin qui descritto, operando in regime supersonico, permette di ottenere elevate prestazioni, risultando ad esempio potente il doppio del turbocompressore convenzionale a pieno carico e di oltre tre volte ai carichi medi e bassi a parità di dimensioni. Anche la pressione massima accessibile aumenta da 6–8 bar a ben 12–16 bar. E la compressione fornita dall’onda d’urto ha una efficienza superiore alla compressione politropica presente nei diffusori statici convenzionali, nel senso che a parità di variazione di volume del gas, si ottiene una pressione più elevata.

Il nuovo turbocompressore risulta molto vantaggioso nell’alimentazione dei motori a combustione alternativi da competizione che devono fornire in gara una fortissima accelerazione a giri bassi e medi, se il sistema che utilizza il gas di scarico del motore fosse in grado di farlo girare a queste potenze. I progettisti di motori alternativi da competizione potrebbero aumentare in modo significativo a giri medi e bassi la ripresa in gara dei loro motori; a tale punto da prevedere la auspicabile comparsa di un nuovo sistema in grado di aumentare notevolmente la potenza utilizzabile della corrente di gas scaricata dal motore.

Inoltre, la corrente gassosa si comprime nel diffusore in un brevissimo percorso attraversando una efficace onda d’urto che rallenta il gas veloce al punto da rendere inutile il voluminoso diffusore convenzionale. Per tale ragione, il turbocompressore oggetto dell’invenzione ha minori dimensioni a parità di potenza.

E’ chiaro che all’oggetto della presente invenzione possono essere applicate aggiunte, modifiche o varianti ovvie per un tecnico del ramo senza per questo fuoriuscire dall’ambito di tutela fornito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1.Turbocompressore, comprendente: - un compressore centrifugo (10) avente una cassa (1), una girante (2) ed un diffusore (3) ospitati dentro la cassa (1), in cui la girante (2) è ospitata ed è configurata per ruotare entro il diffusore (3) in modo tale che il diffusore (3) possa in uso raccogliere direttamente il flusso uscente dalla girante (2), - un primo albero (6) fissato a detta girante (2) e con essa solidalmente ruotante; - un secondo albero (7) fissato a detto diffusore (3) e con esso solidalmente ruotante; - almeno una prima turbina (20) connessa a detto primo albero (6); e - un attuatore per detto secondo albero (7).
2. 2. Turbocompressore secondo la rivendicazione 1, in cui il detto attuatore per il detto secondo albero (7) comprende una seconda turbina (30) connessa a detto secondo albero (7) o un sistema di trasferimento di moto, accoppiato alla detta prima turbina (20) ed al detto secondo albero (7).
3. 3. Turbocompressore secondo la rivendicazione 2, in cui il detto sistema di trasferimento di moto comprende una pluralità di ingranaggi o ruote dentate di cui almeno uno/a è rigidamente connesso al detto secondo albero (7) e muove in rotazione il detto secondo albero (7) in un predefinito rapporto di trasmissione e/o di velocità rispetto al primo albero (6).
4. 4. Turbocompressore secondo la rivendicazione 2, in cui la detta seconda turbina (30) è affiancata alla detta prima turbina in una direzione sostanzialmente coincidente con la direzione lungo la quale è orientato il detto primo albero (6), e in cui il secondo albero (7) è coassiale al detto primo albero (6) e presenta una cavità entro la quale è contenuto il primo albero (6).
5. 5. Turbocompressore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il detto diffusore (3) presenta una pluralità di palette individuanti nel complesso un perimetro interno ed un perimetro esterno sostanzialmente di inviluppo circolare, in cui la girante (2) presenta una pluralità di palette che individuano un perimetro esterno di sostanziale inviluppo circolare, in cui il perimetro interno, di inviluppo sostanzialmente circolare definito dalla pluralità di palette del diffusore (3), presenta un primo raggio (R21) rispetto ad un centro del diffusore (3) stesso sul quale è centrato l’asse di rotazione del diffusore, in cui il perimetro esterno sostanzialmente di inviluppo circolare definito dalla pluralità di palette della girante (2) presenta un secondo raggio (R1) rispetto all’asse di rotazione della girante (2), detto asse di rotazione della girante (2) coincidendo sostanzialmente con l’asse di rotazione del diffusore (3), ed in cui il primo raggio (R21) è di poco maggiore del secondo raggio (R1), preferibilmente sostanzialmente coincidente al secondo raggio (R1).
6. 6. Turbocompressore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, comprendente almeno una configurazione operativa nella quale il detto diffusore (3) ruota nel senso contrario alla girante impartendo al gas in esso presente una velocità relativa supersonica e nel cui interno si producono onde d’urto che esercitano la compressione del gas secondo la teoria fisica di Hugoniot.
7. 7. Turbocompressore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il diffusore (3) presenta palette (5) rivolte all’indietro rispetto al senso di rotazione del diffusore, ed in cui il numero di palette (5) è maggiore o uguale a 16 preferibilmente compreso tra 16 e 20, e/o è compreso tra 4 e 5 per quadrante, in particolare allorquando il rapporto tra il raggio del perimetro esterno ed il perimetro interno definito dalle palette (5) è sostanzialmente compreso tra 1.2 e 1.4.
8. 8. Turbocompressore secondo la rivendicazione 7, in cui le palette (5) del diffusore (3) presentano una porzione anteriore configurata per generare un’onda d’urto forte, che si sviluppa automaticamente nell’onda denominata “Mach reflection”; detta onda d’urto forte consistendo, allorquando il turbocompressore opera in regime stazionario, in un cuneo (wedge) il cui vertice giace sulla circonferenza avente detto secondo raggio (R1) e sottende un angolo θ del valore compreso nell’intervallo [3 6]<o >; e il cui lato base, è formato da un tratto rettilineo di una lunghezza del valore sostanzialmente compreso tra una predeterminata lunghezza L ed 1.25 volte la detta predeterminata lunghezza L che risulta orientato nella direzione della velocità relativa (w1) della corrente di gas proveniente dalla girante (2) e il lato opposto del cuneo ha una lunghezza pari a L.
9. 9. Turbocompressore secondo la rivendicazione 8, in cui alla fine del detto primo tratto rettilineo è presente un angolo concavo (concave corner) del valore compreso tra 1 e 2 gradi sessagesimali misurato su di una continuazione rettilinea del detto tratto di base per una lunghezza del valore di circa L/3.
10. 10. Impianto comprendente un turbocompressore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, ed un gruppo di comando (103), detto gruppo di comando comprendendo un ingresso per aria ed una prima uscita per aria connessa, in particolare in modo diretto, con un ingresso di alimentazione (20i) per la detta prima turbina (20), ed una seconda uscita connessa, in particolare in modo diretto, con un ingresso di alimentazione (30i) della detta seconda turbina (30), detto gruppo di comando (103) essendo configurato in modo tale da operare una regolazione della suddivisione dei gas forniti alla prima turbina (20) ed alla seconda turbina (30), fornendo una quantità di gas alla prima turbina ed alla seconda turbina tale da farle ruotare ad una medesima velocità di rotazione e/o ad un predeterminato rapporto di velocità di rotazione.
11. 11. Impianto secondo la rivendicazione 10, in cui il detto gruppo di comando (103) comprende un controllo configurato per causare una rotazione controllata della detta prima turbina (20) e della detta seconda turbina (30) in modo tale che la girante (2) ruoti in uso, in particolare in una configurazione operativa stazionaria, ad un regime subsonico mentre il diffusore (3) ruoti in uso, in particolare in una configurazione operativa stazionaria, ad un regime supersonico.
12. 12. Metodo di attuazione di un turbocompressore secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 9, detto metodo comprendendo: - un passo di alimentazione controllata della almeno una prima turbina (20); - una attuazione del compressore (10) per mezzo almeno della prima turbina (20), in cui, per mezzo della detta attuazione, la girante (2) del detto compressore viene fatta ruotare ad una velocità tale che la corrente di gas alimentato abbia velocità subsonica ed in cui, per mezzo della detta attuazione, il diffusore (3) venga fatto ruotare in direzione opposta rispetto alla direzione di rotazione assunta dalla detta girante (2), ed in cui la rotazione del detto diffusore impartisca al gas, almeno in una configurazione operativa stazionaria, una velocità relativa supersonica tale da generare, nel suo interno, delle onde d’urto che comprimono il gas entrante riducendone la velocità a valori subsonici.