IT201800010748A1 - Apparato di convogliamento di un fluido - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“Apparato di convogliamento di un fluido”

La presente invenzione ha per oggetto un apparato di convogliamento di un fluido comprendente una macchina operatrice ad esempio un ventilatore, una soffiante e un compressore.

Sono noti ventilatori assiali accoppiati a scambiatori di calore per ottimizzare lo scambio termico. Una particolare tipologia di ventilatori prevede l’impiego di una girante a valle della quale è posto uno statore palettato. Questo consente di ridurre la componente rotazionale del flusso di aria in uscita dal ventilatore aumentando la componente assiale. Ciò si traduce in un aumento della pressione statica a valle dello statore e quindi un aumento della prevalenza del ventilatore. Lo statore permette quindi di recuperare parte dell’energia cinetica rotazionale in uscita dalla pala della girante che altrimenti, attraverso lo sviluppo di turbolenza, andrebbe persa in ambiente.

Scopo della presente invenzione è proporre un apparato di convogliamento di un fluido che permetta di ridurre le perdite aerauliche ottimizzando al tempo stesso la velocità di assemblaggio e i costi di realizzazione. Ulteriore importante scopo della presente invenzione è quello di ottimizzare gli spazi.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un apparato di convogliamento di un fluido comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni. Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di un apparato di convogliamento di un fluido come illustrato negli uniti disegni in cui:

- figura 1 mostra alcuni componenti di un apparato secondo la presente invenzioni;

-figura 2 mostra un apparato secondo la presente invenzione;

-figura 3 mostra un apparato secondo la presente invenzione alternativa a quella di figura 2;

-figure 4-6 mostrano soluzioni alternative di un componente di un apparato secondo la presente invenzione;

-figura 7 mostra un dettaglio secondo la presente invenzione;

-figura 8 mostra un dettaglio di un apparato secondo la presente invenzione.

Nelle unite figure con il numero di riferimento 1 si è indicato un apparato di convogliamento di un fluido. Tipicamente il fluido è aria. L’apparato 1 comprende una macchina 10 operatrice che trasferisce energia ad un fluido processato. Ciò avviene a scapito di lavoro meccanico di un albero motore della macchina 10. Tale macchina 10 operatrice può essere un ventilatore, una soffiante, un compressore. Preferibilmente tale macchina 10 operatrice è assiale, ma eventualmente potrebbe anche essere centrifuga; tali tipologie di macchine operatrici sono ben note nel settore tecnico e dunque non sono ulteriormente descritte. La macchina 10 operatrice può essere vantaggiosamente utilizzata in ambito aeraulico. Un esempio di applicazione potrebbe essere la ventilazione di ambienti o il miglioramento dello scambio termico con un elemento da raffreddare. Opportunamente la macchina 10 operatrice comprende un rotore 2 palettato (anche noto come girante nel settore tecnico). Esso è girevole attorno ad un asse 20 di rotazione. Opportunamente la macchina 10 operatrice comprende un mozzo 21 centrale a cui sono vincolati gli elementi 22 palari. Tali elementi 22 palari si distribuiscono circonferenzialmente attorno al mozzo 21. Essi si sviluppano radialmente in allontanamento dal mozzo 21. Il mozzo 21 è calettato su un albero motore (azionato direttamente o indirettamente da un motore elettrico o termico). Il rotore 2 è attraversato dal gas operativo (tipicamente aria). Nel caso di una macchina operatrice assiale è assente un piatto posteriore di supporto degli elementi 22 palari ortogonale all’asse 20 di rotazione.

Gli elementi 22 palari sono vantaggiosamente sagomati come profili alari. Opportunamente il rotore 2 spinge il fluido verso uno scambiatore 91 di calore posto a valle (vedasi figura 2). Oppure il rotore 2 potrebbe estrarre il fluido da un vano 9 in cui è presente una unità 90 operativa attorno a cui il fluido può circolare (vedasi figura 3). Tale unità 90 operativa potrebbe essere ad esempio un motore, un compressore, un gruppo di continuità, un rack di componenti elettronici-server, un PC, ma anche un qualsivoglia macchinario (il vano potrebbe essere un involucro, una stanza, ecc.).

La macchina 10 operatrice comprende inoltre uno statore 3 posto a valle del rotore 2 (rispetto al flusso di movimentazione del gas, tipicamente aria). Tale statore 3 opportunamente fronteggia il rotore 2. In particolare lo statore 3 è coassiale al rotore 2. Lo statore 3 è fisso e durante l’uso non è girevole attorno all’asse 20 di rotazione. Opportunamente lo statore 3 comprende una pluralità di pale 30. Ciascuna pala di un primo gruppo di dette pale 30 dello statore 3 definisce una concavità. In particolare le pale del primo gruppo sono a spessore variabile, ma potrebbero anche essere pale a spessore costante curvate. Opportunamente le pale 30 sono di tipo “airfoil” (in particolare una pala profilo alare). Eventualmente le pale 30 potrebbero comprende un lamierino piegato. Opportunamente tutte le pale 30 sono tra loro uguali. Il primo gruppo di pale 30 coincide quindi con tutte le pale dello statore 3. Le pale 30 sono distribuite lungo una corona circolare. Opportunamente lo statore 3 è ancorato amovibilmente o inamovibilmente ad una struttura che avvolge il rotore 2. In particolare lo statore 3 potrebbe essere assemblato oppure realizzato in corpo unico monolitico con un tratto di detta struttura che avvolge il rotore 2. La struttura che avvolge il rotore 2 può essere di vario genere. Ad esempio potrebbe essere un condotto (ad esempio per il trasporto dell’aria). In una soluzione alternativa la struttura che avvolge il rotore 2 potrebbe essere un involucro in materiale plastico o metallico (come nel caso di unità esterne come pompe di calore/condizionatori). Rotore 2 e statore 3 possono trovarsi lungo un medesimo condotto (in tal caso il diametro esterno del rotore e/o dello statore è almeno il 90% del diametro del condotto). Alternativamente se non si trovano nel medesimo condotto sono posti a meno di 50 centimetri uno dall’altro. Opportunamente le pale 30 dello statore 3 sono vincolate in una posizione radialmente esterna ad una cornice (tale vincolo vantaggiosamente è inamovibile).

Nel caso in cui macchina 10 operatice sia assiale lo statore 3 è posto su un piano che giace affiancato al rotore 2. Nel caso in cui la macchina 10 operatrice sia centrifuga lo statore 3 si sviluppa attorno al rotore 2 (vedasi figura 8). In particolare lo statore 3 avvolge per almeno 270° il rotore 2. Opportunamente lo statore 3 si sviluppa a corona attorno al rotore 2.

In una particolare soluzione costruttiva l’apparato 1 può comprendere una griglia 5 protettiva anti-infortunistica (vedasi ad esempio figure 4 e 6). Ad esempio tale griglia 5 impedisce il passaggio di un cilindro di diametro maggiore o uguale a 5 millimetri. Opportunamente lo statore 3 è applicato alla griglia 5. In particolare lo statore 3 potrebbe essere a contatto con la griglia 5. Ad esempio lo statore 3 potrebbe essere assemblato o realizzato in corpo unico monolitico con almeno una parte della (eventualmente tutta la) griglia 5. Lo statore 3 può trovarsi lungo lo stesso piano di detta griglia 5. Alternativamente può trovarsi applicato ad una faccia della griglia 5 rivolta a monte o ad una faccia della griglia 5 rivolta a valle (monte e valle essendo sempre definite con riferimento al verso del fluido).

Lo statore 3 opportunamente è in materiale metallico o plastico. Opportunamente la griglia 5 è in materiale metallico. Preferibilmente lungo lo sviluppo radiale le pale 30 dello statore 3 si collegano in più punti con la griglia 5.

Eventualmente in corrispondenza dello statore 3 la griglia 5 potrebbe interrompersi per lasciar spazio allo statore 3. In tal caso statore 3 e griglia 5 non si vengono quindi a sovrapporre. La griglia 5 può essere costituita da fili (preferibilmente metallici o plastici) che si incrociano l’un l’altro.

Opportunamente la struttura che avvolge il rotore 2 è un involucro (ad esempio in materiale plastico o metallico) dotato di una apertura di uscita del fluido. Lo statore 3 e la griglia 5 ostruiscono parzialmente tale apertura. Statore 3 e/o griglia 5 possono trovarsi esternamente all’involucro.

In una particolare soluzione alternativa lo statore 3 non è a contatto/integrato con la griglia 5 pur sovrapponendosi alla griglia 5. Tipicamente in tal caso lo statore 3 si trova a valle della griglia 5. Opportunamente lo statore 3 potrebbe essere amovibilmente collegato a detta struttura che avvolge il rotore 2.

In una particolare soluzione lo statore 3 comprende un convogliatore 50 del fluido; tale convogliatore 50 opportunamente fa parte di detta struttura che avvolge il rotore. In tal caso lo statore 3 è posto internamente al convogliatore 50. Opportunamente lo statore 3 può comprendere estremità radiali esterne agganciate al convogliatore 50. Lo statore 3 può essere integrato nel convogliatore 50 (ad esempio in corpo unico monolitico) o connesso meccanicamente. Opportunamente lo statore 3 può essere collegato con il convogliatore 50 in posizioni diametralmente opposte. Vantaggiosamente tale collegamento interessa almeno tre pale. Il convogliatore 50 può comprendere un pezzo monolitico che presenta lungo il proprio sviluppo una variazione della sezione trasversale. Si ha dunque un allargamento o un restringimento di una parete esterna di delimitazione del percorso del fluido. Opportunamente in tale soluzione la struttura che avvolge il rotore 2 è un tubo. In tal caso preferibilmente è assente la griglia 5. Preferibilmente in tal caso il rotore 2 spinge il fluido verso uno scambiatore di calore posto a valle.

Nella soluzione di figura 6 il convogliatore 50 è in corpo unico monolitico con la griglia 5 e con lo statore 3.

Nella soluzione di figura 5 il convogliatore 50 è in corpo unico monolitico con lo statore 3, ma è assente la griglia.

Nella soluzione di figura 4 lo statore 3 è in corpo unico monolitico con la griglia 5.

Opzionalmente le pale 30 dello statore 3 comprendono almeno una porzione della superficie che comprende una pluralità di fossette (o concavità) (nel settore tecnico si parla di “dimples”) Tali fossette sono cavità distribuite (preferibilmente in modo regolare) in almeno una zona delle pale 30. Alternativamente potrebbero essere lisce.

Opzionalmente la macchina 10 operatrice comprende generatori 4 di vortice applicati alle pale 30 dello statore 3 (in figura 7 è mostrato un generatore di vortice). I generatori 4 di vortice permettono di ritardare la separazione dello strato limite dalle pale 30. Conseguentemente è possibile utilizzare angoli di calettamento maggiori (angolo tra la corda delle pale 30 e l’asse 20 di rotazione) senza incorrere in condizioni di stallo. Lo strato limite è uno strato di ridottissimo spessore in cui la corrente gassosa è a ridosso della pala. La separazione (o distacco) dello strato limite avviene in quanto quest’ultimo viene frenato dalla viscosità dell’aria esterna allo strato limite. Con la separazione dello strato limite si generano vortici che non sono più limitati all’interno dello strato limite, ma iniziano ad interessare una zona più ampia nei dintorno della superficie. In questa situazione i generatori 4 di vortice hanno il compito di trasferire quantità di moto dall’esterno all’interno dello strato limite.

I generatori 4 di vortice sono elementi ben noti in quanto tali ed impiegati in settori tecnologici differenti (ad esempio ali di velivoli).

La presenza dei generatori 4 di vortice sulle pale 30 dello statore 3 è importante e più vantaggioso che il loro posizionamento sul rotore 2. Infatti il loro impiego in tale contesto grazie ad un maggiore angolo di calettamento consente di ridurre l’ingombro assiale della macchina 10 operatrice (se aumenta l’angolo di calettamento si riduce l’ingombro assiale). Simile ragionamento non può ripetersi per il rotore 2 dal momento che in tal caso l’angolo di calettamento delle pale del rotore 2 è imposto da condizioni di efficienza fluidodinamica e dalla velocità di rotazione del rotore 2.

I generatori 4 di vortice comprendono profili 40 che si sviluppano trasversalmente in allontanamento dalle pale 30. Opportunamente i profili 40 si sviluppano affiancati uno all’altro.

Opportunamente i profili 40 si trovano su una superficie delle pale 30 orientata verso il rotore 2.

I profili 40 si trovano su estradossi delle pale 30.

In particolare i generatori 4 di vortice o più precisamente i profili 40 sono sagomati come pinne. I profili 40 possono avere ad esempio uno sviluppo triangolare o rettangolare o trapezoidali. Definiscono una lama. Possono essere dritti o curvi.

Opportunamente le pinne hanno una altezza minore di 60 millimetri e uno sviluppo lungo l’asse 20 di rotazione del rotore 2 minore di 100 millimetri. Preferibilmente i profili 40 presentano una rampa e un successivo gradino; la rampa agevola il sollevamento dello strato limite, il gradino ne determina la caduta sulla pala 30 agevolando il riattacco dello strato limite. E’ dunque opportuno che almeno una parte dei profili 40 siano in corrispondenza di una zona in cui si è già verificata la separazione dello strato limite in quanto ciò ne agevola il riattacco.

Nella soluzione preferita a ciascuna delle pale 30 dello statore 3 sono preferibilmente applicati dai due ai cinque generatori 4 di vortice.

Le pale 30 si sviluppano da una base 300 comune; i generatori 4 di vortice sono posti ad una distanza radiale dalla base 300 che preferibilmente è maggiore del 10% (eventualmente è maggiore del 30%) dello sviluppo radiale delle pale 30.

Infatti il distacco dello strato limite è più probabile che avvenga a distanza dalla base 300. La base 300 è vantaggiosamente calettata su un cuscinetto dell’albero che porta in rotazione il rotore 2.

Opportunamente il rotore 3 può essere di tipo modulare. In particolare può comprendere pale modulari applicabili alla base 300. Eventualmente lo statore 3 può comprendere pale 30 modulari costituite dall’assemblaggio di più porzioni radiali.

In una particolare soluzione non illustrata opportunamente potrebbero essere presenti generatori di vortici anche lungo gli elementi 22 palari del mozzo 21. Gli elementi palari 22 preferibilmente hanno profilo alare. Anche in tal caso gli elementi 22 palari sono posti in corrispondenza dell’estradosso degli elementi 22 palari.

La presente invenzione consegue importanti vantaggi.

Infatti consente di ridurre le perdite aerauliche e nel contempo permette anche di ottimizzare l’assemblaggio, i costi. Infatti la soluzione secondo la presente invenzione può essere integrata nei processi produttivi attuali. Inoltre consente una ottimizzazione degli spazi dal momento che molte applicazione non consentono l’aggiunta di uno statore tra rotore e griglia 5.

Ulteriori importanti vantaggi sono legati alle applicazioni aftermarket dello statore.

L’invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo che la caratterizza. Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. In pratica, tutti i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato di convogliamento di un fluido comprendente una macchina (10) operatrice che trasferisce energia ad un fluido processato, detta macchina (10) operatrice a sua volta comprendendo: i) un rotore (2) palettato; ii) uno statore (3) posto a valle del rotore (2) e comprendente una pluralità di pale (30); caratterizzato dal fatto che detto rotore (2): - spinge il fluido verso uno scambiatore di calore facente parte di detto apparato e posto a valle del rotore (2) oppure - estrae il fluido da un vano facente parte di detto apparato (1) e in cui è presente una unità operativa attorno a cui il fluido può circolare; ciascuna pala di un primo gruppo di dette pale (30) dello statore (3) definendo una concavità.
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una griglia (5) protettiva anti-infortunistica, detto statore (3) essendo applicato a detta griglia (5).
3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto statore (3) è in corpo unico monolitico con detta griglia (5) protettiva.
4. 4. Apparato secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che lungo il loro sviluppo radiale le pale (30) dello statore (3) si collegano in più punti con detta griglia (5).
5. 5. Apparato secondo la rivendicazione 2 o 3 o 4, caratterizzato dal fatto che detta griglia (5) protettiva impedisce il passaggio di un cilindro di diametro maggiore o uguale a 5 millimetri.
6. 6. Apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un convogliatore (50) del fluido, detto statore (3) essendo posto internamente a detto convogliatore (50).
7. 7. Apparato secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che lo statore (3) comprende estremità radiali esterne agganciate a detto convogliatore (50).
8. 8. Apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto lo statore (3) è ancorato amovibilmente o inamovibilmente ad una struttura che avvolge il rotore (2) o lo statore (3).
9. 9. Apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere generatori (4) di vortice applicati alle pale (30) dello statore (3), i generatori (4) di vortice comprendono profili (40) che si sviluppano trasversalmente in allontanamento dalle pale (30).
10. 10. Apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta macchina (10) operatrice è un ventilatore o una soffiante o un compressore.