IT202000007819A1 - Propulsion device - Google Patents

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IT202000007819A1
IT202000007819A1 IT102020000007819A IT202000007819A IT202000007819A1 IT 202000007819 A1 IT202000007819 A1 IT 202000007819A1 IT 102020000007819 A IT102020000007819 A IT 102020000007819A IT 202000007819 A IT202000007819 A IT 202000007819A IT 202000007819 A1 IT202000007819 A1 IT 202000007819A1
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IT
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duct
exhaust duct
fluid
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IT102020000007819A
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Italian (it)
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Lorenzo Damiani
Umberto Benatti
Roberto Linfante
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Lorenzo Damiani
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    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C29/00Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00Marine propulsion by water jets
    • B63H11/02Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water
    • B63H11/04Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps
    • B63H11/08Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps of rotary type
    • B63H2011/082Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps of rotary type with combined or mixed flow, i.e. the flow direction being a combination of centrifugal flow and non-centrifugal flow, e.g. centripetal or axial flow

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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

di una domanda di brevetto per Invenzione Industriale avente titolo: of a patent application for an Industrial Invention entitled:

?Dispositivo di propulsione? ? Propulsion device?

CAMPO DELL?INVENZIONE FIELD OF INVENTION

Il presente trovato ? relativo a un dispositivo di propulsione. The present found? relating to a propulsion device.

In particolare, si riferisce a un dispositivo di propulsione aereo e/o navale, quindi in grado di elaborare un fluido come aria o acqua. In particular, it refers to an aircraft and / or naval propulsion device, therefore capable of processing a fluid such as air or water.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

La propulsione, in particolare quella aerea, tramite elica libera, consente di generare una spinta calcolabile tramite la formula della variazione della quantit? di moto tra monte e valle del rotore; nel caso ideale, la spinta F ?: The propulsion, in particular the aerial one, through free propeller, allows to generate a thrust that can be calculated through the formula of the variation of the quantity? of motion between upstream and downstream of the rotor; in the ideal case, the thrust F?:

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Essendo v1 e v2 le componenti della velocit? rispettivamente di ingresso e uscita del fluido dirette secondo l?asse Being v1 and v2 the components of the speed? respectively of inlet and outlet of the fluid directed according to the axis

? ?

dell?elica, ? la densit? del fluido e vP la velocit? media (0.5 (v1+ v2)). Nel caso dell?elica v1 e v2 sono equi-verse. dell? propeller,? the density? of the fluid and vP the speed? medium (0.5 (v1 + v2)). In the case of helix v1 and v2 they are the same.

Nel caso reale, inoltre, un?elica libera presenta nel volume fluido a valle della stessa una componente tangenziale della velocit? che non incrementa la spinta, ma viene dissipata in calore di attrito. In the real case, moreover, a free helix has a tangential component of the velocity in the fluid volume downstream of it. which does not increase thrust, but is dissipated in frictional heat.

RIASSUNTO DELL?INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION

Scopo del presente trovato ? quello di fornire un dispositivo di propulsione che sia perfezionato rispetto alla tecnica nota. Purpose of the present invention? that of providing a propulsion device which is improved with respect to the prior art.

Questo ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo di propulsione realizzato conformemente alle annesse rivendicazioni. This and other purposes are achieved by a propulsion device made in accordance with the attached claims.

Vantaggiosamente il dispositivo consente di aumentare il rendimento energetico rispetto ai sistemi noti. Advantageously, the device allows to increase the energy efficiency with respect to known systems.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?innovazione risulteranno evidenti dalla descrizione di una forma preferita ma non esclusiva del dispositivo, illustrata a titolo esemplificativo e quindi non limitativo nei disegni allegati, in cui: Further characteristics and advantages of the innovation will become evident from the description of a preferred but not exclusive form of the device, illustrated by way of example and therefore not limitative in the attached drawings, in which:

la figura 1 ? una sezione semplificata e schematica di un dispositivo secondo il presente trovato; figure 1? a simplified and schematic section of a device according to the present invention;

? ?

la figura 2 ? una sezione semplificata e schematica, presa lungo la linea II-II di figura 1; figure 2? a simplified and schematic section, taken along the line II-II of figure 1;

la figura 3 ? una vista in sezione schematica semplificata di una variante del dispositivo di figura 1; figure 3? a simplified schematic sectional view of a variant of the device of Figure 1;

la figura 4 mostra in maniera schematica una caratterizzazione di uno statore del dispositivo di figura 1; Figure 4 schematically shows a characterization of a stator of the device of Figure 1;

la figura 5 ? una rappresentazione schematica semplificata del campo di moto generato dal dispositivo di figura 1, confinato al volume fluido ad esso sottostante; figure 5? a simplified schematic representation of the flow field generated by the device of Figure 1, confined to the fluid volume below it;

la figura 6 ? un grafico teorico relativo al dispositivo del presente trovato; e figure 6? a theoretical graph relating to the device of the present invention; And

la figura 7 ? un grafico teorico comparativo tra il dispositivo del presente trovato e un?elica. figure 7? a comparative theoretical graph between the device of the present invention and a helix.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Con riferimento alle figure citate viene mostrato un dispositivo di propulsione indicato complessivamente con il numero di riferimento 1. With reference to the aforementioned figures, a propulsion device indicated as a whole with the reference number 1 is shown.

Nei disegni allegati ci si riferisce ad alcune sezioni schematiche, quindi prive di linee di sezione, per semplificare la lettura dei disegni stessi. The attached drawings refer to some schematic sections, therefore without section lines, to simplify the reading of the drawings themselves.

Il dispositivo di propulsione 1 pu? essere utilizzato in un contesto di propulsione aerea, ad esempio in droni, o navale. The propulsion device 1 can? be used in a context of aerial propulsion, for example in drones, or naval.

? ?

Nel primo caso il fluido elaborato dal dispositivo sar? aria, mentre nel secondo caso sar? acqua. In the first case, the fluid processed by the device will be? air, while in the second case it will be? water.

Esso comprende un telaio 2 di supporto di almeno una girante 3 (a flusso misto-radiale o centrifuga) rotante intorno ad un asse A perpendicolare rispetto ad un piano P di rotazione della girante 3 stessa. It comprises a frame 2 for supporting at least one impeller 3 (with mixed-radial or centrifugal flow) rotating around an axis A perpendicular to a rotation plane P of the impeller 3 itself.

Il telaio 2 pu? essere connesso strutturalmente al veicolo su cui il dispositivo di propulsione ? installato (ad esempio un drone, un veicolo volante, un?imbarcazione etc.). The frame 2 can? be structurally connected to the vehicle on which the propulsion device? installed (for example a drone, a flying vehicle, a boat etc.).

La girante 3 pu? essere del tipo misto-radiale palettato a pale ricurve o comunque sagomate per ottimizzare il flusso cinematico del fluido elaborato. Opzionalmente la girante 3 pu? essere di tipo centrifugo. The impeller 3 can? be of the mixed-radial type with curved blades or in any case shaped to optimize the kinematic flow of the processed fluid. Optionally, the impeller 3 can? be of the centrifugal type.

La girante pu? essere torsionalmente solidale a un albero 4 di azionamento, preferibilmente posto in rotazione da un motore primo 20 a velocit? variabile. The impeller can? be torsionally integral with a drive shaft 4, preferably rotated by a prime mover 20 at speed? variable.

Il motore primo 20 pu? essere vantaggiosamente di tipo elettrico, ma sono possibili anche altri tipi di motore, ad esempio alternativo a combustione interna, turbina a gas etc.. The prime mover 20 can? advantageously be of the electric type, but other types of engine are also possible, for example reciprocating internal combustion, gas turbine, etc.

Esso pu? essere direttamente associato all?albero 4, o fra l?albero e il motore 20 possono essere previsti opportuni cinematismi di azionamento in rotazione quali riduttori, pulegge etc.. It can? be directly associated with the shaft 4, or between the shaft and the motor 20 suitable kinematic mechanisms for rotating drive such as reducers, pulleys, etc. can be provided.

? ?

Il dispositivo 1 prevede inoltre almeno un condotto di alimentazione 5 della girante 3 con un proprio asse B parallelo all?asse A della girante 3. The device 1 also provides at least one supply duct 5 of the impeller 3 with its own axis B parallel to the axis A of the impeller 3.

Vantaggiosamente l?asse B del condotto di alimentazione 5 coincide con l?asse A di rotazione della girante 3, e quindi il condotto di alimentazione 5 alimenta la girante in una sua parte prossima all?asse di rotazione A. Advantageously, the axis B of the supply duct 5 coincides with the rotation axis A of the impeller 3, and therefore the supply duct 5 feeds the impeller in a part of it close to the rotation axis A.

Il motore primo 20, o almeno una parte di esso, pu? essere posizionato dalla parte opposta rispetto al piano P di rotazione della girante 3 rispetto al condotto di alimentazione 5 (come ad esempio mostrato in figura 1) oppure pu? essere direttamente posizionato all?interno del condotto di alimentazione 5. The prime mover 20, or at least part of it, can? be positioned on the opposite side with respect to the rotation plane P of the impeller 3 with respect to the supply duct 5 (as for example shown in Figure 1) or can? be positioned directly inside the supply duct 5.

In questa seconda configurazione, non mostrata, la connessione di azionamento (ad esempio l?albero 4) fra il motore primo 20 e la girante potr? essere posizionata in maniera opposta al piano P, rispetto a quanto rappresentato in figura 1, e quindi internamente al condotto di alimentazione 5. In tale condizione il fluido che alimenta la girante 3 tramite il condotto di alimentazione 5, pu? provvedere all?opportuno raffreddamento del motore primo 20. Tale configurazione ? inoltre estremamente compatta. In this second configuration, not shown, the drive connection (for example the shaft 4) between the prime mover 20 and the impeller will be able to be positioned opposite to the plane P, with respect to what is represented in figure 1, and therefore inside the supply duct 5. In this condition, the fluid that feeds the impeller 3 through the supply duct 5, can? provide for the appropriate cooling of the prime mover 20. This configuration? also extremely compact.

Opzionalmente la connessione di azionamento fra il motore primo 20 ? la girante 3 pu? essere possibile tramite avvolgimenti elettrici statorici solidali al condotto di aspirazione (o in Optionally the drive connection between the prime mover 20? the impeller 3 can? be possible by means of stator electric windings integral with the suction duct (or in

? ?

termini generici, al telaio 2) cooperanti con un array di magneti permanenti solidali alla girante 3. generic terms, to frame 2) cooperating with an array of permanent magnets integral with the impeller 3.

In tale configurazione la girante 3 forma un tutt?uno con il motore primo 20. In this configuration the impeller 3 forms a whole with the prime mover 20.

Come si nota dalla figura 1, il dispositivo comprende inoltre un condotto di scarico anulare 6 che circonda almeno parzialmente il condotto di alimentazione 5. As can be seen from Figure 1, the device further comprises an annular exhaust duct 6 which at least partially surrounds the supply duct 5.

Il condotto di alimentazione 5 e il condotto di scarico anulare 6 sono disposti da una stessa parte rispetto al piano P di rotazione della girante 3. The supply duct 5 and the annular exhaust duct 6 are arranged on the same side with respect to the plane P of rotation of the impeller 3.

Tale disposizione dei condotti di alimentazione e scarico consente alle velocit? di ingresso e uscita di avere versi opposti; ? dunque possibile ottenere una spinta proporzionale alla somma delle due velocit?, come verr? chiaramente descritto in seguito. This arrangement of the supply and exhaust ducts allows the speeds? of entry and exit to have opposite directions; ? therefore it is possible to obtain a thrust proportional to the sum of the two speeds, how will it be? clearly described below.

Dalla figura 1 si nota che in corrispondenza di una uscita 3A della girante 3 ? previsto uno statore 7 configurato per convertire almeno parzialmente la componente tangenziale e radiale di velocit? del fluido in uscita dalla girante 3 in una componente assiale parallela all?asse A. From Figure 1 it can be seen that at an outlet 3A of the impeller 3? provided a stator 7 configured to at least partially convert the tangential and radial component of velocity? of the fluid leaving the impeller 3 in an axial component parallel to axis A.

Vantaggiosamente lo statore 7 (si veda la figura 2) comprende un numero maggiore di palette rispetto a quelle della girante, e ci? permette di evitare effetti di risonanza. Advantageously, the stator 7 (see Figure 2) comprises a greater number of blades than those of the impeller, and this it allows to avoid resonance effects.

? ?

Inoltre, lo statore 7 pu? connettere strutturalmente i due condotti fissi di alimentazione e scarico. Furthermore, the stator 7 can? structurally connect the two fixed supply and exhaust ducts.

Nel dispositivo di figura 1, il condotto di alimentazione 5 e il condotto di scarico 6 presentano almeno una parete in comune. Di fatto la superficie esterna del condotto di alimentazione 5 corrisponde alla superficie interna del condotto di scarico anulare 6. In the device of Figure 1, the supply conduit 5 and the exhaust conduit 6 have at least one wall in common. In fact, the external surface of the supply duct 5 corresponds to the internal surface of the annular exhaust duct 6.

Ovviamente il condotto di scarico 6 e il condotto di alimentazione 5 possono anche essere totalmente indipendenti come rappresentato in figura 3, nella quale ? mostrata una variante del trovato. Obviously, the exhaust duct 6 and the supply duct 5 can also be totally independent as shown in Figure 3, in which? a variant of the invention is shown.

In tale figura verranno utilizzati gli stessi riferimenti numerici gi? utilizzati in precedenza per indicare parti funzionalmente simili, che non verranno pi? descritte. In this figure will be used the same numerical references already? previously used to indicate functionally similar parts, which will no longer come? described.

Come si pu? notare, in tale configurazione, il condotto di scarico 6 ? radialmente distanziato da una parete 5A esterna del condotto di alimentazione 5. How can you? note, in this configuration, the exhaust duct 6? radially spaced from an external wall 5A of the supply duct 5.

In entrambe le configurazioni, al fine di minimizzare il ricircolo del fluido espulso dal condotto di scarico 6 all?interno del condotto di alimentazione 5, la lunghezza LA di quest?ultimo pu? essere maggiore rispetto alla lunghezza LS del condotto di scarico 6. In both configurations, in order to minimize the recirculation of the fluid expelled from the exhaust duct 6 inside the supply duct 5, the length LA of the latter can? be greater than the length LS of the exhaust duct 6.

? ?

Vantaggiosamente il condotto di alimentazione 5 pu? presentare almeno un tratto convergente e/o divergente verso la girante 3. Advantageously, the supply duct 5 can? have at least one section converging and / or diverging towards the impeller 3.

Inoltre il condotto di scarico 6 pu? presentare almeno un tratto convergente e/o divergente (quando visto dalla girante 3), vantaggiosamente a valle dello statore 7. In addition, the exhaust duct 6 can? present at least one convergent and / or divergent portion (when viewed from the impeller 3), advantageously downstream of the stator 7.

A completamento della descrizione, si sottolinea che il telaio 2 pu? supportare il condotto di scarico 6 e/o il condotto di alimentazione 5, eventualmente connessi strutturalmente dallo statore 7. To complete the description, it is emphasized that the frame 2 can? supporting the exhaust duct 6 and / or the supply duct 5, possibly structurally connected by the stator 7.

Inoltre lo statore 7 pu? essere integrato in detto condotto di scarico 6, direttamente a valle della girante 3. In addition, the stator 7 can? be integrated in said discharge duct 6, directly downstream of the impeller 3.

Con riguardo ad una possibile ottimizzazione delle diverse componenti del dispositivo di propulsione 1, si possono effettuare le seguenti considerazioni qualitative generali. With regard to a possible optimization of the various components of the propulsion device 1, the following general qualitative considerations can be made.

In particolare, ci si pu? concentrare sui seguenti aspetti, ovvero lo statore, finalizzato a minimizzare le componenti tangenziali di velocit? in uscita, il condotto di alimentazione e l?area e la configurazione dei condotti di alimentazione e scarico. In particular, one can? concentrate on the following aspects, namely the stator, aimed at minimizing the tangential components of velocity? outlet, the supply duct and the area and configuration of the supply and exhaust ducts.

Una possibile caratterizzazione qualitativa dello statore ? rappresentata in figura 4. A possible qualitative characterization of the stator? represented in figure 4.

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In base alle considerazioni iniziali generali sul dispositivo, il vettore velocit? assoluta c1 del fluido in ingresso, diretto verso l?alto, pu? avere lo stesso modulo del vettore velocit? in uscita c3 ma direzione opposta. Based on the initial general considerations about the device, the velocity vector? absolute c1 of the inlet fluid, directed upwards, pu? have the same modulus of the velocity vector? at exit c3 but in the opposite direction.

Per semplicit? di disegno bidimensionale, si ? voluto in questo schema rappresentare un rotore con velocit? in uscita diretta verso il basso (- z); questo implica che l?inversione del flusso avviene completamente all?interno del rotore. For simplicity? of two-dimensional drawing, yes? wanted in this scheme to represent a rotor with speed? direct downward (- z); this implies that the inversion of the flow takes place completely inside the rotor.

Una configurazione ritenuta vantaggiosa ? quella in cui l?inversione della velocit? ? in parte demandata al rotore (girante 3) ed in parte allo statore 7. A configuration considered advantageous? the one in which the inversion of the speed? ? partly delegated to the rotor (impeller 3) and partly to the stator 7.

In figura 4 si osserva il triangolo delle velocit? all?uscita della girante 3; il vettore velocit? assoluta c2 ? dato dalla somma vettoriale fra il vettore velocit? relativa w2 (rilevabile da un osservatore solidale con il rotore) ed il vettore velocit? di trascinamento u2 (il cui modulo ? il prodotto tra la velocit? angolare di rotazione e il raggio medio del condotto, e la cui direzione ? puramente tangenziale). In figure 4 we observe the triangle of the velocities? at the outlet of the impeller 3; the velocity vector? absolute c2? given by the vector sum between the velocity vector? relative w2 (detectable by an observer integral with the rotor) and the velocity vector? of dragging u2 (whose modulus is the product between the angular speed of rotation and the average radius of the duct, and whose direction is purely tangential).

In assenza dello statore 7 palettato, la velocit? in uscita dal dispositivo (c2) presenterebbe una forte componente tangenziale (ct2), che risulta inutile ai fini della spinta verso l?alto (+ z). In the absence of the bladed stator 7, the speed? leaving the device (c2) it would have a strong tangential component (ct2), which is useless for the upward thrust (+ z).

Lo statore ha il compito di deviare il flusso annullando o minimizzando la componente tangenziale di velocit?, per cui il The stator has the task of deflecting the flux by canceling or minimizing the tangential component of velocity, so the

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vettore velocit? in uscita dal dispositivo, c3, presenta prevalentemente una componente in direzione assiale (-z). velocity vector at the output of the device, c3, it mainly has a component in the axial direction (-z).

Come affermato in precedenza, per evitare fenomeni di risonanza fluido-struttura, lo statore deve avere un numero di pale diverso dal rotore, ad esempio maggiore. As previously stated, to avoid fluid-structure resonance phenomena, the stator must have a number of blades different from the rotor, for example greater.

Il campo di moto fluido nella zona sottostante il dispositivo (si veda la figura 5) ? caratterizzato dalla presenza di una corrente verso l?alto nella parte sottostante il condotto di alimentazione 5 e di una corrente verso il basso nel volume anulare al di sotto del condotto di scarico 6. The fluid flow field in the area below the device (see figure 5)? characterized by the presence of an upward current in the part below the supply duct 5 and a downward current in the annular volume below the discharge duct 6.

L?interazione fra queste due correnti genera un campo di moto di forma toroidale ad elevata vorticit? (come mostrato sempre in figura 5), il cui effetto sul funzionamento del dispositivo 1 pu? essere indagato approfonditamente tramite calcoli alle differenze finite (CFD) o analisi sperimentale. The interaction between these two currents generates a toroidal motion field with high vorticity. (as always shown in figure 5), whose effect on the operation of device 1 can? be thoroughly investigated through finite difference calculations (CFDs) or experimental analysis.

Si pu? affermare, come gi? accennato, che per minimizzare l?effetto di interazione tra la corrente ascendente e quella discendente, ? possibile realizzare un condotto di alimentazione 5 che sporge (di H = LA-LS) rispetto all?uscita (o al piano d?uscita) del condotto di scarico 6. Can you? affirm, as already? mentioned, that to minimize the interaction effect between the ascending and descending current,? It is possible to create a supply duct 5 that protrudes (by H = LA-LS) with respect to the outlet (or to the outlet plane) of the exhaust duct 6.

Inoltre, per minimizzare le disuniformit? del flusso presentato all?ingresso della girante 3 palettata, ? possibile configurare il condotto di entrata in maniera da renderlo ?accelerante?, ossia convergente. Furthermore, to minimize the non-uniformities? of the flow presented at the entrance of the bladed impeller 3,? It is possible to configure the inlet duct in such a way as to make it 'accelerating', i.e. convergent.

? ?

Nella trattazione sopra esposta, si ? ipotizzato di mantenere uguale l?area dei condotti di entrata ed uscita del fluido. Ci? deriva da una considerazione di uniformit? del flusso nel canale meridiano della macchina operatrice che muove il fluido all?interno del dispositivo, evitando per quanto possibile accelerazioni o decelerazioni del flusso. In the above discussion, yes? assumed to keep the same area of the inlet and outlet ducts of the fluid. There? derives from a consideration of uniformity? of the flow in the meridian channel of the operating machine that moves the fluid inside the device, avoiding as much as possible acceleration or deceleration of the flow.

Tale ipotesi pu? tuttavia essere superata nel caso in cui ulteriori indagini sul dispositivo indicassero l?opportunit? di migliorarne le prestazioni utilizzando interfacce con l?ambiente esterno di aree diverse fra loro. This hypothesis can? however, be exceeded in the event that further investigations on the device indicate the opportunity? to improve its performance by using interfaces with the external environment of different areas.

Differenti velocit? di ingresso ed uscita non comprometterebbero l?effetto di spinta maggiorata rispetto all?elica, essendo comunque le due velocit? opposte in direzione e quindi sommantisi. Different speeds? input and output would not compromise the effect of increased thrust with respect to the propeller, being however the two speeds? opposite in direction and then add up.

Ci? potrebbe essere implementato qualora, ad esempio, si osservasse che un flusso in ingresso al condotto di entrata pi? veloce di quello in uscita possa dare vantaggi per l?efficienza della girante palettata. There? could be implemented if, for example, it is observed that a flow entering the inlet duct pi? faster than the output one can give advantages for the efficiency of the bladed impeller.

Pi? sopra, nella soluzione di figura 1, si ? inoltre ipotizzato di utilizzare due condotti coassiali che garantiscano la minima area totale (ingombro) del dispositivo. Pi? above, in the solution of Figure 1, yes? furthermore it is hypothesized to use two coaxial ducts that guarantee the minimum total area (encumbrance) of the device.

In certe applicazioni potrebbe essere vantaggioso utilizzare un dispositivo con un maggiore ingombro in pianta (come mostrato in figura 3) a vantaggio un condotto anulare di In certain applications it could be advantageous to use a device with a larger footprint in plan (as shown in figure 3) to the advantage of an annular duct

? ?

uscita del fluido avente un raggio medio maggiore rispetto alla configurazione sopra esposta. fluid outlet having a greater mean radius than the configuration described above.

? noto dalla teoria delle macchine operatrici radiali che un incremento nel raggio di uscita della girante determina un incremento del lavoro scambiato con il fluido a parit? di portata e velocit? di rotazione. Pertanto, potrebbe essere vantaggioso utilizzare una configurazione come quella di figura 3. Inoltre, lo spazio anulare lasciato libero dai condotti potrebbe ospitare facilmente il motore elettrico di azionamento della girante. ? known from the theory of radial operating machines that an increase in the output radius of the impeller determines an increase in the work exchanged with the fluid at par? of range and speed? of rotation. Therefore, it could be advantageous to use a configuration such as that of figure 3. Furthermore, the annular space left free by the ducts could easily accommodate the electric motor for driving the impeller.

Proseguendo nella trattazione si pu? definire il dispositivo di propulsione 1 come un sistema fluodinamico a flusso rovescio (Reverse Flow Propeller o RFP) che utilizza il principio secondo cui la spinta su un corpo attraversato da un fluido ? proporzionale alla portata di fluido per la differenza di velocit? fra ingresso e uscita. Continuing in the discussion, you can? define the propulsion device 1 as a reverse flow propeller (RFP) fluid system that uses the principle according to which the thrust on a body crossed by a fluid? proportional to the flow rate of fluid for the difference in speed? between entrance and exit.

Disponendo i condotti di ingresso e uscita in modo che le due velocit? abbiano versi opposti, ? possibile ottenere una spinta proporzionale alla somma delle due velocit?. Arranging the inlet and outlet ducts so that the two speeds? have opposite directions,? It is possible to obtain a thrust proportional to the sum of the two speeds.

Sul piano meridiano della macchina, i condotti fissi e mobili di passaggio del fluido sono conformati in modo da invertire il flusso del fluido, deflettendo le linee di corrente sul piano meridiano di 180?. On the meridian plane of the machine, the fixed and mobile ducts for the passage of the fluid are shaped in such a way as to invert the flow of the fluid, deflecting the current lines on the meridian plane by 180 °.

Si ritiene che la massima efficienza si sviluppi allorch? la componente meridiana della velocit? del fluido sia costante Is it believed that maximum efficiency develops when? the meridian component of the speed? fluid is constant

? ?

attraversando il canale meridiano, per cui la macchina imprime energia al fluido solo variandone la componente tangenziale. Pertanto, la configurazione migliore del dispositivo ? ritenuta quella in cui l?area del condotto d?entrata ? uguale a quella del condotto di uscita. crossing the meridian channel, so the machine gives energy to the fluid only by varying its tangential component. Therefore, the best device configuration? deemed the one in which the area of the duct entry? equal to that of the outlet duct.

Uno studio fluidodinamico ed energetico in condizioni di idealit?, nell?ipotesi che il propulsore sia immerso in aria e installato in posizione verticale come in figura 1, producendo pertanto una spinta dal basso verso l?alto, pu? essere il seguente. A fluid-dynamic and energetic study in ideal conditions, in the hypothesis that the engine is immersed in air and installed in a vertical position as in figure 1, thus producing a thrust from the bottom upwards, can? be the following.

Si ritiene che la configurazione pi? efficiente del dispositivo possa essere quella in cui le aree del condotto di alimentazione (A1) e di scarico (A2) del fluido siano uguali (A). Per la legge di conservazione della portata massica, supponendo inizialmente densit? ? costante dell?aria, ? possibile osservare che le componenti assiali della velocit? sono uguali in modulo (oltre che opposte in direzione). It is believed that the configuration pi? efficiency of the device may be that in which the areas of the fluid supply duct (A1) and discharge (A2) are the same (A). For the law of conservation of the mass flow, assuming initially density? ? constant of the air,? it is possible to observe that the axial components of the velocity? they are equal in magnitude (as well as opposite in direction).

A1 = A2 = A ? v1 = v2 = v (1) A1 = A2 = A? v1 = v2 = v (1)

La spinta F verso l?alto ? data dall?equazione 2: The push F upwards? given by equation 2:

F = m(v1 + v2) = 2 m v = 2 ? A v<2 >(2) F = m (v1 + v2) = 2 m v = 2? A v <2> (2)

Essendo la portata m = ? A v. Since the range m =? A v.

? ?

Il lavoro fluidodinamico ideale da trasferire al fluido per ottenere la spinta F si ricava dall?equazione di Bernoulli (equazione 3) scritta fra le sezioni di entrata 1 e di uscita 2 del dispositivo. Considerando pressione ambiente pa per l?aria: The ideal fluid dynamic work to be transferred to the fluid to obtain the thrust F is obtained from the Bernoulli equation (equation 3) written between the inlet 1 and outlet 2 sections of the device. Considering the ambient pressure pa for the air:

(3) (3)

Avendo trascurato l?energia potenziale e considerando nullo il termine di lavoro perso per attrito, data l?ipotesi di idealit? sopra posta. Si noti come i termini in parentesi di equazione (3) rappresentino le pressioni totali del fluido rispettivamente nelle sezioni di uscita (2) ed ingresso (1). Having neglected the potential energy and considering the term of work lost due to friction to be null, given the hypothesis of ideality. above post. Note how the parenthesized terms of equation (3) represent the total pressures of the fluid in the outlet (2) and inlet (1) sections, respectively.

La potenza fluidodinamica ideale ? rappresentata dal prodotto del lavoro L per la portata di fluido m che attraversa la macchina, ed ? espressa in equazione 4: The ideal fluid dynamic power? represented by the product of labor L times the flow rate of fluid m passing through the machine, and d? expressed in equation 4:

(4) (4)

Passando ad un esempio numerico di applicazione vale quanto segue. Moving on to a numerical application example, the following applies.

Con riferimento alle dimensioni dei condotti simili a quelle di figura 1, che forniscono aree di passaggio in entrata ed uscita del fluido uguali e pari a 0.01 m<2>, e supponendo di dimensionare il rotore in modo da produrre una velocit? dell?aria nelle sezioni di entrata ed uscita pari a 20 m/s, sostituendo With reference to the dimensions of the ducts similar to those of figure 1, which provide fluid inlet and outlet passage areas equal to and equal to 0.01 m <2>, and supposing to size the rotor so as to produce a speed? of the air in the inlet and outlet sections equal to 20 m / s, replacing

? ?

tali valori nelle formule sopra scritte si ottiene (nel caso ideale di assenza attrito fluodinamico): these values in the formulas written above are obtained (in the ideal case of absence of fluodynamic friction):

Ove la densit? dell?aria in condizioni ambiente ? stata posta pari a 1.2 kg/m<3 >e ritenuta costante per le basse velocit? in gioco. Where the density? of the air in ambient conditions? was set equal to 1.2 kg / m <3> and considered constant for low speeds? at stake.

L?effetto delle perdite per attrito e moti turbolenti nei condotti, non considerata nel calcolo, andrebbe ad incrementare l?energia necessaria a garantire la circolazione dell?aria attraverso i canali fissi e mobili del dispositivo; pertanto la potenza calcolata ? sottostimata. Tuttavia, una efficace progettazione fluidodinamica delle palettature potrebbe minimizzare l?entit? dell?incremento. The effect of friction losses and turbulent motions in the ducts, not considered in the calculation, would increase the energy needed to ensure the circulation of air through the fixed and mobile channels of the device; therefore the calculated power? underestimated. However, an effective fluid dynamic design of the blades could minimize the amount? of the increase.

? ?

Per confronto con un?elica di pari potenza, si utilizzano le equazioni descritte nella teoria del disco attuatore, supponendo una velocit? nella sezione di monte del disco pari a v1 = 10 m/s ed una velocit? nella sezione di valle pari a v2 = 30 m/s: For comparison with a propeller of equal power, we use the equations described in the theory of the actuator disk, assuming a speed? in the upstream section of the disk equal to v1 = 10 m / s and a speed? in the downstream section equal to v2 = 30 m / s:

Dove, per la Legge di Betz: Where, by the Law of Betz:

La potenza ideale del propulsore ad elica ? pari a: The ideal power of the propeller? equal to:

Si osservi come la potenza specifica teorica, in W per kgforza di spinta, sia nei due casi rispettivamente: Observe how the theoretical specific power, in W per kg thrust force, is in the two cases respectively:

Dimostrando che il dispositivo di propulsione a flusso inverso, anche soltanto nel caso teorico, presenta una potenza necessaria per unit? di spinta pari alla met? circa rispetto all?elica tradizionale. By demonstrating that the reverse flow propulsion device, even only in the theoretical case, has a necessary power per unit? thrust equal to half? about compared to the traditional propeller.

Si ? inoltre eseguita un?analisi parametrica per quantificare, almeno nel caso ideale, le prestazioni di una possibile configurazione del dispositivo di propulsione 1 (a Yup ? also performed a parametric analysis to quantify, at least in the ideal case, the performance of a possible configuration of the propulsion device 1 (a

? ?

cui, come gi? detto, ci si riferisce nel testo anche con la sigla RFP). which, how already? said, it is also referred to in the text with the abbreviation RFP).

In aggiunta, si ? voluto effettuare un confronto tra l?RFP e l?elica in condizioni di idealit?, calcolandone la spinta generata e la potenza assorbita sulla base delle equazioni sopra indicate. In addition, yes? wanted to make a comparison between the RFP and the propeller in ideal conditions, calculating the thrust generated and the absorbed power on the basis of the above equations.

Il confronto ? stato eseguito al variare della velocit? di attraversamento del fluido, indicata come v nelle equazioni dell?RFP e come vp in quelle dell?elica. ? inoltre stata imposta uguale area d?ingombro per i due propulsori comparati. The comparison ? was performed when the speed varies? of crossing of the fluid, indicated as v in the equations of the RFP and as vp in those of the helix. ? in addition, an equal footprint area was imposed for the two engines compared.

Per l?elica si ? assunta una differenza di velocit? tra monte e valle pari a v2 - v1 = vp/2. For the propeller yes? assumed a difference in speed? between upstream and downstream equal to v2 - v1 = vp / 2.

L?analisi ha dato come esito i grafici presenti nelle figure 6 e 7. The analysis resulted in the graphs shown in figures 6 and 7.

Nel caso di un?elica, la spinta per unit? di area del disco fluido ? il rapporto tra la spinta generata dall?elica in rotazione e la superficie del disco spazzato dalle pale. Tale grandezza ? dunque espressa in unit? di misura chilogrammi-forza su metro quadrato [kgf/m<2>]. In the case of a? Propeller, the thrust per unit? of fluid disc area? the ratio between the thrust generated by the rotating propeller and the surface of the disc swept by the blades. Such greatness? therefore expressed in unit? of kilogram-force measurement per square meter [kgf / m <2>].

Per comparare le prestazioni del dispositivo di propulsione 1 con quelle di un?elica a parit? di ingombro, si ? pensato di considerare la grandezza ?area disco?, per l?RFP, come la somma delle superfici di entrata ed uscita dell?aria, interessate To compare the performance of the propulsion device 1 with that of an equal propeller footprint, yes? thought to consider the size? disk area ?, for the RFP, as the sum of the air inlet and outlet surfaces, affected

? ?

rispettivamente dai flussi in salita e in discesa, che ammonta nel caso ideale all?area totale attiva del propulsore. respectively by the upward and downward flows, which in the ideal case amounts to the total active area of the engine.

In figura 6 ? rappresentato un grafico di spinta per unit? di area [kgf/m<2>] (in ordinata) relativo ad un dispositivo 1 con diametro esterno pari a 0.64 m, in funzione della velocit? di attraversamento del flusso [m/s] in ascissa. In figure 6? represented a graph of thrust per unit? of area [kgf / m <2>] (in ordinate) relative to a device 1 with an external diameter equal to 0.64 m, as a function of the speed? flow crossing [m / s] on the abscissa.

La figura 7 rappresenta il confronto fra l?efficienza del dispositivo 1 (riferimento linea ?300?) e quella dell?elica (riferimento linea ?400?), imponendo un medesimo diametro esterno pari a 0,64 m. L?efficienza (in ordinata) ? calcolata come il rapporto fra la spinta generata e la potenza impiegata per produrla, ed ? pertanto espressa in unit? chilogrammi-forza su kiloWatt [kgf/kW]. Figure 7 represents the comparison between the efficiency of the device 1 (line reference? 300?) And that of the propeller (line reference? 400?), Imposing the same external diameter equal to 0.64 m. The efficiency (in ordinate)? calculated as the ratio between the thrust generated and the power used to produce it, and? therefore expressed in unit? kilograms-force over kiloWatt [kgf / kW].

In ascisse ? invece presente la velocit? di attraversamento, avente unit? di misura [m/s]. On the abscissa? instead present the speed? of crossing, having unit? of measurement [m / s].

Il confronto ? stato effettuato a parit? di spinta calcolata per il dispositivo 1 e l?elica. Si osservi come, a parit? di spinta prodotta, il dispositivo 1 presenti un valore di efficienza superiore. The comparison ? was carried out on an equal footing? of thrust calculated for device 1 and the propeller. Observe how, on par? of thrust produced, the device 1 has a higher efficiency value.

Sono state descritte varie forme di realizzazione dell?innovazione, ma altre potranno essere concepite sfruttando lo stesso concetto innovativo. Various embodiments of the innovation have been described, but others may be conceived by exploiting the same innovative concept.

? ?

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di propulsione (1) aerea o navale comprendente un telaio (2) di supporto di almeno una girante (3) rotante intorno ad un asse (A) perpendicolare rispetto ad un piano (P) di rotazione della girante (3) stessa, la girante essendo azionata in rotazione da un motore primo (20), almeno un condotto di alimentazione (5) della girante (3) con un proprio asse (B) sostanzialmente parallelo all?asse (A) della girante (3) e un condotto di scarico anulare (6) che circonda almeno parzialmente il condotto di alimentazione (5), il condotto di alimentazione (5) e il condotto di scarico anulare (6) essendo disposti da una stessa parte rispetto al piano (P) di rotazione della girante (3). CLAIMS 1. Air or naval propulsion device (1) comprising a frame (2) supporting at least one impeller (3) rotating around an axis (A) perpendicular to a plane (P) of rotation of the impeller (3) itself , the impeller being driven in rotation by a prime mover (20), at least one supply duct (5) of the impeller (3) with its own axis (B) substantially parallel to the axis (A) of the impeller (3) and a annular exhaust duct (6) which at least partially surrounds the supply duct (5), the supply duct (5) and the annular exhaust duct (6) being arranged on the same side with respect to the plane (P) of rotation of the impeller (3). 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui in corrispondenza di uno scarico (3A) della girante (3) ? previsto uno statore palettato (7) configurato per convertire almeno parzialmente le componenti tangenziale e radiale di velocit? di un fluido in uscita dalla girante (3) in una componente assiale parallela all?asse (A). Device according to claim 1, wherein at an outlet (3A) of the impeller (3)? provided a bladed stator (7) configured to at least partially convert the tangential and radial components of velocity? of a fluid leaving the impeller (3) in an axial component parallel to the axis (A). 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il motore primo (20) ? posto dalla parte opposta del piano (P) rispetto a quella dove ? posizionato il condotto di alimentazione (6). Device according to claim 1, wherein the prime mover (20)? placed on the opposite side of the plane (P) with respect to the one where? positioned the supply duct (6). 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il motore primo (20) ? posizionato internamente al condotto di alimentazione (5). Device according to claim 1, wherein the prime mover (20)? positioned inside the supply duct (5). 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il condotto di alimentazione (5) e il condotto di scarico (6) presentano almeno una parete in comune. Device according to claim 1, wherein the supply duct (5) and the exhaust duct (6) have at least one wall in common. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il condotto di scarico (6) ? radialmente distanziato da una parete (5A) esterna del condotto di alimentazione (5). 6. Device according to claim 1, wherein the exhaust duct (6)? radially spaced from an external wall (5A) of the supply duct (5). 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui condotto di alimentazione (5) presenta una lunghezza (LA) maggiore rispetto alla lunghezza (LS) del condotto di scarico. Device according to claim 1, wherein the supply duct (5) has a length (LA) greater than the length (LS) of the exhaust duct. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il condotto di alimentazione (5) presenta almeno un tratto convergente e/o divergente verso la girante (3). 8. Device according to claim 1, wherein the supply duct (5) has at least a convergent and / or divergent portion towards the impeller (3). 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il condotto di scarico (6) presenta almeno un tratto divergente e/o convergente dalla girante (3). 9. Device according to claim 1, wherein the exhaust duct (6) has at least one portion diverging and / or converging from the impeller (3). 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il telaio (2) supporta il condotto di scarico (6) e/o il condotto di alimentazione (5) e/o in cui lo statore (7) ? integrato in detto condotto di scarico (6). Device according to claim 1, in which the frame (2) supports the exhaust duct (6) and / or the supply duct (5) and / or in which the stator (7)? integrated in said exhaust duct (6).
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