IT202000012712A1

IT202000012712A1 - Turbomacchina assiale reversibile

Info

Publication number: IT202000012712A1
Application number: IT102020000012712A
Authority: IT
Inventors: Carlo Cravero; Gabriele Milanese
Original assignee: Univ Degli Studi Genova
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-11-28
Also published as: EP4158182A1; WO2021240366A1

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo: ?Turbomacchina Assiale Reversibile?

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si contestualizza nel campo delle macchine rotative a fluido continuo ed in particolare nello stadio di turbomacchine comprendente, oltre ad un organo stazionariamente rotante (rotore), un organo fisso (statore) opportunamente accoppiato al rotore per migliorare le prestazioni complessive della macchina.

Nell?ambito delle turbomacchine, l?invenzione insegna di uno stadio in grado di funzionare con rendimento elevato sia in modalit? operativa che motrice a parit? di configurazione

Background e stato dell?arte

In letteratura sono ben noti gli esempi di macchine ?bivalenti?, ossia progettate per lavorare sia in modalit? operatrice che motrice, a flusso radiale o misto; meno frequenti sono gli studi su macchine di questo tipo a flusso assiale.

Nel campo dei ventilatori e compressori sono state recentemente approfondite le prestazioni e la fluidodinamica di tali macchine in condizioni di trascinamento mentre nel campo delle pompe assiali sono stati svolti studi sulla possibilit? di un loro impiego come turbine.

Allo stato dell?arte non sono note soluzioni di turbomacchine assiali in grado di operare reversibilmente con rendimento parimente elevato e tali da essere convenientemente sfruttate nelle applicazioni che traggono beneficio da un unico semplice dispositivo che possa agire trasferendo oppure prelevando energia cinetica dal fluido in cui si trovano ad operare.

La presente invenzione ha come obiettivo quello di sfruttare le caratteristiche favorevoli di una configurazione rotore-statore che, nella modalit? operatrice, sia attraversata dal flusso in un senso e, nella modalit? motrice, dallo stesso tipo di fluido ma nel senso opposto.

La configurazione proposta ha inoltre la caratteristica di poter essere inserita in un condotto opportunamente sagomato, anch?esso parte della presente invenzione, appositamente studiato per essere abbinato all?insieme rotore-statore per il funzionamento in ambiente libero essendo comunque in grado di lavorare sia in modalit? operatrice che motrice mantenendo elevate prestazioni in termini di efficienza nella conversione in energia cinetica dell?energia meccanica fornita allo stadio di turbomacchina (quando in modalit? operatrice) e nella conversione in energia meccanica dell?energia cinetica del fluido che attraversa lo stadio (quando in modalit? motrice)sia in modalit? motrice.

L?invenzione pu? essere utilizzata in numerosi settori di applicazione. Ogniqualvolta si abbia un ventilatore o una pompa assiale (o elica) ? possibile pensare alla sostituzione del componente con la soluzione proposta allo scopo di ottenere una configurazione reversibile che, oltre a svolgere le funzioni originali, consenta lo sfruttamento di energia disponibile per la generazione di potenza quando non impegnata per lo scopo originale; a titolo di esempio si possono individuare applicazioni nei sistemi di generazione di neve artificiale, nei ventilatori o pompe industriali, nei sistemi UAV ad eliche assiali.

Il dispositivo qui descritto consiste in uno stadio di turbomacchina assiale, composto di rotore e statore, che possa essere impiegata con elevata efficienza ed ampio intervallo operativo, sia con funzione operatrice sia con funzione motrice.

Particolare attenzione ? stata dedicata alle condizioni di funzionamento con mandata libera, ovvero in assenza di interazioni con condotte o altri corpi esterni che alterino il flusso del fluido circolante.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche del dispositivo secondo la presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione anche con riferimento alle tavole di disegni allegati, in cui:

- la figura 1 mostra una geometria tridimensionale rappresentativa della macchina realizzata in accordo all?invenzione;

- la figura 2 evidenzia una sezione bidimensionale di una pala rispettivamente di rotore e statore; - la figura 3 mostra una realizzazione di condotto profilato convergente-divergente in accordo al metodo oggetto di invenzione;

- le figure 4 e 5 mostrano una simulazione 2D del campo di moto e di pressione rispettivamente in modalit? operatrice e motrice o turbina;

- le figura 6 e 8 mostrano una simulazione 3D in condotto del campo di moto e di pressione in funzionamento rispettivamente per macchina operatrice e motrice;

- le figure 7 e 9 mostrano alcuni valori significativi di prestazioni rilevate rispettivamente per macchina operatrice e motrice;

- le figure 10 e 12 mostrano le linee di corrente che attraversano la macchina rispettivamente per macchina operatrice e motrice;

- la figura 11 mostra le prestazioni globali adimensionali per la configurazione completamente intubata di una macchina operatrice;

- in figura 13 vengono confrontati gli andamenti coefficiente di potenza Cp in funzione della ?tipspeed-ratio?;

- le figure 14a e 14b presentano un possibile profilo di sezione bidimensionale di pala in accordo all?invenzione;

- la figura 15 riporta una forma esemplificativa di un rotore o statore secondo una vista frontale.

La fig. 1 mostra una geometria 3D rappresentativa della macchina in oggetto 1, comprendente un rotore 12, uno statore 11. Il rotore ? equipaggiato con un certo numero di pale 14 sostanzialmente uguali come conformazione e disposte intorno ad un mozzo 15, analogamente allo statore con le pale 13. Rotore e statore possono comprendere una zona di forma affusolata, che copre o ? parte integrante del mozzo nota con il termine di ogiva. In modalit? operatrice rotore e statore vengono attraversati da sinistra verso destra e nel verso opposto in modalit? turbina.

Nel primo caso si fornisce potenza meccanica al rotore che, ruotando in un senso, aumenta l?energia (energia di pressione ed energia cinetica) del fluido che lo attraversa. Nel secondo caso il fluido cede energia al rotore facendolo ruotare in senso opposto.

La configurazione di tale macchina permette di mantenere in entrambe le modalit? di funzionamento le seguenti caratteristiche:

La sezione bidimensionale mostrata in fig. 2 presenta una vista di possibili profili bidimensionali di statore e rotore grazie ai quali le pale offrono caratteristiche favorevoli che si mantengono in entrambe le modalit? di funzionamento:

I) l?azione combinata di rotore e statore tendente a cancellare la componente tangenziale della velocit? in uscita, minimizzando l?energia persa allo scarico II) la funzione fluidodinamica dei lati in pressione e depressione, svolta rispettivamente dal lato concavo e convesso dei profili di rotore e statore, ? efficiente sia in modalit? motrice che operatrice.

La prima caratteristica ? particolarmente vantaggiosa per macchine ?lente? che operino con mandata libera.

In questa condizione infatti l?energia cinetica all?uscita ? completamente persa, per cui un suo recupero anche parziale permette di migliorare la conversione di energia scambiata con il fluido. Nel caso ideale in cui coincidano gli angoli del flusso e gli angoli costruttivi (all?ingresso e all?uscita) delle pale, semplici considerazioni geometriche evidenziano che sar? possibile sfruttare entrambe le caratteristiche citate sopra, mantenendo invariata la velocit? del rotore nelle due modalit?.

Nel caso usuale in cui angoli fluidodinamici e costruttivi differiscono, per beneficiare delle due caratteristiche, bisogner? tenere conto degli angoli di incidenza e deviazione propri dei due modi.

L?invenzione prevede quindi di progettare lo stadio di turbomacchina con:

a) velocit? di rotazione differenti per le due modalit? di funzionamento

b) distribuzioni di solidit? (rapporto corda/passo della schiera di pale) e degli angoli costruttivi dei profili efficienti in entrambe le condizioni operative.

L?invenzione raggiunge lo scopo con un metodo per la progettazione di profili di rotore e/o statore di stadio di turbomacchina assiale bivalente comprendente i passi di:

- selezionare il valore di freccia massimo positivo;

- posizionare il punto di freccia massimo tra il 40% e il 60% dell?ascissa della corda;

- selezionare l?ordinata del segmento mediano con derivata maggiore o uguale a zero fino al punto di massima freccia e minore o uguale a zero dopo il punto di massima freccia;

- posizionare il punto di semispessore massimo tra il 40% e l?60% dell?ascissa della corda;

- selezionare il raggio del bordo anteriore e del bordo posteriore con valori maggiori o uguali al 3% della lunghezza del segmento di corda.

In una prima forma esecutiva ? previsto l?ulteriore passo di selezionare il semispessore con derivata maggiore o uguale a zero fino al punto di massimo semispessore e minore o uguale a zero dopo il punto di massimo semispessore.

In una forma esecutiva preferita, i parametri del metodo vengono selezionati in modo tale per cui il profilo risultante dall?applicazione del detto metodo presenta conformazione speculare rispetto a met? corda, configurazione che porta vantaggi in termini di portanza ed efficienza elevati su un ampio intervallo operativo (ovvero un ampio intervallo dell?angolo d?ingresso del flusso) sia in funzionamento di turbina che di macchina operatrice. In particolare, la simmetria rispetto all?asse passante per il punto di met? corda si ottiene impostando il punto di massima freccia e il punto di massimo spessore sul detto asse di simmetria, ossia impostando il punto di massima freccia e di massimo spessore al 50% dell?ascissa del segmento di corda.

In una ulteriore forma esecutiva, l?invenzione comprendente i passi di:

- definire il numero di pale componente il detto rotore o statore distribuite lungo una circonferenza concentrica all?asse di rotazione di detto rotore o statore;

- definire il valore del raggio massimo del detto rotore o statore ed il valore dei raggi di pala minimo (152) e massimo (153) per detto rotore o statore;

- identificare una sezione di pala (1551, 1552, 1553) ottenuta per intersezione della detta pala (155) con una superficie di rivoluzione ed in particolare cilindrica (1541, 1542, 1543) di un solido di rivoluzione disposto coassialmente all?asse di rotazione (151) di detto rotore e/o statore, essendo detta superficie definita da uno specifico valore di raggio (r1541, r1542, r1543) per ogni punto dell?asse della superficie di rivoluzione ed essendo quindi la detta sezione di pala (1551, 1552, 1553) ottenuta per intersezione di detta pala (155) con detta superficie di rivoluzione ad una distanza radiale coincidente con il raggio della superficie di rivoluzione.

- definire un numero discreto di dette sezioni di pala (1551, 1552, 1553) avendo definito un corrispondente numero discreto di detti valori di raggio della detta superficie di rivoluzione (r1541, r1542, r1543), essendo detti valori di raggio compresi tra i detti minimo (152) e massimo raggio di pala (153) di detto rotore o statore per ogni punto dell?asse di rotazione;

- riportare per ognuna delle dette sezioni e per ogni pala un profilo aerodinamico bidimensionale (140) il cui calettamento ovvero orientamento angolare rispetto all?asse radiale della detta superficie di rivoluzione e le cui dimensioni a parit? di forma assumono valori predeterminati e variati in funzione della sezione di riferimento;

- interpolare tra le forme delle varie sezioni i detti profili aerodinamici bidimensionali di ogni pala tramite elaborazione assistita da calcolatore a definire la superficie tridimensionale rappresentativa della pala stessa ove i detti profili aerodinamici bidimensionali rappresentino le sezioni di ogni pala; essendo il detto profilo aerodinamico bidimensionale dotato di conformazione geometricamente simmetrica rispetto all?asse (147) ortogonale al segmento di corda (141) e passante per il punto mediano (148) del detto segmento di corda.

In questa forma esecutiva non limitativa, la costruzione del profilo aerodinamico bidimensionale viene realizzata definendo per punti il suo segmento mediano e la corrispondente distribuzione di spessore. I punti dell?estradosso (lato convesso) e dell?intradosso (lato concavo) corrispondenti a ciascun punto del segmento mediano si ottengono rispettivamente sommando e sottraendo il semispessore, lungo la normale al segmento mediano.

In una turbomacchina mono-direzionale (progettata per essere attraversata dal flusso in una sola direzione), i profili aerodinamici sono caratterizzati da un bordo d?ingresso e da un bordo d?uscita (dove il bordo d?ingresso ? il primo ad essere incontrato dal fluido che attraversa le pale); nella macchina oggetto della presente invenzione, il bordo d?ingresso in modalit? operatrice diventa il bordo d?uscita in modalit? turbina e viceversa. Il profilo bidirezionale con freccia come definito consente di ottenere una migliore efficienza su un ampio intervallo di portata/pressione di lavoro ed ulteriori vantaggi si ottengono impiegando profili a geometria simmetrica rispetto al punto di met? corda, ossia simmetrici rispetto ad un asse normale al segmento di corda e passante per il punto medio di detto segmento.

In particolare, per il prototipo virtuale realizzato, ? stato definito il profilo di fig. 14a e 14b. In queste figure si pu? osservare il profilo risultante 140, per il quale si concepisce il segmento mediano 142 definita come segmento equidistante tra dorso 143 anche noto come lato convesso o estradosso e ventre 144 anche noto come lato concavo o intradosso

La corda 141 o segmento di corda ? un segmento retto che unisce gli estremi del segmento mediano; nel profilo di figura 14a e 14b si possono inoltre identificare i bordi anteriore e posteriore 145 e 146 che nei profili di pale per uso singolo (solo operatrice o solo motrice) prendono alternativamente il nome di bordo di ingresso o bordo anteriore e bordo di uscita o bordo posteriore a seconda del flusso di fluido che attraversa lo stadio. Nel presente testo si potr? far riferimento al bordo anteriore 145 e al bordo posteriore 146 ma essendo l?invenzione mirata ad una macchina bivalente il percorso del fluido e quindi il ruolo del bordo di profilo dipende dalla modalit? di funzionamento.

Nella figura 14a viene introdotto un sistema di riferimento cartesiano X-Y ove l?asse delle ascisse ? sovrapposto al segmento di corda 141 e l?origine degli assi coincide con il bordo anteriore 145. Viene inoltre identificato l?asse 147 del segmento di corda che passa per il punto medio 148 di detto segmento e rispetto al quale il profilo 140 viene costruito in maniera simmetrica.

Nella variante delle figure 14a e 14b, forma esemplificativa e non limitativa dell?invenzione, le caratteristiche principali del profilo utilizzato sono:

- rapporto tra il massimo spessore del profilo e lunghezza di corda pari a 0.1;

- distanza tra il segmento mediano e il segmento di corda non superiore al 4% della lunghezza della corda per ogni punto della detta linea;

- angolo tra il segmento mediano 142 e il bordo anteriore 145 pari a 9 gradi sessagesimali corrispondente ad un angolo di entrata di 9?;

- angolo tra il segmento mediano 142 e il bordo posteriore 146 pari a -9 gradi sessagesimali corrispondente ad un angolo di uscita di -9?;

- raggio di entrambi i bordi uguale al 4.5% della corda.

Il profilo specifico usato per il prototipo virtuale ? da intendersi come rappresentativo della categoria di profili simmetrici descritta sopra.

La geometria del rotore e dello statore viene costruita definendo il numero di pale, i raggi minimo e massimo e le sezioni di pala con la procedura descritta sopra (profili 2D avvolti su superfici cilindriche). Per ciascuna sezione di pala vengono assegnati:

- il raggio della sezione;

- la lunghezza del profilo (corda);

- l?angolo (calettamento) rispetto alla direzione tangenziale;

I valori impiegati nella progettazione di una possibile e non unica implementazione del rotore e dello statore sono riportati nelle tabelle seguenti. In altre varianti implementative sia il rapporto tra diametro minimo e massimo, sia le distribuzioni di corda ed angolo potranno variare in funzione delle prestazioni della macchina.

Una possibile forma esecutiva prevede che nella realizzazione di uno stadio di turbomacchina in accordo al metodo oggetto di invenzione si utilizzino i seguenti parametri specifici:

- per il rotore:

- per lo statore:

Le dimensioni di questa particolare forma realizzativa sono state utilizzate per la verifica teorica delle prestazioni di uno stadio in accordo alla presente invenzione ma tuttavia non devono essere considerate limitative della potenzialit? del metodo di realizzare turbomacchine bivalenti con efficienza elevata sia in modalit? operatrice che motrice e in differenti contesti operativi quali ad esempio l?utilizzo in aria o acqua.

La macchina descritta pu? essere installata nel condotto di un impianto, oppure in ?ambiente libero? dove cio? la macchina viene investita da un flusso esterno (ad esempio nel caso di turbina eolica) o aspira flusso dall?esterno (ad esempio nel caso di ventilatore).

Per migliorare le prestazioni della macchina nel secondo caso, ? stato studiato un condotto profilato convergente-divergente come mostrato in figura 3 che consenta un adeguato recupero di pressione statica allo scarico presentando un tratto 31 con sezione che si restringe avvicinandosi al rotore, un tratto a sezione costante 32 contenente il rotore e lo statore ed un tratto 33 con sezione che aumenta allontanandosi dallo statore. La conformazione di questi tratti ? oggetto di invenzione e verr? descritta nel seguito.

Allo scopo di verificare l?applicabilit? di quanto esposto e di arrivare alla definizione di un primo prototipo virtuale, sono state utilizzate simulazioni numeriche RANS tramite software ANSYS.

Lo studio fatto ? stato corredato di un?opportuna analisi di sensibilit? dei risultati alla dimensione della griglia di calcolo. Nel seguito sono presentati i principali risultati d?interesse.

Il fluido considerato in tutto il lavoro ? aria in condizioni standard sebbene sia previsto che la turbomacchina possa operare anche con fluidi incomprimibili quali acqua.

Analisi preliminare 2D

Una prima verifica ? stata fatta su una geometria 2D, definendo il lavoro euleriano scambiato dal rotore ed utilizzando la relazione che lega Cp (coefficiente di portanza), Cr (coefficiente di resistenza), solidit? ed angoli del flusso, per ottenere la geometria del rotore dello statore.

Il funzionamento di questa prima geometria ? stato simulato tramite soluzione numerica RANS (ANSYS).

Ai rispettivi ingressi ? stata imposta la stessa velocit? del fluido, mentre le velocit? di rotazione utilizzate sono di 1500 giri/min per la macchina operatrice e di 800 giri/min per la turbina.

Nelle figure 4 e 5 sono rappresentati i campi di moto e di pressione statica per le 2 modalit?, evidenziando come il flusso all?uscita sia pressoch? assiale (privo di componente tangenziale) per entrambe.

Per i ciascuno dei due casi ? stato valutato il corrispondente rendimento:

- modalit? operatrice, il rapporto tra la potenza trasferita al fluido e la potenza fornita all?asse - modalit? turbina, il rapporto tra la potenza ricavata all?asse e la potenza disponibile dal fluido

Analisi 3D in condotto

Considerando il caso 2D come rappresentativo della sezione a raggio medio, ? stata progettata la corrispondente geometria 3D, utilizzando un codice basato sulla teoria dell?equilibrio radiale sviluppato in attivit? di ricerca.

Si sono considerati i seguenti dati di input:

- diametri esterno ed interno della macchina rispettivamente di 0.4 m e 0.2 m.

- velocit? di progetto le stesse impiegate per il caso 2D.

- numero di pale di rotore e statore pari a 15. Il funzionamento del rotore-statore 3D ? stato inizialmente simulato in configurazione ?intubata?, ovvero inserendo lo stadio in un condotto ed assegnando le condizioni al contorno nelle sezioni di ingresso e di uscita del condotto.

Nella fig. 6 sono mostrati il campo di moto che attraversa la macchina operatrice ed il corrispondente campo di pressione statica sulle pale. Si pu? notare la distribuzione radiale piuttosto uniforme della pressione statica e, sul bordo d?attacco di entrambe le palettature, il buon posizionamento del punto di ristagno al bordo anteriore della pala (indice di corretta incidenza del flusso nel punto di funzionamento).

Prestazioni rilevate

Nel grafico di fig. 7 sono riportate le prestazioniglobali adimensionali di maggior interesse:

- ?tt= Potenza_trasferita_al_fluido/Potenza_fornita - Potenza_trasferita_al_fluido = portata_volumetrica*(p_totale_uscita-p_totale_ingresso) [W] Potenza_fornita =C?[W]

- C=coppia fornita all?albero [Nm]

- ?= velocit? di rotazione del rotore [rad/s]

- pressione_totale = pressione statica pressione dinamica [Pa]

- ?ts = Potenza_utile_trasferita_al_fluido/Potenza_fornita

- Potenza_utile_trasferita_al_fluido =portata_volumetrica*(p_statica_uscita-p_totale_ingresso) [W] - ?ts = (p_statica_uscita-p_totale_ingresso)/ (densit?*Utip*Utip)

- ?= Va/Utip

- Utip = ?Rtip [m/s]

- Rtip= raggio all?apice delle pale [m]

- Va = portata_volumetrica/area [m/s]

- Area = ?(Rtip<2>-Rhub<2>) [m<2>]

- Rhub= raggio del mozzo [m]

Il rendimento total-to-total (?tt) del solo rotore e dell?intera macchina hanno valori massimi prossimi o superiori al 90% su un intervallo di funzionamento ragionevolmente ampio.

Il rendimento total-to-static(?ts) della macchina serve ad evidenziare l?efficienza della macchina che operi con scarico libero (condizione in cui l?energia cinetica allo scarico viene persa).

Essendo il valore massimo ideale di ?ts funzione del punto di lavoro (es. per ?ts =0.0 ?ts massimo ideale vale 0.0), nel grafico sono stati messi come riferimento (curva rossa) i valori di riferimento ottenuti con un modello 1D, per una macchina standard dotata di solo rotore che operi con ?tt =0.94.

Il confronto con il riferimento permette di apprezzare il buon contributo fornito dallo statore nella configurazione proposta.

Nella fig. 8 sono mostrati il campo di moto che attraversa la stessa macchina in funzionamento come macchina motrice (turbina) ed il corrispondente campo di pressione statica sulle pale.

Anche in questa modalit?, si nota la buona distribuzione radiale della pressione statica e, sul bordo d?attacco di entrambe le palettature, il buon posizionamento del punto di ristagno (indice di corretto funzionamento del profilo anche in questa condizione operativa opposta alla precedente).

Inoltre, come nella modalit? operatrice, si evidenzia la ridotta componente tangenziale della velocit? all?uscita che indica l?elevata capacit? di estrazione di lavoro dal flusso in ingresso. Anche per questo aspetto ? confermato il buon comportamento visto nella preliminare simulazione 2D.

Nel grafico di fig. 9 sono riportate le prestazioni globali adimensionali di maggior rilievo:

- ?tt= Potenza_fornita/(portata_volumetrica*(p_totale_uscita-p_totale_ingresso)) - ? = coefficiente di carico = (Potenza_fornita/portata_volumetrica)/(densit?*Utip*Utip)

Il rendimento total-to-total (?tt) del solo rotore ha valore massimo di poco inferiore al 90%.

Il rendimento dell?intera macchina, considerato il valore elevato del coefficiente di portata ? ed il basso coefficiente di carico ? raggiunge anch?esso valori elevati.

Anche in modalit? turbina, la macchina mostra un intervallo operativo ragionevolmente ampio.

Analisi 3D in ambiente libero

Infine ? stato simulato il funzionamento della macchina in ambiente libero, ovvero quando lo stadio di turbomacchina intubato ? alimentato da un flusso esterno e scarica in ambiente libero. In questo caso il dominio di calcolo delle simulazioni ? esteso con un volume esterno che racchiude la configurazione di macchina. Tale rappresentazione ? quella che simula la reale situazione operativa della configurazione proposta.

La macchina ? stata alloggiata all?interno di un condotto ottenuto per rivoluzione di un profilo aerodinamico le cui caratteristiche, in una forma esecutiva della presente invenzione, sono state definite in funzione del rapporto Area_uscita/Area_minima di progetto ed in modo tale da limitare le possibilit? di separazione del flusso (limitando la curvatura del profilo).

Il condotto si compone di:

1) tratto con sezione che si restringe avvicinandosi al rotore;

2) tratto a sezione costante, contenente il rotore e lo statore;

3) tratto con sezione che aumenta allontanandosi dallo statore.

La superficie che delimita il condotto dalla parte della radice delle pale, nel tratto 1), ? una calotta sferica di raggio pari al raggio minimo delle pale rotoriche (ovvero il raggio della parte rotante del mozzo o della radice delle pale).

La superficie che delimita il condotto dalla parte della radice delle pale, nel tratto 3), ? una calotta sferica di raggio pari al raggio minimo delle pale statoriche (ovvero il raggio della parte fissa del mozzo o della radice delle pale).

La superficie che delimita il condotto dalla parte dell?apice delle pale (rotoriche e statoriche), nei tratti 1), 2) e 3), ? ottenuta per rivoluzione di una sagoma o profilo bidimensionale attorno all?asse di rotazione della macchina. La sagoma bidimensionale ? costituita da due porzioni di profilo aerodinamico, usate per definire i tratti 1) e 3), i cui estremi sono congiunti da tratti rettilinei.

Le porzioni di profilo aerodinamico sono caratterizzate analogamente a quanto fatto per le sezioni delle pale rotoriche e statoriche, ovvero tramite linea media e distribuzione di spessore.

In una delle possibili forme esecutive dell?invenzione i profili bidimensionali vengono definiti assegnando segmento mediano e distribuzione di spessore.

Una ulteriore forma esecutiva di dettaglio, anch?essa non limitativa, prevede che il profilo bidimensionale usato per il tratto sul lato del rotore abbia:

- Lunghezza del segmento di corda di valore non superiore a 1.5 volte il raggio del mozzo e preferibilmente di valore pari a 1.25;

- Valore di Freccia inferiore al 25% della detta lunghezza del segmento di corda e preferibilmente pari al 24%;

- Spessore massimo pari al 30% della lunghezza assiale

Il rapporto tra le aree di passaggio massima e minima del tratto di condotto 3) ? 2.1 (valore massimo generale 2.5).

In un?altra forma esecutiva, liberamente combinabile con le precedenti o combinazione di esse, il profilo bidimensionale usato per il tratto sul lato dello statore ha:

- Lunghezza del segmento di met? corda di valore non superiore a 1.25 volte il raggio massimo di pala e preferibilmente di valore pari a 0.75;

- Valore di freccia inferiore al 20% della detta lunghezza del segmento di met? corda e preferibilmente pari al 18%;

- Spessore massimo pari al 50% della lunghezza del segmento di met? corda.

Ne consegue che il rapporto tra le aree di passaggio massima e minima del tratto di condotto ? 1.7 (valore massimo generale 2.0).

Come nel caso della sezione bidimensionale usata per definire le pale di rotore e statore, la geometria specifica del condotto del prototipo virtuale ? esemplificativa delle caratteristiche generali della macchina e non ne limita l?ambito che pu? comprendere altre forme realizzative, anche liberamente combinabili tra loro.

La simulazione della macchina operatrice ? stata realizzata inserendola tra due ambienti separati (configurazione tipica di riferimento dei banchi prova per ventilatori secondo le norme di riferimento).

La simulazione della macchina motrice (turbina) ? stata fatta inserendo la macchina in unico ambiente esterno.

Nella fig. 10 sono riportate linee di corrente che attraversano la macchina in modalit? operatrice Nel grafico di fig. 11 sono riportate le prestazioni globali adimensionali che confermano il buon comportamento visto per la configurazione completamente intubata.

La fig. 12 mostra le linee di corrente che attraversano la stessa macchina in funzionamento come turbina (sezione d?ingresso da sinistra).

In quest?ultimo caso, la macchina ? di fatto una turbina eolica in configurazione innovativa. Le prestazioni di tale configurazione possono quindi essere confrontate con gli andamenti di riferimento della configurazione classica di rotore di turbina eolica ad asse orizzontale.

In fig. 13 vengono confrontati gli andamenti coefficiente di potenza Cp in funzione della ?tip-speedratio?:

- Cp = Potenza_fornita/(0.5*Area*Vwind<3>)

- Vwind = velocit? del vento esterno [m/s]

- Area = ?Rtip<2 >[m<2>]

- tip speed ratio = Utip/Vwind

Le prestazioni della macchina in esame sono poste a confronto con i due limiti classici per i rotori di turbine eoliche ad asse orizzontale: il valore limite di Betz (valido in assenza di componente circonferenziale del flusso in uscita) ed il corrispondente valore ideale ottenuto considerando la componente circonferenziale.

Si pu? notare (Fig. 13) come l?efficacia dello statore e del condotto esterno ?profilato? permettano di ottenere prestazioni globali (curva rossa) che possono superare significativamente, su di un ampio intervallo di tip-speed-ratio, il limite ideale con componente circonferenziale in uscita

La configurazione proposta presenta, rispetto alla conoscenza sullo stato dell?arte, i seguenti aspetti innovativi:

- assieme di componente rotorico (schiera rotorica) e statorico (schiera statorica) a flusso assiale inseriti in un condotto profilato con scarico assiale in ambiente libero con funzionamento reversibile (macchina operatrice ? macchina motrice);

- profili aerodinamici delle pale rotoriche e statoriche opportunamente disegnati per avere buone prestazioni in entrambi i funzionamenti diretto ed inverso della macchina;

- configurazione di turbina eolica intubata con componente statorico in grado di funzionare in flusso inverso come ventilatore assiale.

Le verifiche in precedenza illustrate dimostrano come l?applicazione della presente invenzione consenta di realizzare stadi di turbomacchina in grado di funzionare alternativamente cedendo energia al fluido o venendo movimentata dal fluido con efficienza prossima e talvolta superiore al 90%. Questo indubbio vantaggio consente l?utilizzo delle forme attuative dell?invenzione in molteplici campi di applicazione, ad esempio in combinazione con un sistema di controllo, almeno una sorgente di energia ed almeno un elemento di accumulo di energia, almeno un motore abbinato al detto rotore, uno o pi? sensori, uno o pi? organi di controllo per uno o pi? organi di commutazione della modalit? operativa del detto stadio, essendo il sistema di controllo coinvolto nella commutazione della detta turbomacchina da modalit? motrice a modalit? operativa e viceversa.

Il sistema di controllo ? quindi in grado di leggere i parametri di funzionamento della macchina abbinata ad uno o pi? motori preferibilmente elettrici e, in maniera automatica o manuale, attivare opportuni organi di commutazione che variano la modalit? della macchina la quale pu? essere operata dal detto motore che assorbe energia da una sorgente oppure pu? azionare il motore commutato per generare energia elettrica da accumulare in opportuni sistemi di accumulo. Ci? rende l?invenzione particolarmente adatta per tutte le applicazioni ove le condizioni del fluido non sono costanti ma variano nel tempo: sono previste applicazioni ad esempio nei sistemi di pompaggio, propulsione ad elica, energie rinnovabili.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la progettazione di profili di rotore e/o statore di stadio di turbomacchina assiale bivalente (1), ossia capace di funzionare alternativamente in modalit? motrice o operatrice, detta turbomacchina comprendente almeno uno statore (11) ed un rotore (12) in grado di ruotare intorno ad un asse di rotazione, essendo detto rotore e/o detto statore comprensivi di mozzo (16, 15), ogiva e di una pluralit? di pale (14, 13, 155) di forma sostanzialmente uguale, ogni detta pala avente un raggio minimo di pala (152), un raggio massimo di pala (153) ed un profilo tridimensionale di pala descrivibile tramite una o pi? sezioni di pala (1551, 1552, 1553), ove i detti profili tridimensionali di pala hanno sezioni di pala (1551, 1552, 1553) a guisa di profili aerodinamici bidimensionali ognuno comprendente: - un lato concavo o intradosso (144); - un lato convesso o estradosso (143); - un segmento mediano (142) come insieme dei punti corrispondenti ai centri di tutte le circonferenze inscritte nel detto profilo aerodinamico bidimensionale e tangenti alle linee di intradosso ed estradosso; - un bordo anteriore (145) ed un bordo posteriore (146) come luogo di punti geometrici prossimi rispettivamente all'estremo anteriore e posteriore del segmento mediano; - un semispessore come distanza tra il detto segmento mediano (142) ed il detto intradosso (144) o il detto estradosso (143), valutato lungo la normale al detto segmento mediano (142) per ogni punto di detto segmento mediano; - una corda o segmento di corda (141), come il segmento che unisce gli estremi del detto segmento mediano (142); - una freccia o camber, ossia una funzione rappresentante la distanza che si viene a formare tra la detta corda ed il detto segmento mediano quando non coincidenti nei punti al di fuori dei rispettivi estremi; essendo il detto profilo aerodinamico bidimensionale descritto in un piano di riferimento cartesiano (X,Y) per punti rappresentanti il segmento mediano (142) tra lato concavo o intradosso (144) e lato convesso o estradosso (143) del detto profilo (140), essendo la corda del detto profilo sovrapposta all?ascissa (X) nel detto piano di riferimento cartesiano ed essendo l?origine degli assi (O) di detto piano cartesiano coincidente con l?estremo della corda prossimo al detto bordo anteriore, il quale metodo ? caratterizzato dal fatto di: - selezionare il valore di freccia massimo positivo; - posizionare il punto di freccia massimo tra il 40% e il 60% dell?ascissa della corda; - selezionare l?ordinata del segmento mediano con derivata maggiore o uguale a zero fino al punto di massima freccia e minore o uguale a zero dopo il punto di massima freccia; - posizionare il punto di semispessore massimo tra il 40% e l?60% dell?ascissa della corda; - selezionare il raggio del bordo anteriore (145) e del bordo posteriore (146) con valori maggiori o uguali al 3% della lunghezza del segmento di corda.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui ? previsto l?ulteriore passo di selezionare il detto semispessore con derivata maggiore o uguale a zero per valori di ascisse (X) dal detto origine degli assi (o) fino al punto di massimo semispessore e minore o uguale a zero per successivi valori di ascisse (X) dopo il punto di massimo semispessore.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui: - il punto di freccia massimo viene posizionato al 50% dell?ascissa del segmento di corda; - il punto di semispessore massimo viene posizionato al 50% dell?ascissa del segmento di corda; - il valore del raggio del bordo anteriore (145) coincide con il valore del raggio del bordo posteriore (146); introducendo di conseguenza una conformazione di tipo simmetrico rispetto all?asse profili aerodinamici bidimensionali presentano conformazione geometricamente simmetrica rispetto all?asse (147) ortogonale al segmento di corda (141) e passante per il punto mediano (148) del detto segmento di corda.
4. Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti comprendente gli ulteriori passi di: - definire il numero di pale componente il detto rotore o statore distribuite lungo una circonferenza concentrica all?asse di rotazione (151) di detto rotore o statore; - definire il valore del raggio massimo del detto rotore o statore ed il valore dei raggi di pala minimo (152) e massimo (153) per detto rotore o statore; - identificare una sezione di pala (1551, 1552, 1553) ottenuta per intersezione della detta pala (155) con una superficie di rivoluzione ed in particolare cilindrica (1541, 1542, 1543) di un solido di rivoluzione disposto coassialmente all?asse di rotazione (151) di detto rotore e/o statore, essendo detta superficie definita da uno specifico valore di raggio (r1541, r1542, r1543) per ogni punto dell?asse della superficie di rivoluzione ed essendo quindi la detta sezione di pala (1551, 1552, 1553) ottenuta per intersezione di detta pala (155) con detta superficie di rivoluzione ad una distanza radiale coincidente con il raggio della superficie di rivoluzione. - definire un numero discreto di dette sezioni di pala (1551, 1552, 1553) avendo definito un corrispondente numero discreto di detti valori di raggio della detta superficie di rivoluzione (r1541, r1542, r1543), essendo detti valori di raggio compresi tra i detti minimo (152) e massimo raggio di pala (153) di detto rotore o statore per ogni punto dell?asse di rotazione; - riportare per ognuna delle dette sezioni e per ogni pala un profilo aerodinamico bidimensionale (140) il cui calettamento ovvero orientamento angolare rispetto all?asse radiale della detta superficie di rivoluzione e le cui dimensioni a parit? di forma assumono valori predeterminati e variati in funzione della sezione di riferimento; - interpolare tra le forme delle varie sezioni i detti profili aerodinamici bidimensionali di ogni pala tramite elaborazione assistita da calcolatore a definire la superficie tridimensionale rappresentativa della pala stessa ove i detti profili aerodinamici bidimensionali rappresentino le sezioni di ogni pala; essendo il detto profilo aerodinamico bidimensionale dotato di conformazione geometricamente simmetrica rispetto all?asse (147) ortogonale al segmento di corda (141) e passante per il punto mediano (148) del detto segmento di corda.
5. Metodo secondo una o pi? rivendicazioni precedenti ulteriormente caratterizzato dai seguenti parametri: - rapporto tra il massimo spessore del profilo e lunghezza di corda pari a 0.1; - distanza tra il segmento mediano e il segmento di corda non superiore al 4% della lunghezza della corda per ogni punto della detta linea; - angolo tra il segmento mediano (142) e il bordo anteriore (145) pari a 9 gradi sessagesimali; - angolo tra il segmento mediano (142) e il bordo posteriore (146) pari a -9 gradi sessagesimali; - raggio di entrambi i bordi uguale al 4.5% della corda.
6. Metodo per la progettazione di condotti di intubamento per stadio di turbomacchina assiale bivalente (1), ossia capace di funzionare alternativamente in modalit? motrice o operatrice, comprensiva di statore (11) e di rotore (12) in grado di ruotare intorno ad un asse di rotazione, essendo detto rotore e/o detto statore comprensivi di mozzo (16, 15), ogiva e di una pluralit? di pale (14, 13) ognuna avente un raggio minimo e massimo di pala, comprendente i passi di: - Definire il profilo dell?ogiva del rotore e dell?ogiva dello statore; - Definire il detto condotto di intubamento come assieme di: o tratto con sezione costante (31) che contiene il detto rotore ed il detto statore; o tratto di imbocco (32) al rotore; o tratto di imbocco (33) allo statore. - Definire la superficie dei detti tratti di imbocco al rotore ed allo statore come rivoluzione di un profilo bidimensionale attorno all?asse di rotazione del rotore; essendo il detto metodo caratterizzato dal fatto di: - Definire il profilo dell?ogiva del rotore (12) come semisfera di raggio sostanzialmente pari al raggio minimo delle pale rotoriche ovvero al raggio del mozzo (16) del detto rotore; - Definire il profilo dell?ogiva dello statore (11) definito come semisfera di raggio sostanzialmente pari al raggio minimo delle pale statoriche ovvero al raggio del mozzo (15) del detto rotore; - Definire il profilo bidimensionale per il tratto rotorico come parte di un profilo aereodinamico bidimensionale simmetrico rispetto a met? corda; - Definire il profilo bidimensionale per il tratto statorico come parte di un profilo aerodinamico bidimensionale simmetrico rispetto a met? corda.
7. Metodo secondo la rivendicazione 6 in cui il detto profilo aerodinamico bidimensionale comprende: - un lato concavo o intradosso (144); - un lato convesso o estradosso (143); - un segmento mediano (142) come insieme dei punti corrispondenti ai centri di tutte le circonferenze inscritte nel detto profilo aerodinamico bidimensionale e tangenti alle linee di intradosso ed estradosso; - un bordo anteriore (145) ed un bordo posteriore (146) come punti geometrici coincidenti rispettivamente con l'estremo anteriore e posteriore del segmento mediano; - un semispessore come distanza tra il detto segmento mediano (142) ed il detto intradosso (144) o il detto estradosso (143), valutato lungo la normale al detto segmento mediano (142) per ogni punto di detto segmento mediano; - una corda o segmento di corda (141), come il segmento che unisce gli estremi del detto segmento mediano (142); - una freccia ossia una funzione rappresentante la distanza che si viene a formare tra la detta corda ed il detto segmento mediano quando non coincidenti nei punti al di fuori dei rispettivi estremi, ed in cui il detto profilo aerodinamico bidimensionale per condotto rotorico viene ulteriormente definito dai seguenti parametri: - Lunghezza del segmento di met? corda di valore non superiore a 1.5 volte il raggio massimo di pala e preferibilmente di valore pari a 1.25; - Valore di freccia inferiore al 25% della detta lunghezza del segmento di met? corda e preferibilmente pari al 24%; - Spessore massimo pari al 30% della lunghezza del segmento di met? corda; ed in cui il condotto statorico viene ulteriormente definito dai seguenti parametri: - Lunghezza del segmento di met? corda di valore non superiore a 1.25 volte il raggio massimo di pala e preferibilmente di valore pari a 0.75; - Valore di freccia inferiore al 20% della detta lunghezza del segmento di met? corda e preferibilmente pari al 18%; - Spessore massimo pari al 50% della lunghezza del segmento di met? corda;
8. Metodo di utilizzo di uno stadio di turbomacchina realizzato secondo il metodo descritto in una o pi? rivendicazioni da 1 a 5 in cui il detto rotore ? azionato da energia cinetica di un flusso di fluido che lo attraversa.
9. Metodo di utilizzo di uno stadio di turbomacchina realizzato secondo il metodo descritto in una o pi? rivendicazioni da 1 a 8 in cui il detto rotore ? azionato da energia cinetica di un flusso di fluido che lo attraversa.
10. Metodo di utilizzo di uno stadio di turbomacchina realizzato secondo il metodo descritto in una o pi? rivendicazioni da 1 a 5 in cui il detto rotore trasferisce energia cinetica ad un flusso di fluido che lo attraversa.
11. Metodo di utilizzo di uno stadio di turbomacchina realizzato secondo il metodo descritto in una o pi? rivendicazioni da 1 a 8 in cui il detto rotore trasferisce energia cinetica ad un flusso di fluido che lo attraversa.
12. Stadio di turbomacchina assiale bivalente (1), ossia capace di funzionare alternativamente in modalit? motrice o operatrice, comprendente: - un rotore (12) a sua volta comprendente un mozzo rotorico (16) ed un predeterminato numero di pale rotoriche (14) - uno statore (11) a sua volta comprendente un mozzo statorico (15) ed un predeterminato numero di pale statoriche (13); essendo dette pale descritte da profili aerodinamici bidimensionali, detto stadio di turbomacchina caratterizzato dal fatto di presentare un profilo di rotore e statore realizzato in accordo con il metodo delle rivendicazioni da 1 a 6.
13. Stadio di turbomacchina secondo la rivendicazione 12 comprendente un condotto di intubamento dei detti organi rotore e statore realizzato in accordo con il metodo delle rivendicazioni da 7 a 9.
14. Stadio di turbomacchina secondo la rivendicazione 12 o 13 operante in un fluido di natura comprimibile o incomprimibile e preferibilmente in aria o acqua.
15. Stadio di Turbomacchina secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni in cui la velocit? di rotazione del rotore in modalit? motrice ? diversa dalla velocit? di rotazione del rotore in modalit? operatrice.
16. Stadio di Turbomacchina secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni in cui vengono assunti i seguenti parametri del metodo di progettazione: - numero di pale di rotore: 15 - numero di pale di statore: 15 - numero di sezioni di pala del rotore: 3 - raggio minimo di pala del rotore: 20 cm - raggio massimo di pala del rotore: 40 cm - dimensione di corda e angolo di calettamento in accordo alla seguente tabella:

- numero di sezioni di pala dello statore: 3 - raggio minimo di pala dello statore: 20 cm - raggio massimo di pala dello statore: 40 cm - dimensione di corda e angolo di calettamento in accordo alla seguente tabella:
17. Stadio di Turbomacchina secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni in cui la velocit? di rotazione nominale del rotore ? compresa tra 10 e 5000 giri al minuto e preferibilmente tra 500 e 2000 giri al minuto ed ancor pi? preferibilmente di 1500 /- 10% giri al minuto per la modalit? operatrice e 800 /-10% giri al minuto per la modalit? motrice.
18. Stadio di turbomacchina secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni in combinazione con un sistema di controllo, almeno una sorgente di energia ed almeno un elemento di accumulo di energia, almeno un motore abbinato al detto rotore, uno o pi? sensori, uno o pi? organi di controllo per uno o pi? organi di commutazione della modalit? operativa del detto stadio, essendo il sistema di controllo coinvolto nella commutazione della detta turbomacchina da modalit? motrice a modalit? operativa e viceversa.