IT202100014684A1 - Ala asimmetrica sezionale a curvatura invertibile - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Ala asimmetrica sezionale a curvatura invertibile

Settore tecnico

La presente invenzione riguarda un?ala asimmetrica per la propulsione di imbarcazioni da diporto e navi, compresa la propulsione ibrida vela/motore.

Stato dell?arte

Allo stato dell?arte le vele alari rigide con la migliore efficienza aerodinamica sono le wingsail a due elementi come ad esempio quelle utilizzate dai catamarani AC72 dell?America?s Cup, che hanno per? il problema di essere complicate e costose, senza la possibilit? di poter ridurre la superficie alare all?aumentare della forza del vento. Per ovviare a questo problema sono state realizzate wingsail a due elementi, la cui superficie in tessuto pu? essere ammainata, ma non raggiungono l?efficienza aerodinamica delle vele rigide, come ad esempio quella denominata ?OceanWings? dello studio VPLP. L?universit? di Tokyo propone per l?impiego su grandi navi, il ?Wind Challenger Project ?con vele rigide che composte da pi? elementi telescopici possono essere ridotte in altezza, riducendo quindi la superficie esposta al vento.

Innumerevoli altri tentativi vengono compiuti in tutto il mondo per ottenere vele rigide molto efficienti e di pratico uso, da impiegare soprattutto nella propulsione mista vela/motore, con lo scopo di ridurre la CO2 e altri inquinanti contenuti nel combustibile, ma nessuna di queste ? riuscita ad andare oltre qualche applicazione sperimentale, perch? la loro efficienza non ? ancora tale da consentirne un diffuso uso commerciale.

Problema tecnico da risolvere

Un?ala rigida ideale, da utilizzare su navi e imbarcazioni, particolarmente nel settore della propulsione ibrida vela/motore, richiede un?alta efficienza aerodinamica, unita ad aspetti pratici quali robustezza, durata, capacit? di riduzione della superficie velica, e possibilit? di operare su entrambe le mura dell?imbarcazione. Deve inoltre poter funzionare in maniera completamente automatizzata ed essere efficiente anche con un angolo di vento apparente piccolo, con costi di installazione e operativi non elevati. Nessun sistema velico, allo stato dell?arte, riesce a soddisfare pienamente tutti questi requisiti contemporaneamente.

I profili alari a pi? alta efficienza per questo campo di applicazione sono i profili alari asimmetrici come quello di Vestas Sailrocket 2, che detiene il record mondiale di velocit? per imbarcazioni a vela con 121,2 km/h, ma pu? navigare su una sola mura non potendo invertire la curvatura dell?ala.

Questa invenzione consente di dare risposta positiva a tutti gli aspetti prima elencati. Potendo invertire il senso di curvatura dell?ala, ? in grado di utilizzare, tra gli altri, profili asimmetrici del tipo concavo-convesso ad alta efficienza, come il Wortmann Fx63-137, raffigurato nei disegni che descrivono l?invenzione, i quali vengono utilizzati anche per motoalianti e velivoli a propulsione umana, in virt? della loro alta efficienza.

Come noto, questo tipo di profili possono generare portanza anche a 0 gradi di angolo di attacco e avere buoni valori di portanza intorno ai 5 gradi di incidenza.

Questo significa che un?ala con un tale tipo di profili alari, installata su un?imbarcazione, pu? generare forza propulsiva con un angolo di vento apparente di circa 5 gradi.

Come termine di paragone, i catamarani AC72 dell?America?s Cup, possono avanzare con un angolo del vento apparente di circa 16 gradi, gi? ritenuto eccezionale. Tale caratteristica rende l?uso dell?invenzione particolarmente vantaggioso sulle navi con propulsione ibrida vela/motore, poich?, essendo il vento apparente la somma vettoriale del vento reale e del vento di avanzamento prodotto dalla velocit? della nave, questa, si trover? a navigare molto spesso con un angolo di vento apparente molto piccolo. Con un profilo alare di questo tipo, l?ala potr? raggiungere valori del rapporto Forza propulsiva/Forza laterale fuori dalla portata di ogni altra vela rigida oggi esistente, aumentando notevolmente la velocit? della nave e riducendo il momento sbandante e lo scarroccio. Essendo questa ala asimmetrica composta da pi? sezioni ? possibile, faccendone ruotare una o pi? di 90 gradi, o angolo prossimo a 90 gradi, ridurre fortemente il carico aerodinamico. Un altro grande vantaggio che questa invenzione concede ? quello di poter utilizzare profili alari ampiamente studiati in campo aeronautico, potendo cos? approfittare dell?enorme bagaglio di conoscenze sviluppate in questo settore.

Breve descrizione dei disegni

Le Figg. 1,2 e 3 mostrano l?ala che cambia il senso di curvatura.

Nelle figg. 4,5 e 6 vediamo la vista dall?alto dell?ala che cambia il senso di curvatura.

Nelle Figg.7, 8 l?albero ? suddiviso in pi? parti per poter orientare le sezioni alari con angoli diversi.

In Fig. 9 la sezione superiore dell?ala ? ruotata di 90 gradi per diminuire il carico aerodinamico.

In Fig. 10 vediamo due sezioni alari con attuatori e sensori di pressione.

In Fig.11 vediamo lo schema generale per comandare in automatico gli attuatori.

In Fig. 12 una sezione trasversale delle estremit? di due sezioni alari.

In Fig.13 un esempio di sistema per abbassare e risollevare l?ala.

In Fig.14 vediamo due ali poste una di fianco all?altra su una stessa piattaforma.

Descrizione dettagliata

In Fig. 1 vediamo l?ala con la concavit? verso destra, composta dalle varie sezioni dell?ala anteriori (2) e sezioni dell?ala posteriori (3) nelle quali ? suddivisa l?intera ala, unite all?albero (1) tramite i perni rotanti (4) perpendicolari all?asse longitudinale dell?albero, che consentono alle sezioni dell?ala di ruotare come mostrato in Fig.2 dove tutte le sezioni dell?ala (2) e (3) sono ruotate di 90 gradi. In Fig. 3 vediamo come tutte le sezioni dell?ala (2) e (3), compiendo una rotazione di 180 gradi, ricompongono l?ala, come in Fig.1, ma invertendo il senso di curvatura, con la concavit?, ora verso sinistra. I perni rotanti (4) uniscono tra loro le sezioni dell?ala (2) e (3) per far s? che ruotino contemporaneamente. Cos? facendo, l?ala pu? essere utilizzata per la propulsione di navi e imbarcazioni. Nelle Figg. 4,5 e 6 si vede sempre la rotazione delle sezioni dell?ala ma con vista dall?alto. Nelle figg.4 e 6 possiamo vedere come le sezioni dell?ala anteriori (2) e posteriori (3) vadano a formare insieme alla sezione dell?albero (1) un profilo alare asimmetrico con curvatura prima in un senso e poi nell?altro. Il profilo raffigurato nei disegni ? il Wortmann Fx63-137. Questo genere di profili alari ad alta efficienza viene utilizzato in applicazioni per velocit? dell?aria con basso numero di Reynolds, come nel caso delle imbarcazioni a vela. Nella sua forma essenziale e pi? economica l?albero ? costituito da un unico pezzo. Tuttavia per una migliore efficienza aerodinamica ? necessario suddividere l?albero in due o pi? parti come si vede in Fig.7 dove le sezioni dell?ala (2a) e (3a) e la sezione dell?albero (6) possono ruotare, a destra e a sinistra, grazie al perno di rotazione (5) relativamente alle sezioni dell?ala (2b) (3b) e la sezione dell?albero (7). La sezione dell?albero (7) ? vista distaccata dalla sezione dell?albero (8) solo per meglio distinguerle. Le sezioni dell?ala (2b) (3b) unitamente alla sezione dell?albero (7) possono a loro volta ruotare rispetto alla sezione dell?albero (8) a destra o a sinistra, sempre grazie ad uno dei perni di rotazione (5). Nella vista dall?alto di Fig.8 vediamo che le sezioni dell?ala (2a) e (3a) e la sezione dell?albero (6) formano un angolo con le sezioni dell?ala (2b) e (3b) e la sezione dell?albero (7) in modo tale che possano essere orientate secondo le diverse direzioni del vento apparente che varia di angolo e intensit?, dalla base alla estremit? dell?ala a causa dell?attrito con la superficie dal mare. Questa caratteristica consente anche di controllare lo stallo delle varie sezioni dell?ala, correggendone prontamente l?angolo di incidenza. Il numero delle parti in cui l?albero viene suddiviso dipende dall?altezza dell?albero e quindi dell?ala e dai costi che si vogliono sostenere. In Fig. 7 con (9) viene indicato il piede dell?albero rotante, perch? anche l?albero deve poter ruotare per orientare le sezioni alari con il voluto angolo di incidenza rispetto al vento apparente. In Fig. 9 vediamo come il carico aerodinamico possa essere ridotto in dipendenza della forza del vento. Le sezioni dell?ala (2a) e (3a) risultano ruotate di 90 gradi, riducendo cos? la superficie dell?ala sottoposta all?azione del vento. Al crescere della forza del vento, una a una, o contemporaneamente, tutte le sezioni possono essere ruotate, riducendo quasi del tutto il carico aerodinamico.

Considerando che anche in questa posizione le sezioni dell?ala generano portanza, pu? essere conveniente ruotare le sezioni dell?ala di un angolo prossimo a 90 gradi in modo tale che queste risultino parallele alla superficie dell?acqua. In tal modo la forza generata dalla portanza avrebbe una direzione pi? favorevole a contrastare lo sbandamento dell?imbarcazione.

Le Figg. 10 e11 mostrano schematicamente il sistema che consente di orientare automaticamente l?ala e le sue componenti. In Fig.10 vengono raffigurate due sezioni dell?ala. Gli attuatori (10) comandano i perni rotanti (4) che trascinano in rotazione le sezioni dell?ala (2) e (3), mentre l?attuatore (11) comanda il perno rotante (5) che consente di ruotare, verso destra o verso sinistra, la sezione dell?albero (14) rispetto alla sezione (15). L?attuatore (12) agisce sul piede dell?albero (9) consentendo di ruotarlo da 0 a 360 gradi. Con (13) indichiamo i sensori di pressione per rilevare angolo e velocit? del vento, posti sul bordo d?attacco di ogni sezione dell?ala. Questo sistema viene applicato a ciascuna delle sezioni dell?ala e quindi alle sezioni dell?albero che si ritiene di dover ruotare. La Fig. 11 mostra lo schema che consente di orientare automaticamente l?ala e le sue componenti. I sensori di pressione (13) rilevano la pressione sul bordo d?attacco delle sezioni dell?ala e inviano l?informazione alla centralina computerizzata (16) che lo elabora e comanda gli attuatori (10) per la rotazione delle sezioni dell?ala, gli attuatori (11) per la rotazione della o delle sezioni dell?albero e l?attuatore (12) che agisce per ruotare l?albero da 0 a 360 gradi. Tale schema ? ampiamente studiato e applicato nel campo delle vele rigide alari. Nel caso di imbarcazioni piccole o medio piccole, non automatizzate, gli attuatori possono essere sostituiti da sistemi a comando manuale, quali cavi, corde, tiranti e simili. In fig.12 vediamo le estremit? delle sezioni dell?ala che si sono riallineate dopo aver effettuato una rotazione. Nel far questo, per evitare passaggi di aria tra intradosso e estradosso, che ridurrebbero l?efficienza aerodinamica dell?ala, entrano in contatto strisciante, ed ? quindi opportuno che su tali estremit? siano presenti delle superfici di materiale antifrizione, meglio se sostituibili, come si vede nella fig. 12, dove (17) e (18) indicano le superfici antifrizione. Sempre per agevolare il riavvicinamento delle sezioni alari, ? opportuno che i bordi delle stesse siano smussati come indicato in figura. Fig. 13 indica un possibile sistema per abbassare e risollevare l?ala incernierata alla base dell?albero (20) agendo con un cavo (19) fissato alla superficie laterale dell?albero (1) comandato da un verricello (21). In questa figura si vede solo l?albero senza le sezioni dell?ala per maggior chiarezza descrittiva. Un sistema estremamente semplice consentito dal fatto che si pu? agire sull?albero, la parte pi? robusta dell?ala, posto in posizione mediana tra le sezioni dell?ala anteriori e posteriori. Abbassare l?albero ? un?operazione da effettuare solo nei casi in cui sia necessario ridurre l?altezza totale, per passare ad esempio sotto un ponte. In Fig. 14 vediamo un sistema velico formato da due ali (22) e (23) come quelle qui descritte, che stanno uno di fianco all?altra, montate su una piattaforma (24) libera di ruotare su 360 gradi. La piattaforma oltre a consentire che le ali vengano esposte al vento senza che si disturbino l?un l?altra, serve a ridurre la resistenza indotta dell?estremit? dell?ala. Volendo, la resistenza indotta pu? essere ulteriormente ridotta posizionando un?altra superficie simile (25) sulle altre estremit?. Con un sistema simile si possono affiancare due o volendo anche pi? ali ottenendo un apparato velico ad altissima efficienza. Esistono studi per simili configurazioni, come ad esempio ?Windship Technology ? dell?universit? di Southampton, che per? utilizza profili alari simmetrici, che non possono raggiungere l?efficienza dell?ala asimmetrica qui descritta. Allungando e rinforzando adeguatamente l?albero, ? facile realizzare un?ala pi? alta, aggiungendo semplicemente una sezione dell?ala. Questa ? una caratteristica che consente di realizzare una forte economia di scala, poich? con uno stesso componente ? possibile realizzare ali di diverse dimensioni e quindi di diversa potenza. Poich? questa ala asimmetrica, pu? utilizzare lo stesso tipo di profili alari usati in aeronautica ? possibile sfruttare molte conoscenze e tecnologie sviluppate per questo settore, rendendo l?invenzione subito realizzabile e industrializzabile.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1) Ala asimmetrica a curvatura invertibile comprendente:

Due o pi? sezioni anteriori dell?ala (2) nelle quali l?ala ? divisa, due o pi? sezioni posteriori dell?ala (3) nelle quali l?ala ? divisa e un albero (1) tra loro interposto, composto da una, due o pi? sezioni, un numero di perni di rotazione (4), perpendicolare all?asse longitudinale dell?albero, pari al numero delle sezioni dell?ala anteriori o posteriori, uno o pi? perni di rotazione coassiali all?asse longitudinale dell?albero (5) quando l?albero ? diviso in due o pi? sezioni, un piede dell?albero (9) libero di ruotare di 360 gradi nella sua sede, un attuatore (10) per ogni perno di rotazione (4) perpendicolare all?albero, un attuatore (11) per ogni perno di rotazione (5) coassiale con l?albero , un attuatore (12) connesso al piede dell?albero (9) per farlo ruotare di un angolo compreso tra 0 gradi e 360 gradi, un sensore di velocit? e direzione del vento (13) sul bordo d?attacco di ogni sezione dell?ala, una centralina di controllo per controllare ogni sensore di velocit? e ogni attuatore e conseguentemente per controllare l?intero sistema operativo.

2) Ala asimmetrica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che le sezioni dell?ala anteriori (2) e le sezioni dell?ala posteriori (3) formano con l?albero (1) tra loro interposto, un?ala con profilo alare asimmetrico, anche del tipo concavo convesso.

3) Ala asimmetrica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che ogni perno di rotazione (4) inserito nell?albero (1) connette tra loro una sezione dell?ala anteriore (2) e una sezione dell?ala posteriore (3), consentendogli una rotazione di 180 gradi da un lato e di 180 gradi dall?altro lato.

4) Ala asimmetrica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che le sezioni dell?ala anteriori (2) e posteriori (3) ruotando di 180 gradi sui perni di rotazione (4) invertono il senso di curvatura dell?ala.

5) Ala asimmetrica secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che nel caso che l?albero (1) sia composto da due o pi? sezioni, queste sono unite da uno o pi? perni di rotazione (5) coassiali all?asse longitudinale dell?albero e ruotano l?una relativamente alle altre, supportate dai suddetti perni verso un lato o verso l?altro , per orientare le sezioni dell?ala, a loro collegate, in accordo all?angolo del vento apparente,

6) Ala asimmetrica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che ogni sezione dell?ala anteriore connessa con la sezione dell?ala posteriore, ruotando di 90 gradi o angolo prossimo a 90 gradi, riduce il carico aerodinamico, che si riduce in proporzione al numero di sezioni dell?ala che vengono ruotate.

7) Ala asimmetrica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che ogni perno di rotazione perpendicolare all?albero (4), ogni perno di rotazione coassiale all?albero (5) e il piede dell?albero sono rispettivamente connessi ad attuatori che hanno il compito di portarli in rotazione.

8) Ala asimmetrica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che per ali di dimensioni piccole, al posto degli attuatori, i perni sono portati in rotazione da cavi, corde, tiranti e simili.

9) Ala asimmetrica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il piede dell?albero ? snodato, per poterlo abbassare e risollevare, quando ? necessario ridurre l?altezza massima dell?imbarcazione.

10) Ala asimmetrica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che l?albero e quindi l?ala ruotano su 360 gradi per orientarsi al vento.