IT202100021137A1 - Turbina idraulica - Google Patents

Description

Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:

?TURBINA IDRAULICA?.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una turbina idraulica.

Lo stato dell?arte per quanto riguarda le turbine in commercio ? costituito in gran parte dall?utilizzo di opere edili con ?salti?, in modo e maniera da ottenere il massimo della spinta utile sulle poche pale che sono investite dal fluido.

Pelton, Francis e Kaplan sono le principali turbine per idroelettrico e rispetto ad esse i tecnici cercano di realizzare il massimo della velocit? possibile utilizzando salti e agendo su una relativamente piccola porzione della turbina, in quanto tutto il resto si trova in posizione neutra o addirittura svantaggiosa rispetto alla rotazione.

Il problema della zona neutra o addirittura negativa ? stato affrontato anche da turbine ad asse verticale, con problematiche tuttavia simili. Turbina Cross Flow e Turbina Banky Ossberger sono turbine orizzontali, ma non centrifughe, ed anche queste hanno un tipo di funzionamento di poco dissimile da quelle sopracitate.

Tale tipologia di turbina ? descritta nel documento brevettuale n. IT102015000049803 in cui la turbina presenta un asse di rotazione disposto orizzontalmente. Tale disposizione non consente un?efficiente produzione di energia idroelettrica o meccanica.

Tutti i tipi di turbina esistenti per ottenere dei buoni risultati devono basarsi su salti, dighe o forti pendenze, dovendo sfruttare direttamente l?impatto dell?acqua sulla parte che esercita la maggiore leva di rotazione (rapporto di coppia). Di conseguenza devono necessariamente essere molto robuste e pesanti e questo ne riduce la possibilit? d?impiego e la capacit? utile. Tutto il settore idroelettrico si caratterizza come dipendente da importanti opere di carattere edile.

Tali turbine sono suscettibili di ulteriori perfezionamenti mirati ad efficientare la produzione di energia, idroelettrica o meccanica, migliorandone la rotazione e il contatto con il flusso di acqua entrante.

Il compito principale della presente invenzione ? quello di escogitare una turbina idraulica per la produzione di energia idroelettrica o per la produzione e l?utilizzo remoto di energia meccanica.

Uno scopo del presente trovato ? quello di escogitare una turbina idraulica che ne consenta l?impiego in tutti i tipi di acqua fluente, senza la necessit? di ricorrere ad opere edili.

Inoltre, queste acque, fino ad ora non sfruttabili per la produzione di energia elettrica in termini di convenienza, possono essere sfruttate anche in serie grazie a questo nuovo tipo di turbina.

La turbina secondo il trovato consente di trattare l?elemento acqua senza opere edili d?impatto ambientale e sfruttando vantaggiosamente le caratteristiche fisiche dell?elemento acqua nel suo movimento naturale. La turbina viene, cos?, investita senza violenza e sull?intera superficie delle pale.

Ripartiti i pesi in modo equilibrato sull?intera superficie utile delle pale, il peso per millimetri quadrati risulter? di conseguenza molto inferiore.

Altro scopo del presente trovato ? quello di alleggerire tutte le parti della turbina, consentendo di utilizzare materiali ultraleggeri.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di una turbina idraulica, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:

la figura 1 ? una vista in assonometria della turbina idraulica secondo il trovato;

la figura 2 ? una vista in dettaglio della turbina di figura 1;

Con particolare riferimento a tali figure, si ? indicato globalmente con 1 una turbina idraulica.

Preferibilmente, la turbina 1 ? una turbina centrifuga.

Secondo il trovato, la turbina 1 comprende una sezione centrale 2 (Figura 2) comprendente una pluralit? di pale centrali 3 di forma sostanzialmente piana, disposte a raggiera.

Inoltre, la turbina 1 comprende una centina 4 e provvista di una pluralit? di forature di scarico 5 e in prossimit? della zona centrale 2 atta a definire una zona di turbolenza ed aumento di pressione (Figura 2 ? porzione compresa tra le frecce I e I1).

Preferibilmente, la centina 4 ? disposta parallelamente al flusso di acqua in entrata nella turbina 1.

In particolare, le forature di scarico 5 della centina 4 definiscono sostanzialmente la sagoma di un fiore.

Ancora, la turbina 1 comprende una pluralit? di pale laterali 6 (Figura 2) aventi una piegatura a raggio 7 che termina all?uscita in prossimit? di rispettive corone laterali 8, la cui forma ? atta a convogliare il flusso d?acqua in direzione perpendicolare (rappresentato in figura 2 con la freccia I), e in uscita attraverso rispettive corone laterali 8 (rappresentato in figura 2 con la freccia O).

Vantaggiosamente, la turbina 1 ? immersa almeno parzialmente in acqua fluente.

In accordo con una preferita forma di attuazione del trovato, la turbina 1 ? ad immersione totale per acqua fluente.

Secondo il trovato, la turbina 1 presenta un asse di rotazione X sostanzialmente ortogonale al flusso dell?acqua entrante.

Preferibilmente, l?asse di rotazione X ? disposto verticalmente.

Inoltre, la turbina 1 comprende un elemento ad albero 11 disposto centralmente alle pale centrali 3 e alle pale laterali 6.

L?albero 11 ? provvisto di una pluralit? di scanalature 111, presentanti una direzione di sviluppo longitudinale sostanzialmente parallela all?asse di rotazione X.

Come visibile nelle figure, le scanalature 111 si sviluppano per l?intera lunghezza dell?elemento ad albero 11.

Vantaggiosamente, le scanalature 111 sono disposte radialmente sull?elemento ad albero 11.

Ci? significa che le scanalature 111 sono disposte radialmente rispetto all?asse di rotazione della turbina 1.

Vantaggiosamente, le scanalature 111 presentano un profilo curvilineo.

Ciascuna scanalatura 111 presenta un raggio di curvatura ad ampiezza predefinita.

Pi? nel dettaglio, ciascuna scanalatura 111 definisce una porzione concava destinata, in uso, a direzionare il flusso di acqua attorno all?asse di rotazione X.

A questo scopo, il raggio di curvatura di ciascuna porzione concava presenta un?ampiezza costante o variabile.

In altre parole, quando il raggio di curvatura della porzione concava ? costante quest?ultima ? simmetrica rispetto ad un asse di simmetria passante per la scanalatura 111.

In alternativa, quando il raggio di curvatura della porzione concava ? variabile, quest?ultima si presenta asimmetrica rispetto ad un asse di simmetria passante per la scanalatura 111.

In quest?ultimo caso, il raggio di curvatura variabile definisce una concavit? ?inclinata? verso la direzione della rotazione della turbina, in modo da favorire il flusso dell?acqua passante e la rotazione dell?elemento ad albero 11.

Come visibile nelle figure, ciascuna scanalatura 111 ? disposta sull?elemento ad albero 11 adiacente ad una rispettiva porzione convessa 112, le pale laterali 6 e le pale centrali 3 sono disposte rispettivamente in corrispondenza delle porzioni convesse 112.

Ci? significa che ciascuna scanalatura 111 ? alternata ad una rispettiva porzione convessa 112 in corrispondenza della quale sono disposte le pale laterali 6 e le pale centrali 3.

L'elemento ad albero 11 della turbina sporge assialmente verso l'alto ed ? collegato ad un generatore elettrico 20.

In altre parole, il generatore elettrico 20 ? disposto superiormente alla turbina 1 e associato all?estremit? superiore dell?elemento ad albero 11. Si specifica che nell?ambito della presente trattazione aggettivi come ?altro?, ?basso?, ?inferiore? e superiore? sono da intendersi con riferimento alla configurazione di normale utilizzo della turbina, ossia con riferimento alla turbina almeno parzialmente immersa in un liquido e con l?elemento ad albero disposto sporgente rispetto al liquido.

Inoltre, in accordo con un?alternativa forma di realizzazione, la turbina 1 comprende almeno un elemento convogliatore, non rappresentato nelle figure, atto ad interagire con le pale laterali 6 e centrali 3, la centina 4 e le corone laterali 8.

Le corone laterali 8 comprendono un foro centrale 8a e una pluralit? di fori di scarico 8b

L?elemento convogliatore determina il flusso della corrente idraulica sulle pale 3, 6, secondo l?inclinazione voluta ed inoltre favorisce le depressioni che richiamano il controflusso sulle pale 3, 6 posteriori.

In particolare, l?elemento convogliatore comprende una pluralit? di setti con inclinazioni variabili e regolabili assecondando la velocit? specifica dell?acqua sul luogo d?installazione.

Questo setti dell?elemento convogliatore vengono anche utilizzati come dispositivo di frenata meccanica.

La frenata ? regolata tramite molle a trazione che in caso di eccessivo flusso le permettono di alzarsi andando ad investire la turbina 1 sull?intera superficie (anche quella del controflusso) e in questo modo ne rallentano la rotazione.

Nella fattispecie, all?elemento convogliatore pu? essere associata una tavola galleggiante di sostegno, non rappresentata nelle figure.

La tavola galleggiante ? posta sopra l?intero elemento convogliatore (non indispensabile ed utile solo per alcune circostanze e per questo non presente in Figura 1) regge l?intero peso ed ? in grado di far seguire allo strumento il variare dell?altezza del fiume, o del canale, o del corso d?acqua, o del livello marino. Sopra la tavola galleggiante saranno posizionati l?alternatore a magneti permanenti, la dinamo o il rimando meccanico o quant?altro sia utile per il rimando dell?energia e che rientra nell?arte nota.

In figura 2 sono schematicamente rappresentate le caratteristiche di originalit? nel flusso d?acqua.

Le pale 3, 6 (Figura 2) investite dal flusso creano in direzione del centro della turbina 1 un effetto Venturi, l?acqua trova le vie di fuga nelle forature di scarico 5 della centina 4 a fiore. L?acqua si trova ora sulle sezioni verticali 10 (Figura 2). Le pale 6 che l?acqua incontra hanno una forma ad invito verso l?esterno. Nelle corone laterali 8 aumenta ulteriormente la foratura che direziona il flusso dell?acqua perpendicolarmente verso l?esterno nel dettaglio in Figura 2 e indicato con la freccia O.

In figura 2 le frecce O rappresentano le uscite centrifughe, perpendicolari e favorite dalla depressione causata dall?elemento convogliatore, a loro volta formano una depressione che favorisce il richiamo dell?acqua contro il normale flusso.

Il normale flusso, rappresentato schematicamente dalle frecce I, spinge le pale 3, 6 della turbina 1 che sono investite nella direzione voluta e per l?intera superficie incontrata. Il normale flusso dell?acqua I, investendo le pale 3, 6 della turbina 1 da monte a valle, innesca il movimento rotatorio sull?albero 11 (Figura 2), montato a sua volta su cuscinetti a sfera 12 (Figura 2) che ne agevolano la rotazione.

Vantaggiosamente, l?entrata tra le pale 3, 6 della turbina 1 risulta essere di due terzi maggiore dello spazio in uscita tra le due pale 3, 6. Questo d? luogo all?effetto Venturi nella direzione del flusso fino al centro della turbina stessa, qui si offre al flusso la sola possibilit? di uscita perpendicolare (Figura 2 ? frecce O) grazie alle forature di scarico 5 delle centine 4 e delle corone laterali 8 ed il flusso viene incanalato verso l?esterno, a velocit? superiore di tre volte rispetto a quella d?ingresso in turbina 1. La caratteristica tipica ed unica derivante dallo sfruttamento dell?effetto Venturi e dell?effetto centrifugo incanalato lateralmente ? quella di creare una barriera o lama d?acqua ad altissima velocit? che va ad ostacolare, fuori dalla turbina 1, il normale flusso di acqua corrente. A valle di questa barriera, formata dall?elemento stesso, si crea una depressione naturale che richiama la stessa acqua ad alta velocit?, ad investire le pale 3, 6 a valle, schematicamente rappresentato in figura 2 con le frecce I1, in modo utile al moto della turbina 1. In questo modo si ingenera anche controcorrente lo stesso moto in entrata nella turbina 1 proveniente da monte. Di conseguenza anche da valle verso monte si ha l?entrata dell?acqua con la spinta sulle pale 3, 6 che genera il moto rotatorio e, con simmetrico ingresso e la medesima uscita, nelle proporzioni di cui sopra, ingenera lo stesso effetto Venturi verso il centro della turbina 1. Questo flusso (Figura 2 ? freccia I1) ingenera con la stessa uscita verticale e centrifuga (Figura 2 ? freccia O), ma a partire da valle e verso monte.

Ora le pale 3, 6 sono investite ingenerando il moto rotatorio sull?intera superficie di tutta la turbina 1, aumentando la capacit? complessiva della turbina di realizzare il moto rotatorio e, contemporaneamente, distribuendo in modo omogeneo sia i pesi, sia le pressioni sull?intero dispositivo.

Le frecce I1 indicatrici del moto rappresentano il controflusso (Figura 2 ? I1) che ? il risultato complessivo che si ottiene dalla contemporanea attivit? dell?elemento convogliatore e del disegno geometrico della turbina stessa (Figura 2). ? il movimento dell?acqua stesso a creare una barriera che causa la depressione a valle e favorisce l?attivit? controcorrente della turbina stessa.

La turbina 1 secondo il trovato ? originale ed innovativa proprio per questo diverso utilizzo dei flussi di corrente, che porta ad avere il peso dell?acqua utilizzato per la spinta perfettamente distribuito sull?intera superficie della turbina 1, anzich? solo su una o alcune parti.

La conseguenza ? che la sollecitazione meccanica delle pale 3, 6 ? talmente ben distribuita che ? possibile utilizzare molto meno materiale e realizzare una turbina 1 molto pi? leggera.

Una parte originale dell?invenzione ? la geometria delle pale 3, 6 adatte allo scopo e nella versione regolabile, adatte a qualsiasi velocit? del flusso.

Tutte le altre turbine normalmente in commercio ricevono violentemente un flusso ad alta velocit? su una parte delle pale, cio? quelle investite dal flusso, e spesso anche da un salto d?acqua, perci? sono soggette a dover sostenere una spinta in Kg per mm<2 >molto alta.

Ci? determina la scelta dei materiali, il loro spessore, per avere la resistenza necessaria e perci? il loro peso sar? la diretta conseguenza di queste necessit?.

Le turbine normalmente reperibili sul mercato, perci?, sono molto pesanti e richiedono opere idrauliche ed edili.

La turbina secondo il trovato ? diversa ed originale anche nella forma.

? completamente immersa nell?elemento, perci? in una situazione di pressione omogenea, e riceve il suo moto circolare con continuit? su tutta la superficie.

Le pale 3, 6 convogliano e deviano il flusso in senso perpendicolare grazie alla forma e grazie alle depressioni, per cui si trovano ad essere scarsamente sollecitate dal punto di vista meccanico.

Per questo motivo le parti meccaniche che compongono la turbina secondo il trovato possono essere di molto alleggerite e, per quanto con il peculiare disegno, che ? destinato ad un moto rotatorio, richiamano le tecnologie e le tecniche utilizzate nel settore aerospaziale pi? che quelle idriche o idroelettriche classiche.

La centina 4 ? parte integrante e determinante della presente invenzione. Questa particolarissima centina 4 ? quella che regge l?intero peso di tutte le pale 3, 6 e grazie alla sua struttura, scaricata da pesi superflui e alleggerita dalle forature di scarico 5, alleggerisce il peso dell?intera turbina e contemporaneamente ha ben pi? della tenuta meccanica necessaria a gestire lo sforzo negli anni.

Questa centina 4 pu? avere uno spessore inferiore ad 1 mm e una tenuta meccanica al punto critico di rottura molto elevato nonostante la leggerezza e l?aspetto delicato.

In particolare, la centina 4 a fiore ? destinata a reggere il peso delle pale 3, 6 che, ricevendo la spinta dell?acqua, ingenerano il moto rotatorio. Queste sono immerse nell?acqua e devono scaricare verso l?esterno la massa d?acqua che, compressa nell?imbuto formato dalle pale stesse, ha aumentato la sua velocit? secondo lo schema dell?effetto Venturi.

Caratteristiche della centina 4 a fiore, oltre alla straordinaria tenuta meccanica rispetto al peso, sono:

1. le fessure da 1 mm dove vengono infilate delle alette delle pale 3, 6, che saranno fermate con piegatura;

2. gli scarichi e le forature di scarico 5 della centina 4 a fiore che veicolano in modo opportuno il flusso centrifugo dalle pale centrali 3 (Figura 2) verso le due serie di pale laterali 6 (Figura 2) e, da qui, attraverso le corone laterali 8, uscir? l?acqua.

La centina 4 a fiore si trova sulla sezione centrale 2 e sorregge le pale non direzionali. Dalla sezione centrale 2 (Figura 2) l?acqua fuoriesce per la pressione centrifuga.

La centina 4 a fiore oltre alla sua funzione di sorreggere l?intero peso della turbina 1 svolge anche una funzione attiva nel veicolare i flussi.

La centina 4 a fiore ha anche funzione di sicurezza estrema in caso d?incidente: il suo punto critico di rottura ? al centro vicino all?albero 11 (Figura 2). In caso di rottura l?intera turbina 1 andr? perci? ad incastrarsi sull?albero stesso senza poter rilasciare parti all?esterno.

Dal punto di vista strutturale le pale si differenziano in funzione della loro posizione sull?albero 11.

La pala laterale 6, con la sua forma caratteristica, sulla parte piana accoglie il flusso diretto e, dal centro della turbina 1, accoglie anche la massa di acqua in uscita dalla sezione centrale 2 (Figura 2) tramite le forature di scarico 5 della centina 4 a fiore. La forma della piegatura a raggio sul lato esterno della pala 6 avvia in avvitamento l?acqua dal centro verso l?esterno agevolando ulteriormente il movimento centrifugo e l?uscita perpendicolare del flusso (Figura 2 ?O).

La pala centrale 3 preme verso il centro della turbina 1 e l?attivit? centrifuga avviene per pressione e depressione.

La pala centrale 3 veicola il flusso al centro e verticalmente verso l?esterno per pressione, come nel pi? classico dei movimenti delle turbine centrifughe.

La turbina 1 secondo il trovato pu? essere costruita in qualsiasi tipo di materiale, sia metallo, sia materie plastiche o lignee o altro, ma ? sempre preferibile l?utilizzo di materiali ecologici o comunque totalmente riciclabili allo stesso utilizzo: ad esempio totalmente di Alluminio o, per specifiche applicazioni, Titanio come nel caso di acqua salmastra.

Preferibilmente, la turbina 1 ? realizzata almeno in parte in carbonio.

Tuttavia, non si esclude dall?ambito della presente trattazione che la turbina 1 sia realizzata almeno in parte in un materiale composito.

Le due corone laterali 8 al centro sono aperte da un grande foro circolare 8a e sono scaricate con altri fori di scarico 8b in corrispondenza delle uscite tangenziali delle pale laterali 6.

Sono molto leggere e sorrette dalle pale stesse in quanto subiscono pochissima pressione meccanica.

Forma e leggerezza consentono alla turbina 1 secondo il trovato di ruotare e produrre energia in immersione totale in un corso d?acqua, sfruttando in modo pressoch? identico il flusso della corrente e contemporaneamente e totalmente il flusso contro corrente.

Per questo motivo la turbina 1 secondo il trovato ha anche la caratteristica di lavorare con scarso flusso di acqua ed ? perci? adatta anche allo sfruttamento dell?energia cinetica di maree e correnti marine.

La turbina 1 secondo il trovato non ha alcun impatto ambientale negativo, produce energia cinetica, meccanica o elettrica, e immediatamente fuori dalla sua stretta area di attivit? l?acqua ricomincer? a defluire in modo normale, rendendo possibile la sua installazione illimitatamente sui corsi d?acqua, canali o in presenza di correnti marine anche di lieve entit?.

Si ? in pratica constatato come l?invenzione descritta raggiunga gli scopi proposti.

In particolare, si sottolinea che il particolare accorgimento di prevedere una turbina notevolmente leggera rispetto alle turbine di tipo noto unito al fatto che il suo utilizzo si sviluppa sull?intera superficie porta come conseguenze:

? l?abbattimento dei costi di produzione;

? l?aumento del numero dei giri minuto come conseguenza diretta della leggerezza;

? l?aumento della pressione di spinta nel rapporto pressione/velocit? per via delle superfici operative che ora sono diventate tutte e non solo alcune o una parte di esse;

? l?originale movimento contro corrente ? determinato dalla forma geometrica della turbina: l?alleggerimento ? fondamentale per aumentarne sia il rendimento, sia la semplice capacit? di rotazione; ? per via della raggiunta leggerezza la turbina secondo il trovato ? attiva con velocit? anche inferiori a 0,2 metri al secondo.

A ci? si aggiunge il fatto che la turbina secondo il trovato ? caratterizzata dal fatto che le uscite centrifughe verticali creano una lama d?acqua che costituisce un ostacolo al flusso, richiamandolo cos? l?acqua nella zona di depressione che si trova ora a valle della stessa turbina.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1) Turbina (1) idraulica, comprendente:

- una sezione centrale (2) comprendente una pluralit? di pale centrali (3) di forma sostanzialmente piana, disposte a raggiera;

- una centina (4) provvista di una pluralit? di forature di scarico (5) e in prossimit? di detta sezione centrale (2) atta a definire una zona di turbolenza ed aumento di pressione;

- una pluralit? di pale laterali (6) aventi una piegatura a raggio (7) che termina all?uscita in prossimit? di rispettive corone laterali (8), la cui forma ? atta a convogliare il flusso d?acqua in direzione perpendicolare (O) e in uscita attraverso rispettive corone laterali (8)

- un elemento ad albero (11) disposto centralmente a dette pale centrali (3) e a dette pale laterali (6);

caratterizzata dal fatto che detta turbina (1) presenta un asse di rotazione sostanzialmente ortogonale al flusso dell?acqua entrante e dal fatto che detto elemento ad albero (11) comprende una pluralit? di scanalature (111) presentanti una direzione di sviluppo longitudinale sostanzialmente parallela a detto asse di rotazione (X).

2) Turbina (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto asse di rotazione ? disposto verticalmente.

3) Turbina (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette scanalature (111) sono disposte radialmente su detto elemento ad albero (11).

4) Turbina (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette scanalature (111) presentano un profilo curvilineo.

5) Turbina (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che ciascuna di dette scanalature (111) presenta un raggio di curvatura ad ampiezza predefinita.

6) Turbina (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che ciascuna di dette scanalature (111) definisce una porzione concava destinata, in uso, a direzionare detto flusso di acqua attorno a detto asse di rotazione (X).

7) Turbina (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette scanalature (111) ? disposta su detto elemento ad albero (11) adiacente ad una rispettiva porzione convessa (112), dette pale laterali (6) e dette pale centrali (3) essendo disposte rispettivamente in corrispondenza di dette porzioni convesse (112).

8) Turbina (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette scanalature (111) si sviluppano per l?intera lunghezza di detto elemento ad albero (11).

9) Turbina (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di essere immersa almeno parzialmente in acqua fluente.

10) Turbina (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che comprende almeno un generatore elettrico (20) associato ad un?estremit? di detto elemento ad albero (11).