ITAN20120041U1 - Turbina idraulica tronco-conica elicoidale aspirante. - Google Patents

Description

Titolo: “Turbina idraulica tronco-conica elicoidale aspirante”.

Descrizione

Campo dell'Invenzione

II presente trovato si colloca nel settore delle macchine idrauliche, dette anche macchine motrici, intendendosi per esse delle macchine capaci di trasformare Γ energia da una fonte primaria, in questo caso Γ energia contenuta in un fluido, in energia meccanica e successivamente, mediante un alternatore, in energia elettrica e concerne una turbina idraulica di forma tronco-conica in grado di trasformare Γ energia cinetica per gravità del fluido che scende al suo interno in energia meccanica rotativa che viene trasmessa ad un generatore per la produzione di energia elettrica.

Background dell'Invenzione

Dal punto di vista costruttivo, la turbina è Γ elemento più importante della centrale idroelettrica. Per realizzare il massimo rendimento possibile vengono utilizzati differenti tipi di turbine idrauliche.

La scelta della turbina dipende strettamente dalle caratteristiche morfologiche del corso d’acqua, in particolare dal salto geodetico, ovvero la differenza di quota tra il punto di presa dal corso d’acqua e la turbina, e dalla portata, intendendosi per essa la quantità di fluido che attraversa una sezione di area in una unità di tempo.

Allo stato della tecnica nota, nel settore delle macchine motrici per la produzione di energia elettrica esistono le seguenti macchine:

1 .Vite di Archimede

2. Turbina Kaplan

3 . Turbina Pelton

4. Turbina Francis

5. Turbina Banki o Micheli (a flussi incrociati).

La Vite di Archimede o coclea idraulica è una macchina costituita da una grossa vite posta airintemo di un tubo. La parte inferiore del tubo è immersa nell'acqua (o in ciò che deve sollevare), dopodiché, ponendo in rotazione la vite, ogni passo raccoglie un certo quantitativo di liquido, che viene sollevato lungo la spirale fino ad uscire dalla parte superiore, dove viene scaricata in un bacino di accumulo o direttamente nel corso d’acqua.

I costi di costruzione di una coclea idraulica sono decisamente inferiori in relazione a quelli di una turbina tradizionale, ma il rendimento di una turbina tradizionale è di gran lunga superiore rispetto a quello di una coclea idraulica. La turbina Kaplan è una turbina a flusso assiale, ovvero una turbina nella quale il fluido entra in direzione assiale rispetto all’ asse di rotazione della girante e fuoriesce sempre assialmente alla girante stessa, non subendo pertanto una rotazione durante il suo transito attraverso la girante, come invece avviene nella turbina Francis.

Le turbine Kaplan operano con salti geodetici utili massimi di 10 m.

Dette turbine vengono realizzate con le pale orientabili, così come il distributore; pertanto il flusso risulta indirizzato, al variare della portata, secondo una direzione ottimale dovuta all’ orientamento sia delle pale statoriche che di quelle rotoriche e da questo deriva un rendimento piuttosto elevato sull’intero campo di funzionamento della turbina.

Inoltre esse sono dotate di una piccola tromba di scarico che comporta sul fluido un effetto Venturi, ossia un fenomeno fisico secondo il quale, tenendo presente che per il flusso di un fluido vale l'equazione di continuità si avrà che ad una diminuzione della sezione corrisponde un aumento della velocità; tale aumento di velocità nella strozzatura, poiché la somma dei termini nell'equazione di Bemoulli deve anch'essa rimanere costante, si traduce in una diminuzione della pressione nella zona a sezione ridotta del tubo.

La turbina Kaplan ha un buon funzionamento in regime di portate variabili. La turbina Pelton ha una girante costituita da un disco alla cui periferia è fissato un numero elevato di pale a forma di doppio cucchiaio. Il fluido viene inviato ad alta velocità al centro della pala in moto, si divide simmetricamente in due parti, scorre sul fondo dei due cucchiai e fuoriesce alLindietro, rispetto alla girante, con una componente della velocità all’ esterno lungo l’asse della macchina. Per la simmetria delle pale non si hanno spinte assiali sull’albero motore. Il fluido che investe le pale fuoriesce da un distributore costituito da un foro circolare.

La Turbina Pelton è caratterizzata da un elevato rendimento e generalmente viene utilizzata per salti geodetici dell’ordine di 100 m.

La turbina Francis è una turbina a flusso centripeto, ovvero una turbina nella quale il fluido entra circonferenzialmente e fuoriesce assialmente alla girante stessa, ruotando perciò di 90° durante il suo transito attraverso la girante.

Le caratteristiche di questa turbina in termini di geometria la rendono adeguata ad operare in regimi di salti geodetici dell’ ordine di 30 m.

La regolazione della portata viene effettuata attraverso una palettatura statorica a geometria variabile posta circonferenzialmente alla girante in corrispondenza della sezione di ingresso delle pale rotoriche e Tinsieme viene racchiuso in una cassa a forma di chiocciola.

La turbina Francis è dotata di una piccola tromba di scarico del fluido che comporta quindi un esiguo effetto Venturi.

La turbina Banki o Micheli (a flussi incrociati) ha un principio di funzionamento secondo il quale l’acqua entra nella turbina attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota; una volta abbandonato quest’ultimo il flusso cambia di direzione al centro della ruota e s’infila nel secondo stadio, totalmente ad azione. La ruota è costituita da due o più dischi paralleli, tra i quali si montano le pale.

Turbine del tipo Francis, Banki-Michell, Kaplan o Pelton sono note da decenni ed ormai largamente impiegate nel settore delle risorse alternative. Una caratteristica che accomuna le convenzionali turbine è data dal fatto che, sostanzialmente, sfruttano dei salti d’acqua, la cui dimensione e quantità determina la scelta di una turbina piuttosto che un’altra.

Divulgazione dell'Invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare una turbina che sia in grado di avvicinare ed anche eguagliare il rendimento idraulico della turbina Kaplan, ma che abbia un sistema meccanico semplice come quello della Coclea Idraulica, comportante costi di realizzazione e di mantenimento notevolmente inferiori rispetto alla turbina Kaplan.

Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un impianto idroelettrico con rendimento idraulico elevato nelle zone in cui la conformazione orografica del terreno è tale da impedire la realizzazione di una centrale idroelettrica dotata di turbina Kaplan, Pelton, Banki-Michell o Francis, data la complessità di realizzazione e di mantenimento di queste ultime.

Scopo ulteriore della presente invenzione è quello di poter disporre, in quelle zone in cui non sia possibile installare una turbina Kaplan, di un sistema per la produzione di una pari quantità di energia elettrica che sia idoneo ad ogni esigenza e quindi di un sistema che sia semplice dal punto di vista meccanico, che abbia un rendimento elevato e inoltre che abbia costi di realizzazione e di manutenzione esigui.

Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di realizzare una centrale idroelettrica avente i seguenti vantaggi:

• Una maggiore solidità, robustezza, resistenza all’usura della turbina rispetto a quelle tradizionali.

• Una maggiore fattibilità rispetto a quella delle centrali idroelettriche con turbine tradizionali.

• Nessuna manutenzione per pulizia, brevissimi periodi di fermo macchina. • Le portate e i livelli d’acqua variabili, in afflusso e in deflusso, influenzano in maniera irrilevante il rendimento, il funzionamento e il servizio di detto sistema.

· Il funzionamento a secco non danneggia il sistema, così come corpi solidi nella corrente.

• La possibilità di rinunciare all’uso di griglie fini, necessariamente usate nelle turbine e nelle ruote ad acqua per l’arresto dei detriti alluvionali.

• L’installazione in un corso fluviale può avere luogo per lo più senza modificazione dell’alveo naturale.

• L’elevata tollerabilità da parte della fauna ittica, tant’è che l’impiego di tale sistema può risolvere allo stesso tempo sia i problemi di energia sia quelli della salvaguardia della migrazione ittica.

• Per il minore battente d’acqua in uscita, questo sistema non ha bisogno di alcun lavoro nella zona dello scarico a valle.

Questi ed altri scopi vengono raggiunti dalla presente invenzione che concerne una macchina per la produzione di energia elettrica caratterizzata da un sistema di elementi meccanici composto da un elicoide tronco-conico e da due cuscinetti situati rispettivamente alla base e all’ apice di detto elicoide il cui passo logaritmico aumenta al diminuire della superficie laterale dell’ elicoide tronco-conico man mano che si scende verso il basso, con Γ effetto che la velocità del fluido, a parità di portata liquida, aumenti.

Il fluido nella parte alta del tronco di cono viene avviato ad una sezione di discesa. In ogni sezione il fluido è confinato tra Γ elica superiore -intendendosi per essa ogni singolo avvitamento dell’ elicoide rispetto all’asse -l’elica inferiore e la superficie laterale della porzione di tronco di cono; di conseguenza, il volume fluido nella sua discesa modifica la sua forma, tendendo a prendere le dimensioni del contenitore, la cui sezione man mano diminuisce essendo l’elicoide tronco-conico, con il risultato che la velocità del fluido aumenta anche per la diminuzione progressiva della superficie laterale dell’elicoide, producendo sul fluido un duplice effetto: di compressione e di aspirazione.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno maggiormente dall’unito disegno e dalla descrizione della sua forma di esecuzione, preferita ma non esclusiva, in cui:

la Fig. 1 raffigura in sezione un impianto idroelettrico secondo la tecnica nota, con gli elementi costituiti da una turbina tronco-conica aspirante (1) e cioè: un elicoide (2) le cui pale (3) hanno passo logaritmico, ovvero crescente man mano che si scende verso il basso; uno chassis o duomo (4), ovvero il corpo rigido sul quale sono fissate le pale dell’elicoide; la superficie di rivoluzione tronco-conica esterna (5) che ricopre l’elicoide (2); due cuscinetti (6a) e (6b) situati rispettivamente alla base e all’apice di detto elicoide (2).

Descrizione dettagliata dell'Invenzione

Il fluido nella parte alta del tronco di cono viene avviato ad una sezione di discesa. In ogni sezione il fluido è confinato tra Γ elica superiore, Γ elica inferiore e la superficie laterale di rivoluzione della porzione di tronco di cono interessata.

La superficie di rivoluzione tronco-conica esterna (5) è caratterizzata in ingresso da un determinato valore di DN, intendendosi con DNil diametro nominale, molto superiore rispetto al valore che esso assume in uscita.

Il valore del diametro di ingresso DNdetermina il volume del fluido che scorre all’ interno del sistema e conseguentemente la definizione del passo dell’ elica.

Il volume fluido quindi nella sua discesa modifica la sua forma, tendendo a prendere le dimensioni del contenitore.

In relazione a quanto sopra espresso si può affermare che, tenendo presente che per il flusso di un fluido vale l'equazione di continuità, si avrà che ad una diminuzione della sezione corrisponde un aumento delle velocità.

Con la diminuzione progressiva della superficie di rivoluzione tronco-conica esterna (5) dell’ elicoide (2) e l’aumento progressivo della velocità, a seguito di una scomposizione delle forze lungo l’asse del moto del fluido, gli effetti che si producono su di esso, per il principio fisico di Venturi, saranno: nella sezione di ingresso del tronco di cono, di compressione e, in corrispondenza della sezione di uscita, di aspirazione in quanto l’aumento di velocità nella zona a sezione ridotta del tubo si traduce in una diminuzione della pressione e pertanto il fluido nella sezione di uscita viene aspirato.

E grazie alla forma tronco-conica dell’ elicoide (2) che si ha questo progressivo aumento della velocità verso il basso, il che comporta un rendimento della turbina maggiore rispetto a quello che si sarebbe potuto avere con una coclea idraulica e quasi pari al rendimento di una turbina Kaplan.

I profili ad elica di detto elicoide (2) sono sagomati di forma convessa e sono contenuti in una parete esterna di rivoluzione che ha una funzione strutturale e di contenimento del fluido.

La palettatura (3) fissata allo chassis o duomo (4) è contenuta in un involucro chiuso (5) di forma tronco-conica.

L’abbinamento di queste tre parti di rivoluzione costituisce il rotore.

La superficie di rivoluzione tronco-conica esterna (5) dell’ elicoide (2) ha la funzione di contenimento del fluido, oltre ad avere la funzione strutturale per i vari principi d’elica.

Le caratteristiche geometriche del rotore (passo elica, angolo elica, diametro, numero di principi), possono variare a seconda dell’ applicazione, migliorando il rendimento in funzione delle condizioni di utilizzo in regime di portate variabili.

Tale macchina funziona in due diverse modalità:

1. Duomo mobile: lo chassis (duomo) (4) ruota in maniera solidale al tronco di cono (2) della turbina, ovvero il telaio esterno (5) della turbina rotante è solidale al sistema tronco-conico (2) della turbina.

2. Duomo fisso: lo chassis (4) è solidale alla struttura esterna in calcestruzzo dell’impianto idroelettrico e ruota solo il tronco di cono (2), ovvero il telaio (5) della turbina è fisso inghisato alla struttura in calcestruzzo della centrale idroelettrica.

II contatto tra l’elicoide (2) e la superficie di rivoluzione tronco-conica esterna (5) non è completamente a tenuta stagna; la quantità di acqua sollevata ad ogni giro, che scorre tra l’intercapedine formatasi tra la pala (3) e la superficie di rivoluzione tronco-conica esterna (5) è molto bassa e quindi le perdite a livello di rendimento sono esigue.

Il presente trovato ha rendimenti elevati in regime sia di portate fisse che variabili in quanto nel secondo caso è possibile predisporre aH’intemo della turbina tronco-conica aspirante (1) un in verter elettrico in grado di convertire una corrente continua in una corrente alternata, o in altri termini una sorta di generatore che funzioni come un “freno” facendo diminuire la velocità di rotazione della macchina.

I materiali e le dimensioni del trovato come sopra descritto, illustrato nell’unito disegno e più avanti rivendicato, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze. Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili con altri tecnicamente equivalenti, senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente domanda di brevetto per invenzione.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Turbina idraulica per la trasformazione dell’energia cinetica per gravità di un fluido in energia meccanica rotativa per la produzione di energia elettrica composta da: - un elicoide (2), - una palettatura (3), - uno chassis o duomo (4), - una superficie di rivoluzione esterna (5), - due cuscinetti (6a) e (6b), caratterizzata dal fatto di avere forma tronco-conica.
2. 2. Turbina idraulica elicoidale di forma tronco-conica secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che T elicoide (2) è costituito da una serie di eliche ovvero di avvitamenti lungo il suo asse aventi passo logaritmico ossia crescente man mano che si scende verso il basso.
3. 3. Turbina idraulica elicoidale di forma tronco-conica secondo le rivendicazioni 1 e 2 caratterizzata dal fatto che i profili ad elica di detto elicoide (2) sono sagomati di forma convessa.
4. 4. Turbina idraulica elicoidale di forma tronco-conica secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che la superficie di rivoluzione esterna (5) ha in ingresso un determinato valore di DN, diametro nominale, molto superiore rispetto al valore che esso assume in uscita.
5. 5. Turbina idraulica elicoidale di forma tronco-conica secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che i due cuscinetti (6a) e (6b) sono situati rispettivamente alla base e all’apice dell’elicoide (2).