ITBG20080062A1 - DYNAMIC TAIL JOINT. - Google Patents
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Description
1. DESCRIZIONE 1. DESCRIPTION
invenzione avente per TÌTOLO : invention having for TÌTOLO:
“GIUNTO A CODA DINAMICA”, "DYNAMIC TAIL JOINT",
L’invenzione è prevista per lo sfruttamento di energie alternative ambientali di natura dinamica. Vorrebbe essere, in particolare, una miglioria per l’energia eolica. The invention is intended for the exploitation of dynamic alternative environmental energies. In particular, it would like to be an improvement for wind energy.
Nella stragrande maggioranza dei casi l’energia del vento oggi si cattura con pale rotanti ad asse orizzontale. Stante la variabilità del vento e la rigidità del sincronismo della rete elettrica alla quale i generatori si allacciano, è necessario un adattamento che segue lo schema di figura 1 : In the vast majority of cases, the energy of the wind today is captured with horizontal axis rotating blades. Given the variability of the wind and the rigidity of the synchronism of the electrical network to which the generators are connected, an adaptation is necessary that follows the diagram in figure 1:
A) Motore eolico, lento ed asincrono per sua natura. Asse di rotazione orizzontale. A) Wind motor, slow and asynchronous by its nature. Axis of horizontal rotation.
B) Moltiplicatore di giri per ridurre le dimensioni del successivo Generatore Elettrico. B) Speed multiplier to reduce the size of the next Electric Generator.
C) Generatore Elettrico asincrono per convertire l’energia meccanica in energìa elettrica a frequenza alternata. C) Asynchronous electric generator to convert mechanical energy into alternating frequency electrical energy.
D) Raddrizzatore per convertire l’alternata in raddrizzata. D) Rectifier to convert the alternating into rectified.
E) Convertitore Elettronico Statico per fare della raddrizzata una corrente alternata adatta al parallelo con la rete elettrica di raccolta. Nelle nostre intenzioni il Giunto in descrizione adatta direttamente l’energia meccanica del motore eolico ad un alternatore sincrono già allacciato alia rete, come ad esempio avviene per le turbine idrauliche. E) Static Electronic Converter to make the rectified an alternating current suitable for parallel with the electricity collection network. In our intentions, the coupling in the description directly adapts the mechanical energy of the wind motor to a synchronous alternator already connected to the mains, as is the case for hydraulic turbines, for example.
Perché ciò avvenga é però necessario che il giunto sia di natura flessibile e funzioni il più possibile da Adattatore Di Impedenza Automatico. For this to happen, however, it is necessary that the joint is of a flexible nature and works as much as possible as an Automatic Impedance Adapter.
Il nostro Giunto funziona col principio delia propagazione dell’energia in forma di onda rotazionale lungo una corda elastica. Abbiamo denominato il nostro dispositivo “Giunto a Coda Dinamica” in omaggio ad un'immagine un po’ estemporanea: quella di un turista burlone che prende delicatamente per la punta della coda un piccolo coccodrillo addormentato e, con un veloce movimento rotatorio, lo ribalta pancia all'aria. Our joint works with the principle of energy propagation in the form of a rotational wave along an elastic cord. We called our device "Dynamic Tail Joint" in homage to a somewhat impromptu image: that of a joker tourist who delicately takes a small sleeping crocodile by the tip of his tail and, with a quick rotational movement, flips it over his belly in the air.
Ora, se il turista lo vuole e il coccodrillo lo consente, il movimento può diventare continuo con una rotazione a velocità angolare Ω (omega maiuscolo) in modo tale che il coccodrillo giri con continuità su sè stesso. Now, if the tourist wants it and the crocodile allows it, the movement can become continuous with a rotation at angular speed Ω (omega capital) so that the crocodile rotates continuously on itself.
A questo punto il coccodrillo può essere un giocattolo, con il tronco a fare da volano (magari montato su due cuscinetti, uno sulla testa e uno sulla coda), e la coda a fare da manovella; è però necessario un cuscinetto tra la mano e la punta della coda per lasciare quest’ultima libera di girare su sé stessa assieme al tronco. At this point the crocodile can be a toy, with the trunk acting as a flywheel (perhaps mounted on two bearings, one on the head and one on the tail), and the tail as a crank; however, a cushion is necessary between the hand and the tip of the tail to leave the latter free to turn on itself together with the trunk.
Per togliere anche la dissimmetria della coda dovuta alla presenza della gravità mettiamo il nostro sistema con l’asse da orizzontale a verticale. To also remove the asymmetry of the tail due to the presence of gravity, we put our system with the axis from horizontal to vertical.
Analizzando ora la situazione, abbiamo un tronco che fa da utilizzatore finale, la mano che fa da motore e la coda come giunto di adattamento tra la forza di trazione pura della mano esercitata alla punta e la torsione pura che si ritrova alla base all’attacco col tronco. Analyzing the situation now, we have a trunk that acts as an end user, the hand that acts as an engine and the tail as an adaptation joint between the pure traction force of the hand exerted at the tip and the pure torsion that is found at the base of the attack. with the trunk.
La coda è costituita da una serie di vertebre collegate tra loro da giunti di Cardano che hanno la funzione di darle libertà nella flessione ma ne impediscono la torsione. The tail is made up of a series of vertebrae connected to each other by Cardano joints which have the function of giving it freedom in flexion but preventing it from twisting.
Le vertebre hanno dimensioni via via crescenti e questo cambia con gradualità le caratteristiche dinamiche della coda che cosi è vista come una corda elastica ad impedenza variabile che consente l’adattamento d’impedenza continuo durante la trasmissione dell’onda ed impedirne le riflessioni The vertebrae have gradually increasing size and this gradually changes the dynamic characteristics of the tail which is thus seen as an elastic cord with variable impedance that allows continuous impedance adaptation during wave transmission and prevent reflections
E’ il principio della frusta che trasmette energia da bassa velocità e grande massa (manico) a quella di alta velocità e piccola massa (punta). La coda è qui usata come frusta al rovescio. It is the whip principle that transmits energy from low speed and large mass (handle) to that of high speed and low mass (tip). The tail is used here as a reverse whip.
Come si inquadra tutto questo nel nòstro impiego. How does all this fit into our job?
Innanzi tutto, quello che qui è il tronco diventa il rotore del generatore elettrico sincrono. Esso (gira, poniamo, al massimo dei giri consentiti dalla rete a 50 Hz: 3000 giri al minuto. Definiamo ω (omega piccolo) questa velocità angolare. First of all, what is the trunk here becomes the rotor of the synchronous electric generator. It (it turns, let's say, at the maximum of the revolutions allowed by the network at 50 Hz: 3000 revolutions per minute. We define ω (small omega) this angular velocity.
Con lo stesso ω (omega piccolo) gira su sè stessa anche la coda. With the same ω (small omega) the tail also turns on itself.
Quella che abbiamo chiamato “Mano del Turista" diventa la manovella messa in rotazione dal motore eolico. Questa avrà una velocità angolare Ω (omega grande), ovviamente piccola rispetto alla precedente però con lo stesso verso di rotazione. What we have called “Tourist's Hand” becomes the crank set in rotation by the wind motor which will have an angular speed Ω (large omega), obviously small compared to the previous one but with the same direction of rotation.
A questo punto all’attacco al rotoré ci si aspetta una rotazione Ω ω (omega grande omega pìccolo) cosa impossibile vista la rigidità dei rotore vincolato al sincronismo. At this point, at the attachment to the rotoré, a rotation Ω ω (omega large omega small) is expected, which is impossible given the rigidity of the rotor linked to synchronism.
Nasce così una coppia frenante che si “mangia” l’eccesso di rotazione delia coda, coppia che diviene motrice per il rotore e trasferisce energia in rete. Thus a braking torque is born that "eats" the excess rotation of the tail, a torque that becomes the driving force for the rotor and transfers energy to the network.
Concettualmente abbiamo raggiunto lo scopo. Conceptually we have achieved the goal.
Vediamo ora meglio nei dettagli. Now let's see better in detail.
Le vertebre della coda sono ade in rotazione su loro stesse e sono diventate volani. Quando poi l’asse della coda assumerà la forma sinuosa della frusta al lavoro i volani diverranno giroscopi dei quali ω (omega piccolo) sarà la rotazione e Ω (omega grande) la precessione. The vertebrae of the tail are ade in rotation on themselves and have become flywheels. Then when the tail axis assumes the sinuous shape of the whip at work, the flywheels will become gyroscopes of which ω (small omega) will be the rotation and Ω (large omega) the precession.
I parametri che influiscono sulla trasmissione di energia lungo le corde elastiche oltre all’ampiezza e alla frequenza delle onde stesse, sono legati alla massa unitaria della corda e alla sua tensione assiale. The parameters that affect the transmission of energy along the elastic cords in addition to the amplitude and frequency of the waves themselves, are related to the unit mass of the rope and its axial tension.
Una tensione assiale eccessiva oltre tutto alza la velocità di propagazione dell’onda, questa provoca un’eccessiva lunghezza della coda in quanto questa deve avere una lunghezza almeno pari a quella di una singola onda. An excessive axial voltage over all raises the wave propagation speed, this causes an excessive length of the tail as this must have a length at least equal to that of a single wave.
Questo può voler dire “ code lunghe “ viste le basse frequenze dei motori eolici. L'unica possibilità pare sia quella di alzare la massa unitaria ma, anche in questa direzione, per potenze alte si finisce con l’avere a che fare con dimensioni disumane. This can mean “long queues” given the low frequencies of wind motors. The only possibility seems to be to raise the unit mass but, even in this direction, for high powers one ends up having to deal with inhuman dimensions.
Col sistema di far girare la coda alla velocità sincrona si ottiene il non trascurabile effetto di avere già l’energia elettrica in forma adatta ed inoltre i giroscopi, nelle giuste condizioni di impiego, hanno la prerogativa di moltiplicare la massa. Nel calcolo non compare infati la sola quantità di moto “ mv “ del lineare bensì il momento angolare “ mVR “ (velocità e raggio) delle masse volaniche, grandezza quindi notevolmente più alta. With the system of spinning the tail at synchronous speed, the non-negligible effect of already having electricity in a suitable form is obtained and also the gyroscopes, in the right conditions of use, have the prerogative of multiplying the mass. In fact, the calculation does not show only the linear momentum "mv" but the angular momentum "mVR" (velocity and radius) of the flywheel masses, therefore a considerably higher magnitude.
Al fine di avere un ordine di grandezza delle dimensioni in gioco riportiamo un esempio di sistema eolico che oggi può essere considerato già piccolo ma indicativo. E’ previsto ovviamente l’impiego del nostro ritrovato. In order to have an order of magnitude of the dimensions involved, we report an example of a wind system that today can already be considered small but indicative. The use of our device is obviously foreseen.
La figura 2 ne traccia lo schema. Figure 2 traces the scheme.
A) Motore Eolico. A) Wind engine.
Potenza 1 MW. Pale da 60 metri di diametro. 10-25 giri al minuto. Asse orizzontale. Power 1 MW. 60-meter diameter blades. 10-25 revolutions per minute. Horizontal axis.
B) Coppia di ingranaggi conica. B) Pair of bevel gears.
Serve per portare l’asse da orizzontale a verticale. Possibile moltiplicazione dei giri di un fattóre 3 per avere circa 60 giri al inuto. A questa velocità e potenza nominale ci aspettiamo un momento torcente di 160.000 Nm. It is used to bring the axis from horizontal to vertical. Possible multiplication of the revolutions of a factor 3 to have about 60 revolutions per inuto. At this speed and rated power we expect a torque of 160,000 Nm.
E’ previsto che alla terminazione dell’albero motore verticale sia posta una manovella di raggio aggiustabile che serve ad iniettare l’energia nel Giunto a Coda. Ipotizziamo che questo raggio raggiunga i 2 metri nella condizione di massima potenza e quindi una forza di coppia di 80.000 N . Questa forza se messa in quota, all’altezza dell’asse dei motore eolico, indurrebbe nella torre una notevole oscillazione ad 1 Hz ché oltre a sollecitare la struttura statica risulterebbe intollerabile per la girante eolica. E’ necessario quindi che l'albero verticale sia prolungato fino alla base della torre dove la rigidità locale della struttura annulla gli effetti. It is envisaged that at the termination of the vertical crankshaft there is a crank with an adjustable radius which is used to inject energy into the Tail Joint. Let's assume that this radius reaches 2 meters in the condition of maximum power and therefore a torque force of 80,000 N. This force, if placed at a height, at the height of the axis of the wind motor, would induce a significant oscillation in the tower at 1 Hz which, in addition to stressing the static structure, would be intolerable for the wind turbine. It is therefore necessary that the vertical shaft is extended to the base of the tower where the local rigidity of the structure cancels the effects.
C) Giunto a Coda Dinamica. C) Dynamic Tail Joint.
Si presenta all’esterno come un imbuto di circa 6 metri di diametro ed altrettanti di altezza e dal peso di 2.000-4.000 kg per la sola parte dinamica. La figura 3 ne schematizza la forma. It appears on the outside as a funnel of about 6 meters in diameter and as many in height and with a weight of 2,000-4,000 kg for the dynamic part only. Figure 3 schematizes its shape.
E’ costituito da circa 20 vertebre per avere i giunti Cardano con piccoli angoli di lavoro e dare quindi ottima flessibilità e basse perdite sui perni. It consists of about 20 vertebrae to have the Cardano joints with small working angles and therefore give excellent flexibility and low losses on the pins.
Le vertebre sono degli anelli di 1 metro di raggio che concentrano la massa all’esterno per avere un alto effetto volano. Il fissaggio ai Cardano è fatto con una cupoletta a grande raggio per dare sufficiente rigidità al volano stesso sottoposto alle tensioni provocate dagli effetti giroscopici. The vertebrae are rings of 1 meter in radius that concentrate the mass externally to have a high flywheel effect. The fixing to the Cardan is made with a large radius dome to give sufficient rigidity to the flywheel itself subjected to the tensions caused by the gyroscopic effects.
La punta della coda è sospesa alla manovella e i due elementi di regolazione (indicati con le quote R ed E di figura 2) sono il raggio di manovella e l’estensione della coda che modula in parte la tensione assiale della coda e in definitiva l’accordo. The tip of the tail is suspended from the crank and the two adjustment elements (indicated with the dimensions R and E in figure 2) are the crank radius and the extension of the tail which partly modulates the axial tension of the tail and ultimately the agreement.
L’adattamento di impedenza, ossia l'aggiustaggio al trasferimento di energia ai rotore, è in parte automàtico. Infatti il momento torcente originale che viene frenato dal movimento sincrono del rotore si diluisce del rapporto tra le due velocità angolari e scarica cosi l’onda lasciando un pìccolo margine all’onda riflessa tipica di questi sistemi non adattati. Resta poi in aiuto il fatto che anche il motore eolico, col variare dell'inclinazione delle pale, cerca di tenere costante il numero di giri; almeno nel campo delle potenze medio-alte. The impedance adaptation, ie the adjustment to the transfer of energy to the rotor, is partly automatic. In fact, the original torque that is braked by the synchronous movement of the rotor is diluted by the ratio between the two angular velocities and thus discharges the wave leaving a small margin to the reflected wave typical of these non-adapted systems. The fact remains that even the wind motor, with the variation of the inclination of the blades, tries to keep the number of revolutions constant; at least in the range of medium-high powers.
La velocità periferica degli aneli-vertebra è di 314 metri al secondo e con i 4.000 kg di massa fanno un momento angolare dell’ordine di 1.256.000 Joule sec dei quali solò la metà partecipa dell’effetto giroscopico (si suppone una pendenza dell’asse di spirale della coda di circa 30 gradi }. The peripheral velocity of the aneli-vertebrae is 314 meters per second and with the 4,000 kg of mass they make an angular moment of the order of 1,256,000 Joule sec of which only half participates in the gyroscopic effect (a slope of the spiral axis of the tail about 30 degrees}.
Con una velocità angolare di 6,18 rajdianti al sec (60 giri al minuto) e una lunghezza d’onda di circa 5-6 metri (un’onda al sec) abbiamo un trasferimento di quasi 4 MJ in un secondo. Ce ne basterebbe uno solo per trasferire il Megawatt. With an angular velocity of 6.18 radians per sec (60 revolutions per minute) and a wavelength of about 5-6 meters (one wave per sec) we have a transfer of almost 4 MJ in a second. Only one would be enough to transfer the megawatt.
D) Generatore Elettrico Sincrono finale. D) Final Synchronous Electric Generator.
E’ il tradizionale alternatore trifase ad asse verticale. Per un MW di potenza e 3.000 giri al minuto il peso della macchina è dell’ordine di 5.000 kg con dimensioni 3 x 3 x2 metri. It is the traditional three-phase vertical axis alternator. For one MW of power and 3,000 revolutions per minute, the weight of the machine is in the order of 5,000 kg with dimensions of 3 x 3 x2 meters.
Con questo è poi possìbile il parallelo ma occorre un dispositivo per lanciare l’alternatore al sincronismo perché non è possibile l'avviamento spontaneo o è possibile con qualche accorgimento supplementare. With this it is then possible to parallel but a device is needed to launch the alternator in synchronism because spontaneous starting is not possible or it is possible with some additional device.
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2008
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