ITBO20080584A1 - Disposizione di fissaggio di elementi portanti a bracci di supporto in rotori di turbine eoliche ad asse verticale e relativo rotore eolico - Google Patents

Disposizione di fissaggio di elementi portanti a bracci di supporto in rotori di turbine eoliche ad asse verticale e relativo rotore eolico Download PDF

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Gabriele Dalri
Francesco Matteucci
Andrea Nollo
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Description

"DISPOSIZIONE DI FISSAGGIO DI ELEMENTI PORTANTI A BRACCI DI SUPPORTO IN ROTORI DI TURBINE EOLICHE AD ASSE VERTICALE E RELATIVO ROTORE EOLICOâ€
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda una disposizione di fissaggio di elementi portanti a bracci di supporto in rotori di turbine eoliche ad asse verticale e relativo rotore eolico. Come elementi portanti del rotore eolico sono tipicamente ma non esclusivamente da intendersi, nel presente documento, le pale atte a generare la forza di rotazione che alimenta la turbina eolica e l’albero di rotazione. Pertanto, con l’accezione “portanti†si devono intendere gli elementi che hanno funzione portante sia da un punto di vista strutturale che aerodinamico.
Il campo di applicazione dell'invenzione à ̈ quello delle turbine eoliche ad asse verticale in generale, con specifica attenzione per le turbine di bassa potenza e più in particolare per quelle adatte a soddisfare utenze di tipo domestico. In tale campo l’interesse progettuale à ̈ sempre più mirato a realizzare turbine che abbiano costi di produzione quanto più ridotti possibili e che al contempo riescano a garantire una sufficiente durata nel tempo per gli impieghi previsti. Nello specifico della realizzazione di rotori eolici ad asse verticale, si vuole che l’intera struttura, che come noto à ̈ soggetta a carichi continuamente e variabilmente fluttuanti a causa del continuo mutare delle condizioni del vento che impatta sulla turbina, non solo resista ai carichi di picco dovuti a raffiche di vento particolarmente forti, ma anche non sia oggetto di rotture per fatica, rotture che sarebbero particolarmente problematiche per l’ambiente circostante la turbina eolica. Tali carichi fluttuanti hanno direzione tipicamente radiale nella quasi totalità delle architetture di rotori eolici ad asse verticale, in quanto generati dalle pale delle turbine che vengono allestite secondo piani sostanzialmente paralleli all’asse di rotazione verticale dell’albero di rotazione.
Attualmente una delle scelte possibili per l’abbattimento dei costi di produzione dei rotori eolici à ̈ quello di realizzare i relativi componenti in materiale metallico leggero ottenuto con tecnologia di estrusione. Alcuni di questi materiali metallici leggeri, quali ad esempio l’alluminio, non presentano un comportamento a fatica particolarmente prestante al confronto, ad esempio, con materiali metallici pesanti quali l’acciaio. Soluzioni al problema di allontanare i rischi nel tempo di rotture per fatica possono essere ricercate in una progettazione specifica dell’allestimento e del montaggio di componenti estrusi realizzati in metallo leggero. A tal proposito, il documento EP 1.746.286 mostra una struttura di montaggio per bracci di supporto in un rotore di turbina eolica ad asse verticale, visibile in particolare dalle rispettive figure 2 e 4, la quale comprende:
<->bracci di supporto aventi sezione trasversale a profilo alare a cui vengono fissate le pale della turbina,
<->mozzi, solidali all’albero di trasmissione del rotore eolico,
<->elementi di fissaggio dei bracci di supporto aventi superfici di fissaggio di forma simile alla superficie esterna dei bracci di supporto su cui si affacciano e interagiscono in condizioni operative per fissare i bracci di supporto sui mozzi radialmente all’albero di rotazione,
<->mezzi di fissaggio per assicurare gli elementi di fissaggio ai mozzi in pressione su di una superficie esterna estremale dei bracci di supporto, i mezzi agendo trasversalmente al corpo dei bracci di supporto ed alle parti di fissaggio.
Una soluzione concettualmente equivalente a quella sopra illustrata viene impiegata nello stesso documento per assicurare le pale alle rispettive parti terminali dei bracci di supporto, come visibile in particolare nella figura 10 del medesimo documento. Anche in questa rappresentazione, la struttura di montaggio per bracci di supporto comprende parti di fissaggio, fissate alle pale della turbina, che vanno a stringere e bloccare le rispettive parti terminali dei bracci di supporto tramite l’azione di mezzi di fissaggio agenti trasversalmente allo sviluppo dei bracci, così portando ampie superfici tra loro aderenti a lavorare per assorbire le fluttuazioni delle sollecitazioni fluidodinamiche.
Pur presentando una miglioria rispetto allo stato dell’arte precedente a tale documento, dove gli elementi portanti vengono fissati direttamente ai bracci di supporto tramite mezzi di fissaggio agenti trasversalmente ai bracci e senza alcuna interposizione di parti di fissaggio, la soluzione di EP 1746 286 presenta i seguenti limiti:
<->vi sono un maggior numero di parti nell’allestimento del rotore eolico rispetto a quanto noto in precedenza, parti che in particolare devono essere lavorate in modo specifico in quanto devono presentare almeno parte delle loro superfici atte ad interagire in pressione con le superfici esterne dei bracci di supporto, con conseguente maggiore complessità nella produzione e nell’allestimento dei rotori eolici;
<->i bracci di supporto vengono comunque forati per alloggiare i corpi passanti dei mezzi di fissaggio agenti trasversalmente allo stesso, tipicamente dispositivi a vite e bullone, che se per qualche motivo dovessero perdere la loro forza di compressione trasversale causerebbero che le sollecitazioni fluttuanti andrebbero a scaricarsi sulle porzioni periferiche dei fori sollecitando il materiale a flessione e localmente in maniera intensa, compromettendo così la resistenza a fatica dei bracci di supporto;
<->le pale della turbina devono essere strutturate in maniera tale da alloggiare al loro interno le parti di fissaggio ai relativi bracci di supporto, con conseguente complessità sia nella produzione delle stesse che nel montaggio del rotore eolico.
La presente invenzione si propone di risolvere gli inconvenienti dell’arte nota sopra menzionati e di indicare una disposizione di fissaggio di elementi portanti a bracci di supporto in rotori di turbine eoliche ad asse verticale e relativo rotore eolico, che garantiscano massimamente sia i bracci di supporto che gli elementi portanti dai rischi di rottura per fatica.
Uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare quanto sopra in maniera efficace ed economica per cui garantire una veloce ed affidabile produzione in serie dei rotori eolici. Un altro scopo à ̈ quello di realizzare un rotore eolico che sia particolarmente semplice da produrre, montare ed allestire.
Uno scopo dell’invenzione à ̈ quello di inibire il disassemblaggio delle parti strutturali del rotore eoliche, a causa ad esempio del crearsi di condizioni per cui la forza di fissaggio dei relativi mezzi atti a tenere insieme le parti strutturali viene a decrescere o mancare. Altro scopo à ̈ quello di realizzare un rotore eolico che abbia la maggior parte dei componenti realizzabili con leghe metalliche leggere ottenute per estrusione.
Per raggiungere tali scopi, forma oggetto della presente invenzione una disposizione di fissaggio di elementi portanti a bracci di supporto in rotori di turbine eoliche ad asse verticale ed un rotore eolico secondo le caratteristiche delle allegate rivendicazioni.
Peculiarità della disposizione di fissaggio secondo l’invenzione à ̈ quella di prevedere, nell’allestimento di elementi portanti a bracci di supporto, mezzi di fissaggio la cui forza di fissaggio agisce in direzione sostanzialmente longitudinale ai bracci di supporto, ossia in direzione sostanzialmente radiale al rotore in quanto i bracci di supporto sono tipicamente allestiti radialmente. Tale disposizione consente di far lavorare la struttura dei bracci di supporto e dei relativi mezzi di fissaggio in modo particolarmente favorevole in considerazione della resistenza a fatica del materiale di cui sono composti, in particolare a sforzo normale.
L’invenzione in oggetto consente pertanto di allontanare il pericolo di rottura a fatica sia dei bracci di supporto, sia degli elementi portanti e non ultimo degli stessi mezzi di fissaggio, ulteriormente consentendo di dimensionare gli stessi con minore materiale e quindi con minore impiego di risorse. Ne segue che il rotore può essere dimensionato vantaggiosamente in modo da risultare più leggero e sicuro rispetto a quanto noto allo stato dell’arte, garantendo al contempo una certa sicurezza nei confronti dei fenomeni di rottura.
Il cuore dell'invenzione à ̈ costituito proprio dall’avere intuito che, per raggiungere un sostanziale miglioramento della capacità di resistenza per fatica del materiale costituente le pale della turbina ed i bracci di supporto, à ̈ necessario l’impiego di mezzi di fissaggio di un tipo la cui forza di fissaggio agisce in direzione sostanzialmente longitudinale agli stessi bracci. Questo in quanto l’esercizio della forza di fissaggio in senso sostanzialmente longitudinale consente al materiale del braccio di supporto di lavorare prevalentemente a sforzo normale, facendo partecipare tutto il materiale nel resistere alle sollecitazioni fluttuanti del rotore eolico, così migliorandone la capacità di resistenza complessiva.
Nell’arte nota, al contrario, la forza di fissaggio viene esercitata in direzione sostanzialmente ortogonale al braccio di supporto, così generando sollecitazioni notevoli localizzate nelle superfici di bordo dove operano i mezzi di fissaggio e sollecitando a flessione la struttura dei bracci di supporto, sollecitazioni che alla lunga snervano il materiale e formano cricche così incrementando pericolosamente il rischio di rottura.
Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un paio di esempi preferiti di applicazione dell’invenzione, forniti a puro titolo esplicativo e non limitativo con l’ausilio delle annesse figure, in cui:
<−>la figura 1 rappresenta una vista prospettica di un rotore eolico di una turbina eolica ad asse verticale secondo l’invenzione;
<−>la figura 2 rappresenta una vista prospettica in esploso di una parte del rotore eolico di figura 1 comprendente disposizioni di fissaggio secondo l’invenzione, le disposizioni essendo prive degli elementi portanti per semplicità.
<−>le figure 3 e 4 rappresentano una vista prospettica rispettivamente assemblata ed in esploso priva dell’elemento portante, di una prima forma di rappresentazione di una disposizione di fissaggio secondo l’invenzione;
<−>la figura 5 mostra una vista prospettica in esploso di una seconda forma di rappresentazione di una disposizione di fissaggio secondo l’invenzione, per semplicità priva dell’elemento portante.
Con riferimento alle figure 1 e 2, un rotore eolico di una turbina eolica ad asse verticale viene indicato complessivamente con 10, il quale à ̈ composto di una pluralità di bracci di supporto 12 ed una pluralità di elementi portanti 14, 15.
Con elementi portanti si intendono, come già specificato in precedenza, tutti quegli elementi che hanno funzione portante sia dal punto di vista strutturale, quali un albero di rotazione 14 per il rotore 10, sia dal punto di vista aerodinamico quali una pluralità di pale eoliche 15 che svolgono funzione propulsiva per la turbina eolica 10.
Ciascuno degli elementi portanti 14, 15 à ̈ rigidamente connesso ad un rispettivo braccio di supporto 12 secondo una disposizione di fissaggio oggetto della presente invenzione, di cui una prima forma di rappresentazione à ̈ illustrata con particolare riferimento alle figure 3 e 4. Tale disposizione comprende una pala eolica 15, un braccio di supporto 12 e mezzi di fissaggio 20 di un tipo la cui forza di fissaggio agisce in direzione sostanzialmente longitudinale al braccio di supporto 12, i mezzi di fissaggio 20 essendo applicati all’estremità del braccio 12 distale rispetto all’albero di rotazione 14. I mezzi di fissaggio 20 comprendono, ad esempio, mezzi di presa per la pala e mezzi di serraggio agenti per serrare tra loro i mezzi di presa ed assicurare i mezzi di presa al braccio di supporto. I mezzi di presa sono, ad esempio, costituiti da un primo semi-guscio 21 ed un secondo semi-guscio 22 aventi le rispettive superfici interne conformate come rispettive superfici esterne o di aderenza della pala 15 con cui vanno ad affacciarsi ed interagire in presa. Tale configurazione consente in modo vantaggioso di distribuire uniformemente le sollecitazioni nel materiale della pala 12 prossimo alle superfici di aderenza, evitando accumuli di sollecitazioni potenzialmente pericolosi per i rischi di rottura della pala 15.
I mezzi di serraggio sono di un tipo per cui la forza di serraggio agisce secondo una direzione sostanzialmente longitudinale al braccio di supporto. Ad esempio, tali mezzi sono costituiti da prime viti di serraggio 23 per serrare reciprocamente tra loro i semigusci 21 e 22 e seconde viti di serraggio 24 per assicurare il primo semi-guscio 21 al braccio di supporto 12. Le viti di serraggio 23, 24 sono avvitate in rispettivi alloggiamenti filettati 25, 26 aventi asse sostanzialmente parallelo allo sviluppo longitudinale del braccio di supporto 12, così realizzando che la forza di fissaggio dei mezzi di fissaggio 20 agisca in direzione sostanzialmente longitudinale al braccio di supporto 12, come necessario ai fini della presente invenzione. Più in dettaglio, primi alloggiamenti filettati 25 sono presenti nel primo semi-guscio 21 affinché le prime viti 23 possano serrare in avvitamento il secondo semi-guscio 22 al primo semi-guscio 21, e secondi alloggiamenti filettati 26 sono ricavati nella estremità distale del braccio di supporto 12 affinché le seconde viti 24 possano serrare in avvitamento il primo semi-guscio 21 al braccio di supporto 12 di punta. Avvitando con ordine il primo semi-guscio 21 alla parte estremale del braccio di supporto 12 e poi il secondo semi-guscio 22 al primo 21 disponendo la pala eolica 15 al loro interno, à ̈ possibile montare in maniera estremamente semplice e sicura la descritta disposizione di fissaggio di un elemento portante, in questo caso la pala eolica 15, al braccio di supporto 12.
La disposizione di fissaggio 20 comprende ulteriormente dispositivi di sicurezza, quali ad esempio perni di blocco 27 passanti all’interno dei semi-gusci 21 e 22, al fine di evitare che la eventuale rottura dei mezzi di serraggio 23 e 24 possa portare a pericolose conseguenze dovute al definitivo distacco della pala 15 dal braccio di supporto 12.
I dispositivi di sicurezza impediscono vantaggiosamente il distacco della pala per il decremento o l' eventuale assenza della forza di fissaggio dei relativi mezzi, nel particolare esempio che le viti possano allentarsi fino ad arrivare allo svitamento, cosa impedita dalla presenza dei perni di blocco 27.
Una seconda forma preferita di realizzazione di una disposizione di fissaggio secondo la presente invenzione à ̈ illustrata, oltre che nel rotore di figura 1 e come vista in esploso in figura 2, più in particolare in figura 5 dove, per semplicità, risulta priva del relativo elemento portante, ossia dell’albero di rotazione 14. Con 30 sono indicati nel complesso i mezzi di fissaggio di un tipo la cui forza di fissaggio agisce in direzione sostanzialmente longitudinale ad un braccio di supporto 12 del rotore eolico 10. Ad esempio, i mezzi di fissaggio 30 comprendono mezzi di presa per l’albero e mezzi di serraggio operativi per assicurare i mezzi di presa al braccio di supporto. In dettaglio, i mezzi di presa sono costituiti ad esempio da un mozzo 31 atto centralmente a fissarsi, attraverso una sua superficie sostanzialmente cilindrica, all’albero di rotazione 14 mediante un tipico accoppiamento per interferenza albero-foro o prevedendo mezzi di serraggio adatti, quali ad esempio un riporto filettato sull’albero di rotazione sul quale si avvita in serraggio il mozzo, che presenta una corrispettiva filettatura femmina. Tali particolari non sono illustrati nella figura 5 per semplicità di rappresentazione.
Il mozzo 31 presenta, simmetricamente ad eguale distanza angolare, in particolare di 120° per il rotore eolico tripala illustrato come esempio, alloggiamenti 32 ricavati nel suo corpo principale radialmente alla sua superficie cilindrica centrale. Tali alloggiamenti 32 sono conformati in modo tale da alloggiare e permettere la movimentazione di terzi mezzi di serraggio di un tipo per cui la forza di serraggio agisce secondo una direzione sostanzialmente longitudinale al braccio di supporto 12. Ad esempio, essi sono costituiti da terze viti di serraggio 33 che vanno ad avvitarsi e serrarsi all’interno di terzi alloggiamenti filettati 34 ricavati di punta in una parte estremale, prossimale all’albero di rotazione 14, del rispettivo braccio di supporto 12 a cui si connette. I terzi alloggiamenti filettati 34 hanno asse sostanzialmente parallelo allo sviluppo longitudinale del braccio di supporto 12, così realizzando che la forza di fissaggio dei mezzi di fissaggio 30 agisca in direzione sostanzialmente longitudinale al braccio di supporto 12, come risulta necessario ai fini della presente invenzione.
In questa seconda forma preferita di rappresentazione della disposizione secondo l’invenzione sono parimente presenti dispositivi di sicurezza, ad esempio perni di blocco 35 operativi per evitare l’improvviso distacco del braccio di supporto 12 dal mozzo 31 qualora cedessero improvvisamente i mezzi di serraggio 33 e 34.
Dalla forma e dalla disposizione operativa del mozzo 31 e del braccio di supporto 12 Ã ̈ chiaro che il montaggio del braccio 12 sul mozzo 31 Ã ̈ veloce ed immediato tramite il semplice avvitamento delle viti di serraggio 33 nei rispettivi alloggiamenti 34, effettuabile semplicemente ed efficacemente con semplici chiavi meccaniche.
Dalla illustrazione delle due forme rappresentative della disposizione di fissaggio secondo l’invenzione, caratterizzate dal fatto di avere mezzi di fissaggio di un tipo la cui forza di fissaggio agisce in direzione sostanzialmente longitudinale al rispettivo braccio di supporto, à ̈ chiaro che sia i mezzi di serraggio, sia i bracci di supporto lavorano sostanzialmente a sforzo normale, ossia l’intero materiale partecipa allo sforzo in direzione longitudinale ai bracci di supporto dovuto alle fluttuazioni di carico aerodinamico quando il rotore eolico à ̈ in condizioni operative di funzionamento. Vantaggiosamente, pertanto, i bracci di supporto possono essere realizzati di materiale metallico leggero lavorato per estrusione, ad esempio in alluminio, e possono essere dimensionati in modo leggero con risparmio di materiale, di risorse e quindi con costi finali ridotti. Lo stesso discorso vale per le pale eoliche, che possono essere realizzate in alluminio per estrusione senza che corrano rischi particolari di rotture per carichi massimi o per fatica, in quanto non presentano alcuna parte soggetta ad accumuli di tensioni durante il rispettivo funzionamento. Questo à ̈ dovuto principalmente ai particolari mezzi di presa impiegati, che consentono di distribuire efficacemente gli sforzi aerodinamici su di un’ampia superficie esterna delle pale, superfici che interagiscono uniformemente ed ampiamente con le superfici interne dei semi-gusci durante la trasmissione della forza propulsiva all’albero di rotazione.
Parimenti a sforzo sostanzialmente normale lavorano i mezzi di serraggio, così potendo efficacemente essere dimensionati utilizzando una minima quantità di materiale e garantendo al contempo una sufficiente resistenza alla rottura.
È chiaro che ulteriori e numerose varianti sono possibili per l'uomo del ramo alla disposizione di fissaggio di elementi portanti a bracci di supporto in rotori di turbine eoliche ad asse verticale ed al rotore eolico comprendente tale disposizione di fissaggio secondo la presente invenzione, così come à ̈ chiaro che nella sua pratica attuazione le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con elementi tecnicamente equivalenti.
Ad esempio, i mezzi di presa a mozzo tra bracci di supporto e albero di rotazione potrebbero più semplicemente essere costituiti da un accoppiamento flangiato tra uno spallamento forato ricavato sull’albero di rotazione ed il corpo del mozzo, che presenterebbe un corpo forato trasversalmente per il passaggio di rispettive viti e bulloni a realizzare l'accoppiamento. Tale soluzione consentirebbe di montare velocemente e con minimo dispendio di risorse il mozzo sull’albero di rotazione, assicurando comunque una ottima resistenza alla fatica tipica degli accoppiamenti flangiati.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Disposizione di fissaggio di elementi portanti a bracci di supporto in rotori di turbine eoliche ad asse verticale, la disposizione comprendente un elemento portante (14;15), un braccio di supporto (12) e mezzi di fissaggio (20;30) del braccio di supporto (12) all’elemento portante (14;15), caratterizzata dal fatto che i mezzi di fissaggio (20;30) sono di un tipo la cui forza di fissaggio agisce in direzione sostanzialmente longitudinale al braccio di supporto (12).
  2. 2. Disposizione, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i mezzi di fissaggio comprendono mezzi di presa (21-23;31) per detto elemento portante (14;15) e mezzi di serraggio (23-26;33,34) operativi per assicurare i mezzi di presa (21-23;31) al braccio di supporto (12).
  3. 3. Disposizione, secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di serraggio (23-26;33,34) sono di un tipo per cui la forza di serraggio esercitata agisce secondo una direzione sostanzialmente longitudinale al braccio di supporto (12).
  4. 4. Disposizione, secondo una delle rivendicazioni 2, 3, caratterizzata dal fatto che i mezzi di presa comprendono un primo semi-guscio (21) ed un secondo semi-guscio (22) aventi le rispettive superfici interne conformate come le rispettive superfici esterne o di aderenza dell’elemento portante (15) con cui vanno ad affacciarsi ed interagire in presa.
  5. 5. Disposizione, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la disposizione di fissaggio comprende dispositivi di sicurezza (27;35) operativi per evitare l’improvviso cedimento dei mezzi di fissaggio (20;30), in particolare il distacco dell’elemento portante (14;15) dal braccio di supporto (12).
  6. 6. Disposizione, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che i bracci di supporto (12) sono realizzati in metallo leggero ottenuto per estrusione, in particolare in alluminio.
  7. 7. Disposizione, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che gli elementi portanti (15) sono realizzati in metallo leggero ottenuto per estrusione, in particolare in alluminio.
  8. 8. Rotore eolico di una turbina eolica ad asse verticale comprendente elementi portanti (14,15) quali un albero di rotazione (14) ed una pala eolica (15), bracci di supporto (12) per gli elementi portanti (14,15) e mezzi di fissaggio (20) dei bracci di supporto (12) all’elemento portante (14,15), caratterizzato dal fatto di comprendere una disposizione di fissaggio secondo una delle precedenti rivendicazioni.
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