ITBZ20080030A1 - Macchina fluidodinamica con giranti a pale - Google Patents

Description

Titolo: Macchina fluidodinamica con giranti a pale

La presente invenzione si riferisce ad una macchina fluidodinamica con giranti a pale secondo la parte classificante della rivendicazione 1.

Macchine di questo tipo sono note, in particolare sulla base del brevetto per invenzione industriale numero 1 345 097, depositato il 15 settembre 2003.

In questo brevetto viene descritto un meccanismo in cui il fluido viene intercettato ortogonalmente all'asse di un rotore da pale che sono in continuo orientabili con apposito intervento di regolazione. Così la energia cinetica contenuta nel fluido, per esempio acqua, può essere intercettata e captata da pale con la piena superficie delle pale stesse in posizione ortogonale al flusso del fluido e non avendo più pale in posizione fissa, le pale nella loro rotazione attorno all'asse del rotore, quando esse non realizzano alcun momento o soltanto negativo, siano di minimo ostacolo al flusso del fluido. Così a seconda della densità e delle caratteristiche fisiche-chimiche del fluido nonché l'energia che si desidera ottenere, le pale e il rotore verranno opportunamente dimensionati.

Con un così fatto meccanismo, lo stesso richiedente ha trovato che un meccanismo di questo tipo à ̈ migliorabile sotto vari aspetti per ottenere risultati ancora migliori.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ quindi quello, di proporre una macchina fluidodinamica in cui la energia cinetica di un fluido possa essere sfruttata al massimo e con un massimo rendimento.

Questo scopo viene raggiunto secondo invenzione da una macchina fluidodinamica con le caratteristiche delle rivendicazioni .

Secondo l’invenzione à ̈ prevista una macchina fluidodinamica assimilabile alle turbine lente a reazione del tipo "cross-flow" , ad asse ortogonale al senso del flusso di un fluido, funzionante con due (o più) giranti coassiali e concentriche.

La macchina à ̈ costruita per intercettare e captare al massimo l'energia cinetica dal flusso del fluido (acqua, aria) in cui opera. Ogni girante à ̈ costituita da un corpo circolare rotante, ed ha un numero di pale (due o più) disposte e normalmente equidistanti su una circonferenza virtuale, il cui diametro viene assunto come diametro primitivo della girante. Su ogni girante le pale sono uguali e simmetriche ed ognuna à ̈ girevole su un proprio asse di rotazione parallelo all'asse centrale della macchina, con movimento per 360 gradi in tutti e due i versi.

La rotazione delle pale attorno al loro singolo asse à ̈ organizzato da una geometria di meccanismi (tra i più diversi e comuni tecnicamente conosciuti) che assicura la precisa posizione di angolazione di ogni singola pala rispetto alle altre, alla girante che le supporta, ed alla direzione di flusso del fluido.

I collegamenti meccanici dei moti possono essere liberamente scelti in funzione delle esigenze di progettazione, purché vengano rispettati i rapporti dei moti tra giranti e pale. Il tutto secondo un orientamento delle stesse, studiato per la miglior captazione dell'energia cinetica del fluido, ed in funzione della posizione assunta momento per momento nella rotazione della girante. Il movimento à ̈ armonico e senza oscillazioni o basculamenti in quanto attuato sempre nello stesso verso e velocità proporzionali alla rotazione della girante, anche quando il comando del timone o manuale, non intervengono nella regolazione.

La rotazione della pala à ̈ organizzata per compiere un giro di 180 gradi sul proprio asse e nel senso contrario al contemporaneo verso di rotazione della propria girante, che nello stesso periodo compie una rotazione completa attorno all'asse centrale di 360 gradi. Ciò vale contemporaneamente per tutte le pale interessate sulla circonferenza primitiva della stessa girante, e così via per ogni giro.

Le due giranti fra loro sono preferibilmente una controrotante rispetto all'altra, e così i moti delle rispettive pale. Ciò concorre ad elidere la risultante torsionale che tenderebbe a far ruotare il complesso macchina rispetto alla base che la supporta, nonché a compensare gli attriti meccanici che influirebbero sulla sensibilità del timone. Cose queste che succedono se fosse adottata un’unica girante.

La velocità angolare di rotazione della girante con diametro maggiore à ̈ normalmente più lenta in confronto a quella con diametro minore, ciò per mantenere più o meno la stessa velocità periferica che à ̈ proporzionale alla velocità del fluido in scorrimento ed attraversamento. La velocità angolare di ogni singola girante può essere (meccanicamente) libera e comandata dai soli giochi di impatto del fluido sulle pale, oppure vincolata e coordinata con un rapporto preciso tra le due giranti. A seconda del caso si può operare la scelta meccanica di un abbinamento libero con due uscite di forza, a differenziale, o proporzionalmente vincolato.

La contro rotazione delle due giranti à ̈ ottenuta dalla spinta del fluido sulle pale che, a seconda della loro posizione ed inclinazione, già reimpostate in fase di montaggio, ne captano l'energia cinetica tramutandola in coppia di rotazione e, deviando parzialmente il flusso che le investe, indirizzano con effetto sinergico migliorativo, il fluido sulle pale immediatamente successive tra una girante e l'altra, fino al completo attraversa mento del sistema. Volendo comunque si può in fase di montaggio, creare i presupposti per la rotazione unidirezionale delle giranti.

La forma delle pale, pur dovendo essere simmetrica rispetto al proprio asse, non deve necessariamente avere profilo classicamente aero-idrodinamico, in quanto il bordo d'entrata ed il bordo d'uscita devono essere uguali per l'alternanza di questo ruolo ad ogni giro della rispettiva girante. Ciò significa anche una estrema variabilità del disegno 0 delle proporzioni della pala, ovvero: pale corte e larghe, pale lunghe e strette, e tutte le possibilità intermedie, purché sulla propria girante siano tutte uguali e simmetriche. Dimensioni della macchina, delle giranti, così come dimensione, forma e numero delle pale, sono in funzione della potenza prevista e delle caratteristiche fisiche del fluido e dell'ambiente di allocazione in lavoro. I materiali di costruzione della macchina ne sono quindi funzione di preventiva progettazione.

La macchina à ̈ normalmente prevista per un funzionamento ad asse verticale, ma la si può adottare in funzionamento con qualsiasi disposizione ed angolazione, purché l'asse rimanga ortogonale al senso del fluido. La stessa può essere munita di un timone o altro dispositivo che sente il senso del fluido ed agisce sul comando in entrata della macchina appositamente previsto per la regolazione ad contemporaneo delle pale di tutte e due le giranti. Si può abbinare, tramite un differenziale in entrata, anche un comando manuale. Il vantaggio rispetto ad altre macchine, à ̈ che così si orientano agevolmente solo le pale anche con macchina in piena funzione e forza, senza dover orientare tutto il complesso. Non solo, ma dà la possibilità di intervenire per rallentare, fermare, ed eventualmente far ruotare in senso contrario le giranti con lo stesso rendimento, anche sotto piena azione del fluido, e senza l'obbligo di nessun freno. Questo sistema à ̈ reversibile e quindi valido anche come propulsore. Se invece di prendere energia dalla presa di forza in uscita, vi si applica un motore o simile, in maniera inversa si utilizza il sistema macchina per dare una spinta nel fluido in cui à ̈ immersa. Agendo sul numero dei giri se ne determina la forza e sulla regolazione delle pale si può inoltre indirizzare la spinta indifferentemente verso una qualsiasi direzione su 360 gradi. Con indubbi vantaggi di manovrabilità soprattutto in campo nautico, con una spinta centrale dall'asse, continua, ed assente da vibrazioni dovute a pale flottanti. Inoltre essendo un rotore relativamente lento, difficilmente incorre nel pericolo di cavitazione. Dimensioni e proporzioni, mantenendo sempre lo stesso concetto di funzionamento, sono ovviamente oggetto di accurata progettazione a seconda dell'uso a cui à ̈ destinata in questo caso la macchina propulsore.

Ulteriori caratteristiche e varianti risultano dalle rivendicazioni e dalla seguente descrizione di alcune forme di realizzazione preferite, rappresentate nei disegni allegati, in cui mostrano, la Figura 1 una sezione assiale schematica di una macchina fluidodinamica secondo l'invenzione, in una prima forma di realizzazione, con giranti a moti meccanicamente vincolati, la Figura 2 una sezione assiale schematica parziale ingrandita di Figura 1 ,

la Figura 3 una sezione assiale schematica di una macchina fluidodinamica secondo l'invenzione in una seconda forma di realizzazione, con giranti a moti uniti in uscita con differenziale ;

la Figura 4 una sezione assiale parziale ingrandita di Figura 3,

la Figura 5 una sezione assiale schematica di una macchina fluidodinamica secondo l'invenzione in una terza forma di realizzazione, con giranti ad uscite di forze indipendenti e la Figura 4 una sezione assiale parziale ingrandita di Figura 3.

Nelle Figure con il numero di riferimento 1 à ̈ indicata nel suo insieme una macchina fluidodinamica secondo l'invenzione. Questa presenta un corpo di base 2 in cui à ̈ generalmente accolta tramite un cuscinetto 3 una prima girante 4. Lungo una circonferenza dalla girante 4 sono girevolmente supportate, e equi distribuite, almeno due pale 5 tramite alberini 6 ad asse perpendicolare alla girante 4. Ogni alberino girevole 6 porta solidamente la rispettiva pala 5 ed à ̈ dotato di una ruota conica 7 che ingrana con una rispettiva ruota conica 8 girevolmente portata da una asta 9 ad asse perpendicolare all'asse dell'alberino 6 e girevolmente portata dalla girante 4. L'asta 9 porta alla sua altra estremità una ruota dentata conica 10 che ingrana con una ruota dentata conica 11 solidalmente portata da un cannotto 12 portato da cuscinetti 13 su un albero 14 portato girevolmente dal corpo 1. La girante 4 porta inoltre in corrispondenza del suo foro centrale una corona dentata conica 15 con la quale ingrana un pignone 16 solidale ad un alberino 17 girevolmente portato dal corpo 1 ed ad asse perpendicolare all'asse della corona 15. L'alberino 17 porta inoltre un secondo pignone 18 che ingrana con una dentatura conica frontale di un disco 19 calettato all'albero 14.

Secondo l'invenzione alla prima girante 4 à ̈ associata una seconda girante 20, girevolmente portata da un cuscinetto 21 della prima girante 4 e portante, equidistribuite lungo una sua circonferenza almeno due pale 22 rispettivamente portate da un alberino 23 girevolmente portato dalla girante 20 con asse perpendicolare ad essa. Come la prima girante 4, anche in questo caso l'alberino 23 porta una ruota conica 24, ad esso solidale, e ingrana con una ruota conica 25 portata da un asta 26 girevolmente supportata dalla girante 20 ad asse perpendicolare all'alberino 23 e portante alla sua altra estremità una ruota conica 27 ingranante con una ruota conica 28 solidalmente portata dal cannotto 12. La girante 20 à ̈ inoltre collegata in modo non girevole tramite una sua flangia 59 con l'albero 14.

Il cannotto 12 porta solidale ad esso, una ruota per catena 57 collegata tramite una catena 58 con una ruota per catena 29 calettata su un alberino 30 girevolmente supportato dal corpo 1. Così con una rotazione dell'alberino 30 varia la posizione del cannotto 12 e quindi della posizione angolare della pala 5 in una qualsiasi posizione della girante 4 rispetto al flusso di un fluido. In Figura 3 e 4 infine à ̈ rappresentata una seconda forma di realizzazione, in cui i due moti della prima e della seconda girante sono compensati tramite un differenziale indicato nel suo insieme con il numero di riferimento 31 .

Il differenziale 31 à ̈ formato da una corona dentata doppia 32 che à ̈ girevolmente portata dall’albero 14 e ingrana da un lato con la prima girante 4 attraverso il pignone 16 e dall’altro lato con satelliti 33 e 34 ingrananti con una corona dentata 35 calettata all’albero 14 a cui à ̈ rigidamente collegata la seconda girante 20. I satelliti 33 e 34 sono girevolmente portati attraverso perni 36 dalla parete di una campana 37 girevole attorno all’albero 14 e portante rigidamente un albero di uscita 38. È chiaro che l’albero di uscita 38 servirà come presa di forza per utenze.

Così tramite i satelliti 33 ,34 il moto della seconda girante 20 si compensa per via ottimale al moto trasmesso dalla prima girante 4.

Ulteriori caratteristiche sono le seguenti:

Così si ha una base fissa 2 che struttura tutto il complesso macchina e sostiene le giranti nel loro funzionamento. Essa può essere applicata ad una struttura fissa o mobile a seconda dell'allocazione di lavoro.

La prima girante 4 ovvero quella maggiore o esterna, alloggia gli alberini-pala ed i rispettivi meccanismi di movimentazione. La seconda girante 20 ovvero quella minore o interna, alloggia gli alberini-pala ed i rispettivi meccanismi di movimentazione. Il cuscinetto 3 forma una ralla di collegamento tra la base e la girante maggiore o esterna, nel caso di una posizione verticale delle giranti.

Il cuscinetto 21 forma un ralla di collegamento tra la girante maggiore e la girante minore o interna, nel caso di una posizione verticale delle giranti.

L’alberino di entrata 30 delle regolazioni à ̈ normalmente fermo, à ̈ manovrato direttamente dal timone, da dispositivo analogo, o manualmente.

Il collegamento tra l'alberino 30 in entrata regolazioni ed il cannotto delle regolazioni, può essere attuato invece che dalla catena 58 da un cinghia dentata, ruote dentate, od altro purché il rapporto sia fisso e senza scivolamenti.

Il cannotto centrale 12 delle regolazioni à ̈ normalmente fermo e può ruotare solo su comando dell'alberino 30 delle regolazioni. Esso supporta fisse su di se le due corone d'impegno 11 e 28 dei pignoni di movimentazione pale sia della girante esterna che di quella interna. Il suo movimento controlla il moto contemporaneo di tutti i primi pignoni sia della girante maggiore, che della girante minore.

La ruota di raccolta del comando dall'alberino regolazioni, Ã ̈ solidale in rotazione con il cannotto.

Il secondo pignone-pala 8 (uno per ogni pala) della girante maggiore, ha esattamente la metà del numero dei denti del corrispettivo primo pignone-pala.

Il secondo pignone-pala 25 (uno per ogni pala) della girante minore, ha esattamente la metà del numero dei denti del corrispettivo primo pignone-pala.

La corona-pala à ̈ solidale con l'albero porta pala della girante maggiore. E' movimentato dal rispettivo secondo pignone-pala e subisce quindi il suo trascinamento. Ha un numero di denti esattamente uguale alla corona d'impegno superiore dei rispettivi primi pignoni-pale. La corona-pala 24 solidale con l'albero porta pala della girante minore à ̈ movimentato dal rispettivo secondo pignone-pala e subisce quindi il suo trascinamento. Ha un numero di denti esattamente uguale alla corona d'impegno inferiore dei rispettivi primi pignoni-pale.

L’albero porta pala della girante maggiore può avere un sistema d'attacco per la pala che può essere di diverso tipo secondo meccanica già nota.

L’albero porta pala della girante minore può avere un sistema d'attacco per la pala che può essere di diverso tipo secondo meccanica già nota.

La pala tipo della girante maggiore à ̈ rappresentata in vista a sinistra di piatto (numero di riferimento 5) e a destra di taglio. La pala tipo della girante minore à ̈ rappresentate in vista a sinistra di taglio e a destra di piatto (numero di riferimento 22).

Una flangia centrale di collegamento 59 (figura 2) tra la girante minore e la prima parte dell'albero centrale di forza in uscita trasmette tutta la coppia generata dalla girante minore.

La prima parte dell'albero 14 centrale di forza in pratica trasmette circa la metà della potenza sviluppata dalla macchina. I due satelliti 16 e 18 per suo tramite, sono rigidamente collegati nella rotazione.

La corona dentata centrale 19 collega rigidamente e proporzionalmente il moto tra la girante maggiore e la girante minore direttamente sulla seconda parte dell'albero di forza, aggiungendo la coppia di rotazione della girante maggiore a quella della girante minore. Il rapporto dei denti tra la corona centrale e la corona solidale con la girante maggiore à ̈ proporzionato ai moti tra la girante minore e la girante maggiore. Con la disposizione come in figura si realizza anche l'inversione del moto proveniente dalla girante maggiore e quindi coerente nel verso con quello della girante minore.

VARIANTE CON DIFFERENZIALE IN USCITA

La corona dentata doppia presenta una parte come 19, ma non collegata all'albero di forza, bensì ad un'altra corona trasmettendole la coppia della girante maggiore ed il verso di quella minore.

I satelliti ingranati e trascinati dalla prima e seconda corona coerenti nel verso di rotazione, trascinano a loro volta in rotazione il corpo differenziale vale a dire la campana .

VARIANTE A MOTI LIBERI

E' possibile collegare direttamente la corona doppia tramite un cannotto coassiale all'asse di forza con un'utenza esterna. Cosi come à ̈ possibile collegare direttamente l'albero centrale di forza con un'altra utenza.

In una terza forma di realizzazione, rappresentata nelle Figure 5 e 6, un primo treno cinematico 40 à ̈ formato da una campana doppia 41, portata da un cuscinetto 42 sull'albero 14, presentante da un lato denti frontali 43 ingrananti con i pignoni 16, e dall'altro lato denti frontali 44, ingrananti con una ruota dentata 45 calettata su un albero 46 ruotante nella struttura fissa 2 e adatto come prima presa di forza. Inoltre un secondo treno cinematica 47, formato da una campana 48 calettata all'albero 14 e ingranante con i suoi denti frontali 49 con una ruota dentata 50 calettata su un albero 51 girevole nel corpo di base 2 e adatto come seconda presa di forza. Così per ogni girante 4, 20 à ̈ prevista una uscita separata per utenze diverse.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina fluidodinamica con giranti a pale, comprendente un corpo (2), una girante (4) girevolmente accolta dal corpo (1), almeno due pale (5) girevolmente disposte, uniformemente distribuite lungo una circonferenza della girante (4) e supportate ad asse parallelo all'asse della girante, mezzi di trasmissione (7, 8, 9, 10) fra ogni asse della pala (4) e un cannotto (12) girevole sull'albero (14) della girante, caratterizzata dal fatto che alla prima girante (4) Ã ̈ associata una seconda girante (20) girevolmente accolta dalla prima girante (4), la seconda girante (20) comprendendo almeno due pale (22) girevolmente disposte, uniformemente distribuite lungo una circonferenza della girante (20) e supportate ad asse parallelo all'asse della girante, mezzi di trasmissione (24, 25, 26, 27, 28) fra ogni asse della pala (22) e il cannotto (12) girevole sull'albero (14) della girante.
2. 2. Macchina seconda la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i mezzi di trasmissione sono formati, da una ruota conica (24), solidale all’asse di ogni pala da una ruota conica (25) ingranante con quest’ultima, da un’asta (26) portante quest’ultima e girevolmente supportata dalla girante (20), da una ruota conica (27) portata solidalmente dall’asta e da una ruota conica (28) solidalmente portata dal cannotto (12).
3. 3. Macchina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il cannotto (12) Ã ̈ girevolmente regolabile attorno al suo asse
4. 4. Macchina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il cannotto (12) Ã ̈ collegato cinematicamente con una ruota (29) girevolmente accolta dal corpo e regolabile a timone, a mano od altro intervento di azionamento.
5. 5. Macchina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la prima girante (4) presenta una corona dentata (15) ingranante con un primo pignone (16) girevolmente portato dal corpo (1) ad asse perpendicolare all'asse dell'albero (14) e collegato con un secondo pignone (17) ingranante a sua volta con una corona (19) calettata all'albero (14).
6. 6. Macchina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la seconda girante (20) Ã ̈ calettata allo stesso albero della prima girante (4).
7. 7. Machina seconda la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la prima (4) e la seconda girante (20) sono cinematicamente collegate con un albero di uscita (38) tramite un differenziale (31 ).
8. 8. Macchina secondo la rivendicazione 1 e 6, caratterizzata dal fatto che il differenziale (31) à ̈ formato da una corona dentata doppia (32) girevolmente portata dall’albero (14) e ingranante da un lato con la prima girante (4) e dall’altro lato con satelliti (33 e 34) ingrananti con una corona dentata (35) calettata all’albero (14) a cui à ̈ rigidamente collegata la seconda girante (20), i satelliti (33 e 34) essendo girevolmente portati da una campana (37) girevole attorno all’albero (14) e portante rigidamente un albero di uscita (38).
9. 9. Macchina secondo la rivendicazione 1, i cui rispettivi moti delle giranti vengono utilizzati anche separatamente.
10. 10. Macchina secondo le rivendicazioni 1, 6 e 7, caratterizzata dal fatto di poter essere reversibile e quindi utilizzabile per creare una spinta nel fluido in cui opera .
11. 11. Macchina caratterizzata dal fatto di poter nel suo complesso lavorare con i corpi giranti anche contrapposti sempre mantenendo l'insieme delle pale coassiale e concentrico.
12. 12. Macchina caratterizzata dal fatto di poter nel suo complesso lavorare anche incubata o con flusso convogliato.