ITFI20110071A1 - Dispositivo idraulico di tipo reversibile per la conversione di energia. - Google Patents

Dispositivo idraulico di tipo reversibile per la conversione di energia. Download PDF

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Description

DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO:
“Dispositivo idraulico di tipo reversibile per la conversione di energia.â€
CAMPO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione si riferisce al campo dei dispositivi idraulici di tipo reversibile con particolare riferimento al campo delle turbine idrauliche e delle pompe idrauliche.
STATO DELL’ARTE
Le turbine idrauliche sono un dispositivo meccanico che serve a trasformare l'energia cinetica di un liquido in energia meccanica. Sono note, in vari modelli e realizzazioni, dall’antichità e hanno avuto largo uso a partire dal diciassettesimo secolo. Il loro rendimento à ̈ elevato, spesso sopra l’80%, e per questo sono molto apprezzate e largamente impiegate, anche se la loro installazione richiede infrastrutture atte a convogliare l’acqua in modo appropriato sulle pale della girante della turbina.
La turbina idraulica à ̈ essenzialmente costituita da un organo fisso, il distributore, e da uno mobile, la girante. Il distributore ha i seguenti compiti essenziali: indirizzare la portata in arrivo alla girante imprimendovi la direzione dovuta, regolare la portata mediante eventuali organi di parzializzazione, provocare una trasformazione parziale o totale in energia cinetica dell'energia di pressione posseduta dalla portata. La girante trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica resa sull'albero motore ad essa collegato. Quando la trasformazione da potenziale a cinetica avviene completamente nel distributore, si tratta di turbine ad azione, altrimenti di turbine a reazione.
Esempi di turbine idrauliche oggi impiegate sono le Pelton, le Francis, le Kaplan, le turbine a bulbo, le Banki, le Turg etc.
La turbina Pelton à ̈ tipo di turbina ad azione attualmente più utilizzato. In questo tipo di turbina, l’acqua viene incanalata in una condotta forzata, al termine della quale à ̈ presente un ugello regolabile. L’ugello à ̈ sostanzialmente un restringimento della condotta, grazie al quale la velocità dell’acqua aumenta fino ad un valore massimo in corrispondenza dell’uscita dalla condotta e dell’impatto con le pale della girante.
Gli inconvenienti connessi con le turbine di tipo Pelton sono legati alla complessità realizzativa delle sue parti, sia la girante che il distributore, e all’impossibilità di integrarla facilmente in impianti di distribuzione idraulica preesistenti. Altri inconvenienti riguardano principalmente il fatto che la turbina Pelton viene generalmente utilizzata per grandi salti (di solito compresi tra i 300 e i 1400 m) e per piccole portate (tipicamente inferiori a 50 m³/s), e quindi trova solitamente impiego soltanto nei bacini idroelettrici montani. La turbina Pelton, inoltre, presenta un’importante limitazione intrinseca data dal fatto che una parte del salto viene sempre perduto. La girante della turbina Pelton, non potendo essere immersa nel canale di scarico, viene sempre mantenuta sollevata rispetto al pelo dell'acqua libera, e quindi una quota del salto, almeno maggiore del suo raggio, risulta inutilizzata. Detto inconveniente à ̈ chiaramente tanto più trascurabile quanto più elevato à ̈ il salto dell'acqua impiegato.
Infine, un ulteriore inconveniente legato alle turbine di tipo Pelton à ̈ legato al numero di giri che à ̈ limitato dal valore limite di sicurezza sulla forza centrifuga cui la girante stessa à ̈ sottoposta che à ̈ a sua volta funzione della massa e delle dimensioni di detta girante. Data la massa imponente delle giranti Pelton, il numero di giri massimo risulta quindi piuttosto limitato.
La presente invenzione concerne un dispositivo idraulico di tipo reversibile di nuova concezione che introduce delle caratteristiche funzionali tali da permettere il superamento degli inconvenienti legati all’impiego delle turbine tradizionali, e in particolare legati all’impiego delle turbine di tipo Pelton, e presenta il vantaggio ulteriore della reversibilità che ne consente l’utilizzo anche come pompa idraulica. Il dispositivo idraulico di tipo reversibile secondo la presente invenzione risulta di semplice struttura e di semplice costruzione, quando impiegato come turbina non richiede distributori di forma particolare, non richiede salti di grandi altezze in quanto à ̈ atta a lavorare sfruttando la pressione del fluido e non soltanto la sua velocità.
Il dispositivo idraulico di tipo reversibile secondo la presente invenzione, inoltre, può essere vantaggiosamente realizzata in qualsiasi taglia e dimensione e può essere associata ad impianti di distribuzione idraulica preesistenti tramite minimi aggiustamenti consentendo di realizzare micro sistemi di generazione energetica dislocati, ad esempio, lungo le condotte di distribuzione dell’acqua dei centri abitati.
Rappresenta un obiettivo della presente invenzione l’introduzione di un dispositivo idraulico per la produzione di energia, atto a superare gli inconvenienti legati all’impiego delle turbine di tipo tradizionale ed in particolare delle turbine di tipo Pelton.
Rappresenta un ulteriore obiettivo della presente invenzione l’introduzione di un dispositivo idraulico di tipo reversibile atto ad essere impiegato sia come turbina idraulica che come pompa idraulica.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Fig. 1 Illustra la girante del dispositivo idraulico secondo la presente invenzione e il relativo condotto distributore 14.
Fig. 2 Illustra un dettaglio di una realizzazione preferita dei mezzi atti a modificare la posizione dei dischi 11 rispetto alla girante 10, in dipendenza della loro posizione rispetto al condotto distributore 14.
Fig. 3 Illustra un ulteriore dettaglio dei mezzi atti a modificare la posizione dei dischi 11 rispetto alla girante 10, in dipendenza della loro posizione rispetto al condotto distributore 14 e dei relativi dischi 11.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione concerne un dispositivo idraulico di tipo reversibile atto ad essere impiegato sia come turbina idraulica che come pompa idraulica. Detto dispositivo presenta caratteristiche di semplicità di realizzazione e di uso. Nel caso di utilizzo come turbina idraulica non richiede distributori di forma particolare e non richiede salti di grandi altezze essendo atto a sfruttare la pressione del fluido e non soltanto la sua velocità.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
In riferimento alle figure 1 – 3 allegate, il dispositivo oggetto della presente invenzione comprende una girante, preferibilmente di forma discoidale 10, realizzata in materiale dotato delle necessarie caratteristiche di resistenza e solidità, come ad esempio l’acciaio, comprendente una pluralità di dischi circolari o poligoni dotati di simmetria assiale 11, d’ora in poi indicati semplicemente come dischi, di dimensione inferiore e disposti in corrispondenza della periferia di detta girante 10. Detti dischi 11 sono alloggiati in apposite sedi aventi la loro stessa forma e sono incernierati in due punti 12, 13, corrispondenti a due estremi del loro diametro o del loro asse di rotazione, giacente sul diametro di detta girante 10, in modo da poter ruotare intorno ad esso.
Detta girante 10 à ̈ atta ad essere collegata solidalmente ad un albero motore alloggiato opportunamente in corrispondenza del centro di detta girante 10 ed à ̈ inoltre atta ad essere associata ad un condotto distributore 14, preferibilmente comprendente una curvatura di raggio sostanzialmente uguale al raggio di detta girante 10. Detto condotto distributore 14 ha un diametro interno superiore al diametro o alla dimensione maggiore di detti dischi 11 e comprende un taglio longitudinale di larghezza appena maggiore rispetto allo spessore di detta girante 10. In questo modo detta girante 10 à ̈ libero di ruotare attorno all’albero passante per il proprio asse geometrico, avendo una parte della sua periferia inserita all’interno di detto condotto distributore 14 attraverso detto taglio longitudinale in modo che detti dischi 11 siano completamente contenuti entro detto condotto distributore 14 e liberi di ruotare attorno al proprio diametro.
Vantaggiosamente, detto taglio longitudinale atto ad ospitare la parte periferica di detta girante 10 potrà essere munito di un opportuna guarnizione 19 lungo i suoi bordi per limitare la perdita di fluido nel caso in cui il dispositivo secondo la presente invenzione sia disposto all’interno di una conduttura di distribuzione idrica. Inoltre, detto condotto distributore 14, in corrispondenza di detto taglio longitudinale, può comprendere opportuni mezzi di rinforzo atti a mantenere l’ampiezza di detto taglio longitudinale approssimativamente costante.
Detti dischi 11 comprendono ulteriormente mezzi atti a modificare la loro posizione rispetto a detta girante 10, in dipendenza della loro posizione rispetto a detto condotto distributore 14, in modo da inclinare detti dischi 11 rispetto al piano di detta girante 10 quando detti dischi si trovano all’interno di detto condotto distributore 14.
In maggiore dettaglio, durante il funzionamento del dispositivo secondo la presente invenzione, detti dischi 11 sono complanari con detta girante 10, quando si trovano all’esterno di detto condotto distributore 14, mentre risultano inclinati rispetto al piano di detta girante 10 quando si trovano all’interno di detto condotto distributore 14.
In questo modo, durante il funzionamento del dispositivo secondo la presente invenzione, il fluido che scorre all’interno di detto condotto distributore 14, in senso che risulta tangenziale rispetto alla superficie di detta girante 10, sarà tale da esercitare una spinta sulle superfici efficaci di detti dischi 11 che risultano inclinate rispetto alla direzione del flusso del fluido all’interno di detto condotto distributore 14.
In una realizzazione preferita della presente invenzione, da considerare in senso esemplificativo e non limitativo del dispositivo secondo la presente invenzione, detti mezzi atti a modificare la posizione di detti dischi 11 rispetto a detta girante 10 in dipendenza della loro posizione rispetto a detto condotto distributore 14, comprendono:
una pluralità di coppie di alberi 15, 16 ognuna delle quali à ̈ rigidamente collegata ad ognuno di detti dischi 11, esterna ad essi e libera di ruotare attorno al diametro di detti dischi 11, detti alberi 15, 16 essendo ortogonali tra loro e atti a ruotare ciascuno di 90° in modo da muoversi tra due posizioni limite: la prima complanare e la seconda ortogonale al piano di detta girante 10. Dette coppie di alberi 15, 16 sono inoltre disposte in posizione tale da rimanere sempre all’esterno di detto condotto distributore 14;
una guida di forma circolare - munita di opportuni mezzi di sostegno esterni a detta girante 10 - associata a detta girante 10 e comprendente due porzioni, una prima porzione 17a comprendente un arco di cerchio disposto da un lato di detta girante 10 in posizione prossima alla curvatura di detto condotto distributore 14 e avente un estensione tale da corrispondere sostanzialmente all’estensione della curvatura di detto condotto distributore 14 ed atta ad impegnarsi con uno di detti alberi 15, 16 in modo da obbligarne la rotazione graduale in posizione parallela al piano di detto disco primario 10, obbligando quindi detti dischi 11 a giacere in posizione ortogonale al piano di detta girante 10; una seconda porzione 17b comprendente un arco di cerchio complementare a quello di detta prima porzione disposto dal lato opposto di detta girante 10 ed atto ad impegnarsi con l’altro di detti alberi 15, 16 in modo da obbligarne la rotazione in posizione parallela al piano di detta girante 10, obbligando quindi detti dischi 11 a giacere in posizione complanare al piano di detta girante 10.
Il funzionamento à ̈ tale per cui, se consideriamo l’utilizzo del dispositivo secondo la presente invenzione come turbina - cioà ̈ in modo da trasformare l’energia cinetica del fluido all’interno di detto condotto distributore 14, in una coppia applicata all’albero motore solidale con detta girante 10 - durante la rotazione di detta girante 10, per effetto dell’interazione tra dette coppie di alberi 15, 16 e dette guide 17a, 17b abbiamo che i dischi 11 in posizione distante dalla curvatura di detto condotto distributore 14, sono normalmente complanari con esso, mentre i dischi 11 in posizione interna alla curvatura di detto condotto distributore 14, vengono forzati ad assumere una posizione non più complanare ma inclinata rispetto a detta girante 10. In questo modo, i dischi 11 che si trovano ad essere inclinati rispetto a detta girante 10 subiranno una spinta efficace da parte del fluido che scorre in detto condotto distributore 14 che si risolve in una coppia motrice applicata all’albero collegato a detta girante 10.
La transizione di detti dischi 11, per effetto della porzione 17a, di detta guida, dalla posizione complanare con detta girante 10 alla posizione ortogonale a detta girante 10 avverrà in maniera graduale per evitare l’eventuale colpo d’ariete del fluido che scorre in detto condotto distributore 14. In riferimento alla figura 3 allegata, per favorire detta transizione graduale dei dischi 11, la porzione 17a di detta guida comprende una parte iniziale 17c avente un profilo 18 obliquo in grado di impegnarsi con detti alberi 15 e favorirne una rotazione graduale. La gradualità della transizione può essere modulata variando la pendenza di detto profilo obliquo 18. Terminato il percorso di detti alberi 15 sul profilo 18, il disco 11 assume la posizione ortogonale rispetto alla girante 10 e la mantiene fino all’uscita dal condotto 14.
In una seconda realizzazione preferita del dispositivo secondo la presente invenzione sarà presente un solo albero solidale con ciascuno di detti dischi 11, detto albero essendo munito di mezzi elastici atti a fargli assumere una posizione di equilibrio in cui detto albero à ̈ ortogonale al piano di detta girante 10 e il disco 11 ad esso associato à ̈ complanare col piano di detta girante 10. In questa seconda realizzazione preferita del dispositivo secondo la presente invenzione, detta guida comprenderà soltanto detta prima porzione 17°.
Nel caso duale dell’utilizzo della presente invenzione come pompa, il funzionamento sarà, ovviamente l’inverso con la forza motrice trasferita dall’albero motore al fluido contenuto nel condotto distributore 14.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo idraulico di tipo reversibile comprendente: una girante (10), comprendente a sua volta una pluralità di elementi (11) dotati di simmetria assiale, alloggiati in apposite sedi aventi la stessa forma di detti elementi (11) e disposte in corrispondenza della periferia di detta girante (10), detti elementi (11) essendo incernierati in due punti (12, 13), corrispondenti a due estremi del diametro o dell’asse di rotazione di detti elementi (11), in modo da poter ruotare attorno a detto asse di rotazione; un condotto distributore (14) atto a condurre un fluido, associato a detta girante (10) e comprendente una curvatura di raggio sostanzialmente uguale al raggio di detta girante (10), detto condotto distributore (14) comprendendo un diametro interno maggiore del diametro o della dimensione maggiore di detti elementi (11) e un taglio longitudinale di larghezza maggiore dello spessore di detta girante (10) atto ad ospitare la parte periferica di detta girante (10); mezzi atti a modificare la posizione di detti elementi (11) rispetto a detta girante (10), in funzione della loro posizione rispetto a detto condotto distributore (14), in modo da inclinare detti elementi (11) rispetto al piano di detta girante (10) quando detti elementi (11) si trovano all’interno di detto condotto distributore (14).
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 in cui detto condotto distributore (14), in corrispondenza di detto taglio longitudinale, comprende opportuni mezzi di rinforzo atti a mantenere l’ampiezza di detto taglio longitudinale approssimativamente costante.
  3. 3. Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 – 2 in cui detto taglio longitudinale atto ad ospitare la parte periferica di detta girante (10) comprende un’opportuna guarnizione (19) lungo i suoi bordi.
  4. 4. Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 – 3 in cui detti mezzi atti a modificare la posizione di detti elementi (11) rispetto a detta girante (10) in funzione della loro posizione rispetto a detto condotto distributore (14), comprendono: una pluralità di coppie di alberi (15, 16) ognuna delle quali à ̈ rigidamente collegata ad ognuno di detti elementi (11), esterna ad essi e libera di ruotare attorno al diametro di detti elementi (11), detti alberi (15, 16) essendo ortogonali tra loro e atti a ruotare ciascuno di 90° in modo da muoversi tra due posizioni limite: la prima complanare e la seconda ortogonale al piano di detta girante (10), dette coppie di alberi (15, 16) essendo disposte in posizione tale da rimanere sempre all’esterno di detto condotto distributore (14); una guida di forma circolare associata a detta girante (10) e comprendente una prima porzione (17a) comprendente un arco di cerchio disposto da un lato di detta girante (10) in posizione prossima alla curvatura di detto condotto distributore (14) e avente un estensione tale da corrispondere sostanzialmente all’estensione della curvatura di detto condotto distributore (14) ed atta ad impegnarsi con uno di detti alberi (15, 16) in modo da obbligarne la rotazione graduale in posizione parallela al piano di detta girante (10), obbligando quindi detti elementi (11) a giacere in posizione obliqua rispetto al piano di detta girante (10); una seconda porzione (17b) comprendente un arco di cerchio complementare a quello di detta prima porzione disposto dal lato opposto di detta girante (10) ed atto ad impegnarsi con l’altro di detti alberi (15, 16) in modo da obbligarne lo spostamento in posizione parallela al piano di detta girante (10), obbligando quindi detti elementi (11) a giacere in posizione complanare al piano di detta girante (10).
  5. 5. Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 – 3 in cui detti mezzi atti a modificare la posizione di detti elementi (11) rispetto a detta girante (10) in funzione della loro posizione rispetto a detto condotto distributore (14), comprendono: un solo albero (15) solidale con ciascuno di detti elementi (11), detto albero (15) essendo munito di mezzi elastici atti a fargli assumere una posizione di equilibrio in cui detto albero (15) à ̈ ortogonale al piano di detta girante (10) e detto elemento (11) ad esso associato à ̈ complanare col piano di detta girante (10); una guida comprendente un arco di cerchio (17a) disposto da un lato di detta girante (10) in posizione prossima alla curvatura di detto condotto distributore (14) e avente un estensione tale da corrispondere sostanzialmente all’estensione della curvatura di detto condotto distributore (14) ed atta ad impegnarsi con detto albero (15) in modo da obbligarne la rotazione graduale in posizione parallela al piano di detta girante (10), obbligando quindi l’elemento (11) corrispondente a giacere in posizione obliqua rispetto al piano di detta girante (10);.
  6. 6. Dispositivo secondo le rivendicazioni 4 - 5 in cui detta guida comprende opportuni mezzi di sostegno esterni a detta girante (10).
  7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 4 in cui detta prima porzione (17a) di detta guida comprende una parte iniziale (17c) avente un profilo (18) obliquo in grado di impegnarsi con detti alberi (15, 16) in modo da favorirne una rotazione graduale.
  8. 8. Turbina idraulica comprendente il dispositivo secondo le rivendicazioni 1 – 7.
  9. 9. Pompa idraulica comprendente il dispositivo secondo le rivendicazioni 1 – 7.
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