ITTO20060400A1 - Metodo e sistema per la rilevazione di pericolo di formazione di ghiaccio su superfici aerodinamiche - Google Patents

Metodo e sistema per la rilevazione di pericolo di formazione di ghiaccio su superfici aerodinamiche Download PDF

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Description

Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: - BAT005 -"METODO E SISTEMA PER LA RILEVAZIONE DI PERICOLO DI FORMAZIONE DI
GHIACCIO SU SUPERFICI AERODINAMICHE"
di Lorenzo BATTISTI, di nazionalità italiana, Via 3 Novembre, 63 - 38100 Trento, elettivamente
domiciliato presso i mandatari Ing. Roberto DINI e Ing. Marco C AMOLESE c/o Metroconsult
S.r.l., Piazza Cavour 3 - 10060 None (TO).
Inventore designato: Lorenzo BATTISTI, Via 3 Novembre, 63 - 38100 Trento
Depositata il No.
3 1 MflG. 2006 TO 20 0 B A 0 0 04 0 0
RIASSUNTO
L'invenzione riguarda un metodo e un sistema per rilevare il pericolo di formazione di
ghiaccio su superfici aerodinamiche lambite da una corrente fluida (F), in particolare su 3⁄4
O
superfici portanti di macchine a fluido, del tipo comprendente un sensore di temperatura (20). b Il sistema si caratterizza per il fatto che il sensore di temperatura (20) è posizionato in Q prossimità della superficie aerodinamica (5S) da monitorare per il rilievo della temperatura J* della superficie (5S), ed il sistema comprende un sensore pioggia (30) collocato in prossimità
della superficie (5S) per il rilievo di presenza di acqua sulla superficie (5S). In tal modo il
sistema è in grado di rilevare con estrema efficacia ed in maniera semplice ed economica il
pericolo di formazione di ghiaccio su superfici aerodinamiche.
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo per rilevare e segnalare il pericolo di formazione
di ghiaccio su superfici aerodinamiche, in particolare su superfici portanti di macchine a
fluido, ad esempio pale rotoriche di impianti eolici.
Il campo di applicazione dell'invenzione è principalmente quello eolico, nel quale la previsione dell'insorgenza di condizioni idonee alla formazione del ghiaccio sulle pale di una
turbina eolica, è a tutt'oggi un problema irrisolto. Tale previsione viene utilizzata in due
ambiti principali, ossia per rilevare condizioni di ghiacciamento finalizzate a stabilire la
fermata della turbina eolica, o ad abilitare l'intervento o la disabilitazione di un sistema
antighiaccio installato sulla turbina.
In campo aeronautico, la rilevazione delle condizioni di ghiaccio ha trovato soluzione
attraverso l'impiego di sensori tipo Rosemount<®>. Un sensore di tale tipo consiste in un piccolo
cilindro metallico il quale, esposto alle condizioni atmosferiche effettive, si ricopre di ghiaccio
quando sussistono le condizioni di ghiacciamento, modificando così la frequenza propria di
vibrazione, in tal modo segnalandone la formazione. Il sensore viene installato direttamente
sull'ala ed è investito dalla corrente fluida che vi impatta, per cui fornisce un'indicazione
accurata delle condizioni effettive di ghiacciamento sulla superficie monitorata.
Il medesimo sensore, quando utilizzato sulle pale di turbine eoliche, genera notevoli problemi
di sbilanciamento del rotore a causa della massa del sensore. Quando installato su superfici
fisse dell'impianto eolico, ad esempio sulla navicella, fornisce delle misure poco attendibili
sull'effettiva formazione di ghiaccio sulle pale rotoriche, per la differenza esistente tra la
velocità relativa della corrente che lambisce le diverse sezioni della pala e la velocità assoluta
del vento rilevata in postazione fissa. In pratica si può assistere ad indicazioni di mancanza di<ROBERTO>m<i>. ghiaccio sul sensore installato sulla navicella ed il verificarsi di condizioni di forte
ghiacciamento sulla pala. Inoltre, quando il sensore di ghiaccio comincia a dare indicazioni in
merito, il rotore può già trovarsi in condizioni di forte ghiacciamento. Quanto appena detto
per il sensore tipo Rosemount<®>vale, in via generale, per ogni sensore noto in grado di
misurare direttamente la formazione di ghiaccio su superfici fisse di un impianto eolico.
Sistemi noti basano la propria strategia per rilevare la presenza o il pericolo di formazione di ghiaccio, sulla rilevazione di parametri di macchina unitamente a grandezze atmosferiche. Ad esempio, vengono misurate o le vibrazioni della torre e la temperatura ambiente, o la potenza prodotta e la temperatura ambiente, come illustrato nei documenti brevettuali US 2005/276.696 e US 6.890.152. La logica di tali strategie è quella di dedurre l'evenienza del fenomeno di ghiacciamento attraverso la misura di un funzionamento anomalo della turbina, quali un eccesso di vibrazione o un calo della potenza prodotta, e la contemporanea verifica di parametri ambientali, ad esempio che la temperatura ambiente sia minore di zero gradi Celsius.
I sopra citati sistemi noti hanno il principale limite di risultare inaffidabili nella previsione e nella pratica rilevazione della presenza di ghiaccio rispetto all'effettivo verificarsi del Q P
fenomeno. Infatti, quando si rileva la presenza di ghiaccio, il fenomeno può essere già così avanzato da necessitare la fermata della turbina per evitare danneggiamenti; oppure
possono verificare condizioni per cui il pericolo del ghiaccio è lontano, sebbene segnalato. Ad esempio, nel caso in cui eventi turbolenti o forti irregolarità del vento (eventi tipici dei siti montani) inducono fenomeni di vibrazioni anomale e viene rilevata una temperatura minore di zero gradi Celsius, il sistema determina l'arresto della turbina anche se non vi sono condizioni di ghiaccio, poiché il funzionamento non avviene in ambiente sufficientemente umido.
Dai documenti US 5.005.015 e EP 1.466.827 è noto poi applicare direttamente su superfici aerodinamiche, in particolare su pale di propulsori, sensori per il rilievo della presenza di acqua o ghiaccio. Questi sistemi sono in grado solo di rilevare la presenza e lo spessore di acqua e ghiaccio eventualmente presenti sulle superfici, ma non sono in grado di prevedere una possibile formazione di ghiaccio.
La presente invenzione si propone di risolvere gli inconvenienti dell'arte nota sopra menzionati e di indicare un metodo per la rilevazione di pericolo di formazione di ghiaccio su superfici aerodinamiche, in grado di fornire una previsione effettiva ed efficace dell' insorgere di condizioni di solidificazione dell'acqua su superfici aerodinamiche, in particolare sulle pale di una turbina eolica. L'invenzione comprende inoltre un sistema per attuare il metodo anzidetto.
Uno scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema che sia semplice, economico e di indubbia efficacia qualunque siano le condizioni operative delle superfici aerodinamiche su cui rilevare il pericolo di formazione di ghiaccio.
Per raggiungere tali scopi, formano oggetto della presente invenzione un metodo ed un sistema per rilevare il pericolo di formazione di ghiaccio su superfici aerodinamiche, le cui caratteristiche sono enunciate nelle rivendicazioni accluse alla presente descrizione.
Il sistema comprende un sensore di temperatura ed un sensore per il rilievo della presenza di acqua o ghiaccio direttamente installati in prossimità della superficie aerodinamica su cui si vuole rilevare il pericolo di ghiaccio, per il rilievo della temperatura e di presenza di acqua sulla stessa superficie. Pertanto, le parti sensibili dei rispettivi sensori vengono installate in modo tale da potere rilevare le condizioni reali della superfcie aerodinamica monitorata.
La rilevazione delle condizioni di temperatura ed eventuale presenza di acqua direttamente<l ROBE>R<TO>U<NIag>-sulla superficie, consente di monitorare in modo effettivo un eventuale pericolo di insorgenza di ghiaccio. Ad esempio, nel caso venga rilevata la presenza di gocce di acqua insieme ad una temperatura minore di una temperatura critica stabilita, ossia una temperatura alla quale si vuole segnalare il pericolo di ghiacciamento incipiente (ad es. 3°C), il sistema secondo l'invenzione è in grado di segnalare un effettivo pericolo di formazione di ghiaccio.
Il sistema secondo l'invenzione è poi in grado di verificare empiricamente che, insieme all'effettiva temperatura presente sulla superficie, si formino realmente gocce d'acqua su di
essa, e che quindi vi sia un effettivo pericolo di formazione di ghiaccio. Ad esempio, nel caso
si verifichi temperatura compresa tra -1 ed 1°C ed assenza d'acqua sulla superficie
monitorata, il sistema secondo l'invenzione è in grado di non segnalare pericolo di ghiaccio,
come effettivamente è in caso di aria ad umidità molto bassa.
Vantaggiosamente, i sensori vengono collocati sulla superficie aerodinamica da monitorare in
corrispondenza o nell'intorno delle zone di massima pressione della corrente fluida, ossia
nelle zone della superficie aerodinamica dove è più alto il pericolo di formazione del ghiaccio.
Ad esempio, tale punto è il bordo d'attacco delle ali o delle superfici palari di rotori.
Ulteriormente, i sensori vengono collocati sulla superfcie aerodinamica vicini tra loro, in
modo da rilevare condizioni omologhe della corrente fluida in punti molto vicini. In questo
modo si evita il più possibile di effettuare rilevazioni erronee sulla effettiva condizione della
corrente fluida che impatta la superficie in un punto. L'ideale, da questo punto di vista, è
impiegare un sensore che integri le funzioni di rilevare la presenza di acqua o ghiaccio e
misuri la temperatura in una medesima e ristretta superficie.
Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla
descrizione particolareggiata che segue di un suo esempio d'applicazione, fornito a puro
titolo esplicativo e non limitativo con l'ausilio dell'annessa Figura 1, che rappresenta una<I ROBERTO DINIna>. vista prospettica del sistema secondo l'invenzione in configurazione operativa su di una
sezione o concio di una pala rotorica.
In particolare, la sezione di pala rotorica illustrata ed indicata con il riferimento 5 è di un tipo
come illustrata nel documento WO 2004/36038, di cui è titolare la medesima Richiedente
della presente domanda. Tale pala 5 è quindi dotata di fori 12 sulla superficie esterna 5S. In
prossimità del bordo d'attacco del profilo di pala e del foro 12 e sulla superficie esterna della pala 5S, sono collocati un primo sensore meteorologico, in questo caso un sensore di
temperatura 20, ed un secondo sensore meteorologico, in questo caso un sensore di rilievo
della presenza di acqua o ghiaccio 30, qui denominato per semplicità sensore pioggia. Questi
sensori 20, 30 sono posizionati a monte del foro 12 con riferimento alla direzione della
corrente fluida F che lambisce la pala 5, in modo tale che le rispettive rilevazioni non sono
influenzate dalla corrente fluida che fuoriesce dal foro.
Il sensore di temperatura 20, ad esempio una termocoppia, è di un tipo noto avente
dimensioni e peso ridotti, configurato come una sottile piastrina dotata di una porzione
sensibile 21, la quale viene installata in modo tale che intercetti il flusso della corrente fluida
che lambisce la superficie esterna 5S. Il sensore è posizionato a monte del foro 12, e viene Q incollato o fissato in altro modo sulla superficie esterna 5S. Esso presenta, posteriormente, un
s collegamento elettrico 22 che corre lungo l'interno della pala 5 fino ad un sistema di 3 3⁄4 acquisizione dati o DAS, non illustrato per semplicità. j? Il DAS è posizionato, vantaggiosamente ai fini inerziali, esternamente alla pala rotorica, ad
esempio sulla navicella dell'impianto eolico, ed il sistema è dotato di mezzi noti per il
trasferimento dei segnali rilevati dai sensori al DAS.
Il sensore di pioggia 30, di tipo simile a quelli installati in aderenza ai cristalli delle
autovetture, è anch'esso incollato a monte del foro 12 e parimenti dotato di un rispettivo
collegamento elettrico 31 che corre lungo le pareti laterali del foro e l'interno della pala 5, fino
ad arrivare al DAS. I sensori 20, 30 impiegati sono di un tipo noto le cui forme e dimensioni,
una volta installati sulla superficie esterna 5S, non disturbano la corrente F che impatta su di
essa.
Il DAS è in grado di elaborare le informazioni di presenza/ assenza di acqua proveniente dal
sensore pioggia 30 ed il valore della temperatura di superficie rilevato dal sensore della temperatura 20 in modo tale che, quando non si rileva presenza di gocce d'acqua sulla
superficie, non segnali alcun pericolo di formazione di ghiaccio. Al contrario, quando viene
rilevata presenza di acqua ed una temperatura minore di un valore critico stabilito, ad
esempio 3°C, il DAS segnala il pericolo di formazione di ghiaccio o ghiacciamento incipiente
ad un'unità centrale di controllo.
Il peso ridotto, la semplicità ed affidabilità dei sensori di pioggia e di temperatura noti
consentono vantaggiosamente un agevole uso degli stessi anche su pale rotanti di turbine
eoliche, permettendo di realizzare un sistema per la rilevazione di pericolo di formazione di
ghiaccio su super fici aerodinamiche che risulta semplice, affidabile e di basso costo.
Il sistema secondo l'invenzione realizza, a differenza di quanto noto, un rilievo di una coppia
dei parametri fisici, in particolare della temperatura e della presenza di acqua, direttamente
sulle superfici interessate dal pericolo del ghiaccio, per cui ne realizza una misura puntuale
ed effettiva. Tali parametri, elaborati successivamente dal DAS, permettono di prevedere con
efficacia il concreto rischio di formazione di ghiaccio. Nell'arte nota, invece, la previsione di
pericolo di ghiaccio si basa sostanzialmente su parametri non misurati puntualmente sulla
superficie da monitorare ma derivati ed elaborati da sensori posizionati spesso lontani dalle
superfici interessate. Pertanto, tali misure risultano in diverse circostanze erronee sulle
effettive condizioni della superficie.<h ROERTO DIBNIq>.
In definitiva, il sistema per la rilevazione di pericolo di formazione di ghiaccio su superfici
aerodinamiche secondo l'invenzione consente di segnalare un pericolo di ghiaccio ed attivare
un eventuale sistema anti-ghiaccio con grande precisione ed efficacia, senza alcun rischio che
si sia già formato ghiaccio sulle superfici aerodinamiche interessate, mantenendo pertanto
massimamente efficiente la macchina monitorata.
È chiaro che numerose varianti sono possibili per l'uomo del ramo al sistema per la rilevazione di pericolo di formazione di ghiaccio su superfici aerodinamiche, in particolare su superfici portanti di macchine a fluido, secondo la presente invenzione, così come è 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, in caso di applicazione del sistema su pale rotoriche non forate, potranno essere praticati degli appositi fori, che possono essere conformati o per il passaggio dei collegamenti elettrici relativi ai sensori, o per l'alloggiamento degli stessi sensori, che vengono sempre configurati ed installati in modo tale che la parte sensibile degli stessi sia sulla superficie da monitorare.
Potrebbero essere poi realizzati sulla pala scassi per Γ alloggiamento degli stessi sensori, g quando venissero impiegati sensori di spessore non trascurabile, al fine di non influenzare g 3⁄4
ai l'andamento della corrente fluida intorno alla pala. O

Claims (1)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la rilevazione del pericolo di formazione di ghiaccio su superfici aerodinamiche (5S) lambite da una corrente fluida (F), quali le superfici portanti di macchine a fluido (5), comprendente le fasi di: - rilevare la temperatura in prossimità della superficie aerodinamica (5S); - rilevare la presenza di acqua sulla superficie; - elaborare i dati relativi alla temperatura e alla presenza di acqua, per verificare se essi corrispondono a condizioni di formazione di ghiaccio. ca 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la rilevazione della temperatura e della
    Si presenza di acqua fornisce dei segnali la cui elaborazione viene eseguita con mezzi di tipo i elettronico. 3. Metodo secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui le superfici aerodinamiche (5S) sono quelle di un rotore eolico. 4. Sistema per l'attuazione del metodo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore di temperatura (20) posizionato in prossimità della superficie aerodinamica (5S) da monitorare per il rilievo della temperatura della superficie (5S), ed un sensore pioggia (30) collocato in prossimità della superficie (5S) per il rilievo di presenza di acqua sulla superficie (5S). 5. Sistema secondo la rivendicazione 4, in cui i sensori (20, 30) sono collocati in corrispondenza o nell' intorno delle zone di massima pressione della superfcie aerodinamica (5S) da monitorare. 6. Sistema secondo le rivendicazioni 4 o 5, in cui il sensore di temperatura (20) presenta una sua porzione sensibile (21) collocata in corrispondenza della corrente fluida (F) che lambisce - lo la superficie aerodinamica (5S). 7. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui i sensori (20, 30) sono collocati sulla superfcie aerodinamica (5S) vicini tra loro. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui i sensori (20, 30) sono di un tipo a piastrine e sono fissati sulla superficie esterna (5S). 9. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 4 a 8, in cui i detti sensori di temperatura e pioggia (20, 30) sono integrati in un unico sensore. 10. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 4 a 9, comprendente un sistema di Q acquisizione dati in connessione con detti sensori (20, 30), in particolare tramite rispettivi s
    mezzi di connessione (22, 31), per Γ elaborazione dei segnali ricevuti al fine di determinare un 8 oc segnale di pericolo di formazione di ghiaccio da inviare ad un'unità centrale di controllo. J<*>11. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui quando i sensori (20, 30) rilevano presenza di acqua ed una temperatura minore di un valore critico stabilito, il sistema di acquisizione dati segnala il pericolo di formazione di ghiaccio o ghiacciamento incipiente ad un'unità centrale di controllo. 12. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 4 a 10, in cui detta superficie aerodinamica è la superficie esterna (5S) di ima pala rotorica (5) e la macchina a fluido è una turbina eolica. 13. Sistema secondo la rivendicazione 12, in cui la pala è di una tipologia forata ed i sensori (20, 30) sono collocati a monte di un singolo foro (12) rispetto alla corrente fluida (F) che lambisce la superficie esterna (5S) della pala (5). 14. Sistema secondo le rivendicazioni 11 o 12 e 13, in cui il sistema di acquisizione è posizionato sulla navicella della turbina eolica, il sistema comprendendo mezzi per il trasferimento dei segnali rilevati dai sensori (20, 30) al controller. * * * * * * * di Lorenzo BATTISTI p.i. Ing. Roberto DINI No. Iscr. Albo: 270 BM
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