ITTO20130099A1 - TURBINE - Google Patents
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Description
“Turbina†, â € œTurbineâ €,
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
Campo dell’invenzione Field of invention
La presente invenzione si riferisce alle turbine in generale ed à ̈ stata sviluppata con particolare riferimento alle turbine per la produzione di energia idroelettrica. Più in generale, l’invenzione riguarda una macchina atta a generare il moto rotatorio di un albero tramite una girante che sfrutta pressione, massa e forza centrifuga prodotta dalla spinta in uscita di un fluido, al fine di ottenere energia meccanica disponibile per il funzionamento di altri apparati. The present invention refers to turbines in general and has been developed with particular reference to turbines for the production of hydroelectric energy. More generally, the invention relates to a machine capable of generating the rotary motion of a shaft by means of an impeller that exploits the pressure, mass and centrifugal force produced by the outgoing thrust of a fluid, in order to obtain mechanical energy available for operation. of other apparatuses.
Tecnica Anteriore Anterior technique
E’ generalmente noto che la potenza meccanica che si può ottenere dall’albero di una turbina dipende da vari parametri, tra i quali assumono particolare importanza la portata e la velocità del flusso di fluido in ingresso. Per questo motivo, la realizzazione di turbine con potenze elevate comporta l’innalzamento dei valori della portata in ingresso e/o della velocità media del flusso in ingresso. Ciò presuppone solitamente la realizzazione di impianti di dimensioni significative, con alti costi di realizzazione, di installazione e di gestione, oltre che la disponibilità di elevati valori di portate fluide e di velocità del flusso da alimentare alla turbina, con relativi costi di esercizio. It is generally known that the mechanical power that can be obtained from the shaft of a turbine depends on various parameters, among which the flow rate and speed of the incoming fluid are of particular importance. For this reason, the construction of turbines with high power involves increasing the values of the inlet flow and / or the average speed of the inlet flow. This usually presupposes the construction of plants of significant size, with high construction, installation and management costs, as well as the availability of high fluid flow rates and speed of the flow to be fed to the turbine, with relative operating costs.
Una tipologia di turbine molto diffusa, particolarmente ai fini della produzione di energia idroelettrica, à ̈ la turbina Pelton. La turbina Pelton, che costituisce un classico esempio di turbina ad azione, à ̈ contraddistinta da una notevole semplicità costruttiva e di manutenzione, da un rendimento relativamente elevato e da una buona affidabilità di funzionamento. Le turbine Pelton presentano tuttavia l’inconveniente di non poter essere efficacemente utilizzate con altezze di caduta medie e basse, ad esempio nell’ordine di pochi metri, in quanto il loro rendimento in tali condizioni operative sarebbe eccessivamente basso. E’ tuttavia noto che gran parte delle altezze di caduta convenienti per la produzione di energia, e segnatamente di energia idroelettrica, soprattutto mediante impianti di produzione piccoli e molti piccoli, sono proprio le cadute medie, basse e molto basse: in tali situazioni, lo sfruttamento di altezze di caduta ridotte comporta solitamente l’utilizzo di turbine a reazione, quali le turbine Francis o Kaplan, che sono tuttavia costruttivamente più complicate e costose, nonché contraddistinte da costi di manutenzione più elevati rispetto alle turbine Pelton. A very common type of turbine, particularly for the production of hydroelectric energy, is the Pelton turbine. The Pelton turbine, which is a classic example of an action turbine, is characterized by a remarkable simplicity of construction and maintenance, a relatively high efficiency and good operating reliability. However, Pelton turbines have the drawback of not being able to be effectively used with medium and low drop heights, for example in the order of a few meters, as their efficiency in such operating conditions would be excessively low. However, it is known that a large part of the fall heights suitable for the production of energy, and in particular hydroelectric energy, especially through small and many small production plants, are precisely the average, low and very low falls: in such situations, the exploitation of low drop heights usually involves the use of reaction turbines, such as the Francis or Kaplan turbines, which are however constructively more complicated and expensive, as well as characterized by higher maintenance costs than Pelton turbines.
Sommario e scopo dell’invenzione Summary and purpose of the invention
Nei suoi termini generali, la presente invenzione si propone di realizzare una turbina, particolarmente una turbina idraulica, di struttura relativamente semplice ed economica, ma di funzionamento efficiente e con elevato rendimento, anche in presenza di portate del flusso del fluido di alimentazione relativamente modeste e/o di altezze di caduta medie, basse e molto basse. Scopo correlato dell’invenzione à ̈ quello di realizzare una turbina che non richieda una manutenzione onerosa e che consenta di ottenere potenze specifiche maggiori, a parità di dimensioni con turbine di tipo noto. In its general terms, the present invention proposes to realize a turbine, particularly a hydraulic turbine, of a relatively simple and economical structure, but of efficient operation and with high efficiency, even in the presence of relatively modest flow rates of the supply fluid and / or of medium, low and very low drop heights. The correlated purpose of the invention is that of realizing a turbine that does not require expensive maintenance and that allows to obtain higher specific powers, with the same dimensions with turbines of a known type.
Uno o più degli scopi suddetti sono raggiunti, secondo la presente invenzione, da una turbina avente le caratteristica della rivendicazione 1. Caratteristiche preferenziali dell’invenzione sono indicate nelle sotto-rivendicazioni. One or more of the above objects are achieved, according to the present invention, by a turbine having the characteristics of claim 1. Preferential characteristics of the invention are indicated in the sub-claims.
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue, effettuata con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo, in cui: Further objects, characteristics and advantages of the present invention will become clear from the following description, made with reference to the attached drawings, provided purely by way of non-limiting example, in which:
- la figura 1 à ̈ una rappresentazione schematica di un possibile ambito di applicazione di una turbina secondo l’invenzione; - figure 1 is a schematic representation of a possible field of application of a turbine according to the invention;
- la figura 2 à ̈ una sezione laterale schematica, in parziale sezione, di una turbina secondo una forma di attuazione dell’invenzione; - figure 2 is a schematic side section, in partial section, of a turbine according to an embodiment of the invention;
- la figura 3 à ̈ un vista in esploso schematica di una turbina secondo una forma di attuazione dell’invenzione; - figure 3 is a schematic exploded view of a turbine according to an embodiment of the invention;
- le figure 4, 5 e 6 sono viste schematiche, rispettivamente in prospettiva, in elevazione laterale ed in pianta, di un organo divisore di flusso di una turbina secondo l’invenzione; - figures 4, 5 and 6 are schematic views, respectively in perspective, in lateral elevation and in plan, of a flow divider of a turbine according to the invention;
- le figure 7, 8 e 9 sono viste schematiche, rispettivamente in prospettiva, in elevazione laterale ed in pianta, di un organo deflettore di flusso di una turbina secondo l’invenzione; - figures 7, 8 and 9 are schematic views, respectively in perspective, in lateral elevation and in plan, of a flow deflector member of a turbine according to the invention;
- le figure 10, 11 e 12 sono viste schematiche in pianta di una turbina secondo una forma di attuazione dell’invenzione, in tre diverse condizioni operative; e - Figures 10, 11 and 12 are schematic plan views of a turbine according to an embodiment of the invention, in three different operating conditions; And
- la figura 13 à ̈ una rappresentazione parziale e schematica di una turbina secondo un’attuazione dell’invenzione, con alcune parti rimosse. - figure 13 is a partial and schematic representation of a turbine according to an embodiment of the invention, with some parts removed.
Descrizione di forme di attuazione preferite dell’invenzione Description of preferred embodiments of the invention
Il riferimento ad “una forma di attuazione†all’interno di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta in relazione alla forma di attuazione, à ̈ compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, i termini “in una forma di attuazione†e simili, presenti in diverse parti all’interno di questa descrizione, non sono necessariamente tutti riferite alla stessa forma di attuazione. Inoltre, le particolari configurazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in ogni modo adeguato in una o più forme di attuazione. I riferimenti qui utilizzati sono soltanto per comodità e non definiscono l’ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione. The reference to "an embodiment" within this description indicates that a particular configuration, structure, or feature described in relation to the embodiment is included in at least one embodiment. Thus, the terms â € œin one embodimentâ € and the like, present in different parts within this description, are not necessarily all referring to the same embodiment. Furthermore, the particular configurations, structures or features can be combined in any suitable way in one or more embodiments. The references used here are for convenience only and do not define the scope of protection or the scope of the forms of implementation.
In figura 1 à ̈ rappresentato schematicamente, a scopo meramente esemplificativo, un possibile impiego di una turbina secondo una forma di attuazione della presente invenzione, indicata complessivamente con 1. Nell’esempio, la turbina 1 à ̈ posta in esercizio con l’asse di rotazione X di una relativa girante in posizione sostanzialmente verticale, ma in altre possibili applicazioni - qui non rappresentate - la turbina può essere installata con l’asse X sostanzialmente orizzontale o anche diversamente inclinato. Figure 1 schematically represents, purely by way of example, a possible use of a turbine according to an embodiment of the present invention, indicated as a whole with 1. In the example, the turbine 1 is put into operation with the axis of rotation X of a relative impeller in a substantially vertical position, but in other possible applications - not shown here - the turbine can be installed with the X axis substantially horizontal or even differently inclined.
In figura 1, con C1e C2sono indicata due tratti di una generica canalizzazione di convogliamento di un flusso d’acqua, tra i quali può essere presente anche un dislivello relativamente modesto, indicativamente compreso tra 0,5 e 3 metri. Al termine del tratto C1più alto à ̈ definito l’imbocco Din- sostanzialmente conformato a imbuto o a venturi -di una condotta D, che prosegue in basso a formare un sifone Ds, per poi risalire sino ad un ingresso della turbina 1. Nell’esempio il sifone Dssi estendente almeno in parte al di sotto del fondo del tratto di canalizzazione più basso C2. La distanza in altezza tra il punto più basso del sifone Dsed il tratto di canalizzazione C1può essere ad esempio pari al doppio del dislivello tra i tratti C1e C2. Sempre riferendosi all’esempio non limitativo illustrato, la turbina 1 à ̈ preferibilmente sostenuta sopra il livello massimo raggiungibile dal corso d’acqua nel tratto di canalizzazione C2, tramite una struttura di supporto, qui non rappresentata, con l’acqua in uscita dalla turbina stessa che può confluire liberamente nel tratto C2. A titolo meramente esemplificativo, in figura 1 all’albero della turbina 1 à ̈ associato un alternatore A per la produzione di energia elettrica. In figure 1, with C1 and C2 two sections of a generic channeling for conveying a water flow are indicated, between which there may also be a relatively modest difference in height, approximately between 0.5 and 3 meters. At the end of the highest section C1 the entrance Din is defined - substantially shaped like a funnel or venturi - of a duct D, which continues downwards to form a siphon Ds, and then rises up to an inlet of turbine 1. In the For example, the siphon Dssi extending at least in part below the bottom of the lowest channeling section C2. The distance in height between the lowest point of the siphon Ds and the channeling section C1 can be, for example, equal to double the difference in height between the sections C1 and C2. Still referring to the non-limiting example illustrated, turbine 1 is preferably supported above the maximum level that can be reached by the water course in the channeling section C2, by means of a support structure, not shown here, with the water in output from the turbine itself which can flow freely into section C2. Merely by way of example, in figure 1 an alternator A for the production of electricity is associated with the turbine shaft 1.
In figura 2 à ̈ rappresentata schematicamente, tramite una vista in sezione, una possibile forma di attuazione di una turbina 1 secondo l’invenzione. Si noti che in tale figura schematica, così come nella successiva figura 3, alcuni componenti sono stati rappresentati in vista ed altri in sezione. In termini generali, la turbina 1 ha una struttura stazionaria, indicata complessivamente con 10 ed in seguito definita per semplicità “statore†, con un ingresso 11, per il collegamento ad una linea di alimentazione di un flusso di un fluido, quale ad esempio la condotta D di figura 1. La turbina 1 comprende poi una girante avente una struttura mobile cava, indicata complessivamente con 20 ed in seguito definita per semplicità “rotore†, supportata in modo girevole dallo statore 10 per ruotare secondo il rispettivo asse X. Come risulterà chiaro in seguito, il rotore 20 ha una pluralità di canali di flusso che si estendono da una parte periferica 21 dello stesso rotore verso una sua regione centrale. Un fronte o parte inferiore 22 del rotore 20 ha, in corrispondenza di una sua regione centrale, un ingresso di girante 23, preferibilmente affacciato ad una sezione terminale dell’ingresso 11 dello statore 10. L’ingresso 23, generalmente coassiale all’asse X, à ̈ in comunicazione di fluido con l’ingresso 11 ed i suddetti canali di flusso, alcuni dei quali indicati con 60 e 61. Ancora in figura 2, con 30 à ̈ indicato un albero di turbina, operativamente connesso ad un retro o parte superiore 24 del rotore 20 (nell’esempio di figura 1 l’albero 30 aziona l’alternatore A). Figure 2 schematically represents, through a sectional view, a possible embodiment of a turbine 1 according to the invention. It should be noted that in this schematic figure, as well as in the following figure 3, some components have been shown in view and others in section. In general terms, the turbine 1 has a stationary structure, indicated as a whole with 10 and hereinafter defined for simplicity as `` stator '', with an inlet 11, for connection to a supply line of a fluid flow, such as for example the duct D of figure 1. The turbine 1 then comprises an impeller having a hollow mobile structure, indicated as a whole with 20 and hereinafter referred to for simplicity as â € œrotorâ €, rotatably supported by the stator 10 to rotate according to the respective axis X. As will become clear hereinafter, the rotor 20 has a plurality of flow channels extending from a peripheral part 21 of the same rotor towards a central region thereof. A front or lower part 22 of the rotor 20 has, in correspondence with its central region, an impeller inlet 23, preferably facing a terminal section of the inlet 11 of the stator 10. The inlet 23, generally coaxial to the Axis X, is in fluid communication with the inlet 11 and the aforementioned flow channels, some of which indicated with 60 and 61. Again in figure 2, with 30 a turbine shaft is indicated, operatively connected to a rear or upper part 24 of the rotor 20 (in the example of figure 1 the shaft 30 drives the alternator A).
Come risulterà maggiormente chiaro in seguito, in una attuazione preferita il rotore ha una forma sostanzialmente a disco, ovvero una forma generalmente circolare appiattita; di preferenza, anche lo statore ha almeno una forma sostanzialmente a disco, definente un alloggiamento per il rotore 20. In termini più generali, lo statore 10 include almeno una tra una prima parte (in seguito indicata con 15) affacciata al fronte 22 del rotore 20 ed una seconda parte (in seguito indicata con 16) affacciata al retro 24 del rotore 20, dove tali prima e seconda parte sono di preferenza sostanzialmente parallele tra loro e rispetto al fronte ed il retro del rotore 20. As will become clearer hereinafter, in a preferred embodiment the rotor has a substantially disc shape, that is a generally flattened circular shape; preferably, the stator also has at least a substantially disc shape, defining a housing for the rotor 20. In more general terms, the stator 10 includes at least one of a first part (hereinafter indicated with 15) facing the front 22 of the rotor 20 and a second part (hereinafter referred to as 16) facing the rear 24 of the rotor 20, where these first and second parts are preferably substantially parallel to each other and to the front and rear of the rotor 20.
Nel funzionamento generale, il fluido che entra nella turbina 1 dall’ingresso 11 penetra all’interno del rotore 20 attraverso l’ingresso 23, per fluire nei suddetti canali di flusso e poi fuoriuscire da uscite di questi ultimi, particolarmente configurate in forma di ugelli inclinati 70 che si trovano in corrispondenza della parte periferica 21 del rotore 20, con ciò causando la rotazione di quest’ultimo, e quindi dell’albero 30. In general operation, the fluid that enters the turbine 1 from the inlet 11 penetrates inside the rotor 20 through the inlet 23, to flow into the aforementioned flow channels and then come out from the latter's outlets, particularly configured in form of inclined nozzles 70 which are located in correspondence with the peripheral part 21 of the rotor 20, thereby causing the rotation of the latter, and therefore of the shaft 30.
Riferendosi anche alla figura 3, in accordo ad una caratteristica dell’invenzione, la turbina 1 comprende, in corrispondenza dell’ingresso di girante 23, un divisore di flusso 25 configurato per suddividere assialmente il flusso del fluido in ingresso al rotore 20 in una pluralità di sotto-flussi. In accordo ad un’altra caratteristica dell’invenzione, il retro 24 del rotore 20 ha, in una sua regione centrale, un organo deflettore sostanzialmente conico 26, all’interno della cavità del rotore 20. L’organo deflettore 26, che à ̈ generalmente affacciato all’ingresso di girante 23, si estende verso il divisore di flusso 24 ed à ̈ configurato per indirizzare i sotto-flussi assiali creati dal divisore stesso verso i canali di flusso definiti nel rotore 20. Referring also to Figure 3, according to a characteristic of the invention, the turbine 1 comprises, at the impeller inlet 23, a flow divider 25 configured to axially divide the flow of the fluid entering the rotor 20 into a plurality of sub-streams. According to another characteristic of the invention, the rear 24 of the rotor 20 has, in one of its central regions, a substantially conical deflector member 26, inside the cavity of the rotor 20. The deflector member 26 , which is generally facing the impeller inlet 23, extends towards the flow divider 24 and is configured to direct the axial sub-flows created by the divider itself towards the flow channels defined in the rotor 20.
Il divisore di flusso 25 à ̈ supportato in posizione fissa dalla struttura stazionaria 10. Di preferenza, inoltre, il divisore di flusso 25 si estende almeno in parte all’interno del rotore 20, verso una punta dell’organo deflettore 26. Molto preferibilmente, la sommità del divisore di flusso 25 à ̈ a leggera distanza dalla punta dell’organo deflettore 26, indicativamente una distanza compresa tra 0,1 e 8 mm. The flow divider 25 is supported in a fixed position by the stationary structure 10. Preferably, moreover, the flow divider 25 extends at least partially inside the rotor 20, towards a tip of the deflector member 26. A lot preferably, the top of the flow divider 25 is at a slight distance from the tip of the deflector member 26, indicatively a distance between 0.1 and 8 mm.
Una possibile realizzazione del divisore di flusso 25 Ã ̈ visibile nelle figure 4-6, dalle quali si apprezza come, in una realizzazione preferita, il divisore stesso abbia configurazione generalmente rastremata in una sua regione superiore. A possible embodiment of the flow divider 25 can be seen in figures 4-6, from which it can be appreciated how, in a preferred embodiment, the divider itself has a generally tapered configuration in an upper region thereof.
Più particolarmente, nell’esempio non limitativo illustrato, il divisore di flusso 25 include una camicia tubolare 25a, preferibilmente cilindrica, avente un’estremità superiore ed un’estremità inferiore, ed una o più pareti divisorie 25b che suddividono un volume interno della camicia tubolare 25a in una pluralità di sottocanali o sottocamere, indicate con 25c, aventi preferibilmente sezione sostanzialmente a settore circolare. More particularly, in the illustrated non-limiting example, the flow divider 25 includes a tubular jacket 25a, preferably cylindrical, having an upper end and a lower end, and one or more dividing walls 25b which divide an internal volume of the tubular jacket 25a into a plurality of sub-channels or sub-chambers, indicated with 25c, preferably having a substantially circular sector section.
Nell’esempio illustrato, sono previste tre pareti 25b che si estendono radialmente dall’asse della camicia 25a, a suddividerne il relativo volume cavo in tre sottocanali assiali. Di preferenza ciascuna parete divisoria 25b sporge in direzione assiale dalla camicia 25a almeno alla relativa estremità superiore; molto preferibilmente, inoltre, ciascuna parete divisoria 25b ha una parte superiore generalmente rastremata, con un bordo superiore che si estende inclinato tra una sommità della parete stessa ed un bordo superiore della camicia 25a. In tal modo i sotto-flussi generalmente assiali determinati dal divisore 25 – schematizzati in F in figura 4 - possono essere agevolmente deviati, in abbinamento all’azione dell’organo diffusore 26, in direzioni almeno approssimativamente radiali, ovvero verso i canali di flusso interni al rotore 20. In the illustrated example, three walls 25b are provided which extend radially from the axis of the jacket 25a, dividing its hollow volume into three axial sub-channels. Preferably, each dividing wall 25b projects axially from the jacket 25a at least at the relative upper end; more preferably, moreover, each dividing wall 25b has a generally tapered upper part, with an upper edge which extends inclined between a top of the wall itself and an upper edge of the jacket 25a. In this way the generally axial sub-flows determined by the divider 25 - schematized in F in figure 4 - can be easily deflected, in combination with the action of the diffuser element 26, in at least approximately radial directions, i.e. towards the flow channels inside the rotor 20.
In una realizzazione preferita, la parete divisoria 25b, o ciascuna parete divisoria prevista, ha un’estremità superiore generalmente piana. Tale misura consente di avvicinare la sommità del divisore 25 alla punta dell’organo 26, come ben visibile ad esempio in figura 2, senza con ciò pregiudicare la precisa suddivisione del flusso di liquido in ingresso. Peraltro, in una forma di attuazione non rappresentata, la sommità del divisore, anche se di configurazione appuntita, può trovare corrispondenza in apposita cavità o alloggiamento realizzato nella zona di punta del corpo dell’organo deflettore 26, in modo comunque da consentire la libera rotazione del secondo rispetto al primo. In a preferred embodiment, the dividing wall 25b, or each provided dividing wall, has a generally flat upper end. This measure makes it possible to bring the top of the divider 25 closer to the tip of the organ 26, as clearly visible for example in Figure 2, without thereby compromising the precise subdivision of the incoming liquid flow. Moreover, in an embodiment not shown, the top of the divider, even if of pointed configuration, can find a correspondence in a suitable cavity or housing made in the tip area of the body of the deflector member 26, so as to allow free rotation of the second with respect to the first.
Alla base della camicia 25a à ̈ di preferenza prevista una formazione a flangia 25c, provvista di fori passanti per viti impiegate per il fissaggio del divisore 25 in corrispondenza dell’ingresso 11 dello statore. A flange formation 25c is preferably provided at the base of the jacket 25a, provided with through holes for screws used for fixing the divider 25 at the inlet 11 of the stator.
Nelle figure 7-9 à ̈ invece visibile l’organo deflettore 26, qui definito per semplicità “sostanzialmente conico†: preferibilmente, in realtà , l’organo 26 ha sostanzialmente un profilo conico esponenziale a 360°, ovverosia sostanzialmente a campana o a profilo curvo; in altri termini - e come ben si apprezza nelle figure 7 e 8 - il profilo dell’organo 26, quando visto in elevazione laterale, rassomiglia a una curva di gauss. L’organo 26 si trova all’interno della cavità del rotore 20 ed à ̈ solidale, in corrispondenza della sua base 26a, al retro 24 del rotore, in modo da risultare direttamente affacciato al divisore 25. Come in precedenza spiegato, con tale disposizione i sotto-flussi F determinati dal divisore 25 possono essere efficacemente indirizzati nei canali di flusso del rotore 20. Nella forma di attuazione esemplificata, in corrispondenza della base 26a dell’organo 26 sono definiti fori con madrevite 26b, per il suo fissaggio con organi filettati al retro 24 del rotore; nell’esempio, in corrispondenza della base 25a à ̈ inoltre preferibilmente ma non necessariamente prevista una sede centrale 26c, per l’alloggiamento dell’estremità inferiore dell’albero 30 della turbina. In figures 7-9, on the other hand, the deflector organ 26 is visible, here defined for simplicity as â € œsubstantially conicalâ €: preferably, in reality, the organ 26 substantially has a 360 ° exponential conical profile, that is substantially bell-shaped or with curved profile; in other words - and as can be appreciated in figures 7 and 8 - the profile of the organ 26, when seen in lateral elevation, resembles a gauss curve. The organ 26 is located inside the cavity of the rotor 20 and is integral, at its base 26a, with the rear 24 of the rotor, so as to be directly facing the divider 25. As previously explained, with this arrangement, the sub-flows F determined by the divider 25 can be effectively directed into the flow channels of the rotor 20. In the exemplified embodiment, holes with nut screw 26b are defined at the base 26a of the organ 26b, for its fixing with threaded members at the rear 24 of the rotor; in the example, in correspondence with the base 25a there is also preferably but not necessarily provided a central seat 26c, for housing the lower end of the turbine shaft 30.
Il divisore 25, unitamente al deflettore 26, consente di eliminare eventuali vortici prodotti dalla rotazione della girante, onde ottenere uno scorrimento omogeneo del flusso d’acqua diretto contro l’organo diffusore 26 ed orientarlo nei canali di flusso dove si sviluppa la forza centrifuga. Come si vedrà in seguito, all’interno del volume cavo della girante 20 l’acqua viene indirizzata nei canali di flusso 60, 61 preferibilmente disposti sostanzialmente a raggiera, che convogliano l’acqua stessa verso i rispettivi ugelli inclinati 70. The divider 25, together with the deflector 26, allows to eliminate any vortices produced by the rotation of the impeller, in order to obtain a homogeneous flow of the water flow directed against the diffuser element 26 and orient it in the flow channels where the force develops centrifuge. As will be seen below, inside the hollow volume of the impeller 20 the water is directed into the flow channels 60, 61 preferably arranged substantially in a radial pattern, which convey the water itself towards the respective inclined nozzles 70.
Riferendosi ancora alla figura 2, in una attuazione preferita la turbina 1 comprendente una pluralità di elementi di contrasto, due dei quali indicati con 40, che sono disposti preferibilmente secondo una circonferenza (si veda a riferimento anche la figura 13) e sono supportati dallo statore 10, in posizione generalmente affacciata alla parte periferica 21 del rotore 20, in cui si trovano gli ugelli 70. La presenza degli elementi di contrasto 40 à ̈ preferibile, in quanto consente di accrescere il rendimento della turbina, ma non costituisce caratteristica essenziale dell’invenzione. Referring again to Figure 2, in a preferred embodiment the turbine 1 comprising a plurality of contrast elements, two of which indicated with 40, which are preferably arranged according to a circumference (see also Figure 13 for reference) and are supported by the stator 10, in a position generally facing the peripheral part 21 of the rotor 20, in which the nozzles 70 are located. The presence of the contrasting elements 40 is preferable, as it allows to increase the turbine efficiency, but is not an essential characteristic of the turbine. ™ invention.
In una forma di attuazione preferita, la turbina 1 ha almeno un sistema di attuazione per variare in modo controllato la posizione degli elementi di contrasto 40. A tale scopo gli elementi di contrasto 40 sono preferibilmente montati sullo statore 10 in modo mobile, per variare la posizione di una loro superficie di contrasto rispetto ai getti del fluido in uscita dagli ugelli terminali 70 dai canali di flusso del rotore 20. Due di tali getti sono esemplificati in figura 13, ove sono indicati con J. Di preferenza, gli elementi 40 sono montati sullo statore 10 per essere mobili angolarmente secondo rispettivi assi generalmente paralleli all’asse di rotazione X del rotore 20. In a preferred embodiment, the turbine 1 has at least one actuation system for varying the position of the contrast elements 40 in a controlled manner. For this purpose, the contrast elements 40 are preferably mounted on the stator 10 in a mobile way, to vary the position of one of their contrast surfaces with respect to the jets of the fluid leaving the terminal nozzles 70 from the flow channels of the rotor 20. Two of these jets are exemplified in figure 13, where they are indicated by J. Preferably, the elements 40 are mounted on the stator 10 to be angularly movable according to respective axes generally parallel to the rotation axis X of the rotor 20.
In generale, in almeno una delle posizioni che possono essere assunte dagli elementi di contrasto 40, la relativa superficie di contrasto à ̈ suscettibile di essere colpita dai getti in uscita dal rotore 20 con un primo angolo di incidenza; in almeno un’altra posizione degli elementi 40, la relativa superficie à ̈ colpita dai getti in uscita dal rotore 20 con un diverso angolo di incidenza. Come si vedrà in seguito, la presenza degli elementi di contrasto 40, e la possibilità di variare la loro posizione, consente di mantenere costante la spinta centrifuga del rotore 20 in caso di variazioni di pressione del flusso in ingresso, particolarmente in caso di abbassamenti di pressione (essendo la pressione massima in ingresso alle turbine generalmente regolata a monte). In general, in at least one of the positions that can be assumed by the contrasting elements 40, the relative contrasting surface is susceptible to being hit by the jets leaving the rotor 20 with a first angle of incidence; in at least one other position of the elements 40, the relative surface is hit by the jets leaving the rotor 20 with a different angle of incidence. As will be seen below, the presence of the contrast elements 40, and the possibility of varying their position, allows the centrifugal thrust of the rotor 20 to be kept constant in the event of pressure variations in the inlet flow, particularly in the event of lowering of pressure (being the maximum pressure at the inlet to the turbines generally regulated upstream).
In figura 3 la struttura della turbina 1, in una sua forma di attuazione preferenziale, Ã ̈ illustrata tramite una vista schematica esplosa. In figure 3 the structure of the turbine 1, in one of its preferential embodiments, is illustrated by means of an exploded schematic view.
Con D1à ̈ indicata una flangia di raccordo del condotto D di alimentazione del fluido, destinato all’accoppiamento con una parte a flangia 12a di un supporto tubolare inferiore 12, definente l’ingresso 11 della turbina 1, formato ad esempio con materiale metallico. D1 indicates a connecting flange of the fluid supply duct D, intended for coupling with a flange part 12a of a lower tubular support 12, defining the inlet 11 of the turbine 1, formed for example with metal material .
Il supporto inferiore 12 ha una porzione superiore a ghiera 12b, in corrispondenza della quale à ̈ fissato, ad esempio mediante organi filettati, il divisore di flusso 25, anch’esso preferibilmente di materiale metallico, in posizione assiale all’ingresso 11. Al supporto inferiore 12, e segnatamente all’esterno della sua parte a ghiera 12b, à ̈ associato un supporto tubolare metallico superiore 13, nell’ambito del quale sono operativi mezzi di tenuta. In una realizzazione preferita, i suddetti mezzi di tenuta includono una o più guarnizioni 14a supportate da un anello porta-guarnizioni 14. Di preferenza, almeno uno tra ciascuna guarnizione 14a e l’anello porta-guarnizioni 14 à ̈ formato almeno in parte con un materiale ad alta resistenza, quale un materiale sintetico a base di PTFE o ECTFE; ad esempio, un materiale utilizzabile con vantaggio a tale scopo à ̈ quello noto con il nome commerciale Turcite®. Come risulterà chiaro in seguito, una parte tubolare (23a) del rotore 20, che definisce l’ingresso di girante 23, à ̈ innestata nella parte tubolare rappresentata dal raccordo superiore 12, con interposti i suddetti mezzi di tenuta 14-14a. The lower support 12 has an upper ring nut portion 12b, in correspondence with which the flow divider 25, also preferably of metal material, is fixed, for example by means of threaded members, in an axial position at the inlet 11. An upper metal tubular support 13 is associated with the lower support 12, and in particular on the outside of its ring nut part 12b, within which sealing means are operative. In a preferred embodiment, the aforementioned sealing means include one or more gaskets 14a supported by a gasket holder ring 14. Preferably, at least one of each gasket 14a and the gasket holder ring 14 is formed at least in part with a high strength material, such as a synthetic material based on PTFE or ECTFE; for example, a material that can be used with advantage for this purpose is the one known by the trade name Turcite®. As will become clear below, a tubular part (23a) of the rotor 20, which defines the impeller inlet 23, is inserted into the tubular part represented by the upper fitting 12, with the aforementioned sealing means 14-14a interposed.
In una forma di attuazione lo statore 10 ha almeno una porzione con forma sostanzialmente a disco, ovvero di forma generalmente circolare appiattita, definente una cavità o alloggiamento per il rotore 20, tale alloggiamento essendo indicato con C in figura 2. Nell’esempio non limitativo di figura 3, il supporto superiore 13 à ̈ fissato ad una struttura portante inferiore 15 dello statore 10, ad esempio comprendente una piastra metallica, preferibilmente discoidale, con un’apertura centrale 15a in corrispondenza della quale à ̈ fissato il supporto 13. Alla faccia superiore della struttura 15 à ̈ solidale una parete periferica 15b, preferibilmente costituita da un anello metallico, ad esempio fissato in posizione tramite saldatura o mediante organi filettati. In one embodiment, the stator 10 has at least one portion with a substantially disc shape, that is, of a generally flattened circular shape, defining a cavity or housing for the rotor 20, this housing being indicated with C in Figure 2. In the example not limitation of figure 3, the upper support 13 is fixed to a lower bearing structure 15 of the stator 10, for example comprising a metal plate, preferably discoidal, with a central opening 15a in correspondence with which the support 13 is fixed. A peripheral wall 15b is integral with the upper face of the structure 15, preferably constituted by a metal ring, for example fixed in position by welding or by means of threaded members.
Con 16 à ̈ indicata una struttura portante superiore dello statore 10, preferibilmente di realizzazione simile alla struttura inferiore 15. Anche la struttura 16 può quindi includere una piastra metallica, preferibilmente discoidale, con un’apertura centrale 16a, alla cui faccia inferiore à ̈ solidale una parete periferica 16b, preferibilmente costituita da un anello metallico di diametro sostanzialmente corrispondente a quello dell’omologa parete 15b della struttura inferiore 15. Di preferenza, almeno una delle due strutture 15 e 16 ha un diametro esterno maggiore del diametro esterno del rotore 10, in modo da avere una rispettiva regione periferica che sporge in direzione radiale oltre la parte periferica 21 del rotore (si veda ad esempio figura 2): vantaggiosamente, ad una tale regione periferica possono essere associati gli elementi di contrasto 40 precedentemente citati. Nell’esempio raffigurato le pareti 15b, 16b hanno un diametro inferiore rispetto a quello delle piastre che realizzano le strutture 15 e 16, sicché queste ultime hanno ciascuna una suddetta regione periferica, qui anulare, con gli elementi di contrasto 40 che sono associati alla struttura superiore 16. The reference number 16 indicates an upper bearing structure of the stator 10, preferably of construction similar to the lower structure 15. Also the structure 16 can therefore include a metal plate, preferably discoidal, with a central opening 16a, whose lower face is integral with a peripheral wall 16b, preferably consisting of a metal ring with a diameter substantially corresponding to that of the homologous wall 15b of the lower structure 15. Preferably, at least one of the two structures 15 and 16 has an external diameter greater than the external diameter of the rotor 10, so as to have a respective peripheral region which protrudes in a radial direction beyond the peripheral part 21 of the rotor (see for example Figure 2): advantageously, the previously mentioned contrasting elements 40 can be associated with such a peripheral region. In the example shown, the walls 15b, 16b have a smaller diameter than that of the plates which make up the structures 15 and 16, so that the latter each have an aforementioned peripheral region, here annular, with the contrast elements 40 which are associated to the upper structure 16.
La presenza delle pareti 15b e 16b, per quanto preferibile, non à ̈ strettamente necessaria ai fini dell’implementazione dell’invenzione. In termini generali, le parti 15-16 dello statore 10 che definiscono l’alloggiamento C del rotore 20 possono realizzare una parte periferica (qui rappresentata dalle pareti 15b e 16b), che à ̈ affacciata alla parte periferica 21 del rotore 20 e sostanzialmente coassiale ad essa: tale parte periferica dello statore, se presente, definisce di preferenza un’apertura circonferenziale, onde consentire l’uscita dei getti di fluido. A tale scopo, nell’esempio raffigurato, le strutture inferiore 15 e superiore 16 sono rese solidali tra loro con le sommità delle rispettive pareti periferiche 15b, 16b sostanzialmente affacciate ad una certa distanza, in modo da definire tra loro la suddetta apertura circonferenziale. The presence of walls 15b and 16b, although preferable, is not strictly necessary for the implementation of the invention. In general terms, the parts 15-16 of the stator 10 which define the housing C of the rotor 20 can form a peripheral part (here represented by the walls 15b and 16b), which faces the peripheral part 21 of the rotor 20 and substantially coaxial to it: this peripheral part of the stator, if present, preferably defines a circumferential opening, in order to allow the jets of fluid to escape. For this purpose, in the example shown, the lower 15 and upper 16 structures are made integral with each other with the tops of the respective peripheral walls 15b, 16b substantially facing at a certain distance, so as to define the aforementioned circumferential opening between them.
Il fissaggio tra le due strutture 15, 16 può essere realizzato tramite organi di fissaggio all’esterno dell’alloggiamento C, comunque in posizioni tali da non interferire con la rotazione del rotore 10. In una forma di attuazione, quale quella illustrata, sono allo scopo previsti organi filettati, disposti in corrispondenza della suddetta regione periferica delle strutture 15 e 16. Riferendosi alle figure 2 e 3, tali organo di fissaggio includono elementi distanziali 17, ad esempio metallici, provvisti di fori ciechi con madrevite alle due estremità assiali; in tali fori ciechi sono avvitati perni filettati 17a, passanti in relativi fori 15c e 16c previsti nella parte periferica delle strutture 15 e 16; il fissaggio à ̈ completato serrando dadi 17b alle estremità esterne dei suddetti perni 17a. The fastening between the two structures 15, 16 can be achieved by means of fastening members outside the housing C, in any case in positions that do not interfere with the rotation of the rotor 10. In an embodiment, such as the one illustrated, for this purpose threaded members are provided, arranged in correspondence with the aforementioned peripheral region of the structures 15 and 16. Referring to Figures 2 and 3, these fastening members include spacer elements 17, for example metal, provided with blind holes with nut screws at the two axial ends ; threaded pins 17a are screwed into these blind holes, passing through relative holes 15c and 16c provided in the peripheral part of the structures 15 and 16; fixing is completed by tightening nuts 17b at the external ends of the aforesaid pins 17a.
Come già accennato, in una forma di attuazione preferita, anche il rotore 20 ha forma sostanzialmente a disco, ovvero forma generalmente circolare appiattita, con i relativi fronte 22, retro 24 e parte periferica 21 (figura 2) che delimitano un volume cavo, preferibilmente sostanzialmente cilindrico. As already mentioned, in a preferred embodiment, the rotor 20 also has a substantially disc shape, that is, a generally flattened circular shape, with the relative front 22, rear 24 and peripheral part 21 (figure 2) which delimit a hollow volume, preferably substantially cylindrical.
Nell’esempio raffigurato, la struttura del rotore 20 include una parte tubolare, qui rappresentata da un manicotto di ingresso 23a, che definisce l’ingresso di girante 23 e che à ̈ generalmente coassiale all’ingresso 11 dello statore 10 ed all’asse di rotazione X del rotore. Di preferenza, il manicotto 23a ha un’estremità d’ingresso con un diametro sostanzialmente corrispondente al diametro terminale dell’ingresso 11 ed un’estremità di uscita che ha profilo generalmente svasato verso l’interno del rotore, onde agevolare il flusso del fluido in ingresso. Il manicotto 23a del rotore à ̈ destinato ad essere innestato nel supporto superiore 13, con interposizione dei mezzi di tenuta rappresentati dall’anello porta-guarnizioni 14 con le relative guarnizioni 14a. In the example shown, the structure of the rotor 20 includes a tubular part, represented here by an inlet sleeve 23a, which defines the impeller inlet 23 and which is generally coaxial to the inlet 11 of the stator 10 and to the € ™ X axis of rotation of the rotor. Preferably, the sleeve 23a has an inlet end with a diameter substantially corresponding to the terminal diameter of the inlet 11 and an outlet end which has a generally flared profile towards the inside of the rotor, in order to facilitate the inlet fluid flow. The rotor sleeve 23a is intended to be inserted into the upper support 13, with the interposition of the sealing means represented by the gasket-holder ring 14 with the relative gaskets 14a.
Riferendosi ancora alla figura 3, nell’esempio il manicotto 23a à ̈ accoppiato all’apertura centrale 22a1di una piastra inferiore 22a del rotore 20, preferibilmente metallica e generalmente a disco, che appartiene al fronte del rotore. La struttura include poi una piastra superiore 24a, che appartiene al retro del rotore, anch’essa preferibilmente metallica e a disco, con diametro sostanzialmente pari a quello della piastra inferiore 22a. Tra le due piastre 22a, 24a à ̈ fissato un anello 21a, anch’esso preferibilmente metallico, che realizza la parte periferica 21 del rotore. Come spiegato in seguito, nella realizzazione preferita dell’invenzione, il volume cavo interno al rotore à ̈ suddiviso nei canali di flusso, le cui uscite - comprensive degli ugelli 70 - sono in corrispondenza della sua parte periferica 21, qui comprensiva dell’anello 21a. Referring again to Figure 3, in the example the sleeve 23a is coupled to the central opening 22a1 of a lower plate 22a of the rotor 20, preferably metallic and generally disc-shaped, which belongs to the front of the rotor. The structure then includes an upper plate 24a, which belongs to the rear of the rotor, also preferably metallic and disc-shaped, with a diameter substantially equal to that of the lower plate 22a. A ring 21a is fixed between the two plates 22a, 24a, also preferably metallic, which forms the peripheral part 21 of the rotor. As explained below, in the preferred embodiment of the invention, the hollow volume inside the rotor is divided into the flow channels, whose outlets - including the nozzles 70 - are in correspondence with its peripheral part 21, here including the ring 21a.
Al lato interno della piastra superiore 24a, e quindi all’interno del volume cavo del rotore 20, à ̈ fissato in posizione centrale l’organo deflettore 26 precedentemente descritto, in posizione assialmente allineata all’ingresso di girante 23 ed al divisore di flusso 25. Al lato opposto della piastra superiore 24a à ̈ reso solidale l’albero 30 della turbina 1, preferibilmente ma non necessariamente in corrispondenza di un’apertura centrale 24a1della piastra 24a, ad esempio in abbinamento ad una relativa flangia di fissaggio 30a. On the inner side of the upper plate 24a, and therefore inside the hollow volume of the rotor 20, the deflector member 26 described above is fixed in a central position, in a position axially aligned with the impeller inlet 23 and with the divider of flow 25. The shaft 30 of the turbine 1 is made integral with the opposite side of the upper plate 24a, preferably but not necessarily in correspondence with a central opening 24a1 of the plate 24a, for example in combination with a relative fixing flange 30a.
All’albero 30 sono di preferenza accoppiati mezzi a cuscinetto, o simili dispositivi di guida, atti a ridurre l'attrito tra parti in movimento rotatorio, quali un gruppo includente due cuscinetti 31a con interposto un distanziale 31b, tale gruppo essendo impaccato sull’albero 30 mediante una ghiera 31c. L’albero 30, con gli associati mezzi a cuscinetto, à ̈ passante nell’apertura centrale 16a della struttura superiore 16, alla quale à ̈ reso solidale un supporto 32 per l’alloggiamento dei cuscinetti, di qualunque concezione nota, dal quale sporge superiormente una porzione di estremità dell’albero 30. Il fissaggio del supporto 32 alla struttura superiore può essere realizzato tramite organi filettati, alcuni dei quali indicati con 33. Di preferenza, il supporto 32 ha una flangia circolare di base 32a, destinata all’appoggio sulla struttura superiore 16 dello statore 10. Bearing means or similar guiding devices are preferably coupled to the shaft 30, suitable for reducing the friction between parts in rotary motion, such as an assembly including two bearings 31a with a spacer 31b interposed, this assembly being packed on the ™ shaft 30 by means of a ring nut 31c. The shaft 30, with the associated bearing means, passes through the central opening 16a of the upper structure 16, to which a support 32 is made integral for housing the bearings, of any known concept, from which protrudes from above an end portion of the shaft 30. The fixing of the support 32 to the upper structure can be achieved by means of threaded members, some of which are indicated with 33. Preferably, the support 32 has a circular base flange 32a, intended resting on the upper structure 16 of the stator 10.
Nell’esempio raffigurato, e come visibile anche in figura 2, in corrispondenza della regione periferica della struttura superiore (ma potrebbe anche essere quella inferiore) sono montati gli elementi di contrasto 40, i quali includono ciascuno un rispettivo corpo portato da un relativo albero 42 associato alla struttura superiore 16, qui configurato come perno filettato con associati dadi di vincolo. Il corpo degli elementi di contrasto 40 possono comprendere ad esempio palette o alette longitudinalmente estese, come esemplificato in figura 13, preferibilmente con un’estremità distale almeno leggermente ricurva. In the example shown, and as can also be seen in Figure 2, the contrast elements 40 are mounted in correspondence with the peripheral region of the upper structure (but it could also be the lower one), each of which includes a respective body carried by a relative shaft 42 associated with the upper structure 16, here configured as a threaded pin with associated locking nuts. The body of the contrast elements 40 can comprise for example longitudinally extended blades or fins, as exemplified in Figure 13, preferably with an at least slightly curved distal end.
Come già accennato, in una forma di attuazione, la turbina 1 comprende almeno un sistema di attuazione per variare in modo controllato la posizione degli elementi di contrasto 40. Tale sistema di attuazione comprende preferibilmente: As already mentioned, in one embodiment, the turbine 1 comprises at least one actuation system for varying the position of the contrast elements 40 in a controlled manner. This actuation system preferably comprises:
- un elemento girevole, particolarmente una piastra anulare, vincolato sullo statore 10 per essere mobile angolarmente attorno all’asse di rotazione X del rotore 10; - a rotatable element, particularly an annular plate, constrained on the stator 10 to be angularly movable around the axis of rotation X of the rotor 10;
- mezzi di trasmissione, particolarmente un sistema di bracci e perni, per collegare gli alberi 42 degli elementi di contrasto 40 al suddetto elemento girevole, e - mezzi attuatori, atti a causare movimenti angolari dell’elemento girevole relativamente allo statore 10. - transmission means, particularly a system of arms and pins, for connecting the shafts 42 of the contrast elements 40 to the aforementioned rotating element, and - actuator means, suitable for causing angular movements of the rotating element relative to the stator 10.
La disposizione à ̈ tale per cui un movimento angolare del suddetto elemento girevole, causato dai mezzi attuatori, à ̈ trasferito dai suddetti mezzi di trasmissione agli alberi 42, determinando un relativo movimento angolare degli elementi di contrasto 40. The arrangement is such that an angular movement of the aforesaid rotatable element, caused by the actuator means, is transferred by the aforesaid transmission means to the shafts 42, causing a relative angular movement of the contrast elements 40.
In una realizzazione preferita i suddetti mezzi di trasmissione comprendono un accoppiamento sostanzialmente di tipo camma-seguicamma: in tale caso, di preferenza, i mezzi di trasmissione includono un braccio di azionamento reso solidale all’albero 42 di un rispettivo organo di contrasto 40 e definente un profilo di camma, particolarmente in forma di asola, ed un seguicamma, preferibilmente in forma di perno, che à ̈ solidale al suddetto elemento girevole ed impegnato con il profilo di camma del rispettivo braccio di azionamento. In a preferred embodiment, the aforesaid transmission means comprise a substantially cam-follower coupling: in this case, preferably, the transmission means include an actuation arm made integral with the shaft 42 of a respective contrast member 40 and defining a cam profile, particularly in the form of a slot, and a cam follower, preferably in the form of a pin, which is integral with the aforementioned rotatable element and engaged with the cam profile of the respective actuating arm.
Riferendosi in particolare all’esempio illustrato, gli elementi di contrasto 40 sono montati girevoli secondo rispettivi assi generalmente paralleli all’asse X. Nell’esempio i suddetti assi sono identificati dagli alberi 42, con questi ultimi che sono vincolati in modo girevole in relativi fori della struttura superiore 16 e che sono resi solidali, alle loro estremità superiori, a rispettivi bracci mobili 43. Referring in particular to the illustrated example, the contrasting elements 40 are rotatably mounted according to respective axes generally parallel to the X axis. In the example the aforesaid axes are identified by the shafts 42, with the latter being rotatably constrained in relative holes of the upper structure 16 and which are made integral, at their upper ends, to respective movable arms 43.
I bracci 43, anch’essi mobili angolarmente attorno agli assi identificati dagli alberi 42, si estendono parzialmente al di sopra di un anello di guida 44, costituito essenzialmente da un disco montato girevole sulla struttura superiore 16. Nell’esempio, l’anello di guida 44, di materiale metallico ed opportunamente rettificato, poggia sulla struttura 16 ed ha un’apertura centrale 44a accoppiata alla flangia circolare 32a del supporto cuscinetti 32, come ben visibile anche in figura 10. Come si nota anche da tale figura 10, l’anello di guida 44 può essere vantaggiosamente vincolato in posizione sulla struttura superiore 16 sfruttando idonee rondelle 33a accoppiate agli organi filettati 33 impiegati per fissare in posizione il supporto cuscinetti 32. The arms 43, also angularly movable around the axes identified by the shafts 42, extend partially above a guide ring 44, essentially consisting of a disc mounted rotatably on the upper structure 16. In the example, the Guide ring 44, made of metallic material and suitably ground, rests on the structure 16 and has a central opening 44a coupled to the circular flange 32a of the bearing support 32, as can also be clearly seen in figure 10. As can also be seen from this figure 10, the guide ring 44 can be advantageously constrained in position on the upper structure 16 by exploiting suitable washers 33a coupled to the threaded members 33 used to fix the bearing support 32 in position.
I bracci 43 sono vincolati all’anello di guida 44, in corrispondenza della loro parte che si estende su tale anello, preferibilmente con un accoppiamento di tipo camma-seguicamma. Più in particolare, riferendosi alla figura 10, alla faccia superiore dell’anello 44 sono accoppiati perni 45 (ad esempio in forma di viti a gambo temprato o perni filettati con dado associato) disposti essenzialmente secondo una circonferenza. Ciascuno di tali perni 45 à ̈ passante in un’asola 43a longitudinale di un rispettivo braccio 43, per essere liberamente scorrevole in essa. The arms 43 are constrained to the guide ring 44, in correspondence with their part which extends over said ring, preferably with a cam-follower coupling. More particularly, referring to Figure 10, pins 45 are coupled to the upper face of the ring 44 (for example in the form of hardened shank screws or threaded pins with associated nut) arranged essentially along a circumference. Each of these pins 45 passes through a longitudinal slot 43a of a respective arm 43, in order to be able to slide freely therein.
In questo modo, come si intuisce, tramite un generico attuatore - ad esempio idraulico o elettrico - à ̈ possibile causare una rotazione dell’anello di guida 44, con ciò determinando lo spostamento angolare dei perni 45 ed un loro conseguente scorrimento nell’ambito delle relative asole 43a dei bracci 43. Questi ultimi, essendo vincolati in modo girevole alla struttura superiore 16 mediante i relativi alberi 42, vengono quindi spostati angolarmente a seguito dello spostamento dei perni 45 nelle asole 43a, con ciò determinando una rotazione degli stessi alberi 42, e quindi un movimento angolare del corpo degli elementi di contrasto 40. Il concetto à ̈ ben esemplificato dal confronto tra le figure 10, 11 e 12, che illustrano appunto tre possibili posizioni operative degli organi 40. In this way, as can be guessed, by means of a generic actuator - for example hydraulic or electric - it is possible to cause a rotation of the guide ring 44, thereby determining the angular displacement of the pins 45 and their consequent sliding in the within the scope of the relative slots 43a of the arms 43. The latter, being rotatably constrained to the upper structure 16 by means of the relative shafts 42, are then angularly displaced following the displacement of the pins 45 in the slots 43a, thereby causing a rotation of the same shafts 42, and therefore an angular movement of the body of the contrast elements 40. The concept is well exemplified by the comparison between figures 10, 11 and 12, which illustrate precisely three possible operating positions of the members 40.
In una attuazione particolarmente vantaggiosa dell’invenzione, il suddetto sistema di attuazione à ̈ predisposto per variare la posizione degli elementi di contrasto in funzione di un pressione del fluido a monte dell’ingresso di girante. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the aforesaid actuation system is designed to vary the position of the contrast elements as a function of a fluid pressure upstream of the impeller inlet.
Una possibile realizzazione in tal senso à ̈ esemplificata appunto nelle figure 10-12. Riferendosi alla figura 13, in essa à ̈ visibile in pianta dall’alto la turbina 1, con alcuni degli elementi in precedenza descritti, e segnatamente la struttura superiore 16 recante gli alberi 42 degli elementi di contrasto 40, i bracci 43, l’anello di guida 44, il supporto cuscinetti 32 e gli organi di fissaggio 33 di tale supporto, impiegati anche -unitamente alle rondelle 33a - per vincolare in posizione l’anello 44 di guida. A possible realization in this sense is exemplified precisely in figures 10-12. Referring to figure 13, in it the turbine 1 is visible in plan from above, with some of the elements previously described, and in particular the upper structure 16 bearing the shafts 42 of the contrast elements 40, the arms 43, the Guide ring 44, the bearing support 32 and the fastening members 33 of this support, also used - together with the washers 33a - to constrain the guide ring 44 in position.
All’anello 44 à ̈ vincolata, particolarmente per il tramite di un supporto snodato 46 (visibile anche in figura 2), l’estremità distale dello stelo 47a di un attuatore idraulico, particolarmente un cilindro idraulico, indicato complessivamente con 47. L’attuatore 47 ha un cilindro 47b, cui à ̈ associato un relativo supporto 47c, ed à ̈ collegato tramite un condotto 48 in un punto a monte dell’ingresso di girante 23, ad esempio in corrispondenza di una derivazione (non rappresentata) dell’ingresso 11 dello statore della struttura stazionaria o del condotto di alimentazione D. In tal modo, lo stelo 47a à ̈ scorrevole nel cilindro 47b per effetto della pressione del fluido che alimenta la turbina 1. The distal end of the stem 47a of a hydraulic actuator, particularly a hydraulic cylinder, indicated as a whole with 47, is constrained to ring 44, particularly by means of an articulated support 46 (also visible in figure 2). The actuator 47 has a cylinder 47b, to which a relative support 47c is associated, and is connected by means of a duct 48 at a point upstream of the impeller inlet 23, for example in correspondence with a branch (not shown) of the inlet 11 of the stator of the stationary structure or of the supply duct D. In this way, the rod 47a slides in the cylinder 47b due to the effect of the pressure of the fluid that feeds the turbine 1.
Di preferenza, l’attuatore 47 à ̈, come nel caso esemplificato, un cilindro idraulico a doppio stelo, dove lo stelo 47a ha l’estremità distale vincolata all’anello di guida 44 e dove tra l’estremità prossimale dello stelo 47a ed il cilindro 47b à ̈ operativa una molla 49. Di preferenza, all’estremità prossimale dello stelo 47a à ̈ operativamente associato un elemento 50 di regolazione del precarico della molla 49, ad esempio in forma di ghiera filettata, che funge anche da riscontro per la molla stessa. Tramite l’elemento di regolazione 50, ovvero regolando il precarico della molla 49, à ̈ possibile preimpostare una posizione “standard†degli elementi di contrasto 40, che qui si supponga essere una posizione inoperativa, tale per cui l’incidenza su di essi dei getti in uscita dalla parte periferica del rotore 20, ovvero con il corpo ad aletta degli elementi 40 che si estende approssimativamente parallelamente alla direzione dei getti J, come esemplificato in figura 13. Preferably, the actuator 47 is, as in the exemplified case, a double rod hydraulic cylinder, where the rod 47a has the distal end constrained to the guide ring 44 and where between the proximal end of the a spring 49 is operative. Preferably, an element 50 for adjusting the spring preload 49 is operatively associated with the proximal end of the stem 47a, for example in the form of a threaded ring nut, which also acts from feedback for the spring itself. By means of the adjustment element 50, or by adjusting the preload of the spring 49, it is possible to preset a â € œstandardâ € position of the contrast elements 40, which here is assumed to be an inoperative position, such that the impact on of these jets coming out from the peripheral part of the rotor 20, or with the fin-like body of the elements 40 extending approximately parallel to the direction of the jets J, as exemplified in figure 13.
Tale impostazione à ̈ effettuata sulla base della pressione del fluido a monte del rotore, in condizioni di normale esercizio del circuito idraulico che alimenta la turbina 1. Ad esempio, riferendosi all’esempio di figura 1, l’impostazione della posizione normale degli elementi 40, operata tramite l’elemento di regolazione 50, à ̈ effettuata sulla base della pressione dell’acqua normalmente presente nella condotta D di figura 1, che sussiste quando il tratto di canalizzazione C1à ̈ alimentato in modo normale (in altri termini, la pressione normalmente in ingresso dal tubo 48 dell’attuatore 47 equilibra la reazione elastica della molla 49 come determinata mediante l’elemento 50). This setting is made on the basis of the pressure of the fluid upstream of the rotor, in normal operating conditions of the hydraulic circuit that feeds the turbine 1. For example, referring to the example in figure 1, the setting of the normal position of the elements 40, operated by means of the adjustment element 50, is carried out on the basis of the pressure of the water normally present in the duct D of figure 1, which exists when the channeling section C1 is fed in the normal way (in other words , the pressure normally inlet from the tube 48 of the actuator 47 balances the elastic reaction of the spring 49 as determined by the element 50).
Tale condizione à ̈ mostrata schematicamente in figura 10, dalla quale si nota come lo stelo 47a del cilindro 47 viene mantenuto dalla pressione del fluido presente nel condotto 48 in una certa posizione, cui corrisponde una certa posizione degli alberi 42 degli elementi di contrasto 40, tale posizione essendo determinata dalla posizione dell’anello di guida 44 e dei mezzi di trasmissione rappresentati dai perni 45 e dai bracci 43 con le relative asole 43a. In una tale posizione (si veda anche figura 13), l’angolo con il quale i getti in uscita dagli ugelli inclinati 70 incidono sul corpo degli elementi di contrasto 40 à ̈ minimo. This condition is shown schematically in figure 10, from which it can be seen how the rod 47a of the cylinder 47 is maintained by the pressure of the fluid present in the duct 48 in a certain position, which corresponds to a certain position of the shafts 42 of the contrast elements 40, this position being determined by the position of the guide ring 44 and of the transmission means represented by the pins 45 and by the arms 43 with the relative slots 43a. In such a position (see also Figure 13), the angle with which the jets coming out of the inclined nozzles 70 strike the body of the contrast elements 40 is minimal.
Nel caso in cui nel condotto 48 si verifichi un calo di pressione, la reazione elastica della molla 49 determina un arretramento dell’estremità distale dello stelo 47a (verso il basso, riferendosi alle figure 10-12), e quindi un movimento angolare dell’elemento girevole rappresentato dall’anello di guida 44 (in senso antiorario, riferendosi alle figure 10-12). Il movimento dell’anello 44 causa lo spostamento dei relativi perni 45 accoppiati alle asole 43a dei bracci 43, con un conseguente movimento angolare di questi ultimi (in senso orario, riferendosi alle figure 10-12) e quindi degli alberi 42, come esemplificato in figura 11: in tal modo, si ottiene un cambiamento della posizione degli elementi di contrasto 40 ossia, riferendosi all’esempio qui descritto, una posizione nella quale la loro superficie di contrasto risulta affacciata con una nuova angolazione ai getti di fluido in uscita dal rotore 20. Il fatto che tali getti ora incidano con una certa angolazione sulla superficie degli elementi di contrasto 40 ha come conseguenza che il rotore 20 ruota ad una velocità maggiore di quella che - se gli elementi 40 fossero nella posizione iniziale delle figure 10 o 13- sarebbe determinata dalla sola pressione del fluido: in altri termini, quindi, nella condizione di figura 11 ed a seguito della variazione di posizione degli elementi di contrasto 40, si ottiene una velocità di rotazione del rotore 20 sostanzialmente analoga a quella raggiunta nella condizione di “pressione standard†di figura 10. In the event that a pressure drop occurs in the duct 48, the elastic reaction of the spring 49 determines a retraction of the distal end of the stem 47a (downwards, referring to figures 10-12), and therefore an angular movement of the Revolving element represented by the guide ring 44 (counterclockwise, referring to figures 10-12). The movement of the ring 44 causes the displacement of the relative pins 45 coupled to the slots 43a of the arms 43, with a consequent angular movement of the latter (clockwise, referring to figures 10-12) and therefore of the shafts 42, as exemplified in figure 11: in this way, a change in the position of the contrast elements 40 is obtained, that is, referring to the example described here, a position in which their contrast surface faces the outgoing fluid jets at a new angle from the rotor 20. The fact that these jets now affect the surface of the contrast elements 40 at a certain angle has the consequence that the rotor 20 rotates at a speed greater than that - if the elements 40 were in the initial position of Figures 10 or 13- would be determined only by the pressure of the fluid: in other words, therefore, in the condition of figure 11 and following the change in position of the control elements By contrast 40, a rotation speed of the rotor 20 is obtained substantially similar to that achieved in the â € œstandard pressureâ € condition of Figure 10.
La figura 12 illustra la situazione che si verifica in caso di ulteriore abbassamento della pressione di alimentazione del rotore 20, cui corrisponde un arretramento più marcato dello stelo 47a e movimenti angolari più estesi dell’anello 44, dei perni 45, dei bracci 43 e quindi degli alberi 42. In tal modo gli elementi di contrasto 40 sono portati ad assumere una posizione tale per cui l’angolo di incidenza tra i getti in uscita dal rotore 20 e le superfici di contrasto 40a aumenta ulteriormente e con ciò determina una velocità del rotore maggiore di quella che - se gli elementi 40 fossero nella posizione di figura 10 o in quella di figura 11 - sarebbe determinata dalla sola pressione del fluido: in altri termini, quindi, si ottiene una velocità di rotazione del rotore 20 sostanzialmente analoga a quella raggiunta nelle condizioni delle figure 10 e 11, nonostante l’ulteriore calo di pressione. Figure 12 illustrates the situation that occurs in the event of a further lowering of the supply pressure of the rotor 20, which corresponds to a more marked retraction of the rod 47a and more extended angular movements of the ring 44, of the pins 45, of the arms 43 and hence the shafts 42. In this way the contrast elements 40 are brought to assume a position such that the angle of incidence between the jets leaving the rotor 20 and the contrast surfaces 40a further increases and thereby determines a speed of the rotor greater than that which - if the elements 40 were in the position of figure 10 or that of figure 11 - would be determined by the fluid pressure alone: in other words, therefore, a rotation speed of the rotor 20 is obtained substantially similar to that achieved in the conditions of figures 10 and 11, despite the further pressure drop.
La funzione della possibilità di variare l’incidenza degli elementi di contrasto 40 à ̈ quindi quella di mantenere una spinta costante in ogni condizione di pressione del fluido in ingresso. The function of the possibility of varying the incidence of the contrasting elements 40 is therefore that of maintaining a constant thrust in all pressure conditions of the inlet fluid.
In forme di attuazione non rappresentate, il sistema di attuazione descritto con riferimento alle figure 10-12 può essere azionato da un attuatore elettrico o da un attuatore pneumatico, anziché da un attuatore idraulico, fermo restando che quest’ultimo sarà comunque comandato in funzione della pressione a monte dell’ingresso di girante, ad esempio rilevata tramite opportuni mezzi sensori (in caso di attuazione elettrica) e/o mediante una disposizione simile a quella illustrata (in caso di un attuatore pneumatico). In embodiments not shown, the actuation system described with reference to figures 10-12 can be operated by an electric actuator or by a pneumatic actuator, instead of by a hydraulic actuator, it being understood that the latter will in any case be controlled in a function of the pressure upstream of the impeller inlet, for example detected by suitable sensor means (in the case of electrical actuation) and / or by means of an arrangement similar to that illustrated (in the case of a pneumatic actuator).
In una forma di attuazione à ̈ anche possibile prevedere un sistema di attuazione includente due diversi attuatori, dei quali un primo attuatore comandato in funzione della pressione del fluido che alimenta il rotore 20 ed un secondo attuatore comandato da un sistema di controllo esterno, particolarmente per controllare una posizione di lavoro del primo attuatore. In one embodiment it is also possible to provide an actuation system including two different actuators, of which a first actuator controlled according to the pressure of the fluid feeding the rotor 20 and a second actuator controlled by an external control system, particularly for check a working position of the first actuator.
Anche una tale forma di attuazione à ̈ esemplificata nelle figure 10-12, nella quale l’attuatore 47 ha una struttura di supporto mobile operativamente associata a mezzi di guida, con un ulteriore attuatore che à ̈ controllabile per variare la posizione della suddetta struttura di supporto relativamente ai suddetti mezzi di guida. Più particolarmente, nell’esempio, la struttura di supporto dell’attuatore 47 include una slitta 55, qui associata al supporto 47c, montata scorrevolmente su rispettive guide 56 stazionarie rispetto alla slitta, qui in modo da consentire scorrimenti alternativi nella direzione dello stelo 47a dell’attuatore 47. Alla slitta 55 à ̈ associata una rispettiva trasmissione, configurata per consentire di variare la posizione della slitta stessa rispetto alle guide 56 e quindi, in ultima istanza, di variare la posizione assiale dell’attuatore 47. In una forma di attuazione, quale quella esemplificata nelle figure 10-12, la suddetta trasmissione include un organo a camma 57 cooperante con la slitta 55, segnatamente con un suo lato inferiore, con tale organo a camma che à ̈ associato ad un braccio di azionamento 58 spostabile angolarmente mediante un secondo attuatore, non rappresentato, ad esempio un attuatore elettrico avente un albero girevole, schematizzato in 58a, azionabile in due versi opposti. Come si intuisce, azionando ad esempio l’albero 58a in senso orario, la slitta 55 à ̈ libera di abbassarsi (riferendosi al caso illustrato) sulle guide 56, con ciò causando un abbassamento dell’attuatore 47 nel suo complesso. Si apprezzerà che in questo modo, anche in condizioni di pressione costante nel tubo 48 dell’attuatore 47, risulta possibile causare un effetto simile a quello poco sopra descritto, che si verifica in caso di un abbassamento di pressione. In altri termini, quindi, variando la posizione dell’attuatore 47 può essere variata la posizione del suo stelo 47a, causando con ciò il movimento angolare dell’anello di guida 44, con gli associati perni 45 e bracci 43, e quindi, in ultima istanza, degli alberi 42 degli elementi di contrasto 40. Va da sé che causando una rotazione dell’albero 58a inversa e di pari entità alla precedente à ̈ possibile ristabilire le condizioni iniziali. Si apprezzerà che, in altre forme di realizzazione non rappresentate, il secondo sistema di attuazione descritto à ̈ utilizzabile indipendentemente dalla presenza del primo sistema di attuazione descritto, anche per sostituirne le funzionalità . Also such an embodiment is exemplified in figures 10-12, in which the actuator 47 has a movable support structure operatively associated with guide means, with a further actuator which can be controlled to vary the position of the aforesaid structure of support relative to the aforesaid guide means. More particularly, in the example, the support structure of the actuator 47 includes a slide 55, here associated with the support 47c, mounted slidingly on respective guides 56 stationary with respect to the slide, here so as to allow alternative sliding in the direction of the rod 47a of the actuator 47. A respective transmission is associated with the slide 55, configured to allow the position of the slide itself to be varied with respect to the guides 56 and therefore, ultimately, the axial position of the actuator 47 to be varied. an embodiment, such as that exemplified in Figures 10-12, the aforesaid transmission includes a cam member 57 cooperating with the slide 55, in particular with a lower side thereof, with this cam member which is associated with an actuation arm 58 angularly displaceable by means of a second actuator, not shown, for example an electric actuator having a rotatable shaft, schematized in 58a, which can be operated in two opposite verses. As you can guess, by activating for example the shaft 58a clockwise, the slide 55 is free to lower (referring to the case illustrated) on the guides 56, thereby causing a lowering of the actuator 47 as a whole. It will be appreciated that in this way, even in conditions of constant pressure in the tube 48 of the actuator 47, it is possible to cause an effect similar to that described above, which occurs in the event of a pressure drop. In other words, therefore, by varying the position of the actuator 47 the position of its stem 47a can be varied, thereby causing the angular movement of the guide ring 44, with the associated pins 45 and arms 43, and therefore, ultimately, of the shafts 42 of the contrast elements 40. It goes without saying that by causing an inverse rotation of shaft 58a and equal to the previous one, it is possible to re-establish the initial conditions. It will be appreciated that, in other embodiments not shown, the second actuation system described can be used regardless of the presence of the first actuation system described, also to replace its functionalities.
In figura 13 la turbina 1 à ̈ rappresentata in pianta, limitatamente ad alcune sue parti, onde evidenziare la struttura interna del rotore. Come già accennato, in un’attuazione preferita, il rotore 20 ha forma sostanzialmente a disco, ovvero di forma generalmente circolare appiattita, con i rispettivi fronte, retro e parte periferica che delimitando un volume cavo, preferibilmente sostanzialmente cilindrico, in cui si estendono i canali di flusso, indicati con 60 e 61. In figure 13 the turbine 1 is represented in plan, limited to some of its parts, in order to highlight the internal structure of the rotor. As already mentioned, in a preferred embodiment, the rotor 20 has a substantially disc shape, or a generally flattened circular shape, with the respective front, back and peripheral part which delimiting a hollow volume, preferably substantially cylindrical, into which extend the flow channels, indicated with 60 and 61.
Nella forma di attuazione esemplificata, i canali di flusso 60 e 61 hanno una sezione di passaggio crescente, molto preferibilmente crescente in modo sostanzialmente progressivo verso la parte periferica 21 del rotore 20, in cui si trovano le uscite comprensive degli ugelli 70: riferendosi in particolare alla forma di attuazione esemplificata in figura 13, i canali 60 e 61 hanno un profilo in pianta almeno approssimativamente a forma di settore circolare, aperto verso l’ingresso di girante. In una forma di attuazione, quale quella rappresentata, l’altezza dei canali di flusso 60, 61 -definita dal fronte 22 e dal retro 24 del rotore (figure 2 e 3), generalmente paralleli tra loro - à ̈ sostanzialmente costante, ed all’interno del volume cilindrico del rotore sono previste una pluralità di pareti radiali, che delimitano lateralmente i canali di flusso 60, 61 e che definiscono tra una loro dimensione di larghezza dei canali stessi, come detto una dimensione crescente verso la parte periferica 21 del rotore 20. In the exemplified embodiment, the flow channels 60 and 61 have an increasing passage section, most preferably increasing substantially progressively towards the peripheral part 21 of the rotor 20, in which the outlets including the nozzles 70 are located: referring in particular in the embodiment exemplified in Figure 13, the channels 60 and 61 have a plan profile at least approximately in the shape of a circular sector, open towards the impeller inlet. In an embodiment, such as the one shown, the height of the flow channels 60, 61 - defined by the front 22 and the rear 24 of the rotor (Figures 2 and 3), generally parallel to each other - is substantially constant, and inside the cylindrical volume of the rotor there are a plurality of radial walls, which laterally delimit the flow channels 60, 61 and which define between one their width dimension of the channels themselves, as mentioned, an increasing dimension towards the peripheral part 21 of the rotor 20.
Nella realizzazione preferita, i canali di flusso del rotore comprendono una pluralità di canali primari, indicati con 60, ed una pluralità di canali secondari, indicati con 61. I canali primari 60 hanno un ingresso più prossimo all’ingresso di girante, in asse al quale si trovano il divisore 25 ed il diffusore 26, rispetto all’ingresso dei canali secondari 61. I canali primari 60 ed i canali secondari 61 si estendendo preferibilmente in una direzione radiale del rotore 20, con ciascun canale primario 60 che à ̈ suddiviso in una pluralità di canali secondari 61 oppure con uno o più canali secondari 61 che sono alternati ai canali primari 60. Nell’esempio, il volume interno del rotore 20 à ̈ suddiviso in un numero pari di canali primari 60 (quattro canali 60, nell’esempio), ciascuno dei quali à ̈ suddiviso in un numero dispari di canali secondari 61 (tre canali 61, nell’esempio), con un totale di dodici ugelli di uscita 70, ciascuno in corrispondenza di un sotto-canale 61. Sono ovviamente possibili disposizioni alternative, con un diverso numero di canali e sottocanali, particolarmente in funzione del diametro del volume interno della girante. In the preferred embodiment, the flow channels of the rotor comprise a plurality of primary channels, indicated with 60, and a plurality of secondary channels, indicated with 61. The primary channels 60 have an inlet closer to the impeller inlet, in axis to which the divider 25 and the diffuser 26 are located, with respect to the inlet of the secondary channels 61. The primary channels 60 and the secondary channels 61 preferably extend in a radial direction of the rotor 20, with each primary channel 60 being divided into a plurality of secondary channels 61 or with one or more secondary channels 61 which are alternated with primary channels 60. In the example, the internal volume of rotor 20 is divided into an even number of primary channels 60 (four channels 60 , in the example), each of which is divided into an odd number of secondary channels 61 (three channels 61, in the example), with a total of twelve output nozzles 70, each corresponding to a sub-channel 61 Alternative arrangements are obviously possible, with a different number of channels and sub-channels, particularly as a function of the diameter of the internal volume of the impeller.
Le pareti radiali precedentemente citate sono essenzialmente configurate come setti, preferibilmente ma non necessariamente metallici, i cui bordi superiore ed inferiore sono attestati sul lato interno delle piastre 22a e 24a (figura 3) del rotore ed il cui bordo esterno à ̈ attestato sul lato interno dell’anello 21a. The radial walls mentioned above are essentially configured as septa, preferably but not necessarily metallic, whose upper and lower edges are abutting on the inner side of the plates 22a and 24a (figure 3) of the rotor and whose outer edge is abutting on the inner side of ring 21a.
Nell’esempio, in cui sono previsti i canali primari ed i canali secondari, le suddette pareti comprendono prime pareti radiali 62 e seconde pareti radiali 63 aventi lunghezza differente, in modo tale per cui le prime pareti radiali 62, più lunghe, suddividono la cavità interna del rotore 20 in una pluralità di canali 60, mentre le seconde pareti radiali 63, più corte, suddividono i canali 60 in una pluralità di canali 61. In the example, in which the primary channels and the secondary channels are provided, the aforesaid walls comprise first radial walls 62 and second radial walls 63 having different lengths, so that the first radial walls 62, longer, divide the internal cavity of the rotor 20 in a plurality of channels 60, while the second radial walls 63, shorter, divide the channels 60 into a plurality of channels 61.
Le pareti 62 e 63 hanno preferibilmente bordi con profilo tale da consentirne un accoppiamento relativamente preciso alle parti inferiore 22, superiore 24 e periferica 21 del rotore. Ad esempio, riferendosi anche alla figura 3, in una forma di attuazione le pareti 62, 63 hanno un’estremità esterna con profilo generalmente curvo, onde accoppiarsi ad un profilo concavo interno dell’anello 21a che realizza la parte periferia del rotore. Le pareti 62 e 63 possono essere ad esempio fissate in posizione con saldature, oppure con organi filettati od ancora mediante apposite sedi definite sul lato interno delle parti 21, 22 e 24 della struttura del rotore. The walls 62 and 63 preferably have edges with a profile such as to allow a relatively precise coupling thereof to the lower 22, upper 24 and peripheral parts 21 of the rotor. For example, referring also to Figure 3, in one embodiment the walls 62, 63 have an external end with a generally curved profile, in order to couple to an internal concave profile of the ring 21a which forms the peripheral part of the rotor. The walls 62 and 63 can for example be fixed in position with welding, or with threaded members or again by means of suitable seats defined on the internal side of the parts 21, 22 and 24 of the rotor structure.
Come detto, nella realizzazione illustrata, le pareti 62 e 63 hanno diversa lunghezza. In una realizzazione preferita, le pareti 62 più lunghe si estendono sostanzialmente sino all’ingresso di girante 23. In tal caso, di preferenza, le pareti 62 hanno l’estremità prossima all’ingresso di girante che à ̈ conformata in modo sostanzialmente congruente al profilo di almeno uno tra l’organo diffusore 26 e l’ingresso di girante. Ad esempio, come visibile nelle figure 2 e 3, la porzione di estremità delle pareti 62 prossima all’ingresso di girante à ̈ qui generalmente arcuata, in modo da seguire il profilo dell’organo 26 e del manicotto 23a (in una realizzazione, l’organo 26 e/o il manicotto 23a può includere incavi superficiali in cui si accoppia almeno parte della porzione arcuata delle pareti 62). Nell’attuazione illustrata il corrispondente bordo di estremità delle pareti 62 si trova a leggera distanza rispetto alla parte superiore del divisore di flusso 25, ad esempio sino ad 1 cm di distanza, onde non creare ostacolo con la rotazione della girante. Comunque, la distanza tra il suddetto bordo di estremità ed il divisore 25 e/o l’ingresso di girante 23 à ̈ scelta a seconda del tipo di impiego della turbina 1: in termini generali, la lunghezza delle pareti 62 à ̈ minore (e quindi la suddetta distanza à ̈ maggiore) quando l’applicazione prevede velocità o pressione elevata del fluido in ingresso; per applicazioni con velocità o pressioni minori la turbina sarà predisposta con pareti 62 più lunghe (e quindi con distanza minore del loro bordo interno dal diffusore 25 e/o dall’ingresso 23), come nel caso esemplificato. As said, in the illustrated embodiment, the walls 62 and 63 have different lengths. In a preferred embodiment, the longer walls 62 extend substantially up to the impeller inlet 23. In this case, preferably, the walls 62 have an end close to the impeller inlet which is shaped so substantially congruent with the profile of at least one of the diffuser element 26 and the impeller inlet. For example, as can be seen in Figures 2 and 3, the end portion of the walls 62 close to the impeller inlet is here generally arched, so as to follow the profile of the member 26 and of the sleeve 23a (in one embodiment , the member 26 and / or the sleeve 23a can include surface recesses in which at least part of the arcuate portion of the walls 62) is coupled. In the illustrated embodiment, the corresponding end edge of the walls 62 is at a slight distance from the upper part of the flow divider 25, for example up to 1 cm away, so as not to create an obstacle with the rotation of the impeller. However, the distance between the aforementioned end edge and the divider 25 and / or the impeller inlet 23 is chosen according to the type of use of the turbine 1: in general terms, the length of the walls 62 is shorter ( and therefore the aforesaid distance is greater) when the application requires high speed or high pressure of the inlet fluid; for applications with lower speeds or pressures, the turbine will be set up with longer walls 62 (and therefore with a shorter distance of their inner edge from the diffuser 25 and / or from the inlet 23), as in the example exemplified.
Nell’esempio, le pareti 62 e 63 sono sostanzialmente rettilinee, ma à ̈ compreso nell’ambito dell’invenzione il possibile utilizzo di pareti curve o altrimenti sagomate. In the example, the walls 62 and 63 are substantially straight, but the possible use of curved or otherwise shaped walls is included in the scope of the invention.
Come si nota dalla figura 13, i canali primari 60 si estendono dalla parte periferica 21 del rotore 20 sino alla sua regione centrale, in cui si trova l’ingresso di girante, qui non indicato ma in asse al quale si trovano il divisore 25 ed il diffusore 26, mentre i canali secondari 61 si estendono dalla parte periferica 21 sino ad sua regione intermedia che à ̈ spazialmente compresa tra la parte periferica 21 e la suddetta regione centrale. As can be seen from Figure 13, the primary channels 60 extend from the peripheral part 21 of the rotor 20 up to its central region, where the impeller inlet is located, not indicated here but in the axis where the divider 25 is located. and the diffuser 26, while the secondary channels 61 extend from the peripheral part 21 up to its intermediate region which is spatially comprised between the peripheral part 21 and the aforementioned central region.
Le uscite dei canali di flusso, qui in particolare le uscite dei canali 61, comprendono rispettivi ugelli 70 in corrispondenza della parte periferica del rotore, e segnatamente in corrispondenza del suo anello 21a. Gli ugelli 70 sono rivolti con le relative uscite in una direzione generalmente opposta al verso di rotazione predeterminato del rotore 20, ad esempio con un’inclinazione di circa 90° rispetto al raggio del rotore, ma non à ̈ escluso dall’invenzione il caso di ugelli con inclinazione variabile o regolabile, ad esempio sino a 110°, con opportune varianti costruttive. Di preferenza, come si nota ad esempio nelle figure 2, 3 e 13, le uscite dei canali di flusso includono una sezione terminale 71 a monte degli ugelli 70, avente un profilo almeno in parte rastremato verso il rispettivo ugello. Di preferenza, le sezioni terminali 71 sono definite immediatamente a monte delle zone di unione tra le pareti 62, 63 e l’anello 21a, con riferimento al verso di rotazione della girante. La forma dell’uscita degli ugelli 70 può essere diversa in funzione del tipo di applicazione: in generale, per l’impiego della turbina in abbinamento a basse pressioni e/o modeste altezze di caduta, l’uscita degli ugelli 70 à ̈ preferibilmente ad asola. The outlets of the flow channels, here in particular the outlets of the channels 61, comprise respective nozzles 70 in correspondence with the peripheral part of the rotor, and in particular in correspondence with its ring 21a. The nozzles 70 face with their respective outlets in a direction generally opposite to the predetermined direction of rotation of the rotor 20, for example with an inclination of about 90 ° with respect to the radius of the rotor, but the invention does not exclude the case of nozzles with variable or adjustable inclination, for example up to 110 °, with suitable construction variants. Preferably, as can be seen for example in Figures 2, 3 and 13, the outlets of the flow channels include an end section 71 upstream of the nozzles 70, having a profile at least partially tapered towards the respective nozzle. Preferably, the end sections 71 are defined immediately upstream of the joining areas between the walls 62, 63 and the ring 21a, with reference to the direction of rotation of the impeller. The shape of the outlet of the nozzles 70 can be different depending on the type of application: in general, for the use of the turbine in combination with low pressures and / or modest drop heights, the outlet of the nozzles 70 à ̈ preferably with buttonhole.
Il funzionamento della turbina secondo l’invenzione à ̈ basato sullo sfruttamento della massa cinetica del fluido alimentato che, convogliato internamente alla sua girante 20, viene opportunamente incanalata verso l’esterno, per fuoriuscire dagli ugelli 70, di numero variabile in rapporto alla dimensione della turbina 1, creando così il moto circolare che viene trasmesso all’albero 30. Il flusso in uscita non à ̈ quindi libero, ma à ̈ opportunamente convogliato e diretto in modo specifico, per ottenere una reazione di forza centrifuga. La forza propulsiva che determina la rotazione à ̈ quindi sviluppata principalmente internamente alla girante 20, creando una compressione che incrementa la spinta in proporzione al raggio della girante stessa. The operation of the turbine according to the invention is based on the exploitation of the kinetic mass of the fed fluid which, conveyed internally to its impeller 20, is suitably channeled outwards, to escape from the nozzles 70, of variable number in relation to the size of the turbine 1, thus creating the circular motion which is transmitted to the shaft 30. The outgoing flow is therefore not free, but is suitably conveyed and directed in a specific way, to obtain a centrifugal force reaction. The propulsive force that determines the rotation is therefore developed mainly internally to the impeller 20, creating a compression that increases the thrust in proportion to the radius of the impeller itself.
La pressione dell’acqua in uscita, potenziata dagli ugelli 70, impatta contro gli elementi di contrasto 40 ed imprime il moto rotatorio alla girante 20 che si incrementa soprattutto per l’azione centrifuga prodotta dalla rotazione stessa della girante. La forza centrifuga sviluppata risulta essere determinante per compensare e minimizzare le perdite di potenza, dovute a fattori meccanici e idrodinamici, proprie invece delle turbine tradizionali. Nel corpo della girante 20 il flusso in entrata viene suddiviso assialmente dal divisore 25 nei sotto-flussi diretti sul deflettore 26, che li espande in modo uniforme causandone l’incanalamento dapprima nei canali di flusso 60 e poi nei canali di flusso 61, di incremento della velocità di uscita. Le sezioni terminali 71 dei canali 60, 61 sono definite nell’anello 21a, cui corrispondono gli ugelli 70 di fuoriuscita e spinta. Per effetto della spinta generata dalla pressione in uscita che si à ̈ formata nei canali di flusso, avviene la rotazione della girante 20, incrementata dalla forza centrifuga che automaticamente si innesca. Sul retro 24 della girante à ̈ fissato l’albero montante 30, che à ̈ corpo unico con la girante stessa, ricevendo da questa il moto rotatorio che a sua volta verrà trasmesso al generatore di energia, qui esemplificato da un alternatore, o ad altro dispositivo collegato. The pressure of the outgoing water, boosted by the nozzles 70, impacts against the contrast elements 40 and gives the rotational motion to the impeller 20 which increases above all due to the centrifugal action produced by the rotation of the impeller itself. The centrifugal force developed is decisive for compensating and minimizing the power losses, due to mechanical and hydrodynamic factors, typical of traditional turbines. In the impeller body 20 the incoming flow is axially divided by the divider 25 into the sub-flows directed on the deflector 26, which expands them uniformly, causing them to be channeled first into the flow channels 60 and then into the flow channels 61, of increase in output speed. The terminal sections 71 of the channels 60, 61 are defined in the ring 21a, to which the outlet and thrust nozzles 70 correspond. As a result of the thrust generated by the outlet pressure which has formed in the flow channels, the rotation of the impeller 20 takes place, increased by the centrifugal force which is automatically triggered. On the back 24 of the impeller is fixed the upright shaft 30, which is a single body with the impeller itself, receiving from this the rotary motion which in turn will be transmitted to the energy generator, here exemplified by an alternator, or to other connected device.
Il sistema di regolazione precedentemente descritto con riferimento alle figure 10-12 ha essenzialmente lo scopo di mantenere costante la spinta centrifuga del rotore 20, con impatto dell’acqua in uscita dagli ugelli 70 contro gli elementi di contrasto 40: ciò al fine di evitare possibili sbalzi di potenza dovuti a variazioni di pressione del flusso in ingresso e/o per modificare la potenza generata a mezzo dell’albero 30, ad esempio in funzione delle necessità della rete elettrica alimentata dall’alternatore azionato dallo stesso albero 30. La compensazione delle oscillazioni di pressione, e quindi di potenza, avviene con l’orientamento bidirezionale degli elementi di contrasto 40, onde modificare l’angolo di incidenza dei getti provenienti dagli ugelli 70, aumentando o diminuendo la forza di spinta impressa dall’acqua in uscita. Il sistema di regolazione agisce in modo automatico, essendo governato dalla stessa pressione del flusso in ingresso. Lo stesso tipo di regolazione può essere ottenuto, a prescindere da variazioni di pressione o portata del fluido in ingresso, dal sistema di attuazione qui comprensivo di slitta 55, guide 56, camme 57, braccio 58 ed attuatore 58a: in relazione alle necessità di potenza (ad esempio della rete elettrica o altro dispositivo operativamente collegato all’albero 30), un sensore comanda l’attuatore 58a che, tramite la camma 57 consente di spostare l’attuatore 47. The regulation system previously described with reference to figures 10-12 essentially has the purpose of keeping the centrifugal thrust of the rotor 20 constant, with the impact of the water coming out of the nozzles 70 against the contrast elements 40: this in order to avoid possible power surges due to pressure variations of the incoming flow and / or to modify the power generated by means of the shaft 30, for example according to the needs of the electrical network powered by the alternator driven by the shaft 30 itself. compensation of pressure oscillations, and therefore of power, takes place with the bidirectional orientation of the contrast elements 40, in order to modify the angle of incidence of the jets coming from the nozzles 70, increasing or decreasing the thrust force exerted by the outgoing water. The regulation system acts automatically, being governed by the same pressure as the inlet flow. The same type of regulation can be obtained, regardless of variations in pressure or flow rate of the incoming fluid, by the actuation system here including slide 55, guides 56, cams 57, arm 58 and actuator 58a: in relation to power needs (for example of the electrical network or other device operatively connected to shaft 30), a sensor controls the actuator 58a which, by means of the cam 57, allows the actuator 47 to be moved.
A titolo meramente indicativo, una turbina di dimensioni medio piccole del tipo descritto può avere una girante di diametro di circa 400 mm e di altezza di circa 60 mm, ovvero con un volume cavo interno sostanzialmente cilindrico di circa 380 mm di diametro e di circa 40 mm di altezza suddiviso in quattro canali primari e dodici canali secondari come rappresentato, con dodici ugelli 70 (come accennato, il numero di canali di flusso e di ugelli può essere variabile in rapporto alla dimensione della turbina). Prove pratiche effettuate dalla Richiedente con una tale turbina hanno consentito di appurare che essa ha un campo di azione molto ampio, ottenendo generazione di forza già a partire da pressioni in entrata di 0,8 bar con portata di 5 litri/secondo e con velocità di rotazione della girante da 200 rpm a regimi superiori ai 2.000 rpm, ottenibili con incremento di pressione del fluido, consentendo di ottenere una coppia ottimale di lavoro di 1.500 rpm, con frequenza di 50 Hz trifase con alternatore sincrono. Merely by way of indication, a small to medium-sized turbine of the type described can have an impeller with a diameter of about 400 mm and a height of about 60 mm, or with a substantially cylindrical internal hollow volume of about 380 mm in diameter and about 40 mm in height divided into four primary channels and twelve secondary channels as shown, with twelve nozzles 70 (as mentioned, the number of flow channels and nozzles can be variable in relation to the size of the turbine). Practical tests carried out by the Applicant with such a turbine have made it possible to ascertain that it has a very wide range of action, obtaining power generation already starting from inlet pressures of 0.8 bar with a flow rate of 5 liters / second and with a speed of rotation of the impeller from 200 rpm at speeds above 2,000 rpm, obtainable with an increase in fluid pressure, allowing to obtain an optimal working torque of 1,500 rpm, with a frequency of 50 Hz three-phase with synchronous alternator.
La turbina à ̈ evidentemente dimensionabile per produrre quantitativi di energia differenti, da piccole ad elevate necessità . Modelli di piccole dimensioni trovano vantaggiosa applicazione, ad esempio, in aree montane ove il costo di linee elettriche fisse à ̈ molto elevato e, per contro, vi à ̈ un’ampia disponibilità di approvvigionamento idrico modesto ma costante. In questo contesto, una semplice canalizzazione con un piccolo serbatoio consente di alimentare una turbina 1 per la produzione, ad esempio, di 3 Kwh, che può essere facilmente accresciuta in rapporto alla portata d’acqua disponibile. L’acqua reflua dalla turbina 1 può essere ulteriormente utilizzata a valle, da altre turbine 1, a seconda del portata del flusso disponibile. The turbine can obviously be sized to produce different quantities of energy, from small to high needs. Small-sized models find advantageous application, for example, in mountain areas where the cost of fixed power lines is very high and, on the other hand, there is a wide availability of modest but constant water supply. In this context, a simple ducting with a small tank allows to power a turbine 1 for the production of, for example, 3 Kwh, which can be easily increased in relation to the available water flow. The waste water from turbine 1 can be further used downstream by other turbines 1, depending on the flow rate available.
La turbina secondo l’invenzione trova applicazione preferita per la produzione di energia elettrica tramite generatore (nello specifico un alternatore), con modalità non inquinanti ed utilizzando fonti rinnovabili, ed idonea per l’impiego idrico con approvvigionamento a mezzo di una condotta alimentata da flusso costante, che non richiede opere idrauliche complesse. Come accennato, peraltro, la turbina secondo l’invenzione à ̈ più in generale utilizzabile al fine di ottenere energia meccanica disponibile per il funzionamento di altri apparati. The turbine according to the invention finds a preferred application for the production of electricity through a generator (specifically an alternator), with non-polluting methods and using renewable sources, and suitable for water use with supply by means of a powered pipeline constant flow, which does not require complex hydraulic works. As mentioned, however, the turbine according to the invention can more generally be used in order to obtain mechanical energy available for the operation of other apparatuses.
La turbina secondo l’invenzione risulta particolarmente semplice da un punto di vista costruttivo, a vantaggio del contenimento dei suoi costi di realizzazione e della sua affidabilità in esercizio, con modesti costi di manutenzione e di esercizio, e consente di ottenere rapporti di resa elevati anche da modeste altezze di caduta. The turbine according to the invention is particularly simple from a construction point of view, to the advantage of containing its construction costs and its reliability in operation, with modest maintenance and operating costs, and allows to obtain high yield ratios. even from modest fall heights.
E’ chiaro che numerose varianti sono possibili per la persona esperta del ramo alla turbina descritta come esempio, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione così come definita nelle rivendicazioni che seguono. It is clear that numerous variants are possible for the person skilled in the art to the turbine described as an example, without thereby departing from the scope of the invention as defined in the following claims.
L’invenzione à ̈ stata descritta con particolare riferimento ad una turbina operante con un fluido allo stato liquido, ma non à ̈ esclusa dagli ambiti dell’invenzione stessa la sua alimentazione con fluidi allo stato aeriforme, ad esempio vapore. Nel caso di impiego per la produzione di energia elettrica, alternatori di tipo sincrono o asincrono, a seconda del tipo di applicazione, possono essere accoppiati direttamente all’albero della turbina o con interposizione di variatori di velocità per applicazioni inverter. In varianti di attuazione non illustrate, lo statore 20 può avere struttura più semplice di quella qui esemplificata: si apprezzerà , ad esempio, che in altre realizzazioni la struttura inferiore 15 può essere omessa. Va da sé che le strutture 15 e 16 non debbono necessariamente avere profilo esterno circolare, per quanto tale profilo sia preferibile; lo stesso dicasi per il fronte 22 ed il retro 24 del rotore. The invention has been described with particular reference to a turbine operating with a fluid in the liquid state, but its feeding with gaseous fluids, for example steam, is not excluded from the scope of the invention itself. In the case of use for the production of electricity, synchronous or asynchronous alternators, depending on the type of application, can be coupled directly to the turbine shaft or with the interposition of speed variators for inverter applications. In embodiments not illustrated, the stator 20 can have a simpler structure than the one exemplified here: it will be appreciated, for example, that in other embodiments the lower structure 15 can be omitted. It goes without saying that structures 15 and 16 do not necessarily have to have a circular external profile, although this profile is preferable; the same applies to the front 22 and the rear 24 of the rotor.
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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IT000099A ITTO20130099A1 (en) | 2013-02-07 | 2013-02-07 | TURBINE |
Applications Claiming Priority (1)
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ITTO20130099A1 true ITTO20130099A1 (en) | 2014-08-08 |
Family
ID=47997703
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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IT000099A ITTO20130099A1 (en) | 2013-02-07 | 2013-02-07 | TURBINE |
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IT (1) | ITTO20130099A1 (en) |
Citations (5)
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-
2013
- 2013-02-07 IT IT000099A patent/ITTO20130099A1/en unknown
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