ITTO20130101A1 - Turbina - Google Patents

Description

“Turbina†,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

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.

Tecnica Anteriore

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.

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.

Sommario e scopo dell’invenzione

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.

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.

Breve descrizione dei disegni

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:

- la figura 1 à ̈ una rappresentazione schematica di un possibile ambito di applicazione di una turbina secondo l’invenzione;

- la figura 2 à ̈ una sezione laterale schematica, in parziale sezione, di una turbina secondo una forma di attuazione dell’invenzione;

- la figura 3 à ̈ un vista in esploso schematica di una turbina secondo una forma di attuazione dell’invenzione;

- 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;

- 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;

- 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

- la figura 13 à ̈ una rappresentazione parziale e schematica di una turbina secondo un’attuazione dell’invenzione, con alcune parti rimosse.

Descrizione di forme di attuazione preferite dell’invenzione

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.

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.

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 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).

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.

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.

Riferendosi anche alla figura 3, in un’attuazione preferita 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. 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.

Nella forma di attuazione preferita dell’invenzione 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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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 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 figura 3 la struttura della turbina 1, in una sua forma di attuazione preferenziale, Ã ̈ illustrata tramite una vista schematica esplosa.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Al lato interno della piastra superiore 24a, e quindi all’interno del volume cavo del rotore 20, à ̈ fissato in posizione centrale l’organo diffusore 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.

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.

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.

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:

- un elemento girevole, particolarmente una piastra anulare, vincolato sullo statore 10 per essere mobile angolarmente attorno all’asse di rotazione X del rotore 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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 accordo all’invenzione, la pluralità di canali di flusso 60, 61 comprende:

- una pluralità di canali 60 che si estendono dalla parte periferica 21 del rotore 20 sino ad una sua regione centrale, e

- una pluralità di canali 61 che si estendono dalla parte periferica 21 del rotore 20 sino ad una sua regione intermedia che à ̈ spazialmente compresa tra la parte periferica 21 e la suddetta regione centrale.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Una turbina, comprendente una struttura stazionaria (10), avente un ingresso (11) per il collegamento ad una linea di alimentazione (D) di un flusso di un fluido, ed una girante (20), avente una struttura mobile cava (21-24) supportata in modo girevole dalla struttura stazionaria (10) per ruotare secondo un rispettivo asse (X), la struttura mobile avendo un fronte (22), un retro (24) ed una parte periferica (21), in cui la struttura mobile (21-24) ha una pluralità di canali di flusso (60, 61) che si estendono dalla parte periferica (21) della struttura mobile (21-24) verso una sua regione centrale, in cui la struttura mobile (21-24) ha, in corrispondenza di una regione centrale del suo fronte (22), un ingresso di girante (23) in comunicazione di fluido con l’ingresso (11) della struttura stazionaria (10) e con i canali di flusso (60, 61), l’ingresso di girante (23) essendo preferibilmente sostanzialmente affacciato ad una sezione terminale dell’ingresso (11) della struttura stazionaria (10), ed in cui un albero di azionamento (30) à ̈ operativamente connesso al retro (24) della struttura mobile (21-24), in modo tale per cui il fluido che entra nella turbina (1) dall’ingresso (11) della struttura stazionaria (10) fluisce all’interno della struttura mobile (21-24) attraverso l’ingresso di girante (23), per fluire nei canali di flusso (60, 61) e poi fuoriuscirne in forma di getti (J) da rispettive uscite (70, 71) in corrispondenza della parte periferica (21) della struttura mobile (21-24), con ciò causando la rotazione di quest’ultima, e quindi dell’albero di azionamento (30), in cui il fronte (22), il retro (24) e la parte periferica (21) della struttura mobile (21-24) delimitano un volume cavo della struttura mobile (21-24) in cui si estendono i canali di flusso (60, 61) di detta pluralità, il fronte (22) ed il retro (24) della struttura mobile (21-24) essendo preferibilmente sostanzialmente paralleli tra loro, ed in cui la pluralità di canali di flusso (60, 61) comprende: - una pluralità di canali (60) che si estendono dalla parte periferica (21) della struttura mobile (21-24) sino ad una sua regione centrale, e - una pluralità di canali (61) che si estendono dalla parte periferica (21) della struttura mobile (21-24) sino ad una sua regione intermedia che à ̈ spazialmente compresa tra la parte periferica (21) e la detta regione centrale.
2. 2. La turbina secondo la rivendicazione 1, in cui la pluralità di canali di flusso (60, 61) comprende una pluralità di canali primari (60) ed una pluralità di canali secondari (61), i canali primari (60) avendo un ingresso più prossimo all’ingresso di girante (23) rispetto all’ingresso dei canali secondari (61), i canali primari (60) ed i canali secondari (61) estendendosi preferibilmente in una direzione radiale della struttura mobile (21-24), ed in cui ciascun canale primario (60) à ̈ suddiviso in una pluralità di canali secondari (61) oppure uno o più canali secondari (61) sono alternati ai canali primari (60).
3. 3. La turbina secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui all’interno di un volume cavo della struttura mobile (21-24) una pluralità di pareti (62, 63) delimitano lateralmente i canali di flusso (60, 61).
4. 4. La turbina secondo la rivendicazione 3, in cui le pareti (62, 63) comprendono prime pareti (62) e seconde pareti (63) aventi lunghezza differente, in modo tale per cui le prime pareti (62) suddividono una cavità interna della struttura mobile (21-24) in una pluralità di canali primari (60) e le seconde pareti (63) suddividono i canali primari (60) in una pluralità di canali secondari (61) oppure uno o più canali secondari (61) sono alternati ai canali primari (60).
5. 5. La turbina secondo la rivendicazione 3 o la rivendicazione 4, in cui le pareti (62, 63) comprendono prime pareti (62) che si estendono dalla parte periferica (21) della struttura mobile (21-24) sino alla sua regione centrale, preferibilmente sostanzialmente sino all’ingresso di girante (23), le prime pareti (61) avendo una porzione di estremità che à ̈ conformata in modo sostanzialmente congruente al profilo di almeno uno tra un organo deflettore di flusso (26) e l’ingresso di girante (23), particolarmente una porzione di estremità generalmente arcuata.
6. 6. La turbina secondo una qualsiasi delle precedenti, in cui i canali di flusso (60, 61) hanno una sezione di passaggio crescente, preferibilmente in modo sostanzialmente progressivo, dalla regione centrale o dalla regione intermedia della struttura mobile (21-24) verso la sua parte periferica (21).
7. 7. La turbina secondo le rivendicazioni 3, in cui il fronte (22) ed il retro (24) della struttura mobile (21-24) sono generalmente paralleli tra loro e definiscono una dimensione di altezza dei canali di flusso (60, 61) ed in cui all’interno del volume cavo sono previste una pluralità di pareti sostanzialmente radiali (62, 63), che delimitano lateralmente i canali di flusso (60, 61) e che definiscono tra una loro dimensione di larghezza dei canali di flusso (60, 61) che aumenta dalla regione centrale o dalla regione intermedia della struttura mobile (21-24) verso la sua parte periferica (21).
8. 8. La turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i canali di flusso (60, 61) hanno, quando visti in pianta, in pianta un profilo almeno approssimativamente a forma di settore circolare.
9. 9. La turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la struttura mobile (21-24) ha forma sostanzialmente a disco, il fronte (22), il retro (24) e la parte periferica (21) della struttura mobile (21-24) delimitando un volume cavo sostanzialmente cilindrico che à ̈ suddiviso nei canali di flusso (60, 61).
10. 10. La turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’ingresso di girante (23) include una porzione tubolare (23a) generalmente coassiale all’ingresso (11) della struttura stazionaria (10) ed all’asse di rotazione (X) della struttura mobile (21-24), la porzione tubolare (23a) avendo una prima estremità, con un diametro preferibilmente sostanzialmente corrispondente ad un diametro terminale dell’ingresso (11) della struttura stazionaria (10), ed una seconda estremità che ha profilo generalmente svasato verso l’interno della struttura mobile (21-24).
11. 11. La turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la struttura stazionaria (10) include una porzione con forma sostanzialmente a disco.
12. 12. La turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la struttura stazionaria (10) include una rispettiva parte periferica (15b, 16b), affacciata alla parte periferica (21) della struttura mobile (21-24) e sostanzialmente coassiale ad essa, la parte periferica (15b, 16b) della struttura stazionaria (10) definendo un’apertura circonferenziale generalmente affacciata alle uscite (70, 71) dei canali di flusso (60, 61) della struttura mobile (21-24).
13. 13. La turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le uscite (70, 71) dei canali di flusso (60, 61) comprendono rispettivi ugelli (70) in corrispondenza della parte periferica (21) della struttura mobile (21-24), le uscite di ugello essendo rivolti in una direzione generalmente opposta al verso di rotazione della struttura mobile (21-24), dove le uscite (70, 71) dei canali di flusso (60, 61) includono preferibilmente una sezione terminale (71) a monte degli ugelli (70) avente un profilo almeno in parte rastremato verso il rispettivo ugello (70).
14. 14. La turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente, in corrispondenza dell’ingresso di girante (23), un divisore di flusso (25) supportato in posizione fissa dalla struttura stazionaria (10) e configurato per suddividere il flusso del fluido in ingresso alla struttura mobile (21-24) in una pluralità di sotto-flussi (F), ed in cui il retro (24) della struttura mobile (21-24) ha, in una sua regione centrale, un organo deflettore sostanzialmente conico (26) che à ̈ generalmente affacciato all’ingresso di girante (23) e che si estende verso il divisore di flusso (25), l’organo deflettore (26) essendo configurato per indirizzare i sotto-flussi (F) verso i canali di flusso (60, 61).
15. 15. La turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di elementi di contrasto (40), supportati dalla struttura stazionaria (10) in posizione generalmente affacciata alla parte periferica (21) della struttura mobile (21-24), in cui gli elementi di contrasto (40) sono montati sulla struttura stazionaria (10) in modo mobile, per variare la posizione di una loro superficie (40a) rispetto a getti (J) del fluido in uscita dai canali di flusso (60, 61), in almeno una posizione degli elementi di contrasto (40) la relativa superficie (40a) essendo suscettibile di essere colpita dai suddetti getti (J), ed in cui la turbina (1) comprende inoltre almeno un sistema di attuazione (47; 47, 55-58) per variare in modo controllato la posizione degli elementi di contrasto (40).