ITTO20130481A1 - Ala a funzionamento bimodale. - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo:

“ALA A FUNZIONAMENTO BIMODALEâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un’ala a funzionamento bimodale.

In tutte le applicazioni aerodinamiche comuni, come ad esempio pale di turbine a gas, pale di turbine a vento e superfici portanti di aerei, l’obiettivo ultimo del profilo aerodinamico à ̈ trasferire un carico distribuito verso la base della pala o dell’ala. La resistenza strutturale ottenuta tramite, ad esempio, un longherone a doppio T, permette di contrastare il momento flettente generato dal carico distribuito.

Nel caso di un profilo alare di potenza, appartenente ad un sistema usato per estrarre energia dal vento, la presenza di soli sforzi di pura tensione fa sì che una configurazione ad arco dell’apertura alare generi una portanza aerodinamica utile, allo stesso tempo, sia al mantenimento della propria forma sia alla generazione di energia.

Come noto, una configurazione di sforzi di pura tensione necessita di una resistenza strutturale assai inferiore rispetto al caso in cui vi sia del momento flettente. Di conseguenza, il profilo aerodinamico del profilo alare di potenza può essere assottigliato al fine di migliorare l’efficienza aerodinamica, ossia il rapporto portanza su resistenza, in ultimo incrementando le prestazioni energetiche di un impianto di alta quota per l’estrazione di energia dal vento.

L’estrazione di energia dal vento si svolge mediante sistemi comprendenti ali ultraleggere, ad alta efficienza aerodinamica, sottoposte a carichi alari elevati, in modalità di tensostruttura.

La domanda di brevetto n. WO2008120257, a nome della Richiedente, descrive un sistema di estrazione di energia dal vento mediante un treno di profili alari di potenza connessi in serie, manovrati per mezzo di verricelli servoassistiti, comandati autonomamente da un sistema di controllo intelligente. Un profilo alare di potenza immerso in una corrente eolica à ̈ quindi connesso, mediante almeno una fune, ad un generatore autonomo che converte in corrente elettrica l’energia eolica catturata a livello di troposfera. I profili alari di potenza sono manovrati in modo da trainare i moduli a cui sono connessi e consentire la conversione di energia eolica in energia elettrica mediante almeno un sistema di generazione, comprendente almeno un generatore/motore. Le funi sono atte sia a trasmettere energia meccanica da e verso i profili alari per il traino dei moduli, sia a controllare la traiettoria di volo dei profili alari stessi.

La potenza che un profilo alare à ̈ in grado di sottrarre al vento à ̈ funzione sia dell’efficienza aerodinamica del profilo alare che dell’area dello stesso. In particolare, tale potenza cresce con il quadrato dell’efficienza aerodinamica e linearmente con l’area.

L’efficienza di un profilo alare dipende dalla forma del profilo. Tale forma ottimale va però mantenuta anche quando il profilo alare à ̈ sottoposto alle sollecitazioni delle forze di resistenza-portanza (drag-lift). A tal fine à ̈ possibile ricorrere all’impiego di profili alari semirigidi.

A differenza dei profili alari completamente flessibili, i profili alari semirigidi sono dotati, ad esempio, di un telaio estremamente leggero per effetto del quale i profili alari possono assumere una forma analoga a quella delle ali rigide degli alianti. I profili alari possono, ad esempio, essere strutturati con losanghe realizzate con polimeri. Il ricorso alla semirigidità assicura un notevole miglioramento delle prestazioni, non solo per effetto della migliore efficienza aerodinamica, ma anche grazie alla maggiore facilità di pilotaggio.

In particolare, la rigidità può essere asimmetrica rispetto alle due dimensioni del profilo alare in modo da garantire una flessibilità laterale utile al ricovero del profilo alare in un corrispondente sistema di ricovero.

Un primo problema riguardante l’estrazione di energia dal vento mediante sistemi comprendenti ali ultraleggere à ̈ rappresentato dalla deformazione aeroelastica del profilo alare sottoposto alle forze aerodinamiche. A seconda del dimensionamento e della scelta dei materiali vi à ̈ la possibilità che la rigidezza lungo la corda dell’ala non sia sufficiente a mantenere la forma del profilo, con il conseguente rischio di riduzione di prestazioni ed efficienza. La forma ad arco dell'ala viene mantenuta aerodinamicamente durante il volo con un gradiente di portanza delle sezioni alari, riducendo o annullando la necessità di un longherone.

Un secondo problema riguardante l’estrazione di energia dal vento mediante sistemi comprendenti ali ultraleggere à ̈ rappresentato dalla gestione di un comportamento bimodale di volo, assumendo un assetto in scivolata d’ala (sideslip) ed un assetto produttivo (power generating). Con l’assetto in scivolata, l’ala viene richiamata mediante una sola fune di vincolo. Per godere di sufficiente stabilità, in questa fase, la forma ad arco del volo in assetto produttivo deve essere abbandonata a favore di una configurazione filante.

La domanda di brevetto n. WO2011121557 affronta il primo problema, descrivendo un sistema di attuazione dei comandi per il volo di un profilo alare di potenza controllato tramite almeno due cavi per la conversione di energia eolica in energia elettrica o meccanica, comprendente una prima unità per esercitare un’azione di svolgimento-avvolgimento paritetico di detti cavi, ed una seconda unità interposta fra il profilo alare di potenza e la prima unità per realizzare un’azione di controllo differenziale dei cavi. Il sistema comprende un unico motore che aziona la seconda unità di controllo dei cavi e la prima unità comprende, per ciascun cavo, due serie di carrucole di avvolgimento senza sovrapposizione del cavo disposte su rispettivi assi orizzontali comuni fra loro sovrapposti.

La domanda di brevetto n. WO2009035492 affronta il secondo problema, descrivendo un profilo alare di potenza comprendente un primo elemento di controllo agente in una prima configurazione di forza, in cui il primo elemento di controllo à ̈ usato per tenere sotto controllo il volo del profilo alare di potenza durante una fase di generazione di potenza, il profilo alare di potenza inoltre comprende un secondo elemento di controllo usato per controllare il volo del profilo alare di potenza nella seconda configurazione di forza durante la fase di ricovero, in tale seconda fase la forza associata alla configurazione à ̈ ridotta rispetto alla prima fase associata alla generazione di potenza.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo un’ala formata da profili alari di potenza che permetta di mantenere inalterata la forma del profilo alare e di permettere un comportamento bimodale in volo.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello do fornire un’ala comprendente una superficie alare collegata ad una o più centine parallele lungo la direzione della corda di tali profili alari di potenza, tale ala comprendente inoltre almeno un giunto formato da lembi di tela esterni, rispettivamente collegati ad una coppia di centine esterne e ad una coppia di lembi di tela interni, tale giunto convergendo simmetricamente rispetto ad una corda appartenente ai profili alari di potenza.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un un’ala a funzionamento bimodale come quella descritta nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la FIG. 1 mostra una vista frontale di una realizzazione preferita di un’ala secondo la presente invenzione;

- le FIGG. 2 e 3 mostrano rispettivamente una vista in pianta della superficie inferiore e superiore dell’ala della FIG. 1;

- le FIGG. 4 e 5 mostrano rispettivamente un particolare ingrandito IV e V dell’ala della FIG.

1;

- la FIG. 6 mostra una vista laterale dell’ala della FIG. 1;

- la FIG. 7 mostra un particolare ingrandito VII dell’ala della FIG. 6;

- le FIGG. 8 e 9 mostrano rispettivamente una vista assonometrica della superficie inferiore e superiore dell’ala della FIG. 1;

- le FIGG. 10 e 11 mostrano rispettivamente un particolare ingrandito X e XI dell’ala della FIG.

8; e

- le FIGG. 12 e 13 mostrano rispettivamente un particolare ingrandito XII e XIII dell’ala della FIG. 9.

Facendo riferimento alle Figure, à ̈ possibile notare che un’ala secondo la presente invenzione a funzionamento bimodale à ̈ composta da due o più profili alari di potenza 1-1, 1-2, 1-3, connessi in serie e reciprocamente articolati mediante almeno un giunto articolare 2, 3 interposto tra almeno una coppia di tali profili alari di potenza 1-1, 1-2, 1-3 adiacenti.

Vantaggiosamente, ciascuno di tali profili alari di potenza 1-1, 1-2, 1-3 à ̈ costituito da almeno un concio rigido, tali conci essendo mutuamente articolati mediante l’interposizione di un rispettivo tale giunto 2, 3 per permettere la funzione bimodale dell’ala secondo la presente invenzione, in particolare concentrando in tali giunti 2, 3 le eventuali oscillazioni di assetto. Infatti, per poter gestire opportunamente sia la fase di generazione di potenza sia la manovra di recupero in scivolata d’ala, l’insieme dei profili alari 1-1, 1-2, 1-3 deve poter passare attraverso due forme, da cui il funzionamento bimodale: una forma ad arco, durante la fase di generazione ed una forma piana indeformata per la manovra di recupero in scivolata d’ala.

Ciascun profilo alare 1-1, 1-2, 1-3 comprende almeno una superficie alare 4 collegata ad una o più centine esterne 5 in funzione di esoscheletro. Le centine 5 (bumps), disposte parallele lungo la direzione della corda alare ed esterne alla superficie alare 4 hanno lo svantaggio di aumentare leggermente la resistenza aerodinamica, ma hanno il vantaggio di garantire il mantenimento della forma del rispettivo profilo alare 1-1, 1-2, 1-3.

La superficie alare 4 à ̈ preferibilmente realizzata in tela molto resistente, rivestita con resine termoplastiche o termoindurenti: in particolare, tale tela svolge la duplice funzione di resistere alle sollecitazioni, una volta raggiunta la forma ad arco in fase di generazione di potenza, e di fornire la rigidezza elastica, utile per riportare l'ala secondo la presente invenzione alla configurazione piana indeformata durante la fase di recupero in scivolata d’ala.

Con riferimento alle FIGG. 4, 5, 10, 11, 12 e 13, ciascun giunto 2, 3, Ã ̈ formato da lembi di tela esterni 6, 7, rispettivamente collegati ad una coppia di centine esterne 5-1, 5-2, e ad una coppia di lembi di tela interni 8, 9. Ciascun giunto 2, 3 Ã ̈ simmetrico rispetto ad una corda 10 lungo la quale convergono i lembi di tela 8, 9.

La configurazione a forma piana indeformata dell’ala secondo la presente invenzione, associata alla fase di recupero in scivolata d’ala, corrisponde al giunto 3 in posizione dilatata (FIGG. 5, 11 e 13), caratterizzato dai lembi di tela interni 8, 9, distesi e tangenti alla superficie alare 4.

La configurazione a forma ad arco dell’ala secondo la presente invenzione, associata alla fase di generazione di potenza, corrisponde al giunto 2 in posizione contratta (FIGG. 4, 10 e 12), caratterizzato dai lembi di tela interni 8, 9, ripiegati all’interno del profilo alare, permettendo la convergenza ed il contatto lungo la corda 10 della coppia di lembi di tela esterni 6, 7.

La presente invenzione raggiunge lo scopo mediante un’ala indeformata in una configurazione piana e deformata dai carichi aerodinamici in una configurazione ad arco, in cui la rigidezza della struttura permette di mantenere la configurazione indeformata assumendo un assetto in scivolata d’ala (sideslip) e di deformare la struttura per ottenere una configurazione ad arco assumendo un assetto produttivo (power generating).

Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, la forma dell’ala à ̈ asimmetrica al fine di poter sfruttare utilmente l'asimmetria per la fase di derapata. Questa configurazione offre l'opportunità di realizzare segmenti particolarmente rigidi nella direzione della corda alare ed aerodinamicamente efficienti.

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Ala a funzionamento bimodale passante da una forma ad arco ad una forma piana indeformata e viceversa caratterizzata dal fatto di essere composta da due o più profili alari di potenza (1-1, 1-2, 1-3) connessi in serie e reciprocamente articolati mediante almeno un giunto articolare (2, 3) interposto tra almeno una coppia di detti profili alari di potenza (1-1, 1-2, 1-3) adiacenti.
2. 2. Ala secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che ciascuno di detti profili alari di potenza (1-1, 1-2, 1-3) Ã ̈ costituito da almeno un concio rigido.
3. 3. Ala secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere almeno una superficie alare (4) collegata ad una o più centine (5) parallele lungo una direzione di corda di detti profili alari di potenza (1-1, 1-2, 1-3).
4. 4. Ala secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che almeno un detto giunto (2, 3) Ã ̈ formato da lembi di tela esterni (6, 7), rispettivamente collegati ad una coppia di dette centine esterne (5-1, 5-2) e ad una coppia di lembi di tela interni (8, 9), detto giunto (2, 3) convergendo simmetricamente rispetto ad una corda (10) appartenente a detti profili alari di potenza (1-1,1-2,1-3).
5. 5. Ala secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che una configurazione in detta forma piana indeformata corrisponde ad un detto giunto (2, 3) in posizione dilatata, detti lembi di tela interni (8, 9) essendo distesi e tangenti a detta superficie alare (4).
6. 6. Ala secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che una configurazione a detta forma ad arco corrisponde ad un detto giunto (2, 3) in posizione contratta, detti lembi di tela interni (8, 9) essendo ripiegati all’interno di detto profilo alare (1-1,1-2,1-3).
7. 7. Ala secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette centine (5) sono esterne a detta superficie alare (4), attuando una funzione di esoscheletro.
8. 8. Ala secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta superficie alare (4) Ã ̈ realizzata in tela rivestita con resine termoplastiche o termoindurenti.
9. 9. Ala secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di avere forma asimmetrica.