ITVI20120085A1 - Sistema di esercizio per turbine idrauliche - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda un sistema di esercizio per turbine idrauliche, da applicare al settore tecnico relativo alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, più specificamente per mezzo di macchine motrici che estraggono potenza dal moto relativo fra gli elementi aerodinamici del rotore ed una corrente di fluido.

In particolare questa soluzione trova applicazione specifica nel campo della generazione di energia idroelettrica all’interno di canali idraulici, naturali od artificiali, preesistenti od appositamente costruiti, includendo per estensione corsi d’acqua, fiumi, torrenti o correnti. Essa riguarda dunque una soluzione per migliorare, incrementandolo, lo sfruttamento dell’energia cinetica di corsi d’acqua fluente ovviando, con le soluzioni di seguito presentate, ai limiti delle soluzioni tradizionali esistenti.

Secondo alcune soluzioni tecniche, lo sfruttamento dell’energia di corsi d’acqua fluente viene realizzato derivando parte dell’acqua ed inviandola, attraverso appositi impianti di adduzione, in turbine di tipo Kaplan, in grado di sfruttare salti geodetici molto piccoli, o, anche se meno frequentemente, in canali di alimentazione di ruote idrauliche o macchine ad azione di tipo Mitchell-Banki. Secondo altre soluzioni tecniche, di più recente sviluppo, si impiegano macchine sommerse entro il corso d’acqua. Appartengono a tale ultima categoria sia le architetture ad asse verticale (o meglio con moto della corrente ortogonale all’asse di rotazione), di cui una tipologia caratteristica è rappresentata dalle turbine Darrieus e dalle turbine Gorlov, sia quelle ad asse orizzontale, a forma di elica. Tali macchine presentano interessanti caratteristiche in applicazioni maremotrici e ne sono state proposte varianti che presentano rotori, sia in flusso libero, che in flusso confinato da una cassa.

In particolare, se si fa riferimento alle turbine tipo Darreius o Gorlov, tali tipologie presentano importanti semplificazioni costruttive poiché, a differenza delle classiche tipologie Kaplan, le opere civili necessarie per la loro installazione sono assai minori, in quanto non viene richiesta una derivazione del flusso ed una sua adduzione alla turbina con le connesse opere di restituzione. Rimane tuttavia assai importante il problema della manutenzione delle opere immerse, sia meccaniche che elettriche, oltre agli aspetti manutentivi legati alla incrostazione delle pale causata da alghe e micro-organismi che su di esse crescono. Si ricorda infatti che tali macchine, operando immerse in canali o corsi d’acqua, generalmente non processano fluidi puliti e filtrati come quelli in uso per le suddette macchine idrauliche tradizionali, per cui assume importante valore la possibilità di effettuare rapide ispezioni ed attività di intervento semplici e poco costose. Inoltre nelle soluzioni sopra descritte la manutenzione della turbina (sia il rotore che il generatore elettrico) viene spesso eseguita smontando fisicamente la macchina stessa dalla propria sede per portarla in un luogo più consono a tale operazione, cosa che spesso richiede la deviazione del flusso d'acqua od addirittura l'interruzione con notevoli costi e disagi.

E’ noto ai tecnici del ramo che le parti elettriche significative sono spesso sommerse, con la richiesta di particolari e costose protezioni elettriche.

Ben più rilevante è il problema connesso alla sicurezza di esercizio ed alle possibilità di esondazioni indotte dalla presenza della macchina nel canale o corso d’acqua. Infatti, quando la macchina è installata in canali o corsi d’acqua, essa rappresenta una forma di ostruzione che determina un parziale innalzamento del livello idraulico del corso a monte, innalzamento che in particolari condizioni di deflusso può tuttavia causare addirittura l’esondazione a monte, con conseguente allagamento delle zone limitrofe. Analogamente, la presenza di oggetti trascinati dalla corrente, che si possono impigliare nelle strutture fisse o mobili della macchina, può comportare un effetto diga o sbarramento causato dalla macchina stessa e dai detriti, con conseguente creazione di pericolosi sbarramenti artificiali di acqua.

Tali aspetti limitano attualmente l’impiego di queste soluzioni ad esempio al recupero di energia in canali di adduzione e di scarico delle centrali idroelettriche, per i citati problemi di rischio di superamento accidentale del livello di guardia del canale, impedendone di fatto la diffusione in canali irrigui, di bonifica, o similari, per il rischio della nascita di sbarramenti causati da oggetti trascinati dalla corrente.

E’ anche risaputo che i problemi per l'innalzamento del livello a monte della macchina, che possono portare allo straripamento del corso d'acqua, sono causati anche da flussi occasionalmente e imprevedibilmente maggiori del solito.

Scopo del presente trovato è quello di eliminare i suddetti inconvenienti, attraverso l’utilizzo di un nuovo sistema di esercizio di turbine realizzato in più forme di attuazione.

Altri brevetti su sistemi di produzione elettrica mediante turbine immerse in acqua ed estraibili alfoccorrenza sono stati accuratamente valutati, quali “Column mounted water eurrent turbine” (GB 231 1566A del 01/10/1997), “Underwater power station and method for operating an under water power station” (US 2010/00 19499A1 del 28/01/2010), “Waterwheel driven generating unit” (US5440175 del 8/8/1995), “Bidirektional anstrombare tauchende cnergieerzeugungsanlage” (DE 1020070362010A1 del 5/2/2009) e hanno portato a concludere che in nessuno di detti documenti viene descritta una soluzione dì sollevamento dall’acqua simile a quelle qui di seguito rivendicate.

La prima forma di attuazione del presente trovato è l’utilizzo di una struttura a quadrilatero articolato per il sollevamento della turbina fuori dal canale per eliminarne eventuali ostruzioni e, comunque, per liberarlo completamente o per eseguire operazioni di manutenzione.

Una seconda forma di attuazione è Γ utilizzo di un sistema a sollevamento verticale della turbina, la cui struttura è ancorata agli argini, completamente fuori dall’acqua, che consente l’estrazione della turbina per eliminare il bloccaggio del canale.

Una terza forma di attuazione non prevede alcun mezzo di sollevamento fuori dall’acqua, ma prevede che la fuoriuscita della turbina dal canale avvenga mediante lo spostamento della stessa in un’ansa appositamente realizzata su un argine del canale.

Queste tipologie di sistemi non sono mai state impiegate per questo tipo di applicazioni.

Infatti i documenti sopra citati riportano sistemi di sollevamento mediante rotazione delle turbine, oppure sistemi di sollevamento verticale specifici su apposite colonne ancorate al fondale e pertanto per nulla confrontabili con l’originalità della soluzione qui presentata.

L’originalità e funzionalità del trovato verranno meglio comprese dalla descrizione che segue, con l’ausilio delle tavole di disegno allegate, dove:

-la fig.1 (tav. 1) rappresenta il sistema di cui al trovato, in posizione di esercizio; -la fig.2 (tav. Π) rappresenta una vista prospettica del sistema di esercizio di turbine idrauliche a quadrilatero articolato, secondo il trovato, in posizione sollevata;

-la fig.3 (tav. Ili) rappresenta una vista prospettica del sistema di esercizio a quadrilatero di turbine idrauliche, secondo il trovato, in posizione di manutenzione;

-la fig.4 (tav. IV) mostra un primo esempio del sistema di leggera movimentazione, secondo il trovato;

-la fig.5 (tav, V) mostra un ulteriore esempio del sistema di leggera movimentazione, secondo il trovato;

-la fig. 6 (tav. VI) rappresenta un” ulteriore applicazione del sistema di cui al trovato;

-la fig.7 (tav. VII) rappresenta il sistema secondo il trovato, in cui la turbina 2 è posizionata in sicurezza interamente fuori dalla vena fluida;

-la fig.8 (tav. Vili) illustra un ulteriore sistema di movimentazione a quadrilatero articolato;

-la fig.9 (tav. IX) illustra un ulteriore forma di realizzazione del sistema di cui al trovato;

-la fig. 10 (tav. X) illustra un esempio di sistema di fuoriuscita della turbina dal canale in cui essa è immersa.

In particolare:

-la lìg.l rappresenta il sistema di cui al trovato, in posizione di esercizio, che comprende un canale 1, una turbina 2, di tipo ad asse trasversale alla direzione della corrente posta verticalmente, qui rappresentata a titolo di esempio non intubata, anche se quanto riportato vale anche per macchine intubate, un sistema di controllo 3, un quadro elettrico 4, un telaio di supporto 5 della turbina, un dispositivo di articolazione meccanica 6, un fermo antirotazione della ralla 7, un contrappeso 8, la ralla 9, un attuatore per il sollevamento 10, un basamento 11 , un sensore di livello 12 ed un sensore di vibrazione 13;

-la fig.2 rappresenta una vista prospettica del sistema di esercizio di turbine idrauliche a quadrilatero articolato, di cui al trovato, in posizione sollevata, che comprende un canale 1, una turbina 2, di tipo ad asse trasversale alla direzione della corrente posta verticalmente, qui rappresentata a titolo di esempio non intubata, anche se quanto riportato vale anche per macchine intubate, un sistema di controllo 3, un quadro elettrico 4, un telaio di supporto 5 della turbina, un dispositivo di articolazione meccanica 6, un fermo antirotazione della ralla 7, un contrappeso 8, la ralla 9, un attuatore per il sollevamento 10, un basamento 11, un sensore di livello 12 ed un sensore di vibrazione 13;

-la fig.3 rappresenta una vista prospettica del sistema di esercizio a quadrilatero di turbine idrauliche, di cui al trovato, in posizione di manutenzione, che comprende un canale 1, una turbina 2, di tipo ad asse trasversale alla direzione della corrente posta verticalmente, qui rappresentata a titolo di esempio non intubata, anche se quanto riportato vale anche per macchine intubate, un sistema di controllo 3, un quadro elettrico 4, un telaio di supporto 5 della turbina, un dispositivo di articolazione meccanica 6, un contrappeso 8, la ralla 9, un attuatore per il sollevamento 10, un basamento 11, un sensore di livello 12 ed un sensore di vibrazione 13;

-la fig.4 mostra un esempio del sistema di leggera movimentazione, tramite traslazione di tipo meccanico qui realizzato, oltre ai componenti descritti nelle figure precedenti, con parallelogramma 6, molle 14 ed una cella di carico 15;

-la fig.5 mostra un altro esempio del sistema di leggera movimentazione, tramite traslazione di tipo meccanico qui realizzato, oltre ai componenti descritti nelle figure precedenti, con parallelogramma 6, molle 14 ed una cella di carico 15;

-in fig. 6 il sistema di cui al trovato comprende un canale 1, una turbina 2, di tipo ad asse trasversale alla direzione della corrente posta verticalmente, qui rappresentata a titolo di esempio non intubata, anche se quanto riportato vale anche per macchine intubate, un sistema di controllo 3, un quadro elettrico 4, un attuatore per il sollevamento 10, un sensore di livello 12, un sensore di vibrazione 13, una struttura ancorata agli argini per il sostegno della turbina 16, una guida 17 della turbina per il suo scorrimento verticale ed un telaio 18 di supporto della turbina;

-la fig.7, nella quale la turbina 2 è posizionata in sicurezza interamente fuori dalla vena fluida, risultando quindi il canale completamente libero, mostra il telaio di supporto 18 con evidenziata la guida 17 della turbina per il suo scorrimento verticale, facente parte del dispositivo di articolazione meccanica. La fig.7 mostra anche la struttura ancorata agli argini per il sostegno della turbina 16 e l’eventuale coperchio mobile 19 per permettere le operazioni di manutenzione in sicurezza; -la fig.8 mostra il sistema di movimentazione a quadrilatero articolato con il basamento 11 fissato su un sistema di trasporto mobile 20 con elemento di stabilizzazione 21 ;

-la fìg.9 che illustra un ulteriore sistema di cui al trovato, comprende un canale 1, una turbina 2, di tipo ad asse parallelo alla direzione della corrente, qui rappresentata a titolo di esempio non intubata, anche se quanto riportato vale anche per macchine intubate, un telaio di supporto 5- 18 della turbina, un sensore di stato del deflusso nel canale 12, qui indicato con la soluzione del sensore di livello, un dispositivo di articolazione meccanica 6 o 17, un attuatore per il sollevamento 10, la centralina di controllo 3 ed un sensore di vibrazione 13;

-la fìg.10 mostra un esempio di sistema di fuoriuscita dal canale 1 della turbina 2, montata su un telaio di supporto 5 con contrappeso 8, mediante spostamento orizzontale della stessa in un’ansa realizzata su un argine del canale.

All’atto pratico e da quanto si evince dall’osservazione delle figure, il sistema consiste sostanzialmente in almeno quattro elementi fondamentali indicati nelle figure 1-6: il canale 1, la turbina 2, i dispositivi di articolazione meccanica 6 o 17 precedentemente descritti ed un attuatore 10.

Per meglio evidenziare il campo di applicazione del trovato si specifica che:

- con il termine “canale” 1 si intende ogni canale di tipo idraulico, naturale od artificiale, preesistente od appositamente costruito, includendo per estensione corsi d’acqua, fiumi, torrenti o correnti.

- con il termine “turbina” 2 si intende qualunque macchina motrice che estrae potenza elettrica dal moto relativo fra gli elementi aerodinamici del rotore e una corrente di acqua.

1 dispositivi 6 e 17 di articolazione meccanica sono meccanismi che collegano la turbina alla struttura portante e sono concepiti in modo da realizzare un movimento della turbina che, dalla posizione di lavoro, normalmente immersa nell’acqua del canale, la porti al di fuori dalla corrente; tale movimento può consentire la totale fuoriuscita della turbina dall’acqua in due differenti modi: mediante l’utilizzo di un sistema a quadrilatero articolato (fìg. 1) o mediante un sistema a sollevamento verticale (fig. 6). Mediante rotazione sulla ralla, nel sistema a quadrilatero, è possibile raggiungere anche la posizione di manutenzione (fig. 3),

Inoltre il meccanismo di articolazione 6 è concepito in modo tale da consentire, nella condizione di funzionamento normale, ovvero in acqua, un lieve spostamento della macchina nel verso della corrente o contrariamente ad essa (fìgg. 4-5). Tale moto di oscillazione può essere libero, ovvero frenato in uno o due versi da un sistema che può essere indifferentemente meccanico ( es. con molle 14) o idraulico o pneumatico (con pistoni), al fine di attribuire alla turbina ad essa collegata una certa cedevolezza in occasione di improvvisi aumenti della spinta idraulica dovuta ad effetti transitori di turbolenza per assorbire i carichi dannosi a fatica.

E’ infatti risaputo che le variazioni istantanee di carico cinetico, dovuto a variazioni momentanee della velocità della corrente, riducono, nelle installazioni in acque libere o canali, la vita di alcuni componenti della turbina, quali cuscinetti o pale.

Il dispositivo di attuazione 10 trasmette le forze al dispositivo 6 di articolazione meccanica per consentirne l’effetto e può essere realizzato attraverso un argano elettrico, o attraverso un attuatore pneumatico o oleodinamico.

11 sensore 15 può essere costituito da un sensore di forza (cella di carico) pretarato applicato sulla struttura 5 della turbina 2, che rileva il valore della spinta dell’acqua sulla macchina.

Operativamente, in caso in cui qualche oggetto collida sulla turbina, si determina un aumento della spinta del fluido rispetto ad un valore di soglia pre-tarato e viene inviato un allarme alla centralina di controllo 3, che di conseguenza attiva la fuoriuscita dalla macchina dall’acqua.

La centralina 3, ospita un sistema di controllo che abilita il dispositivo di attuazione 10 a determinare la messa in sicurezza della turbina 2 attraverso un meccanismo di articolazione 6, determinandone la fuoriuscita dall’acqua.

Ad esempio, al superamento di valori di spinta pre-definiti per durate prestabilite, la centralina di controllo 3 abilita il dispositivo di attuazione 10 a determinare la messa in sicurezza della turbina 2, determinandone la fuoriuscita dall’acqua.

La centralina di controllo 3 esplica le operazioni atte a:

- definire il campo di stato funzionale della macchina (ad esempio spenta, in parcheggio, in funzionamento normale, in funzionamento anomalo, in manutenzione);

- decidere le azioni da intraprendere all’ interno di ogni campo (ad esempio, avviamento, marcia normale, fuoriuscita dall’acqua, funzionamento a vuoto, spegnimento).

Inoltre, il processo decisionale che definisce lo stato funzionale si basa sull’analisi continua di una serie di parametri diagnostici che sono: il segnale del sensore di stato del deflusso 12, il sensore di vibrazione 13, i parametri elettrici di funzionamento del generatore elettrico o, semplicemente, comandi manuali impartiti da un operatore.

Operativamente, nel caso di funzionamento anomalo (allarme proveniente dal sensore di deflusso, anomalie dei parametri elettrici, vibrazioni eccessive rilevate dal sensore di vibrazione 13 o combinazioni di questi parametri), il controllo determina la fuoriuscita comandata della macchina dall’acqua.

Nel caso di inserzione dello stato manutentivo il controllo consente non solo la fuoriuscita della turbina dall’acqua, ma anche il suo posizionamento alternativo, onde rendere agevole ogni intervento di ispezione e manutentivo.

Nel caso del sistema a sollevamento verticale la turbina 2 è montata su un sistema di supporto 16, in grado di essere installato su qualsiasi canale con piccole o nulle opere civili preventive e tale supporto può essere utilizzato anche come ponte o passerella.

L'aumento di potenza della centrale può facilmente essere conseguito attraverso il posizionamento di più macchine in parallelo in direzione trasversale e/o in cascata lungo l’asta del corso d’acqua.

Da quanto sopra esposto si evince che Io scopo del trovato è stato pienamente raggiunto ed i vantaggi operativi consistono essenzialmente nel fatto;

che la sicurezza del deflusso è garantita e protetta tramite una semplice manovra di estrazione, che determina la fuoriuscita della turbina dal canale mediante l’utilizzo dei sistemi sopradescritti;

che tale estrazione consente Γ eliminazione, quando ciò serve, del bloccaggio causato dalla turbina nel canale;

che, nei sistemi utilizzati, la manutenzione è facilitata dal fatto che la turbina può essere posizionata al di fuori dal canale, in posizione assai comoda per operazioni di manutenzione ordinaria o straordinaria;

che le parti elettriche significative sono poste fuori dall'acqua, richiedendo così meno attenzioni e costi, rendendole più affidabili e più agevoli da revisionare;

che la turbina può essere spostata leggermente per ridurre o neutralizzare gli effetti negativi di eventuali carichi idrocinetici impulsivi sulla durata a fatica dei componenti elettromeccanici;

che è possibile installare la turbina con poche o nulle opere civili preventive; che è possibile utilizzare anche telai preesistenti, come ponti, passerelle, telai di sostegno di tubazioni o cavi o elementi strutturali che sporgono da una sola riva.

che, nella forma di attuazione a sollevamento verticale, è possibile utilizzare il telaio anche come ponte.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1.SISTEMA DI ESERCIZIO PER TURBINE IDRAULICHE, impiegate nella generazione di energia idroelettrica all’interno di canali, naturali od artificiali preesistenti od appositamente costruiti, includendo per estensione corsi d’acqua, fiumi, torrenti o correnti, detto sistema di esercizio caratterizzandosi per il fatto di prevedere mezzi per la fuoriuscita dal canale della turbina idraulica, mediante utilizzo di un quadrilatero articolato, oppure mediante utilizzo di un sistema di sollevamento verticale su telaio di supporto completamente fuori dall’acqua, o mediante un sistema di spostamento orizzontale in un’ansa appositamente realizzata sull’argine del canale, che consente a detta turbina idraulica (2) di fuoriuscire dalla vena fluida al verificarsi di determinate condizioni per porsi in posizione di sicurezza, di essere poi, nel caso del quadrilatero, manovrata manualmente o attraverso servomeccanismo per porsi in posizione di manutenzione, tali sistemi essendo costituiti da un canale (1), da una turbina (2), da un telaio di supporto (5 o 18) della turbina, da un sensore di stato del deflusso (12) nel canale, da un dispositivo di articolazione meccanica (6 o 17), da un attuatore per il sollevamento (10) che può essere di tipo elettrico, pneumatico o oleodinamico, la turbina essendo del tipo ad asse trasversale alla direzione della corrente, installata verticalmente o orizzontalmente, oppure del tipo ad asse parallelo alla direzione della corrente, intubata o non intubata.
2. 2. SISTEMA DI ESERCIZIO PER TURBINE IDRAULICHE, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il sensore di stato del deflusso (12) nel canale (1) è costituito da un sensore di forza (15), quale una “cella di carico”, pre-tarato ed applicato sulla struttura della turbina (2), detto sensore di forza essendo atto a rilevare il valore della spinta dell’acqua sulla turbina stessa.
3. 3. SISTEMA DI ESERCIZIO PER TURBINE IDRAULICHE, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema di movimentazione (14), che consente alla turbina idraulica (2) di spostarsi leggermente nel verso della corrente o contrariamente al verso di detta corrente, quanto basta per minimizzare gli effetti negativi dovuti alla variazione di velocità dell’acqua.
4. 4. SISTEMA DI ESERCIZIO PER TURBINE IDRAULICHE, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il telaio di supporto (5) della turbina idraulica (2) nel sistema a quadrilatero articolato, può essere montato su un sistema di trasporto mobile (20) con stabilizzatori (21), che permette un semplice spostamento dell’intero sistema, il sistema di trasporto mobile potendo essere di tipo a ruote o a slitta, cingolato o meno, azionato manualmente, trainato o mosso mediante motore elettrico, oleodinamico, pneumatico o endotermico o altro.
5. 5. SISTEMA DI ESERCIZIO PER TURBINE IDRAULICHE, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la struttura di sostegno (16) della turbina idraulica (2), nel sistema a sollevamento verticale su telaio completamente fuori dall’acqua, può essere utilizzato come piattaforma per la manutenzione dei componenti del sistema.
6. 6. SISTEMA DI ESERCIZIO PER TURBINE IDRAULICHE, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la struttura di sostegno (16), nel sistema a sollevamento verticale su telaio completamente fuori dall’acqua, composto da un solo elemento o da più elementi, viene aggettato sul canale (1), s sbalzo da un’unica riva.