alma mater studiorum –universita’ di bologna … internet... · • si è ottenuto un...
TRANSCRIPT
![Page 1: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/1.jpg)
ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica
Tesi di Laurea in Disegno Tecnico Industriale
Candidato: Relatore:Riccardo Nasolini Chiar.mo Prof. Luca Piancastelli
Anno accademico 2010/2011IΙI sessione
1
![Page 2: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/2.jpg)
Turbine eoliche ad asse verticale (VAWT)
Classificazione dei principali gruppi di turbine eoliche ad asse verticale :
• Turbina Savonius
Turbine Darrieus• Eggbeater• H-Type• Helicoidale
• Panemone
Turbine a resistenzaTSR (Tip Speed Ratio ≤ 1)
Turbine a portanzaTSR (Tip Speed Ratio 1 ≤ x ≤ 4)
2
![Page 3: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/3.jpg)
Eolico ad asse orizzontale e verticale a confronto
Vantaggi delle macchine ad asse verticale:
• Generatore posizionato vicino al terreno, le operazioni dimanutenzione sono facilitate;
• Bassa produzione di rumore;
• Maggior semplicità delle pale e minori costi iniziali dovuto allamancanza del sistema di orientamento della macchina (le VAWTaccettano vento da qualsiasi direzione).
Svantaggi delle macchine ad asse verticale:
• Coppia non costante a causa della continua variazione dell’angolo di incidenza;
• Difficoltà di avviamento dell’aerogeneratore.
3
![Page 4: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/4.jpg)
Scopo della tesi
Progettare un sistema di avviamento innovativo per una turbina Darrieusche a regime funzioni a portanza («lift») e che produca 100 kW di potenza
Soluzioni standard per l’avviamento:
• Dispositivo a resistenza (ad es. una Savonius)coassiale alla Darrieus. Si deve produrresufficiente resistenza per poter muovere lepale della Darrieus fino a raggiungere ilfunzionamento a portanza.
4
• utilizzare elettricità per portarsi nellacondizione di «lift»; è funzionante ma nonsempre è desiderabile: la turbina deve esserecollegata ad una centrale elettrica, complicail design e ne limita l’installazione aspecifiche aree
![Page 5: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/5.jpg)
Scopo della tesi
Soluzione scelta per l’avviamento:
Utilizzare profili a geometria semi-variabile che funzionino:
• durante il transitorio diavviamento per resistenza, conprofili aperti
• durante il funzionamento aregime per portanza, con profilichiusi
«Drag Position»
«Lift Position»
5
![Page 6: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/6.jpg)
Specifiche della turbina Darrieus
• Scelta del profili
• Scelta del numero di pale
• Altezza utile complessiva e numero dei livelli su cui sviluppare la macchina
• Diametro della turbina
• Corda del profilo
• Velocità minima a cui la turbina può avviarsi
• Carichi massimi a cui i componenti del sistema di avviamento possonoresistere
6
![Page 7: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/7.jpg)
Scelta del profiloProfilo simmetrico NACA 0018: si conoscono leprestazioni e in particolare:
• I coefficienti di resistenza CD
• I coefficienti di portanza CL
In genere si utilizzano i profili NACA a 4 cifredella serie 0012, 0015, 0018; nel caso in analisi èstato il profilo 0018 essendo quello a maggiorspessore che garantisce la maggior resistenza.
7
![Page 8: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/8.jpg)
Scelta del numero di pale
Dal tipo di rotore dipende la minore o maggiore facilità di avviamento di una turbina ad asse verticale:
ROTORE MONOPALA
ROTORE BIPALA
ROTORE TRIPALA
La scelta è ricaduta su un rotore tripala per la totale indipendenza del tempo di avviamento in funzione della posizione di partenza
8
![Page 9: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/9.jpg)
Scelta del diametro, dell’altezza dell’aerogeneratore
9
Routine sviluppata con software Mathematica
![Page 10: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/10.jpg)
Dati di output:
• Potenza media sviluppata in una rotazione completa;
• Coppia media sviluppata in una rotazione completa;
10
Scelta del diametro, dell’altezza dell’aerogeneratore
Routine sviluppata con software Mathematica
• Coefficiente di potenza dell’aerogeneratore.
Parametri ottimizzati per ottenere 100 kW::
• Diametro: 10 m;• Altezza: 10 m;
• N.ro livelli aerogeneratore: 4;• Velocità per cui la turbina deve funzionare a portanza (a profili completamente chiusi): 12 m/s
• TSR ottimale: 3
![Page 11: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Il Sistema di Avviamento
Principio di funzionamento:
Utilizzare le 12 coppie semi-profili NACA 0018 lunghi 2.5 m, uniti da 3 cerniere di 300 mm ciascuna.
Condizione di Partenza: ogni coppia di profili (3 coppie per ognuno dei 4 livelli) è nella posizione di massima apertura (50°) per intercettare la massima
quantità d’aria. I profili sono mantenuti in questa posizione da 4 molle di trazione, che esercitano una forza centripeta.
Transitorio: la forza centrifuga ,che nasce dalla rotazione dell’aerogeneratore, agisce sui profili. Essa si oppone al precarico elastico ed è crescente con la velocità
della turbina.
Condizione di Regime: ogni coppia di profili si chiude al raggiungimento della velocità desiderata, a seconda del precarico imposto alle molle di trazione.
![Page 12: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Il Sistema di Avviamento
I componenti
• I bracci di sostegno del rotore;
• Le guide per la traslazione radiale;
• Le molle di trazione;
• Le funi e i moschettoni di collegamento fra guide emolle;
• I cuscinetti per il moto relativo dei profili;
![Page 13: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/13.jpg)
I bracci di sostegno
13
• Ogni braccio è costituito da una parte inferiore e una superiore che siaccoppiano attraverso una guida prismatica a «coda di rondine»
• È collegato all’albero centrale attraverso bulloni M24
![Page 14: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/14.jpg)
I bracci di sostegno
14
Sono in alluminio 2014-T6
Caratteristiche geometriche e di massa:
• Lunghezza: 5 m;
• Spessore: 10 mm;
• Massa complessiva: 60 Kg (equamente ripartita fra parte superiore e inferiore).
![Page 15: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/15.jpg)
Il Sistema di Avviamento
15
Le Guide
La guida fissa
• Solidale al braccio a cui è fissata attraverso viti
• Dotata di guida prismatica nella quale scorre l’elemento mobile
• Dotata del blocco per la posizione di fermo dell’elemento mobile
Caratteristiche geometriche e di massa:
• Lunghezza: 1.3 m;
• Massa: 1.5 Kg;
![Page 16: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/16.jpg)
Il Sistema di Avviamento
16
Le Guide
L’elemento mobile
• Trasmette la forza elastica delle molle di trazione al profilo attraverso i fori ad una delle estremità
• I fori sono appositamente distanziati per fornire precarichi elastici diversi a seconda delle condizioni di vento
• All’estremità opposta è alloggiato uno dei due cuscinetti a rotolamento per la movimentazione del profilo
• E’ uno dei componenti meccanicamente più sollecitati
![Page 17: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Il Sistema di Avviamento
Le Guide
L’elemento mobile
E’ in acciaio legato, 20MoCrS5, dall’alto modulo di resistenza a trazione
Caratteristiche geometriche e di massa:
• Lunghezza: 1100 mm;
• Spessore: 8 mm;
• Massa complessiva: 5 Kg.
![Page 18: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Il Sistema di Avviamento
Dimensionamento delle molle di trazione
• Sono 4 per ogni coppia di profili (sistema di molle in parallelo)
• Dimensionate sulle masse degli elementi rotanti a cui sono collegate
• Profilo interno: 35 Kg
• Guida mobile: 5 Kgrotanti alla velocità di 12 m/s
FC = 1150 N ( forza centrifuga sulla singola molla)
• Materiale: acciaio per molle 52SiCrNi5 (SU = 1650 MPa)
• De = 35 mm
![Page 19: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/19.jpg)
Il Sistema di Avviamento
19
Dimensionamento delle molle di trazione
Loop di calcolo
Si ipotizza un «d» (diametro del filo)
Si risale al valore del fattore di correzione delle tensioni λ
Si itera la procedurafino ad arrivare ad unCS pari a 2 e l’output è«d»
![Page 20: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/20.jpg)
Il Sistema di Avviamento
20
Dimensionamento delle molle di trazione
Scelta della molla da catalogo «VANEL»
![Page 21: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/21.jpg)
Il Sistema di Avviamento
21
Scelta dei cuscinetti volventi
![Page 22: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/22.jpg)
Il Sistema di Avviamento
22
Scelta dei cuscinetti volventi
Diametro interno DI del cuscinetto dipende dal perno
Dimensionato del perno del profilo
![Page 23: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/23.jpg)
Il Sistema di Avviamento
23
Scelta dei cuscinetti volventi
CUSCINETTO RADIALE A SFERE, TIPO 305 (SERIE MEDIA, 5X5 = 25)
Ka = 1.5
Kr = 0.62
C = 5.9 kN
![Page 24: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/24.jpg)
Conclusioni
24
• Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa unapotenza di 100 kW in condizioni di vento a 16 m/s, con un diametrodel rotore di 10 m e un’altezza complessiva di 11 m.
• Il sistema di avviamento permette il transitorio di chiusura deiprofili da modalità «drag» a modalità «lift» per un limite inferioredel vento di 6 m/s.
• Rispetto al modello di partenza, è stata ottenuta una sensibileriduzione dei pesi delle masse rotanti della turbina, grazie allacostruzione di profili di concezione aeronautica, con longheroni ecentine, e bracci di spessore ridotto.
![Page 25: ALMA MATER STUDIORUM –UNIVERSITA’ DI BOLOGNA … Internet... · • Si è ottenuto un aerogeneratore ad asse verticale che sviluppa una potenza di 100 kW in condizioni di vento](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022071219/60570d3362887827a322978b/html5/thumbnails/25.jpg)
Sviluppi Futuri
25
• verifica strutturale per ogni pezzo che costituisce il sistema diavviamento.
• miglioramento del modello matematico utilizzatointroducendo gli effetti della tridimensionalità della pala,quelli dello stallo dinamico ed eventualmente studiare la sciache tale tipo di macchina produce
• la realizzazione di un prototipo, in modo da poter affiancarealla progettazione teorica dei dati sperimentali.