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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

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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)

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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.

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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.

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• 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

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»

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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

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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.

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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

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Scelta del diametro, dell’altezza dell’aerogeneratore

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Routine sviluppata con software Mathematica

Dati di output:

• Potenza media sviluppata in una rotazione completa;

• Coppia media sviluppata in una rotazione completa;

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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

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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.

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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;

I bracci di sostegno

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• 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

I bracci di sostegno

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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).


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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


• Lunghezza: 1.3 m;

• Massa: 1.5 Kg;


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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

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Le Guide

L’elemento mobile

E’ in acciaio legato, 20MoCrS5, dall’alto modulo di resistenza a trazione


• Lunghezza: 1100 mm;

• Spessore: 8 mm;

• Massa complessiva: 5 Kg.

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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


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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»


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Scelta della molla da catalogo «VANEL»


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Scelta dei cuscinetti volventi


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Diametro interno DI del cuscinetto dipende dal perno

Dimensionato del perno del profilo


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CUSCINETTO RADIALE A SFERE, TIPO 305 (SERIE MEDIA, 5X5 = 25)

Ka = 1.5

Kr = 0.62

C = 5.9 kN

Conclusioni

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• 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.

Sviluppi Futuri

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• 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.

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