ALMA MATER STUDIORUM-UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA MECCANICA,CLASSE 52 SEDE DI BOLOGNA PRESENTAZIONE STUDIO DI UN GENERATORE ELETTROIDRAULICO CANDIDATO RELATORE MATTEO INDOVINI Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI
SCOPO DELLLA TESI STUDIO DI FATTIBILITA DI UN GENERATORE ELETTROIDRAULICO A BASSO IMPATTO AMBIENTALE Si vuole verificare la fattibilità di un generatore elettroidraulico che sia semplice da costruire e riduca al minimo l impatto ambientale Requisiti Fondamentali: Generazione di energia elettrica pari a 2 3 kw Massima semplicità costruttiva Conservazione dell antico aspetto
LE SPECIFICHE DI PARTENZA Minimo impatto paesaggistico (turbina Pelton), massimo impiego di materiali biocompatibili e riciclabili autoctoni del territorio (legno di quercia), discreta resa energetica (energia comunque gratuita), limitatissima manutenzione Le linee guida per la ricerca di un dimensionamento che soddisfacesse le nostre richieste sono state: Portata oraria di acqua 200 l/s Salto geodetico pari a 1 m
Per trovare il numero delle pale utilizzo un foglio elettronico I dati di input di tale foglio sono: La velocità in uscita dal distributore del fluido a rendimento massimo u 1 L'altezza delle pale l Spessore della lama b Gli angoli α,β,γ rappresentanti la geometria della pala In uscita si sono ottenuti il diametro della girante, il numero di giri dell'albero turbina e il numero di pale ottimale
RISULTATI OTTENUTI Da una prima analisi dei risultati è emersa la ridotta velocità di rotazione dell albero turbina (15 rpm), la notevole dimensione della girante (2,6 m) e del numero di pale (22) valori che risultano in linea con le aspettative visto il basso valore del salto geodetico H.
SEMPLIFICAZIONE PALE Altezza = 720 mm Larghezza = 600 mm Abbandono della forma a cucchiaio e passaggio alla forma cilindrica per semplificare la geometria e avere un migliore aspetto Geometria del solco a doccia Costruzione di due perni da collegare nella parte esterna della girante Legno di quercia
GIRANTE Diametro d = 2,6 m Larghezza l = 1 m Mozzo scanalato Corona circolare esterna di forma trapezoidale forata per alloggiamento pale Razze e travi per rendere più compatto il tutto Legno di quercia
DISEGNO FINALE Potenza idraulica pari a 1,8 kw Numero di giri 15 rpm
COMPONENTI INTERNI Studio di tre possibili soluzioni: Sistema di moltiplicazione di cinghie e pulegge Un moltiplicatore e due rotismi Un moltiplicatore epicicloidale Scelta dei meccanismi in base a : Minore ingombro possibile Alta efficienza Facile manutenzione Costi contenuti
Turbina COMPONENTI INTERNI Prima soluzione: trasmissione mediante cinghie e pulegge Generatore Essendo il rapporto di moltiplicazione fra l albero turbina e l albero del generatore uguale a 100 si è optato per la divisione in 3 stadi, due con rapporto di moltiplicazione uguale a 5 e uno con rapporto di moltiplicazione uguale a 4
La 2Ir 1,57 D d p p Dp d p 4Ir PRIMA SOLUZIONE Viste le forze in gioco dell ordine di 25000 N e la potenza da trasmettere si è preferito scegliere cinghie dentate da montare su opportune pulegge. Partendo dal diametro dell albero puleggia della turbina di 100 mm fabbricato in 35 CrMO4 Per il calcolo si è pensato ad un processo iterativo ipotizzando i diametri primitivi delle pulegge trovando così i restanti dati 2( D La I I p I I r r d p ) Ir 2Ir 1,57( D La L 2 L La 2 0,7( D p perl perla d p p La L d p ( D ) ) P d 4I r P )
PRIMA SOLUZIONE Da catalogo Gates si è scelto per motivi di densità di potenza, leggerezza di installazione, bassi costi e assenza di manutenzione: Per il primo e secondo stadio Cinghie dentate Poly Chain GT P220-8M-36 con La = 1760 mm Pulegge Poly Chain GT2 P28-8M -36 e P140-8M-36 con dp= 71,4mm, Dp= 286mm e interasse I = 378 mm
PRIMA SOLUZIONE Per il terzo stadio scegliendo sempre dallo stesso catalogo Cinghie dentate Poly Chain GT P180-8M-21 con La = 1487 mm Pulegge Poly Chain GT2 P28-8M-21 e P112-8M-21 con dp = 72 mm Dp = 286 mm e interasse I = 334 mm Visti i risultati ottenuti, la soluzione è stata scartata in quanto le dimensioni di tutta la trasmissione sono notevoli e comunque i costi di installazione, di gestione e di manutenzione non sono trascurabili
Turbina SECONDA SOLUZIONE Un moltiplicatore e due rotismi Rotismi a c Moltiplicatore b Generatore d Data la difficoltà di reperire un moltiplicatore con rapporto di moltiplicazione 100 con una velocità di giri in entrata di 15 rpm e di uscita pari a 1500 rpm, si è deciso di aggiungere 2 rotismi così da avere 30 rpm in entrata e 3000 rpm in uscita
TR è la serie SECONDA SOLUZIONE Moltiplicatore epicicloidale TR IS 160 2 100 5 38 IS forma costruttiva (albero veloce cilindro) 160 la grandezza 2 stadi di moltiplicazione 100 il rapporto di trasmissione 5 il gioco angolare 38 diametro albero di uscita in mm Dal catalogo si ricava anche: Massa 21 kg Lunghezza 194,7 mm Potenza massima sopportabile 10 kw
SECONDA SOLUZIONE Rotismi: scelte ruote cilindriche a denti elicoidali meno urti, vibrazioni e rumori Ipotizzando i moduli trasversali e conoscendo i rapporti di trasmissione dei due stadi secondo le seguenti formule si sono dimensionati i rotismi d n n m motrice condotta t z
SECONDA SOLUZONE Primo stadio a-b 1 τ ab = 2 m t = 4 d a = 168 mm, z a = 42 d b = 84 mm, z b = 21 Interasse I = 126 mm Secondo stadio c-d τ cd = 2 m t = 3 d c = 75 mm, z c = 25 d d = 150 mm, z d = 50 Interasse I = 112,5 mm Il dimensionamento delle ruote risulta accettabile in quanto le forze che si scaricano su di esse è minore dello sforzo che possono sopportare. Pur mostrando risultati migliori della precedente, anche questa soluzione viene scartata per via dei costi di installazione, gestione e manutenzione non trascurabili.
Turbina TERZA SOLUZIONE Un moltiplicatore epicicloidale con l aggiunta di un giunto per collegare l albero della turbina e l albero del moltiplicatore Giunto elastico Moltiplicatore Generatore Epicicloidale Commerciale Questa sarà sicuramente la soluzione migliore, dato i problemi incontrati nei due casi precedenti.
Considerato che: TERZA SOLUZIONE -L utilizzo di cinghie e ruote dentate non risulta ottimale -La difficoltosa disponibilità sul mercato di un moltiplicatore con velocità di entrata pari a 15 rpm e d uscita pari a 1500 rpm Si è giunti alla conclusione di cambiare generatore utilizzando così un generatore 4 poli monofase M100 A4 DELLERBA con potenza uscente di 2,2 kw e velocità di rotazione uguale a 1400 rpm
TERZA SOLUZIONE Successivamente si è passati alla scelta del moltiplicare epicicloidale non più con rapporto di moltiplicazione uguale a u=100, ma u=93 (valore commerciale). Quindi si è optato per il moltiplicatore epicicloidale Bonfiglioli 307 L3 93 MC in cui 307 è la serie L è l esecuzione (lineare) 3 numero di stadi di moltiplicazione MC uscita (albero maschio cilindrico) Dal catalogo vengono inoltre ricavati i seguenti dati: Potenza massima sopportabile 15 kw Massa 94 kg Lunghezza 319 mm Visto il dimensionamento è lubrificato a vita
TERZA SOLUZIONE Infine grazie ai risultati precedenti si è passati alla scelta del giunto e dei cuscinetti: Giunto elastico da Catalogo CENTAFLEX-E type 2/275 -diametri interni di 100 mm -Massimo momento torcente 15000 Nm Valori accettabili per il progetto Cuscinetti dal catalogo SKF si opta per gli SYJ 100 TF, per due motivi Carichi applicabili elevati 90 kn Regolazione del precarico migliore
CONCLUSIONI E possibile realizzare un generatore elettroidraulico a basso impatto ambientale. Necessità di tenere le pale della turbina il più vicino possibile al distributore per avere un migliore rendimento. Utilizzo di materiale come il legno per ridurre l impatto ambientale. Limiti: Il moltiplicatore è sovradimensionato e andrà cambiato. Potenza trasmessa dalla turbina è bassa in confronto alle dimensioni della girante e delle pale. Collocazione del generatore in territorio sfavorevole Sviluppi: La collocazione del generatore in luoghi più adatti permetterebbe di avere, macchine più piccole e meglio dimensionate Realizzazione più sofisticata della ruota.