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 PARTENZAMinimo 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 elettronicoI dati di input di tale foglio sono:

La velocità in uscita dal distributore del fluido a

rendimento massimo u1

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

Minore ingombro possibile

Alta efficienza

Facile manutenzione

Costi contenuti

Scelta dei meccanismi in base a :

Studio di tre possibili soluzioni:

Sistema di moltiplicazione di cinghie e pulegge

Un moltiplicatore e due rotismi

Un moltiplicatore epicicloidale

COMPONENTI INTERNI

Prima soluzione: trasmissione mediante cinghie e pulegge

Tu

rbin

a

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

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

Ir

dDdDIrLa

pp

pp4

57,12

LperLaLaL

II

LaperLLLa

II

I

dDdDIrLa

dDIrdD

r

r

r

PPpp

pppp

2

2

4

)()(57,12

)(7,0)(2

PRIMA SOLUZIONEDa 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

SECONDA SOLUZIONEUn moltiplicatore e due rotismi

Tu

rbin

a

a

bc

dGeneratore

Moltiplicatore

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

Rotismi

SECONDA SOLUZIONEMoltiplicatore epicicloidale TR IS 160 2 100 5’ 38

TR è la serie

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

zmd

n

n

t

condotta

motrice

Ipotizzando i moduli trasversali e conoscendo i rapporti di trasmissione dei due

stadi secondo le seguenti formule si sono dimensionati i rotismi

Rotismi: scelte ruote cilindriche a denti elicoidali meno urti, vibrazioni e rumori

SECONDA SOLUZONE

Il dimensionamento delle ruote risulta accettabile in quanto le forze che

si scaricano su di esse è minore dello sforzo che possono sopportare.

Primo stadio a-b

τab =

mt = 4

da = 168 mm, za = 42

db = 84 mm, zb = 21

Interasse I = 126 mm

Secondo stadio c-d

τcd = 2

mt = 3

dc = 75 mm, zc = 25

dd = 150 mm, zd = 50

Interasse I = 112,5 mm

2

1

Pur mostrando risultati migliori della precedente, anche questa soluzione

viene scartata per via dei costi di installazione, gestione e manutenzione

non trascurabili.

TERZA SOLUZIONE

Moltiplicatore

Epicicloidale

Commerciale Tu

rbin

a

Generatore

Questa sarà sicuramente la soluzione migliore, dato i

problemi incontrati nei due casi precedenti.

Un moltiplicatore epicicloidale con l’aggiunta di un giunto

per collegare l’albero della turbina e l’albero del

moltiplicatore

Giunto elastico

TERZA SOLUZIONE

Considerato che:

-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 SOLUZIONEInfine 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

CONCLUSIONIE’ 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.