III Indice delle figure
Fig.1.1.1 Tabella della Legge Finanziaria 2008………..5
Fig.2.1.1 Pala in 2D………...10
Fig.2.1.2 Pressione e forza di taglio su un elemento infinitesimo di superficie di un corpo………11
Fig.2.1.3 Coefficiente di Drag in funzione di Re………..13
Fig.2.1.4 Coefficiente di Drag in funzione di Fr………...13
Fig.2.1.5 Coefficiente di Drag in funzione di Ma……….14
Fig.2.1.6 Distribuzione di pressione agente su piastra di spessore nullo………..15
Fig.2.1.7 Andamento del coefficiente di Drag per superficie perpendicolare al flusso in funzione dell’aspect ratio………15
Fig.2.1.8 Andamento del coefficiente di Drag in funzione dell’angolo d’incidenza. Qui =0 θ corrisponde aθ =π 2 di figura 2.1.1………...16
Fig.2.1.9 Sbilanciamento rispetto al centro della pala. Qui θ =0 corrisponde aθ =π 2 di fig. 2.1.1………..17
Fig.2.1.10 Sbilanciamento rispetto al centro della pala……….18
Fig.2.1.11 Sistema di riferimento della pala………..18
Fig.2.1.12 Angoli di rotazione………..19
Fig.2.1.13 Andamento del coefficiente di Drag in funzione dell’angolo d’incidenza α ……….19
Fig.2.1.14 Andamento del coefficiente di Drag in funzione degli angoli α e θ ……..20
Fig.2.1.15 Sbilanciamento rispetto al centro della pala in funzione di α ………21
Fig.2.2.1 Andamento della forza di Drag in funzione della posizione angolare della pala………..23
Fig.2.2.2 Andamento del momento torcente in funzione della posizione angolare della pala………...24
Fig.2.3.1 Forze agenti sulla pala all’equilibrio………..24
IV
Fig.2.3.2 Andamento di α in funzione di θ per U=1 m/s, ω =1 rad/s e ρ della pala = 2500 kg/m ……….25 3 Fig.2.3.3 Andamento del momento torcente in funzione dell’angoloθ per U=1 m/s, ω =1 rad/s e ρ della pala = 2500 kg/m ………26 3 Fig.2.3.4 Andamento della potenza in funzione dell’angoloθ per U=1 m/s, ω =1 rad/s, ρ della pala=2500 kg/m ………...27 3
Fig.2.3.5 Andamento della potenza in funzione di θ con ω variabile………..27
Fig.2.3.6 Andamento della potenza media in funzione di ω ………28
Fig.2.3.7 Andamento della potenza media al variare della velocità del fluido……….29
Fig.2.3.8 Ingrandimento dell’intorno 0,55 m/s di fig.2.3.7………...29
Fig.2.4.1 Andamento del momento torcente in funzione della posizione angolare delle pale, nel caso di attivazione del dispositivo di riduzione delle perdite fluidodinamiche………...30
Fig.2.4.2 Andamento del momento torcente in funzione dell’angolo θ con U = 2 m/s, ω = 0,8 rad/s per una pala di dimensioni rettangolari 600 mm x 800 mm………..31
Fig.2.4.3 Andamento del momento torcente per incrementi di h del 10,20,30,40%...32
Fig.2.4.4 Andamento dell’incremento del momento torcente al variare di h per θ =π /2………32
Fig.2.4.5 Variazione di p all’aumentare di b……….33
Fig.2.4.6 Andamento del momento torcente al variare di b………..33
Fig.2.4.7 Aumento del momento torcente con b………...34
Fig.2.4.8 Aumento della potenza con b……….34
Fig.2.5.1 Andamento di α in funzione di t. In questo caso vale θ =ω⋅t…………...36
Fig.3.1.1 Schema concettuale analisi CFD………39
Fig.3.1.2 Mesh strutturate………..40
Fig.3.1.3 Mesh non strutturate………...40
Fig.3.1.4 Mesh ibride………40
V
Fig.3.1.5 Schema concettuale per la risoluzione di un tipico problema
fluidodinamico……….42
Fig.3.4.1 Andamento dello strato limite per una lastra piana………50
Fig.3.4.2 Legge di parete………...52
Fig.3.4.3 Andamento dello spessore dello strato limite e delle tensioni tangenziali….53 Fig.3.4.4 Andamento delle tensioni tangenziali e dello spessore dello strato limite….54 Fig.3.5.1 Schematizzazione del dominio usato per l’analisi CFD……….56
Fig.3.5.2 Geometria del dominio………...57
Fig.3.5.3 Moving Mesh……….58
Fig.3.5.4 Suddivisione del dominio nei vari sottodomini……….58
Fig.3.5.5 Geometria Rotore Wireframe………59
Fig.3.5.6 Geometria Rotore Solid……….59
Fig.3.5.7 Geometria Statore Wireframe………60
Fig.3.5.8 Geometria Statore Solid……….60
Fig.3.5.9 Geometria Giunte Wireframe……….61
Fig.3.5.10 Geometria Giunte Solid………61
Fig.3.5.11 Mesh della pala……….62
Fig.3.5.12 Istogramma di y+ per pala di dimensioni: 0,6m x 0,8m x 0,01m e con velocità del flusso a monte di 2m/s……….63
Fig.3.5.13 Mesh Rotore……….64
Fig.3.5.14 Mesh Statore……….64
Fig.3.5.15 Mesh Giunte……….65
Fig.3.6.1 Solver FLUENT……….66
Fig.3.6.2 Algoritmo di risoluzione del solver pressure-based………...67
Fig.3.6.3 Ciclo di soluzione per il solver pressure-based………..68
Fig.3.6.4 Metodo di discretizzazione. Simulazione del transitorio con discretizzazione del secondo ordine………...69
Fig.3.6.5 Gradient Option: Green-Gauss Node Based………..70
Fig.3.6.6 Impostazioni per Solution Controls………71
Fig.3.6.7 Impostazioni finali per il solver……….71
VI
Fig.3.6.8 Impostazioni finali per solution controls………72
Fig.3.6.9 Modello di turbolenza K- ε e impostazioni per la Wall-function…………...72
Fig.3.7.1 Impostazioni al contorno per Rotore………..73
Fig.3.7.2 Impostazioni al contorno Statore………74
Fig.3.7.3 Condizioni al contorno per le superfici di ingresso del fluido………...74
Fig.3.7.4 Condizioni al contorno per le superfici di uscita del fluido………...75
Fig.3.7.5 Condizioni al contorno per la pala……….75
Fig.3.7.6 Interior zone………...76
Fig.3.7.7 Indicazioni per il dimensionamento della mesh nella zona di interfaccia…..76
Fig.3.7.8 Grid Interfaces Panel………..77
Fig.3.7.9 Valori di riferimento per la pressione………79
Fig.3.7.10 Condizioni iniziali………80
Fig.3.7.11 Linee guida per la determinazione del Time Step………80
Fig.3.7.12 Impostazione del Time Step……….81
Fig.3.7.13 Impostazioni di visualizzazione dei residui……….81
Fig.3.7.14 Andamento dei residui………..82
Fig.3.8.1 Andamento del momento torcente per una pala in rotazione completa intorno all’asse verticale………..83
Fig.3.8.2 Andamento del momento torcente in corrispondenza del quinto giro e regressione polinomiale………..83
Fig.3.8.3 Regressione polinomiale eseguita con polinomio di grado 10………...85
Fig.3.8.4 Residui della regressione polinomiale eseguita con polinomio di grado 10..85
Fig.3.8.5 Andamento della deviazione standard in funzione del grado del polinomio.86 Fig.3.8.6 Valori delle costanti del polinomio di regressione……….87
Fig.3.8.7 Regressione polinomiale eseguita con polinomio di grado 11………...87
Fig.3.8.8 Residui della regressione polinomiale eseguita con polinomio di grado 11..88
Fig.3.8.9 Confronto tra andamento del momento torcente calcolato per mezzo del modello matematico e quello ricavato dall’analisi CFD……….88
Fig.3.9.1 Solver per calcolo stazionario………90
Fig.3.9.2 Condizioni iniziali per il calcolo stazionario……….91
VII
Fig.3.9.3 Pala trapezoidale………91
Fig.3.9.4 Mesh relativa alla geometria con 4 pale………92
Fig.3.9.5 Andamento del momento torcente relativo alla geometria con 4 pale……..92
Fig.3.9.6 Andamento della funzione di paretey , relativa alla geometria con 4 pale..93 +
Fig.3.9.7 Mesh relativa alla geometria con 6 pale……….93
Fig.3.9.8 Andamento del momento torcente relativo alla geometria con 6 pale……...94
Fig.3.9.9 Andamento della funzione di paretey , relativa alla geometria con 6 pale..94 +
Fig.3.9.10 Mesh relativa alla geometria con 8 pale……….95
Fig.3.9.11 Andamento del momento torcente relativo alla geometria con 8 pale…….95
Fig.3.9.12 Andamento della funzione di paretey , relativa alla geometria con 8 + pale………...96
Fig.3.10.1 Andamento del momento torcente in presenza di una corrente con velocità 5 m/s………...97
Fig.3.10.2 Andamento del momento torcente in presenza di una corrente con velocità 4 m/s………...97
Fig.3.10.3 Andamento del momento torcente in presenza di pale con base 1,2 m…...98
Fig.3.10.4 Andamento del momento torcente in presenza di pale di altezza 0,9 m…..98
Fig.4.1.1 Esempio di allocazione dinamica……….100
Fig.4.1.2 Programma generico scritto in Fortran………101
Fig.4.2.1 FLUENT export………...102
Fig.4.2.2 Mesh della pala con vincoli………..103
Fig.4.2.3 Procedura per generazione Nodi_tetra.cdb………104
Fig.4.2.4 Struttura Nodi_tetra.cdb………104-105 Fig.4.2.5 Procedura per generazione cfd.dat………...106
Fig.4.2.6 File di destinazione dopo la procedura Fortran per Nodi_tetra.cdb……….106
Fig.4.2.7 Procedura di generazione dei Nodi INTERNI ANSYS RAW.dat……….107
Fig.4.2.8 Procedura di generazione ans.dat………108
Fig.4.2.9 File di destinazione dopo la procedura Fortran per ans.dat………..108
VIII
Fig.4.2.10 Procedura di generazione data_out.dat……….109
Fig.4.2.11 Associazione tra nodi Ansys e nodi FLUENT………...109
Fig.4.2.12 Assegnazione delle forze dei nodi FLUENT ai nodi Ansys………..110
Fig.4.2.13 Struttura assegn_forze.dat………..110
Fig.4.2.14 Andamento della deformata della pala. Deformata massima 12 mm……111
Fig.4.2.15 Andamento delle tensioni. Tensione massima 33 Mpa………..112
Fig.5.a Complessivo del prototipo………...113
Fig.5.b Disegno del complessivo del prototipo………...114
Fig.5.1.1 Girante appoggiata sul fondo mediante blocco in cemento………115
Fig.5.1.2 Girante appoggiata su struttura galleggiante………115
Fig.5.1.3 Soluzione ibrida………116
Fig.5.1.4 Galleggiante prefabbricato………...118
Fig.5.1.5 Unità galleggiante………118
Fig.5.1.6 Cuscinetto orientabile a sfere………...120
Fig.5.1.7 Tenuta meccanica……….121
Fig.5.1.8 Condizioni operative della tenuta meccanica………...121
Fig.5.1.9 Bronzina auto-lubrificata a base termoplastica………122
Fig.5.1.10 Indicazioni sulla velocità di lavoro della bronzina………122
Fig.5.1.11 Andamento del coefficiente di attrito in funzione della velocità di strisciamento………..123
Fig.5.1.12 Andamento del coefficiente di attrito in funzione del carico specifico…..123
Fig.5.1.13 Andamento del coefficiente di attrito in funzione della rugosità media dell’albero………..124
Fig.5.1.14 Andamento dell’abrasione relativa in funzione del carico specifico…….124
Fig.5.1.15 Abrasione relativa a seconda del materiale dell’albero e del tipo di moto………...125
Fig.5.1.16 Dispositivo di fissaggio………..126
Fig.5.1.17 Sistema di collegamento tra albero verticale ed i sei alberi orizzontali….127 Fig.5.2.1 Proprietà meccaniche dell’AISI 304………128
IX
Fig.5.2.2 Curva S-N……….129
Fig.5.2.3 Indicazioni per il calcolo del limite di fatica………129
Fig.5.2.4 Coefficiente di finitura superficiale………..130
Fig.5.2.5 Diagramma di durata a fatica costante……….131
Fig.5.2.6 Esempi di materiali compositi………..135
Fig.5.2.7 Proprietà dei materiali compositi……….136
Fig.5.2.8 Tecnologia a spruzzo………137
Fig.5.2.9 Tecnologia a mano………...137
Fig.5.3.1 Circuito elettrico………..139
Fig.6.1.1 Andamento della forza lungo la direzione del flusso………..140
Fig.6.1.2 Andamento della forza di Lift in funzione dell’angolo di rotazione………141
Fig.6.1.3 Risultante delle forze in direzione perpendicolare alla superficie della pala……….141
Fig.6.1.4 Centro di pressione della risultante………..142
Fig.6.2.1 Dispositivo di bloccaggio……….143
Fig.6.2.2 Indicazioni relative all’ammortizzatore d’urto……….145
Fig.6.2.3 Ammortizzatore………145
Fig.6.2.4 Schema per il calcolo della forza d’urto………...146
Fig.6.2.5 Forze agenti sulla pala subito prima dell’urto………..147
Fig.6.2.6 Ingrandimento dell’andamento dell’angoloα ……….147
Fig.6.2.7 Scelta dell’assorbitore in base all’energia dell’urto……….148
Fig.6.2.8 Andamento dell’energia in funzione della corsa………..149
Fig.6.2.9 Andamento della forza in funzione della corsa………149
Fig.6.3.1 Applicazione della forza d’urto………150
Fig.6.3.2 Andamento forze su giunzione bullonata……….151
Fig.6.3.3 Tabella Juvinal. Tensione alternata limite di fatica per giunzione filettata..152
Fig.6.3.4 Sollecitazioni su prigionieri……….153
Fig.6.3.5 Geometria di riferimento………..156
Fig.6.3.6 Geometria di riferimento 2………...156
X
Fig.6.3.7 Geometria per Mesh……….157
Fig.6.3.8 Geometria per Mesh 2………..157
Fig.6.3.9 Sistemi di riferimento in corrispondenza dei prigionieri……….158
Fig.6.3.10 Vincoli………158
Fig.6.3.11 Carichi………159
Fig.6.3.12 Pretensionamenti applicati sui prigionieri………..159
Fig.6.3.13 Tensioni nel caso di sollecitazione d’urto sul dispositivo di bloccaggio...160
Fig.6.3.14 Tensioni nel caso di sollecitazione d’urto sul dente………...160
Fig.6.3.15 Tensioni nel caso di sollecitazione d’urto sul prigioniero più sollecitato..161
Fig.6.3.16 Carichi nel caso di pala disposta a 60°………...162
Fig.6.3.17 Tensioni sul dispositivo di bloccaggio nel caso di pala disposta a 60°…..163
Fig.6.3.18 Tensioni sul dente nel caso di pala disposta a 60°………...63
Fig.6.3.19 Tensioni sul prigioniero più sollecitato nel caso di pala disposta a 60°….164 Fig.6.3.20 Deformata nel caso di pala a 60°………164
Fig.6.3.21 Tensioni sul dispositivo di bloccaggio nel caso di pala disposta a 120°…165 Fig.6.3.22 Tensioni sul dente nel caso di pala disposta a 120°………...165
Fig.6.3.23 Tensioni sul prigioniero più sollecitato nel caso di pala disposta a 120°...166
Fig.6.3.24 Dispositivo di battuta……….166
Fig.6.3.25 Dispositivo di battuta 2………..167
Fig.6.3.26 Preserraggio sui prigionieri del dispositivo di battuta………167
Fig.6.3.27 Sollecitazioni sul dispositivo di battuta nel caso di urto………168
Fig.6.3.28 Sollecitazioni sul dispositivo di battuta nel caso di urto (particolare)…...168
Fig.6.3.29 Sollecitazioni sul prigioniero del dispositivo di battuta nel caso di urto...169
Fig.6.4.1 Schema concettuale complessivo……….170
Fig.6.4.2 Modello FEM per complessivo………170
Fig.6.4.3 Momento flettente My………..171
Fig.6.4.4 Momento flettente Mz………..171
Fig.6.4.5 Momento torcente Mx………..………172
Fig.6.4.6 Andamento della deformata……….172
