ITTO20130365A1 - Puleggia perfezionata per verricello ad alta efficienza. - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo:

“PULEGGIA PERFEZIONATA PER VERRICELLO AD ALTA EFFICIENZAâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda una puleggia perfezionata per verricello ad alta efficienza, del tipo usato per trasmettere energia meccanica per mezzo di forze di trazione applicate a funi collegate ad un carico in movimento.

Un verricello ad alta efficienza viene usato in diverse applicazioni, per sollevare o spostare un carico, tirare una fune e trasmettere energia per mezzo di una fune avvolgibile.

Recentemente, l’applicazione di argani e verricelli per la trasmissione di energia à ̈ diventata importante nel settore della gestione dell’energia eolica, in cui argani e verricelli, collegati ad alternatori ed apparati elettronici di potenza, vengono usati per estrarre l’energia cinetica del vento e per convertire l’energia meccanica prodotta in energia elettrica.

Un aspetto importante nel recupero di energia meccanica dalle funi collegate ad un carico in movimento à ̈ rappresentato dall'efficienza del verricello di manovra, per cui: piccole percentuali di perdita di energia comportano un elevato riscaldamento delle pulegge conduttrici e della fune.

Un processo di estrazione di energia dal vento comporta l’uso di funi ad alta resistenza. La tensione delle funi à ̈ generata dalla portanza di un aquilone in volo con vento trasversale. La puleggia o il tamburo, su cui à ̈ avvolta la fune, ruota grazie alla forza di svolgimento indotta dalla fune stessa. La potenza meccanica viene generata dalla combinazione della tensione meccanica nella fune e la velocità con la quale la fune si distende, srotolandosi dalla puleggia.

La puleggia o il tamburo, su cui à ̈ avvolta la fune, ruota grazie alla forza di svolgimento indotta dalla fune stessa. Durante questo processo l'energia cinetica del vento viene dapprima convertita in energia meccanica, per effetto dell’attrito tra la fune e la superficie di contatto della puleggia o il tamburo; viene quindi convertita in energia elettrica mediante alternatori collegati al verricello.

Durante la conversione si verificano perdite di energia sotto forma di calore il quale riscalda la superficie di contatto della puleggia ed aumenta la temperatura interna della fune compromettendone le proprietà meccaniche per effetto del surriscaldamento.

Argani e verricelli convenzionali non sono adatti per trasmettere una grande quantità di energia a causa della loro bassa efficienza. Quando si tratta di un verricello di elevata potenza munito di funi ad alta resistenza, anche una parte relativamente piccola di potenza persa potrebbe risultare critica. Ad esempio, un verricello con un rendimento del 97%, usato per manipolare una potenza di 1,5 MW, genera un flusso termico di 45 kW che deve essere adeguatamente dissipato per non surriscaldare la fune. Accanto alle perdite generate dai cuscinetti degli elementi rotanti, il flusso di calore viene principalmente generato dalle forze di attrito tra la fune e la puleggia.

L’attrito all'interno della fune à ̈ generato da spostamenti relativi e deformazioni di fili e trefoli diversi, costituenti la fune e geometricamente disposti in modo da sfregarsi reciprocamente. D’altra parte, l’attrito tra la fune e la puleggia costituisce l’ingrediente necessario per permettere al verricello di estrarre energia dalla fune, mentre l’attrito dipendente da qualsiasi spostamento relativo tra la fune e la puleggia deve essere ridotto al minimo.

L’architettura di un verricello o di un argano ad alta efficienza deve sottostare a due concetti: la fune che percorre il verricello à ̈ soggetta ad un gradiente di tensione associato ad un gradiente di deformazione dipendente dalla natura del materiale costitutivo della fune stessa; la fune avvolta su una puleggia per più di un giro, assunto che la puleggia ruoti rispetto al proprio asse longitudinale, deve necessariamente traslare perpendicolarmente alla direzione della forza principale di trasmissione, per esempio lungo l’asse longitudinale della puleggia, al fine di evitare la sovrapposizione di tratti di fune di diversa curvatura.

La domanda di brevetto WO2011121272 descrive un’applicazione riguardante il primo concetto, finalizzata a rendere più uniforme il gradiente di deformazione rendendo la fune meno sollecitata e sottoposta ad effetti di degrado. Questo problema viene affrontato con due pulegge compenetranti, ognuna delle quali definisce una superficie discontinua del contatto tra la fune ed il tamburo.

Il brevetto FR1105165 descrive un layout di un verricello riguardante il secondo concetto, comprendente pulegge con scanalature cilindriche il cui diametro gradualmente diminuisce o aumenta adattandosi al diverso stato di deformazione lungo la fune, in modo che la scanalatura con il diametro maggiore sia in contatto con il tratto di fune soggetto ad uno stato di tensione elevata e viceversa.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo una puleggia perfezionata per verricello ad alta efficienza che permetta una maggiore produttività energetica ed una riduzione delle perdite di potenza dovute a fenomeni di attrito, a favore di una ridotta usura delle funi.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire una puleggia perfezionata per verricello ad alta efficienza rotante rispetto ad un asse appartenente ad un sistema di riferimento fisso, delimitata da una superficie laterale dipendente da una linea generatrice, del tipo a contatto con un tratto di fune compreso tra due capi rispettivamente collegati ad un carico utile ed un carico con tensione minima o nulla, tale puleggia essendo scorrevole lungo tale asse.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un verricello armonico ad avvolgimento elicoidale come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la FIG. 1 mostra una vista in assonometria di una realizzazione preferita di una puleggia secondo la presente invenzione collegata ad un tratto di fune per mezzo di una superficie laterale proiettata lungo un asse di rotazione fisso;

- la FIG. 2 mostra una vista laterale della puleggia collegata alla fune della FIG. 1;

- la FIG. 3 mostra una vista in sezione, secondo una linea III-III della FIG. 2;

- la FIG. 4 mostra un particolare IV ingrandito appartenente alla FIG. 3;

- la FIG. 5 mostra una vista frontale della puleggia secondo la presente invenzione e della fune della FIG. 1;

- le FIGG. 6 e 7 mostrano la puleggia secondo la presente invenzione e la fune della FIG. 1, in cui la puleggia à ̈ collocata in due differenti configurazioni dislocate lungo l’asse di rotazione; e

- le FIGG. 8 e 9, mostrano la puleggia delle FIGG. 6 e 7 abbinata a rispettive pulegge laterali di guida della fune.

Facendo riferimento alle Figure à ̈ possibile notare una realizzazione preferita di una puleggia 2 secondo la presente invenzione attorno alla quale à ̈ avvolto almeno un tratto di fune 1 compreso tra un primo capo 11 ed un secondo capo 12.

In particolare, la puleggia 2 à ̈ rotante rispetto ad un asse di rotazione X ed à ̈ dotata di un foro centrale (non mostrato) per il centraggio e l’unione con un albero (non mostrato) collegato ad un alternatore ad alta efficienza (non mostrato).

Il primo capo 11 ed il secondo capo 12 della fune 1 sono collegati rispettivamente ad un carico utile (non mostrato) e ad un dispositivo di immagazzinaggio della fune (non mostrato) o ad un carico con tensione minima, secondo un gradiente di tensione che stabilisce un valore massimo di tensione al primo capo 11 ed un valore minimo o nullo al secondo capo 12.

Con riferimento alle FIGG. 3 e 4 Ã ̈ possibile notare che la puleggia 2 sostiene il tratto di fune 1 per mezzo di una superficie laterale 21 dipendente da una linea generatrice 3. Tale tratto di fune 1 Ã ̈ avvolto sulla superficie laterale 21 in modo che il centro del bordo circolare di ciascuna sezione trasversale 13 della fune 1 giaccia approssimativamente sulla generatrice 3.

Una prima forma della superficie laterale 21 comprende una scanalatura elicoidale lungo l’asse di rotazione X, compresa tra due fianchi 22 e 23 e delimitata radialmente, rispetto all’asse di rotazione X, da almeno una superficie generata da una linea 31 parallela alla linea generatrice 3 e tangente al bordo circolare interno di ciascuna sezione trasversale 13 della fune 1 (come mostrato, per esempio, nella FIG. 4).

In particolare, la scanalatura elicoidale alloggia il tratto di fune 1 evitandone la sovrapposizione nell’avvolgimento sulla puleggia 2 lungo l’asse di rotazione X.

Una seconda forma della superficie laterale 21 comprende una superficie “di offset†(non mostrata) generata dalla linea 31.

La linea generatrice 3, giacente nel piano X-Z (come mostrato, per esempio, nella FIG. 3), Ã ̈ una linea governata da una legge esponenziale.

Secondo una forma preferita di realizzazione della puleggia perfezionata 2, la linea generatrice 3 Ã ̈ una linea governata da una legge esponenziale del tipo:

Z = A*exp(-X/B)

in cui A e B sono variabili che definiscono la geometria in base al coefficiente di attrito tra fune e puleggia, il passo dell'elica ed altri criteri progettuali.

La generatrice 3, realizzata secondo una legge esponenziale, comporta l'adattamento della deformazione della fune lungo il percorso della scanalatura elicoidale minimizzando lo scorrimento relativo tra la fune 1 e la superficie laterale di contatto 21 della puleggia 2 e dunque incrementando l'efficienza della puleggia 2.

Secondo una prima forma di realizzazione dell'invenzione, la puleggia 2 à ̈ collegata ad un sistema di argano a scorrimento (non mostrato) per mezzo di almeno un albero scanalato scorrevole (non mostrato), detto albero scanalato scorrevole trasmettendo una coppia, risultante dalle tensioni ai capi 11, 12 per un braccio perpendicolare all’asse X, permettendo lo scorrimento lineare della puleggia 2 lungo l’asse di rotazione X.

Con riferimento alle FIGG. 6 e 7 à ̈ possibile notare che tale moto di scorrimento lineare della puleggia 2 lungo l’asse di rotazione X à ̈ preferibilmente proporzionale al passo del percorso della scanalatura compresa tra i fianchi 22 e 23 che contengono la fune 1. Infatti, la traiettoria elicoidale à ̈ simile alla filettatura rotante di una vite senza fine, caratterizzata da una velocità lineare lungo l’asse di rotazione X direttamente proporzionale alla velocità di rotazione. Durante la rotazione, la puleggia 2 scorre per compensare il moto apparente lineare lungo l’asse di rotazione X, mantenendo fissi i piani Y’-Z’ e Y’’-Z’’ su cui giacciono i rispettivi capi 11, 12 del tratto di fune 1 avvolto sulla puleggia 2.

Con riferimento alle FIGG. 8 e 9 à ̈ possibile notare che, secondo una ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione, un sistema di argano a scorrimento comprende una puleggia 2 abbinata a pulegge supplementari 4 e 5, rispettivamente collocate dalla parte del carico utile e del carico minimo o nullo e sagomate alla periferia secondo una gola 41 e 51 di guida della fune 1, dette pulegge supplementari 4 e 5 essendo collegate alla struttura fissa dell’argano (non mostrato).

Vengono di seguito descritte ulteriori soluzioni considerate varianti della soluzione inventiva.

Un argano, composto da almeno una puleggia 2 munita di superficie laterale 21 secondo una generatrice 3, sostiene e guida una fune 1 avvolta per almeno un giro, detta fune 1 essendo immagazzinata in uno stato di bassa tensione 12.

Un argano, composto da almeno una puleggia 2 munita di superficie laterale 21 secondo una generatrice 3, sostiene e guida una fune 1 avvolta per almeno un giro, preferibilmente tre giri, in cui detta fune 1 Ã ̈ immagazzinata altrove (argano senza accumulo di fune).

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Puleggia perfezionata (2) per verricello o argano, rotante rispetto ad un asse di rotazione (X) appartenente ad un sistema di riferimento fisso (X-Y-Z) caratterizzata dal fatto di essere delimitata da almeno una superficie laterale (21) dipendente da una linea generatrice (3), del tipo a contatto con almeno un tratto di fune (1) compreso tra un primo capo (11) ed un secondo capo (12) rispettivamente collegati ad un carico utile ed un carico minimo o nullo, e dal fatto che detta puleggia (2) Ã ̈ scorrevole linearmente lungo detto asse di rotazione (X).
2. 2. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che, durante la rotazione, detto primo capo (11) e detto secondo capo (12) di detto tratto di fune (1) giacciono su rispettivi piani fissi (Y’-Z’, Y’’-Z’’) perpendicolari a detto asse di rotazione (X).
3. 3. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto scorrimento lineare à ̈ proporzionale ad un passo con cui detta fune (1) si avvolge lungo detta superficie laterale (21).
4. 4. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto scorrimento rispetto a detto asse di rotazione (X) avviene per mezzo di un motore.
5. 5. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta superficie laterale (21) alloggia una scanalatura elicoidale lungo detto asse di rotazione (X), detta scanalatura elicoidale essendo compresa tra due fianchi (22, 23), delimitata radialmente, rispetto a detto asse di rotazione (X), da una superficie generata da una linea (31), detta linea (31) essendo parallela a detta linea generatrice (3) e tangente ad un bordo circolare interno di ciascuna sezione trasversale (13) di detta fune (1).
6. 6. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta linea generatrice (3) Ã ̈ governata da una legge esponenziale.
7. 7. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che detta legge esponenziale à ̈ Z = A*exp(-X/B).
8. 8. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di essere collegata a detto sistema di riferimento fisso (X-Y-Z) per mezzo di almeno un albero scanalato scorrevole lungo detto asse di rotazione (X) e rotante rispetto a detto asse di rotazione (X).
9. 9. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che pulegge supplementari (4, 5), rispettivamente collocate dalla parte di detto carico utile e di detto carico minimo o nullo, sagomate alla periferia secondo una gola (41, 51) di guida di detta fune (1), sono collegate a detto sistema di riferimento fisso (X-Y-Z).