Progetto Kaplan

Introduzione

Il problema affrontato in questa ricerca è la progettazione e la modellazione tridimensionale della girante di una turbina idraulica di tipo Kaplan. Lo studio fornisce come risultato il modello CAD tridimensionale della turbina da utilizzarsi per successivi affinamenti tramite codici agli elementi finiti o direttamente per la produzione della palettatura reale. Un altro aspetto importante riguarda lo studio del funzionamento della turbina fuori dalle condizioni di progetto.

. Esempio di modello in scala, ottenuto usando il codice sviluppato
. Esempio di modello in scala, ottenuto usando il codice sviluppato

L’idea di questo lavoro nasce dal crescente interesse riguardante le fonti energetiche pulite e rinnovabili, con particolare riferimento al settore idroelettrico dove i margini per un ulteriore sviluppo sono legati ai piccoli impianti (mini-idro). Gli impianti di piccola taglia sono più versatili e privi di effetti negativi sull’ambiente. Inoltre, il pregio delle micro-centrali idroelettriche distribuite nel territorio, non consiste tanto nel contributo energetico che possono dare al fabbisogno elettrico nazionale, quanto piuttosto nel valore dell’utilizzo della risorsa idrica a livello locale.

Questi impianti hanno però lo svantaggio di sviluppare potenze limitate, con la conseguente necessità di ridurre al minimo i costi di progettazione, installazione e manutenzione al fine di renderle economicamente vantaggiose. In questo contesto, lo sviluppo di un sistema che permetta l’automatizzazione di alcune fasi progettuali, può rappresentare senza dubbio un vantaggio; d’altro canto lo strumento in questione deve essere effettivamente vantaggioso per il progettista, lasciandogli massima libertà nelle scelte progettuali ed andando ad eseguire in automatico solo i “passi obbligati” del lavoro di studio e disegno palare.

 

Metodo

 

Diagramma delle attività svolte
Diagramma delle attività svolte

Il primo passo di questa ricerca è consistito nello studio delle caratteristiche di un impianto idroelettrico nel suo insieme, nell’analisi dei vari parametri che consentono di scegliere la macchina da installare, nello studio del metodo con cui vengono elaborati i diagrammi definitivi delle macchine per la stima del rendimento nelle varie condizioni di funzionamento. Successivamente l’attenzione si è focalizzata sulla turbina Kaplan e sulle teorie che vengono utilizzate per il suo dimensionamento.

In particolare, per la progettazione delle pale della girante, si è partiti dalle condizioni nominali di progetto e si sono analizzati gli aspetti fluidodinamici, dai quali dipende la geometria delle pale, e quelli meccanici, legati alla resistenza delle stesse agli sforzi in gioco. Quindi si è passati all’analisi del funzionamento nelle condizioni fuori progetto; infine si è sviluppato un procedimento per la modellazione della pala della girante, comprendente la generazione dei profili tramite calcolo dei punti in Visual Basic e l’esportazione degli stessi verso un modellatore CAD in cui, sempre in modo automatico, viene costruito il modello solido.

Generazione automatica della pala in SolidWorks
Generazione automatica della pala in SolidWorks

Sono infine stati realizzati alcuni prototipi di turbina dimensionata usando l’applicativo sviluppato. I prototipi sono stati realizzati in scala reale ed in scala 1:2 con le tecniche della stereolitografia e del vacuum casting che permettono di produrre direttamente i modelli disegnati al calcolatore.

 

Risultati

Esempi di screen-shot
Esempi di screen-shot

Il risultato di questo lavoro è un codice in cui il progettista inserisce i dati di progetto e le sue assunzioni tecniche. Il programma di calcolo genera quindi i profili palari ai vari raggi e li dispone sulla circonferenza corrispondente. Questi profili, rappresentati da una sequenza di punti, vengono salvati in un file. Alla sequenza di punti vengono poi aggiunte opportune istruzioni che permettono di comandare uno specifico modellatore CAD.  Nel nostro caso, il codice genera un listato per Rhinoceros oppure per SolidWorks.

Il codice è stato costruito in modo tale che il progettista può riprendere un progetto già realizzato e modificarlo, oppure, di uno stesso progetto, può studiare in modo diverso le condizioni non nominali, oppure può procedere in modo diverso nella fase di modellazione palare.

In questo modo, il progettista può effettivamente concentrarsi sui problemi di più alto livello e sperimentare un elevato numero di soluzioni, imponendo diverse condizioni di funzionamento e diverse assunzioni tecniche, senza perdere eccessivo tempo nei dettagli di calcolo ed elaborazione grafica che possono essere automatizzati.

Flow-chart generale del programma
Flow-chart generale del programma

 

Info

Questa ricerca è stata realizzata tra aprile 2006 e marzo 2007, anche grazie alla collaborazione con laureando dell’Università di Udine. Il progetto è stato parzialmente finanziato dalla Regione Friuli Venezia Giulia, attraverso la legge 47/78.

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