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TURBOPOMPA ROTATIVA AD INGRANAGGI ELLITTICI

Versione integrale del primo Brevetto, Attestato (link 17)

INTRODUZIONE

L’idea era quella di progettare una POMPA ROTATIVA di grande PORTATA, pensando ad una coppia di INGRANAGGI ELLITTICI di piccolo PASSO inizizialmente situate in posizione CANONICA (con Assi Ortogonali), avendo DIMOSTRATO che durante il MOTO ciascuna ELLISSE rotola intorno all’altra sensa STRISCIARE mentre il suo CENTRO descrive una CIRCONFERENZA intorno al CENTRO dell’altra, un LUOGO di PUNTI che abbiamo chiamato CICLOIDE ELLITTICA.

Una MACCHINA semplice e compatta, con PORTATA REGOLABILE da ZERO al valore MASSIMO, facilmente trasformabile in TURBINA o COMPRESSORE tramite By-Pass esterno, particolarmente adatta per PICCOLE e MEDIE POTENZE.

RIASSUNTO (fig. 1,2,3)

Nella sua versione più semplice (fig.2) la TURBO-POMPA è formata essenzialmente da 2 RUOTE DENTATE ELLITTICHE UGUALI (E)=(F), di seidiametri (a≥b>0) e assi (O,Ω) posti alla distanza |OΩ|=(a+b. Per il resto è simile alla comune POMPA ROTATIVA ad INGRANAGGI CILINDRICI con la quale condivide l'INVOLUCRO bicilindrico esterno (A,B), i due ASSI (O.Ω), l'ALBERO di asse (O), VOLANO, BRONZINE, GUARNIZIONI ed altri accessori, ma conviene una DENTATURE di piccolo PASSO, quanto basta per vincolare le rispettive ROTAZIONI.

In effetti (fig.1) le due ELLISSI (E)=(F) possono RUOTARE l’una sull’altra senza STRISCIARE mantenendo la DISTANZA (a+b) fra i due CENTRI (O,Ω), ciascuno dei quali descrive una CIRCONFERENZA di RAGGIO (a+b) intorno all’ALTRO, un LUOGO di PUNTI che abbiamo chiamato CICLOIDE ELLITTICA, mentre i rispettivi PUNTI ESTREMI di (E,F) tracciano (strisciando) le due Circonferenze di Raggio (a) dell’INVOLUCRO esterno (A,B).

Il Contatto Tangenziale (T) rappresenta il Centro Istantaneo di Rotazione, in moto Altarnato nell’Intervallo (b≤|OT|≤a)∈(OΩ), producendo VIBRAZIONI in parte ELIMINABILI mediante due o più Coppie ELLITTICHE in serie (fig.3), ugualmente sfasate sull’ALBERO Motore di Asse (O). La caratteristica principale è l’ECCENTRICITA' δ=√(1-b2/a2)<1 che consente grandi PORTATE di FLUIDO (Liquido, Gas) nei VERSI opposti (AB),(BA), come MOTRICE oppure OPERATRICE.

Infatti nel caso dei LIQUIDI diventa una POMPA IDRAULICA (aspirante e/o premente) oppure una TURBINA IDRAULICA, trasformabili in COMPRESSORE oppure in TURBINA a GAS se il FLUIDO è GASSOSO, tenendo conto che tutti questi COMPITI possono essere SVOLTI dalla TURBOPOMPA mediante RUBINETTI e VALVOLE-BY-PASS.

La TURBOPOMPA può quindi avere Varie APPLICAZIONI, specialmente per PICCOLE e MEDIE POTENZE, a causa della grande SEMPLICITA’ ma anche perché (come ci risulta) non esistono MACCHINE di questo TIPO ad eccezione delle POMPE Cilindriche (d=0) che possono EROGARE soltanto il piccolo VOLUME racchiuso nelle Cavità Dentali.

DESCRIZIONE (fig. 1,2,3)

Nella versione più semplice (fig.2) la MACCHINA è formata da 2 RUOTE DENTATE ELLITTICHE UGUALI (E)=(F), di SEMIDIAMETRI (a≥b>0) e ASSI (O,Ω) alla DISTANZA |OΩ|=(a+b).

Per il resto è simile alla comune POMPA ROTATIVA ad Ingranaggi CILINDRICI, con la quale condivide l’INVOLUCRO BICILINDRICO (A,B), i due ASSI (O.Ω), l’ALBERO MOTORE di ASSE (O), l’eventuale VOLANO, BRONZINE, GUARNIZIONI, LUBRIFICAZIONE ed altri Accessori, tenendo conto che conviene adottare DENTATURE di piccolo PASSO, per vincolare le rispettive ROTAZIONI.

In effetti (fig.1) le due ELLISSI (E)=(F) possono RUOTARE l’una sull’altra senza STRISCIARE mantenendo la DISTANZA (a+b) fra i due CENTRI (O,Ω), ciascuno dei quali descrive una CIRCONFERENZA di RAGGIO (a+b) intorno all’ALTRO, un LUOGO di PUNTI che abbiamo chiamato CICLOIDE ELLITTICA, mentre i rispettivi PUNTI ESTREMI di (E,F) tracciano (strisciando) le due Circonferenze di Raggio (a) dell’INVOLUCRO ESTERNO (A,B). l’Idea era quella di creare (fig.2) una TURBO-POMPA formata dalle 2 ELLISSI UGUALI (E)=(F) di CENTRI (O,Ω).

Peraltro, il CONTATTO Tangenziale (T) costituisce il CENTRO ISTANTANEO di ROTAZIONE che si muove di moto ALTERNATO nell’Intervallo (b≤|OT|≤a)∈(OΩ), con la TANGENTE variamente inclinata rispetto alla retta (O,Ω).

Questo produce VIBRAZIONI, che possono essere RIDOTTE tramite Volano oppure mediante due o più COPPIE in SERIE (fig.3), Calettate e ugualmente Sfasate sull’Albero Motore di Asse (O).

La caratteristica principale è l’ECCENTRICITA’ (δ=√...), che consente di EROGARE grandi PORTATE di FLUIDO in uno dei VERSI opposti (A↔B), come MOTRICE o come OPERATRICE.

 δ=√(1-b2/a2)<1

Infatti nel caso dei LIQUIDI diventa una POMPA IDRAULICA (aspirante e/o premente) oppure una TURBINA IDRAULICA, trasformabili in COMPRESSORE oppure in TURBINA a GAS se il FLUIDO è Gassoso, tenendo conto che questi compiti possono essere SVOLTI dalla stessa POMPA mediante RUBINETTI e VALVOLE BY-PASS.

Peraltro l’accoppiamento COMPRESSORE→FORNO→TURBINA crea un MOTORE a GaAS dove la POTENZA può essere OTTIMIZZATA anche in TEMPI REALI (Istante per Istante), regolando dall'Esterno la PORTATA.

In ogni caso si tratta di una MACCHINA Rotativa CICLOIDALE, MOTRICE oppure OPERATRICE, funzionante con QUALSIASI VELOCITA’ n(giri/s), PORTATA Q(litri/s) e POTENZA P(kw), Ottimizzabili da ZERO ai valori MASSIMI.

La TURBOPOMPA può quindi avere Varie Applicazioni CIVILI e INDUSTRIALI , specialmente per PICCOLE e MEDIE POTENZE, a causa della SEMPLICITA’ ma anche perché (come ci risulta) non esistono MACCHINE di questo TIPO ad eccezione delle comuni POMPE ad Ingranaggi Cilindrici (d=0), che però possono EROGARE soltanto il piccolo VOLUME racchiuso nelle Cavità Dentali.

Fra l’altro la COPPIA Ellittica (E)=(F) può ruotare con qualsiasi VELOCITA’ n>0(giri/s), intorno agli ASSI (O,Ω), ignorando il cosiddetto Numero di Giri CARATTERISTICO nc>20giri/s che generalmente impone alle attuali TURBINE valori molto ELEVATI, oltre i 600(giri/s), mentre (come abbiamo detto) tutti i Parametri n(giri/s), Q(litri/s), P(kw) della TURBOPOMPA possono OTTIMIZZARSI in TEMPI REALI (Istante per Istante), mediante RUBINETTI e VALVOLE-BY-PASS.

Comunque l’ECCENTRICITA’ δ=√(1-b2/a2)<1 determina VOLUME V(litri/giro), PORTATA Q(m3/s) e POTENZA (kw), tutti orientabili nei VERSI OPPOSTI (A↔B) affinché la MACCHINA diventi MOTRICE oppure OPERATRICI.

L'unico inconveniente è la VIBRAZIONE prodotta dall’ ASSE ISTANTANEO di ROTAZIONE (T,t), in moto ALTERNATO nell’Intervallo (b≤|OT|≤a) sul segmento |OΩ|=|OT|+|TΩ|=(a+b), che però può essere notevolmente RIDOTTA dall’eventuale VOLANO ma soprattutto (con ottimi risultati) Calettando sullo stesso ALBERO di ASSE (O,Ω) due o più COPPIE ELLITTICHE in serie, Calettate e ugualmente Sfasate sullo stesso ALBERO MOTORE (O), separate da GUARNIZIONI trasversali.

In tal modo le VIBRAZIONI diminuiscono come accade negli attuali Motori Alternativi con due o più Cilindri in serie, dove i Pistoni agiscono tutti sullo stesso Albero. Un valido Esempio (fig.3) è quello di una TURBOPOMPA con due COPPIE ELLITTICHE in serie, Calettate e Sfasate a 90 gradi sull’Albero di Asse (O).

Peraltro (ripetiamolo) qualsiasi DENTATURA assicura il contatto TANGENZIALE (T) della Coppia Rotante, tuttavia conviene scegliere un PASSO Dentale PICCOLO quanto basta per ridurre al MINIMO l'eventuale ritorno di FFLUIDO in Controcorrente, ma abbastanza GRANDE per evitare (durante il trascinamento) un possibile distacco delle RUOTE Ellittiche nei CONTATTI (T) più sfavorevoli, quando la TANGENTE (T,t) assume la MINIMA inclinazione rispetto alla RETTA (OΩ).

BLEMI, come la SCELTA dei materiali, GUARNIZIONI, BRONZINE, CUSCINETTI, LEGHE METAGli altri PPROLLICHE (Alluminio, Rame, Titanio, ecc.), LUBRIFICAZIONE, ed Altro, sono (come abbiamo detto) gli stessi delle attuali POMPE e TURBINE.

Per conoscere le possibili Dimensioni e Capacità della MACCHINA, funzionante con qualsiasi FLUIDO (Liquido, Gas, Miscuglio), consideriamo una piccola TURBO-POMPA con 2 COPPIE ROTANTI di Assi (O,Ω), avente all’incirca le dimensioni del DISEGNO (fig.3), assegnando a ciascuna delle 4 RUOTE ELLITTICHE le seguenti COORDINATE:

SEMIDIAMETRI a=4cm, b=2cm, ECCENTRICITA’ δ=√(1-b2/a2)=0,866<1, LUNGHEZZA ASSIALE l=2a=8cm, VELOCITA’ n=1200giri/primo=20giri/s, PRESSIONE p=100N/cm2=10,2atm.

Con questi DATI possiamo CALCOLARE i seguenti valori di: VOLUME V(cm3/giro), PORTATA Q(litri/s) e POTENZA P(kw), CON un RENDIMENTO VOLUMETRICO medio η=0,9 (del 90%):

Questi risultati (notevoli quanto inattesi) DIMOSTRANO chiaramente che una piccola TURBO-POMPA può erogare una GRANDE PORTATA di FLUIDO (Liquido, Gas, Miscuglio), rafforzando l’ipotesi di vantaggiose APPLICAZIONI come MOTRICE o come OPERATRICE, di cui cercheremo di riassumere brevemente le più importanti CARATTERISTICHE.

Nel caso dei LIQUIDI (come abbiamo detto) la più semplice è la POMPA IDRAULICA (aspirante e/o premente), che trasforma in PRESSIONE l’ENERGIA ricevuta da un MOTORE, ad esempio quella necessaria a sollevare un LIQUIDO ad una certa ALTEZZA.

Fra i possibili impieghi ricordiamo le Reti di DISTRIBUZIONE Idrica, lubrificazione degli IMPIANTI TERMICI, gli IMPIANTI Antincendio, gli IMPIANTI di Irrigazione. in particolare la PROPULSIONE dei NATANTI, ottenuta convogliando la PORTATA Q(m3/s) nel verso OPPOSTO al MOTO.

Invertendo la PORTATA, la POMPA diventa una TURBINA IDRAULICA, cioè un MOTORE che produce LAVORO. Particolre importanza assume l'IMPIANTO ottenuto con lìaccoppiamento COMPRESSORE-FORNO-TURBINA.

Inoltre, se il FLUIDO si trova allo Stato GASSOSO, le precedenti MACCHINE diventano rispettivamente un COMPRESSORE oppure una TURBINA a GAS, funzionanti (secondo le esigenze) con i più opportuni Valori di VELOCITA' (n/s), PORTATA (Q), e POTENZA (P), tutte Ottimizzabili in TEMPI REALI (Istante per Istante), regolando la PORTATA (Q) che li attraversa.

A differenza delle attuali TURBINE, che richiedono Giri molto elevati, qualunque siano le dimensioni (piccole o grandi), queste MACCHINE funzionano con qualsiasi VELOCITA' n(giri/s) e POTENZA (kw) compatibili con la RESISTENZA dei Materiali (Bronzine, Lubrificanti, ecc.), conservando all’incirca lo stesso RENDIMENTO VOLUMETRICO (η≅ 0,8-0,9).

Tutto questo ESTENDE notevolmente le possibili APPLICAZIONIi della TURBO POMPA, dai piccolissimi ai grandi IMPIANTI, agevolate della semplicità dei suoi MECCANISMI ma soprattutto dalle grandi PORTATE di FLUIDO. In sostanza, nel CONFRONTO con le attuali MACCHINE MOTRICI e OPERATRICI dello stesso TIPO, la semplicità della TURBO POMPA e ancor più la GRANDE PORTATA assumono notevole VANTAGGIO in tutte le APPLICAZIONI CIVILI e INDUSTRIALI.

RIVENDICAZIONI

  1. TURBOPOMPA definita in precedenza (Titolo, Descrizione e Disegni) di cui RIVENDICHIAMO tutte le APPLICAZIONI e le possibili VARIANTI, trattandosi di una NOVITA’ ASSOLUTA fondata su un inedito TEOREMA-GEOMETRICO che abbiamo chiamato CICLOIDE-ELLITTICA, in particolare RIVENDICHIAMO la sostituzione della COPPIA-ELLITTICA con altri RUOTISMI comunque opportunamente OVALIZZATI.

  2. TURBOPOMPA della precedente Rivendicazione caratterizzata (fig.2) da almeno una COPPIA di RUOTE-DENTATE-ELLITTICHE uguali (E=F) di Semiassi (a³b>0) posti alla distanza |OW|=(a+b), che possono RUOTARE l’una sull’altra, senza STRISCIARE, intorno ai rispettivi Centri-Fissi (O,W), conservando il Contatto Tangenziale (T,t) che rappresenta l’Asse-Istantaneo-di-Rotazione, in moto rettilineo alternato sul segmento (OW).

  3. TURBOPOMPA delle precedenti Rivendicazioni caratterizzata dal fatto (fig.2) che è sufficiente qualsiasi Dentatura, anche di piccolo Passo, quanto basta per assicurare il Contatto-Tangenziale (T,t) durante il MOTO.

  4. TURBOPOMPA delle precedenti Rivendicazioni caratterizzata dal fatto (fig.2) che l’Eccentricità (d<1) della Coppia (E,F) consente di convogliare grandi PORTATE Q(litri/s) in uno dei versi opposti (A«B), a differenza delle attuali Pompe ad Ingranaggi-Cilindrici dove il VOLUME-UTILE si riduce a quello delle Cavità-Dentali.

  5. TURBOPOMPA delle precedenti Rivendicazioni caratterizzata dal fatto che le VIBRAZIONI prodotte dall’Asse-Istantaneo-di-Rotazione (T,t), in moto Rettilineo-Alternato nell’Intervallo (b£|OT|£a), possono essere RIDOTTE tramite VOLANO, ma soprattutto Calettando sugli Alberi di Assi (O,W) due o più COPPIE-ELLITTICHE in serie, SEPARATE da Guarnizioni ma ugualmente SFASATE sull’ALBERO-Motore (O), come ACCADE anche nei MOTORI-ALTERNATIVI con due o più CILINDRI in serie dove i PISTONI agiscono sullo stesso ALBERO. Un esempio (fig.3) comprende due COPPIE-ELLITTICHE in serie sfasate a 90 gradi sull’Albero di Asse (O).

  6. TURBOPOMPA delle precedenti Rivendicazioni caratterizzata dal fatto che può essere dotata di appositi Rubinetti e Valvole-BY-PASS, capaci di Invertire la PORTATA allo scopo di trasformarla in OPERATRICE (che esegue Lavoro) oppure in MOTRICE (che produce Lavoro), specialmente per Piccole e Medie POTENZE, tenendo conto (fig.2) che la TURBOPOMPA è formalmente simile alle comuni POMPE ad Ingranaggi-Cilindrici, con le quali condivide l’Involucro-Esterno (A,B), i due Assi (O,W), le Bronzine, la Lubrificazione, e gli altri Accessori.

  7. TURBOPOMPA delle precedenti Rivendicazioni caratterizzata dal fatto che opportuni AUTOMATISMI possono OTTIMIZZARE, anche in TEMPI-REALI (Istante per Istante), i più convenienti VALORI (secondo le Esigenze) della PORTATA, della VELOCITA’ e della POTENZA, ignorando i cosiddetti “Giri-Caratteristici” che impongono alle attuali TURBINE velocità molto elevate, a volte anche oltre i 600 giri/sec.

  8. TURBOPOMPA delle precedenti Rivendicazioni caratterizzata dal fatto che, orientando opportunamente il flusso della PORTATA (A«B), diventa POMPA-Idraulica (Aspirante e/o Premente) oppure TURBINA-Idraulica se il Fluido si trova allo Stato-Liquido, che si trasformano in COMPRESSORE oppure in TURBINA-a-Gas quando il Fluido è Gassoso. In questi casi la stessa TURBOPOMPA diventa MOTRICE oppure OPERATRICE.

  9. TURBOPOMPA delle precedenti Rivendicazioni caratterizzata dal fatto che (se il Fluido si trova allo Stato-Gassoso, es. Aria) l’accoppiamento COMPRESSORE-FORNO-TURBINA forma un IMPIANTO-MOTORE Semplice e di Piccole Dimensioni, particolarmente adatto per le Piccole e Medie POTENZE, dove (anche in questo caso) la PORTATA può essere OTTIMIZZATA (da Zero al valore Massimo) anche in TEMPI-REALI (Istante per Istante).

  10. TURBOPOMPA delle precedenti Rivendicazioni caratterizzata dal fatto (fig.2) che tutti i PROBLEMI Strutturali, riguardanti la scelta dei MATERIALI (metallici e non metallici), il Contenitore (A,B), le Guarnizioni, i Cuscinetti a Sfera, le Bronzine, i Lubrificanti e altri Accessori, si possono RISOLVERE come nelle attuali POMPE e TURBINE. In particolare conviene scegliere Ruote-Dentate-Ellittiche in LEGA (di Rame, Alluminio, Titanio, ecc.), eventualmente in RESINA-SINTETICA ad Alta-Resistenza, con Dentatura di piccole dimensioni, inoltre è preferibile un Contenitore di Acciaio-Inox, Guarnizioni di Bronzo, o Grafite, o altri Materiali possibilmente Autolubrificanti.

SEGUONO (fig.1,2,3)