Мы студенты второго курса по проектированию продуктов. Наша задача состояла в том, чтобы спроектировать и построить турбину, которая, будучи помещенной в предусмотренную аэродинамическую трубу, будет генерировать наибольшую мощность. Турбина была разработана с целью научить старшеклассников тому, как разнообразное количество лопастей влияет на эффективность турбины при различных скоростях ветра, отсюда и съемные лопасти и воздуховод. Однако, если ваша турбина предназначена для наружного использования, тогда простой конический воздуховод будет более эффективным. Это можно быстро изготовить, используя тонкий листовой пластик и суперклей.
* ОБНОВЛЕНИЕ * После некоторой жесткой конкуренции и легких взрывов, наша турбина вышла на третье место и принесла нам одни из лучших игристых Tesco. Я бы позаботился о том, чтобы ваше внешнее кольцо было полностью без трещин, так как наше взорвалось при вращении на максимальной скорости!
Расходные материалы:
Шаг 1: Изготовление воздуховода
Воздуховод, который направляет поток воздуха от выхода вентилятора к лопастям турбины, важен, поскольку он максимизирует объем воздуха, который проходит через лопасти турбины, и объединяет поток воздуха.
Это самая простая деталь для производства, поскольку требуемые материалы являются самыми основными, и это единственная деталь, изготовленная без использования электронного оборудования.
Если ваша турбина не требует воздуховода, перейдите к шагу 6.
Тебе понадобится:
Блок пены
Много, много газет
Упаковочная пленка
Паста для обоев
Изоляционная лента
2 больших листа МДФ (примерно 300 х 400 мм)
Белая краска
лакировка
Горячий клеевой пистолет
Шаг 2: Получить большой блок пены
Этот пенопластовый блок должен сформировать форму, которую мы позже сделаем из папье-маше, чтобы создать полую оболочку. Размеры этого блока составляют 450x280x280 мм. Я изготовил этот кубоид путем склеивания 6 полосок пены толщиной 75 мм с помощью горячего клеевого пистолета.
Форма, которую мы собираемся из этого сформировать, довольно сложна, и мне было трудно ее визуализировать. Поэтому я обнаружил, что шлифование большой формы было намного проще, чем пытаться построить законченную форму из мерных полос, однако это занимало больше времени.
На одном конце блока отметьте центр и нарисуйте круг радиусом 140 мм. На другом конце блока выделите прямоугольник такой же ширины, как блок и высотой 165 мм, снова убедившись, что он отцентрирован.
Теперь начните шлифование. Я использовал большой металлический напильник, однако наждачная бумага с низким зернистостью справилась бы с задачей. При шлифовании нужно помнить, что средняя полоса вашей фигуры должна оставаться практически нетронутой. Это позволяет двум сторонам плавно объединяться, как показано на рисунке.
При шлифовании прямоугольной стороны это будет пена выше и ниже формы, которую вы удаляете, тогда как на круглом конце это будет ширина блока, которая будет уменьшена, а любые углы закруглены.
На последних этапах используйте наждачную бумагу с высоким зернистостью, чтобы сгладить форму.
Шаг 3: Бумажный маше
Поскольку наша форма изготовлена из пористого материала, нам нужно покрыть ее липкой пленкой, чтобы предотвратить прилипание к ней кожуха из папье-маше. Я использовал около половины рулона липкой пленки для этого.
Нам нужно создать как можно более гладкую поверхность, чтобы внутри нашего воздуховода создавалась минимальная турбулентность. Самый простой способ сделать это - один раз обойти по окружности клейкой пленкой, перекрыть края, затем разрезать пленку и снова начать подниматься до тех пор, пока вся форма (включая верхнюю и нижнюю поверхности) не будет покрыта. Этот метод предотвращает появление ряби в фильме, когда вы пытаетесь покрыть форму за один раз.
Теперь для забавы. Заполните ведро 4-мя частями горячей воды и 1-мя частями гранул обоев (в таком порядке, иначе я получаю комки, как я обнаружил). Смешайте это до образования густой пасты, затем окуните полоски газеты в пасту и поместите их в форму для воздуховодов. Закройте стороны фигуры, убедившись, что вы идете прямо до верхнего и нижнего краев, но оставьте верхнюю и нижнюю поверхности открытыми. Попробуйте сделать первый слой полосок в одном направлении, а затем на втором слое сделайте их перпендикулярными. Повторите для 8 слоев.
Шаг 4: Удаление воздуховода
Поскольку эта форма шире на одном конце и выше на другом, мы не можем просто вытянуть пенный центр наружу. Нам нужно разрезать папье-маше пополам, а затем снова прикрепить две половинки после удаления пены. Подойдет острый нож или скальпель.
Как только пенная форма будет удалена, оболочка будет искажаться. Это затрудняет склеивание. Наш метод был довольно экспериментальным. Мы использовали сочетание клеевых ПВА деревянных опор, скоб и металлических гирь. Во-первых, покройте одну сторону куска МДФ, примерно 100 х 150 мм, клеем ПВА. Выровняйте две половинки папье-маше, а затем прикрепите опору MDF через разрез. Сшивайте по всей длине разреза, а затем зажмите или утяжелите, пока ПВА не высохнет. Повторите для противоположной стороны.
Шаг 5: Заключительные шаги
Теперь у вас есть готовый воздуховод для аэродинамической трубы, но он все еще довольно хрупкий. Чтобы сделать форму более жесткой, горячим клеем деревянные (или аналогичные) опоры вокруг двух открытых концов. Чтобы найти размеры опорного кольца, я запустил рулетку вокруг окружности и рассчитывают диаметр. Лента и / или прикрепить папье-маше к дереву, чтобы обеспечить плотное прилегание.
Затем нанесите 2 слоя лака на интерьер и экстерьер. Это не только защищает бумагу от влаги и повышает ее жесткость, но также уменьшает турбулентность при использовании воздуховода.
Напоследок: эстетика. Мы решили покрасить наш воздуховод в белый глянцевый цвет, чтобы соответствовать нашей теме.
Шаг 6: Дизайн лезвия
У нас есть доступ к машине быстрого прототипа (или «3D-принтеру»), так что это дало нам возможность оптимизировать конструкцию лезвия для достижения максимально возможной мощности.
Лифтовые ветряные турбины на сегодняшний день являются наиболее эффективным типом, поэтому мы решили использовать форму крыла (крыло), уже используемую в ветряных турбинах, образно названную FX-83-W-108. Смотрите http://worldofkrauss.com/foils/52
Этот аэродинамический профиль был выбран потому, что он имеет хорошее отношение подъемной силы / сопротивления, равное 68,785. Это означает, что на каждую силу, создаваемую при торможении, она создает в 68,785 раз больше силы при подъеме. Крыло также имеет широкий диапазон углов атаки, в которых он работает, от -5 до +8 градусов. По сути, это просто дает нам немного права на ошибку, когда мы делаем лезвия.
Первый шаг в оптимизации конструкции лопасти - действительно рассчитать, сколько энергии на ветру. Поскольку в нашем проекте использовалась аэродинамическая труба, скорость ветра была более или менее постоянной. Формула:
Мощность ветра = 0,5 * (плотность воздуха) * (площадь) * (скорость ветра) ^ 3
Это дает мощность в ваттах - убедитесь, что вы используете единицы S.I (то есть метры, килограммы, секунды и т. Д.)
-Плотность воздуха на уровне моря при 20 градусах С составляет около 1,204 кгм -3
Площадь относится к области, которую займет турбина. Для нашего проекта это была площадь конца нашего воздуховода, то есть пи * 0,14 * 0,14 = 0,0616 кв.
-Скорость ветра - это скорость воздуха через область, которую займет турбина. Как видите, небольшое увеличение скорости ветра приводит к значительному увеличению мощности.
У нас была скорость ветра около 11 метров в секунду и площадь 0,0616 квадратных метров, так что это дало нам мощность ветра около 50 Вт.
Из-за того, что называется «предел Бетца», максимально возможная мощность, которая может быть извлечена из ветра турбиной, составляет 59,3% от этой энергии ветра. Я не буду вдаваться в причины здесь, но вы можете посмотреть это, если вы действительно заинтересованы …
Так что теперь мы получили максимально возможную выходную мощность 59,3% от 50 Вт, что дает около 29 Вт.
Это число предполагает, что турбина работает на 100%, что невозможно. Большие белые турбины, которые вы видите повсюду в наши дни, имеют эффективность около 75 - 85%, что впечатляет. Мы не так хороши, поэтому эффективность 50% звучит разумно. Это дает нам теоретическую выходную мощность нашей турбины около 14 Вт.
Следующий бит, к сожалению, еще немного математики - но это последний бит!
Что нам нужно сделать сейчас, так это определить, насколько большими должны быть лезвия для достижения расчетной выходной мощности. Это также зависит от скорости, с которой мы хотим, чтобы турбина вращалась.
Выбранный нами аэродинамический профиль лучше всего работает с воздушной скоростью около 22-30 метров в секунду (50-70 миль в час), поэтому мы должны убедиться, что турбина будет вращаться достаточно быстро, чтобы это было возможно.
Чтобы отработать скорость клинка в определенный момент, мы используем:
U = ω * r
- U - скорость клинка
- ω - скорость вращения в радианах в секунду
- r - радиус в метрах.
Мы выбрали скорость вращения 1500 об / мин. Чтобы преобразовать это в радианы в секунду, умножьте на 2 * пи, а затем разделите на 60;
(1500 * 2 * пи) / 60 = 157 радиан в секунду
Концы лезвий будут иметь радиус 140 мм от их центра вращения (из-за размера воздуховода), поэтому скорость наконечника будет:
U = ω * r = 157 * 0,14 = 22 метра в секунду
Так вот, как быстро лезвие движется в воздухе, перпендикулярном ветру. Чтобы определить общую скорость полета лезвия на конце, мы используем Пифагор:
Общая скорость = √ ((U ^ 2) + V ^ 2)
U - скорость наконечника, измеренная ранее как 22 метра в секунду
V - скорость ветра, рассчитанная до 11 метров в секунду
Таким образом, мы получаем общую скорость полета 24,6 метра в секунду на кончике лопасти, которая находится в середине диапазона оптимальных скоростей для нашего крыла.
Хорошо, следующий большой уравнение, чтобы получить нашу площадь лезвия:
Площадь лезвия = мощность / 0,5 * ρ * √ (U ^ 2 + V ^ 2) * (Cl UV-CdU ^ 2)
-Мощность - это мощность ветряного двигателя, которую мы рассчитали ранее, 14 Вт
- ρ - плотность воздуха, опять же около 1,204 кг на кубический метр
-V - скорость ветра в метрах в секунду - в данном случае 11 м / с
-U - скорость наклона лопастей в метрах в секунду - в данном случае 22 м / с
-Cl - коэффициент подъемной силы нашего аэродинамического профиля, приведенный в техническом паспорте. Наш аэродинамический профиль имеет коэффициент подъема 1,138
-Кд - коэффициент сопротивления, равный 0,01654.
Таким образом, из уравнения мы получаем оптимальную площадь лопасти для скорости и мощности нашей турбины, равную 0,003536 квадратных метров.
Мы решили иметь два лезвия (больше, и они будут очень маленькими и хрупкими), так что это дало нам площадь каждого лезвия 0,001768 квадратных метров. Использование лезвия шириной 2,5 см дает длину лезвия около 7 см.
Итак, теперь у нас есть теоретическая выходная мощность, скорость вращения турбины, количество лопастей, которые нам нужны, и размеры, которые должны быть у лопастей. Сейчас мы почти готовы сделать CAD-модель лезвий - сначала немного математики …
Последнее, что нам нужно выяснить, - это угол лопастей в разных точках по радиусу лопастей. Это по нескольким причинам - во-первых, аэродинамическая поверхность лучше всего работает при «угле атаки» в 5 градусов. Это означает, что лопасти будут работать лучше всего, если их наклонить на 5 градусов в направлении воздушного потока. Вторая причина заключается в том, что лопасти будут испытывать воздушный поток под разными углами вдоль радиуса лопасти, поскольку лопасть движется быстрее через воздух на своем кончике, чем в основании.
Чтобы рассчитать угол «α», который нужно повернуть лопастями по направлению их движения, мы используем:
α = 95 - загар ^ (- 1) (U / V)
-U - скорость движения лопасти при определенном радиусе (U = ω * r)
-V - скорость ветра, в данном случае всегда 11 м / с
Поскольку длина наших лопастей составляет 7 см, а максимальный радиус - 14 см, корень лопасти будет находиться на расстоянии 7 см от центра вращения. Итак, от корня до кончика, углы:
Радиус (м) V (м / с) U (м / с) α (градусы)
0.07 11 10.99 50.0
0.08 11 12.56 46.2
0.09 11 14.13 42.9
0.10 11 15.70 40.0
0.11 11 17.27 37.5
0.12 11 18.84 35.3
0.13 11 20.41 33.3
0.14 11 21.98 31.6
Хорошо, математика наконец-то закончена, и теперь мы можем перейти к следующему шагу - моделированию лезвия в программном обеспечении САПР.
Вы можете использовать координаты аэродинамического профиля с веб-сайта, сохранить их в виде файла .txt, а затем импортировать их в Solidworks, чтобы придать форму аэродинамического профиля. После того как координаты сохранены в виде файла .txt, перейдите в меню «Вставка> кривая> кривая через точки xyz в Solidworks» и вставьте файл аэродинамической поверхности в одну из базовых плоскостей. Затем выберите эту плоскость, щелкните эскиз аэродинамического профиля и выберите «преобразовать объекты». Затем его можно масштабировать и поворачивать на определенный угол с помощью панели инструментов «Перемещение объектов».
Затем перейдите, чтобы вставить> контрольную геометрию> вставить плоскости и вставить 7 плоскостей, каждая на расстоянии 10 мм друг от друга. Выберите каждую плоскость по очереди, нажмите на форму аэродинамического профиля и выберите «преобразовать объекты». Это позволит спроецировать аэродинамический профиль на каждый самолет. Как и раньше, это можно затем масштабировать (мы использовали масштаб 2,5, чтобы сделать лезвие 2,5 см от ведущего к задней кромке), и вы также можете повернуть лезвие на углы, рассчитанные ранее.
Затем выберите «Поднятый босс / основание» и выберите все угловые профили аэродинамического профиля. Это даст вам основную часть клинка!
Все, что осталось сделать сейчас, - это сделать «ключ», чтобы лезвие могло вставляться в ступицу, а также кусок на конце, чтобы вставлять его во внешнее кольцо. Это может быть сделано путем создания эскизов на соответствующих плоскостях и использования инструмента «выдавливание», чтобы сделать их трехмерными.
Теперь лезвие готово для быстрого прототипирования!
Шаг 7: Литье по лезвию
После того, как лезвие было быстро прототипировано, его можно разыграть, чтобы сделать идентичные копии.
Прежде всего, однако, лезвие должно быть сглажено и отполировано. Самые быстрые машины-прототипы печатают только с точностью около 0,25 мм, поэтому лезвие получится довольно грубым.
Сначала окуните лезвие в метилэтилкетон (MEK). Это поможет сгладить некоторые недостатки. Затем нанесите тонкий слой U-POL или другого совместимого наполнителя, чтобы заполнить шероховатость, и зафиксируйте неровные края. После того, как наполнитель высохнет, ОЧЕНЬ тщательно отшлифуйте лезвие. Помните, что размеры и гладкость аэродинамической поверхности абсолютно необходимы для ее правильной работы. Незначительные колебания или изменения формы аэродинамического профиля резко изменят его аэродинамические характеристики.
Повторяйте процесс заполнения и шлифования, пока лезвие не станет идеально гладким, без глубоких царапин. Теперь лезвие можно загрунтовать, чтобы показать любые дальнейшие недостатки, и шлифование / заполнение повторяется до тех пор, пока лезвие не станет гладким и блестящим.
Лезвие теперь готово к кастингу.
Чтобы сделать форму, вам нужно найти (или сделать) маленькую коробочку, примерно на сантиметр или два больше, чем лезвие в каждом направлении.
Склейте маленький кусочек пластика по всей длине лезвия. Передний край - более толстая сторона секции крыла. Затем приклейте этот кусок пластика к нижней части коробки.
Затем смешайте немного силиконовой формовочной жидкости, как указано в инструкции на бутылке, и заполните коробку.
Когда кремний высохнет, коробку можно разбить на части, а лезвие можно осторожно извлечь из формы.
Теперь вы можете смешать смолу, чтобы начать делать копии клинка. Пропорции обычно составляют от 1: 1 смолы до твердого вещества. Это не займет много времени, чтобы установить, поэтому он должен быть залит в форму сразу. Убедитесь, что вы катите форму, чтобы смола достигла каждой части формы.
Примерно через 15-20 минут ваш первый клинок должен быть готов. Не поддавайтесь искушению убрать лезвие слишком рано - оно может показаться достаточно сложным, но лезвие все еще будет мягким и слегка деформируется, разрушая все те углы, которые вам так нравились во время тренировки!
Повторите этот процесс для столько лезвий, сколько хотите. Мы сделали 10, чтобы убедиться, что у нас было много свободного.
Тогда это тот же процесс, что и раньше - начинка и шлифование. Мы использовали наполнитель для моделирования «зеленое вещество», чтобы сгладить маленькие пузырьки и дефекты, созданные в форме и отполированные наждачной бумагой тонкого сорта. Затем лезвия можно окрасить распылением в любой цвет, если он глянец, чтобы уменьшить трение с воздухом.
Лезвия (наконец-то!) Закончены.
Шаг 8: Концентратор
Наш центр был спроектирован для фрезерования с ЧПУ от Perspex.
Первый шаг - нарисовать круг правильного диаметра. В нашем случае это было 140мм. Затем нарисуйте маленький круг в центре, как центральное отверстие.
Затем нарисуйте ту же «ключевую» форму снизу лезвия и используйте ее для создания кругового эскиза. Нам нужны только два лезвия, но мы создали 8 одинаковых эскизов, чтобы при желании можно было модифицировать их с разными лезвиями.
Затем вытяните круг и обрежьте ключи до нужной глубины, чтобы они соответствовали лезвиям. У нас это было 16мм. Убедитесь, что центральное отверстие проходит до конца.
Затем найдите кусок Perspex подходящего размера для обработки с ЧПУ. Он должен быть достаточно толстым, чтобы оставить немного больше глубины прорезей, поэтому идеальным будет любой материал толщиной около 20-30 мм.
После того, как ступица обработана, вам нужно просверлить центральное отверстие и постучать по нему. Наша турбина будет вращаться против часовой стрелки, если смотреть спереди, поэтому нить должна быть левой, чтобы убедиться, что она прижимается к валу, а не откручивается! Размер отверстия и протектора зависит от размера вала, который вы используете, но мы использовали M10.
Шаг 9: Капот
Обтекатель важен, поскольку он плавно направляет поток воздуха к лопастям.
Чтобы сделать наш обтекатель, сначала мы склеили слои MDF размером 160x160 мм, чтобы сделать стопку высотой около 250 мм. Клей ПВА лучше всего подходит для склеивания всего, но вам нужно оставить его зажатым на ночь, чтобы высохнуть.
Затем на токарном станке по дереву выточите сэндвич с МДФ, чтобы придать форму капоту. Диаметр внизу имеет решающее значение, поэтому часто пользуйтесь штангенциркулями, чтобы не слишком сильно утапливать.
Как только у вас будет правильная форма, используйте наждачную бумагу на токарном станке, чтобы сгладить неровности капота.
Затем добавьте небольшой кусочек дерева или МДФ толщиной около 2-4 см к основанию формы капота. Этот блок должен быть меньше общего диаметра основания. Это поднимет капот для следующего этапа - формирования вакуума.
Посыпать капот из МДФ тальком. Это предотвратит прилипание акрила в вакууме. Для вакуумного формования можно использовать любой цвет акрила толщиной 1-2 мм, но мы использовали прозрачный, чтобы мы могли видеть конструкцию турбины после ее сборки.
Далее, вычистите акрил поверх формы МДФ. Когда он остынет, используйте скальпель или острый нож, чтобы аккуратно обрезать дно. Вы должны остаться с красивым, аккуратным капюшоном.
Следующим этапом является изготовление вставки, которая прикрепит акриловый капот к вашей турбине.
Сначала нарисуйте круг того же диаметра, что и основание вашего капота (140 мм). Нарисуйте еще одну окружность посередине, диаметр которой равен диаметру вала турбины, в нашем случае 10 мм. Это будет основой, когда лазер вырезан из 2 мм прозрачного акрила. Приклейте гайку M10 к центру этого куска, убедившись, что отверстие в гайке центрировано по отверстию в акриле.
Затем лазер вырезал еще один круг меньшего диаметра (около 40 мм), снова с отверстием 10 мм в центре.
Привинтите большой круг к валу турбины, затем гайку M10, маленький круг и еще одну гайку. Затем вам нужно будет отрегулировать высоту маленького круга, намотав две гайки вверх и вниз. Вам нужно расположить два круга на правильном расстоянии, чтобы они оба касались внутренней части капота, когда он расположен над верхней частью вала. Затем измерьте расстояние между кругами и обрежьте кусок прозрачной пластиковой трубки до этой длины, убедившись, что он достаточно большой, чтобы поместиться над гайкой на большом круге.
Теперь просверлите четыре очень маленьких отверстия по бокам большого круга и просверлите отверстия, чтобы они совпали в обтекателе, образованном вакуумом. Капот затем можно прикрепить к кругу с помощью булавок и клея.
Шаг 10: Наружное кольцо
Внешнее кольцо окружает лопасти. Это еще одна важная часть, поскольку она помогает остановить изгиб лезвий, а также уменьшает «вихри на острие», являющиеся основным источником сопротивления. (Обратите внимание, что многие высокопроизводительные самолеты имеют крылышки, чтобы уменьшить это.)
Кольцо, как втулка и лезвия, может быть смоделировано в программе САПР, такой как Solidworks. Станок с ЧПУ, к которому у нас был доступ, слишком мал для обработки кольца, поэтому он был изготовлен с использованием лазерного резака из прозрачного акрила 4 мм.
Нарисуйте кольцо на вашем программном обеспечении САПР, сделав слоты, чтобы соответствовать концу лезвий. Используйте круговой рисунок эскиза, как со ступицей, чтобы все слоты были одинаковыми и в нужных местах. Вид кольца сверху вниз можно затем «напечатать» с помощью лазерного резака.
Вы также можете вырезать некоторые кольца с теми же диаметрами внутреннего и внешнего круга, что и раньше, но без прорезей, чтобы сделать закрытое кольцо.
Последнее, что нужно сделать, это собрать все детали для быстрого прототипирования, обработки на станках с ЧПУ и лазерной резки в программном обеспечении САПР, чтобы убедиться, что все собрано вместе, прежде чем вы это сделаете!
Шаг 11: Рамка
Это рама, которая скрепит все вместе.
Мы решили использовать перспекс для его жесткости, а также его прозрачность дает пользователю четкое представление о том, как каждая деталь связана.
Для создания этих деталей была сгенерирована серия чертежей САПР, которая затем превратилась в станок с ЧПУ для производства.
Эти файлы SolidWorks в комплекте с размерами.
Перед обработкой материала базовая форма каждого компонента должна быть обрезана по длине, ширине и высоте, чтобы подготовить их к обработке на станке с ЧПУ.
Как только это будет сделано, пришло время сверлить и продевать отверстия для крепления к раме.
Лучший способ добиться точности - начать с того, что скрепит всю раму.
Как только это будет сделано, вы можете начать, просверлив 8 отверстий от опор до опор.
Я достиг этого, поместив сверло диаметром 5 мм (размер отверстия) в сверло. Выровняйте отверстие с помощью сверла, закрепите устройство на стойке. Затем, после того как просверленное отверстие будет идеально выровнено, замените сверлильный элемент на 4 мм (на 1 мм меньше, для резьбы 5 мм) и просверлите 20 мм в материал.
Повторите этот процесс для 4 отверстий от основания в столбах. Там, где вы начинаете с 8 мм, затем двигайтесь вниз до 7 мм.
Как только это будет сделано, вы можете начать продевать отверстия. Вам понадобится кран m6 и m8.
Поместите опору в тиски, распылите отверстия с охлаждающей жидкостью и постучите по m6.
Повторите эти действия для столбов, используя кран m8.
Теперь найдите восемь 6-миллиметровых болтов и четыре 8-миллиметровых болта, которые нужно закрепить, а затем соединить вместе.
Финалист в
Сделай это настоящим испытанием
