Ние сме втора година от студентите по Инженерно проектиране. Нашето предизвикателство беше да проектираме и изградим турбина, която, ако бъде поставена в аеродинамичния тунел, ще генерира най-голяма мощност. Турбината е проектирана с идеята да учат учениците от гимназията как разнообразието от различни бройки остриета влияе върху ефективността на турбината при различни скорости на вятъра, а оттук и на сменяемите остриета и тръби. Въпреки това, ако вашата турбина е за използване на открито, тогава просто коничен канал ще бъде по-ефективен. Това може да се произведе бързо с помощта на тънкослойна пластмаса и суперклея.
* UPDATE * След известна ожесточена конкуренция и леки експлозии, турбината ни излезе на 3-то място и ни спечели някои от най-хубавите мехурчета на Tesco. Бих се уверил, че външният ви пръстен е напълно свободен от пукнатини, тъй като нашият взривяваше при въртене на най-високата си скорост!
градина:
Стъпка 1: Създаване на канал
Каналът, който насочва въздушния поток от изхода на вентилатора към лопатките на турбините, е важен, тъй като той увеличава обема на въздуха, който преминава през лопатките на турбината, и обединява въздушния поток.
Това е най-простата част за производство, тъй като необходимите материали са най-основни и това е единственото парче, направено без използване на електронно оборудване.
Ако вашата турбина не изисква канал, преминете към стъпка 6.
Ще имаш нужда:
Блок от пяна
Много, много вестници
Clingfilm
Тапети за тапети
Самозалепваща лента
2 големи листа от MDF (приблизително 300 x 400 mm)
Бяла боя
лак
Пистолет за горещо лепило
Стъпка 2: Придобийте голям блок от пяна
Този блок от пяна трябва да образува матрица, която по-късно ще отпечатаме, за да създадем куха черупка. Размерите на този блок са 450x280x280 мм. Аз изработих този кубоид, като залепих 6 ленти с пяна с дебелина 75 мм с помощта на горещ пистолет за лепило.
Формата, която ще формираме от това, е доста сложна и ми беше трудно да визуализирам. Затова открих, че шлайфането на голяма форма е много по-лесно, отколкото да се опитва да изгради завършената форма от измерените ленти, но отнема повече време.
В единия край на блока маркирайте центъра и начертайте кръг с радиус от 140 mm. От другата страна на блока маркирайте правоъгълник със същата ширина като блока и 165 мм височина, отново се уверете, че е центриран.
Сега започнете шлайфане. Използвах голям метален файл, но шкурка с ниско съдържание на песъчинки щеше да свърши работа. Докато шлайфате, трябва да имате предвид, че средната лента на вашата форма трябва да остане практически недокосната. Това позволява двете страни да се сливат плавно заедно, както е показано на снимката.
Докато шлайфате правоъгълната страна, тя ще бъде пяната над и под формата, която премахвате, докато при кръговия край тя ще бъде ширината на блока, която ще бъде намалена, и всички ъгли закръглени.
В последния етап, използвайте шкурка с висока степен на песъчинки, за да изгладите формата.
Стъпка 3: Хартия Маше
Тъй като нашата матрица е изработена от порест материал, трябва да я покрием с филм, за да предотвратим залепването на корпуса на хартията. За тази цел използвах около половин ролка филм.
Трябва да създадем колкото е възможно по-гладка повърхност, за да сме сигурни, че вътрешността на нашия канал произвежда минимална турбуленция. Най-лесният начин да направите това е да заобиколите обиколката с прилепващ филм веднъж, да припокриете ръбовете, след това да изрежете филма и да започнете отново нагоре, докато цялата форма (включително горната и долната повърхност) се покрие. Тази техника предотвратява вълничките, които се появяват във филма, когато се опитвате да покриете фигурата наведнъж.
Сега за забавната част. Напълнете една кофа с 4 части гореща вода и 1 част гранули (в този ред, в противен случай тя става бучка, както аз открих). Смесва се, докато се образува гъста паста, след което се потапят лентички от вестници в пастата и се поставят върху тръбната форма. Покрийте страните на формата, като се погрижите да стигнете до горния и долния ръб, но оставете горната и долната повърхност непокрити. Опитайте се да направите първия слой ленти в същата посока, а след това на два слоя ги направете перпендикулярни. Повторете за 8 слоя.
Стъпка 4: Премахване на въздуховода
Тъй като тази форма е по-широка в единия край и по-висока в другата, не можем да извадим центъра на пяната. Трябва да изрежем хартиената маше на половина и след това да прикрепим двете половини, след като пяната бъде отстранена. Ще работи остър нож или скалпел.
След като пяната се премахне, черупката ще се изкриви. Това прави трудно залепването обратно. Нашият метод беше доста експериментален. Използвахме комбинация от PVA лепило дървени подпори, скоби и метални тежести. Първо, покрийте едната страна на парче MDF, грубо 100 х 150 мм, с PVA лепило. Реализирайте двете половини хартия маше, а след това прикрепете MDF опората през разреза. Сшийте по цялата дължина на разреза и след това го затегнете или натегнете, докато PVA изсъхне. Повторете за противоположната страна.
Стъпка 5: Последни стъпки
Сега имате завършен канал за вашия аеродинамичен тунел, но той все още е доста крехък. За да стане формата по-твърда, горещото лепило дървени (или подобни) опори около двата отворени края. За да открием размерите на опорния пръстен, изкарах мерителна лента около обиколката и изчислих диаметъра. Залепете и / или затегнете хартиеното маше към дървото, за да се осигури плътно прилягане.
След това покрийте интериора и екстериора с 2 слоя лак. Това не само предпазва хартията от влага и подобрява нейната твърдост, но също така намалява турбуленцията, когато каналът се използва.
Накрая: естетика. Решихме да нарисуваме нашия канал лъскав бял, за да запазим темата си.
Стъпка 6: Дизайн на острието
Имаме достъп до машина за бърз прототип (или „3D принтер“), така че това ни даде възможност да оптимизираме дизайна на острието, за да постигнем колкото е възможно повече енергия.
Вятърните турбини, базирани на асансьори, са далеч от най-ефективния тип, затова решихме да използваме форма на крило (крило), използвана вече във вятърните турбини, въображението FX-83-W-108. Вижте http://worldofkrauss.com/foils/52
Този аеродинамичен профил е избран, защото има добро съотношение Lift / Drag от 68.785. Това означава, че за всяка сила, която създава в драг, тя създава 68.785 пъти по-голяма сила в асансьора. Аеродинамиката има широк диапазон от ъгли на атака, в които работи, от -5 до +8 градуса. По принцип това ни дава само малко място за грешки, когато правим остриета.
Първата стъпка в оптимизирането на дизайна на острието е да изчислим колко енергия има вятърът. Тъй като нашият проект включваше аеродинамичен тунел, имахме повече или по-малко постоянна скорост на вятъра. Формулата е:
Сила на вятъра = 0.5 * (плътност на въздуха) * (площ) * (скорост на вятъра) ^ 3
Това дава мощност във ватове - уверете се, че използвате единици S.I (т.е. метри, килограми, секунди и т.н.)
- Плътността на въздуха на морското равнище при 20 градуса С е около 1,204 кгм -3
- Районът се отнася до площта, която турбината ще заема. За нашия дизайн това беше областта на края на нашия канал, т.е. pi * 0.14 * 0.14 = 0.0616 квадратни метра.
- Скоростта на вятъра е скоростта на въздуха през зоната на турбината. Както виждате, малкото увеличение на скоростта на вятъра прави голямо увеличение на мощността.
Имахме скорост на вятъра около 11 метра в секунда и площ от 0.0616 квадратни метра, така че това ни даде силата на вятъра като около 50 вата.
Поради нещо, наречено „Betz Limit“, максималната възможна мощност, която може да бъде извлечена от вятъра от турбина, е 59.3% от тази вятърна енергия. Няма да се занимавам с причините тук, но можете да го потърсите, ако наистина се интересувате …
Така че сега имаме максималната възможна мощност като 59.3% от 50 вата, което дава около 29 вата.
Този брой предполага, че турбината е 100% ефективна, което е невъзможно. Големите бели турбини, които виждате навсякъде по тези места, успяват да постигнат 75 - 85% ефективност, което е доста впечатляващо. Ние не сме толкова добри, така че 50% ефективност звучи разумно. Това ни дава теоретичната мощност на турбината от около 14 вата.
Следващата част е още малко математика, но това е последната част!
Това, което трябва да направим сега, е да определим колко големи трябва да бъдат ножовете, за да постигнем нашата изчислена изходна мощност. Това зависи и от скоростта, с която искаме турбината да се върти.
Аеродинамиката, която избрахме, работи най-добре с въздушна скорост от около 22-30 метра в секунда, така че трябва да сме сигурни, че турбината ще се върти достатъчно бързо, за да позволи това.
За да определим скоростта на острието в определена точка, използваме:
U = ω * r
- U е скоростта на острието
- ω е скоростта на въртене в радиани в секунда
- r е радиусът в метри.
Избрахме скорост на въртене 1500 об / мин. За да преобразувате това в радиани в секунда, умножете по 2 * pi и след това разделете на 60;
(1500 * 2 * pi) / 60 = 157 радиана в секунда
Накрайниците на лопатките ще имат радиус от 140 mm от центъра на въртене (поради размера на канала), така че скоростта на върха ще бъде:
U = ω * r = 157 * 0.14 = 22 метра в секунда
Така бързо се движи острието през въздуха, перпендикулярно на вятъра. За да открием общата въздушна скорост, наблюдавана от острието на върха, използваме Pythagoras:
Обща скорост = √ ((U ^ 2) + V ^ 2)
U е скоростта на върха, измерена по-рано като 22 метра в секунда
V е скоростта на вятъра, изчислена преди като 11 метра в секунда
Така получаваме обща въздушна скорост от 24,6 метра в секунда при върха на острието, което е добре в средата на оптималните скорости за нашия аерофил.
Добре, следващото голямо уравнение, за да се получи нашата област на острието:
Област на острието = Мощност / 0.5 * ρ * √ (U ^ 2 + V ^ 2) * (Cl UV-CdU ^ 2)
-Силата е мощността на вятърната турбина, която сме изчислили преди, 14 Вата
- ρ е плътността на въздуха, отново около 1,204 kg на кубичен метър
-V е скоростта на вятъра в метри в секунда - в този случай 11m / s
-U е скоростта на върха на ножовете в метри в секунда - в този случай 22m / s
-Cl е коефициентът на повдигане за нашия аерофил, намерен на информационния лист. Нашият аеродинамик има коефициент на повдигане от 1.138
-Cd е коефициентът на съпротивление, който е 0.01654
Така че от уравнението получаваме оптималната площ на острието за скоростта и мощността на турбината ни да бъдат 0,003536 квадратни метра.
Решихме да имаме две остриета (повече и те ще бъдат много малки и крехки), така че това ни даваше всяка площ на ножата 0.001768 квадратни метра. Използването на ширина на острието от 2.5см дава дължина на острието от около 7см.
Така че сега имаме нашата теоретична мощност, скорост на въртене на турбината, броя на лопатките, от които се нуждаем, и размерите, които трябва да бъдат остриета. Почти сме готови да направим CAD модел на остриета сега - има само малко повече математика…
Последното нещо, което трябва да изработим, е ъгълът на лопатките в различни точки по радиуса на острието. Това е поради няколко причини - първо, аеродинамиката работи най-добре при "ъгъл на атака" от 5 градуса. Това означава, че остриетата ще работят най-добре, ако са наклонени с 5 градуса спрямо посоката на въздушния поток. Втората причина е, че лопатките ще изпитат въздушен поток под различни ъгли по радиуса на острието, тъй като острието се движи по-бързо през въздуха на върха си, отколкото в основата.
За изчисляване на ъгъла „α“, че лопатките трябва да се превърнат във вятър от посоката на движение, ние използваме:
α = 95 - tan ^ (- 1) (U / V)
-U е скоростта на острието при определен радиус (U = ω * r)
-V е скоростта на вятъра, винаги 11m / s в този случай
Тъй като нашите остриета ще бъдат с дължина 7 см и с максимален радиус 14 см, коренът на острието ще бъде 7 см от центъра на въртене. Така че от корен до връх ъглите са:
Радиус (m) V (m / s) U (m / s) α (градуси)
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
Добре, математиката най-накрая е направена и сега можем да преминем към следващата стъпка - моделиране на острието в CAD софтуера.
Можете да използвате координатите на аерофила от уебсайта, да ги запишете като .txt файл и след това да ги импортирате в Solidworks, за да придадете формата на аеродинамиката. След като координатите бъдат запазени като .txt файл, преминете към insert> curve> curve чрез xyz точки в Solidworks и вмъкнете файла с аерофил към една от основните равнини. След това изберете тази равнина, щракнете върху скицата на аерофила и изберете "конвертиране на обекти". След това може да се мащабира и завърта до определен ъгъл, като се използва лентата с инструменти "преместване на единици".
След това отидете да вмъкнете> референтна геометрия> вмъкнете равнини и вмъкнете 7 равнини, всеки на разстояние 10 мм един от друг. Изберете всяка равнина на свой ред, щракнете върху формата на аеродинамиката и изберете „преобразуване на обекти“. Както и преди, това може да бъде скалирано (използвахме скала от 2.5, за да направим острието 2.5cm от водещия към задния ръб) и можете също да завъртите острието до изчислените преди това ъгли.
След това изберете “lofted boss / base” и изберете всички профили с под ъгъл. Това ще ви даде основната част от острието!
Всичко, което остава да се направи сега, е да се направи "ключ", за да се позволи на острието да влезе в главината, а също така и част в края, за да влезе във външния пръстен. И двете могат да бъдат направени чрез скициране на съответните равнини и използване на инструмента „изтласкване“, за да се направят 3D.
Ножът вече е готов за бързо прототипиране!
Стъпка 7: Леене на остриета
След като острието е бързо прототипирано, то може да бъде хвърлено за създаване на идентични копия.
Преди всичко обаче острието трябва да бъде изгладено и полирано. Повечето машини с бързи прототипи печатат само с точност от около 0,25 мм, така че острието ще излезе доста грубо.
Първо, натопете острието в метил етил кетон (МЕК). Това ще помогне да се изгладят някои от недостатъците. След това нанесете тънък слой U-POL или друг съвместим пълнител, за да запълните грапавостта и фиксирайте назъбените ръбове. След като пълнежът изсъхне, острието на перото е много внимателно. Не забравяйте, че размерите и гладкостта на аеродинамичната част са абсолютно критични за правилната му работа. Леките вълни или промените във формата на аеродинамиката ще променят драстично аеродинамичните му характеристики.
Повторете процеса на пълнене и шлайфане, докато острието е напълно гладко, без дълбоки драскотини. Сега острието може да се грундира, за да се покажат допълнителни несъвършенства, а шлайфането / пълненето се повтаря, докато острието е гладко и лъскаво.
Сега острието е готово за леене.
За да направите матрицата, трябва да намерите (или да направите) малка кутия, около един сантиметър или два по-голяма от острието във всяка посока.
Залепете малко парче пластмаса по цялата страна на предния ръб на острието. Водещият ръб е по-дебелата страна на аеродинамичната секция. След това залепете това парче пластмаса на дъното на кутията.
След това смесете някаква течност с силиконово леене, както на указанията на бутилката, и попълнете кутията.
Когато силицийът се изсуши, кутията може да се счупи, а острието да се отстрани внимателно от матрицата.
Сега можете да смесвате смолата, за да започнете да правите копия на острието. Пропорциите обикновено са около 1: 1 смола до твърда. Задаването му не отнема много време, затова трябва веднага да се излее в матрицата. Уверете се, че сте преобърнали матрицата, за да се уверите, че смолата достига до всяка част на матрицата.
След около 15-20 минути, първото острие трябва да е готово. Не се изкушавайте да извадите острието твърде рано - може да изглежда достатъчно, но острието все още ще е меко и ще се изкриви леко, съсипвайки всички онези ъгли, на които сте се наслаждавали.
Повторете този процес за колкото искате ножове. Направихме 10, за да сме сигурни, че разполагаме с много.
Тогава е същият процес, както преди - пълнене и шлайфане. Използвахме пълнител за моделиране на „зелени неща“, за да изгладим малките мехурчета и несъвършенства, създадени в матрицата, и полираме с фина шкурка. След това остриетата могат да бъдат боядисани с какъвто и да е цвят, стига да има блясък, за да се намали триенето с въздуха.
Ножовете са (накрая!) Завършени.
Стъпка 8: Концентратор
Нашият център беше проектиран да бъде CNC фрезован от Perspex.
Първата стъпка е да се очертае кръг с правилния диаметър. В нашия случай това беше 140мм. След това начертайте малък кръг в средата като централна дупка.
След това начертайте същата „клавишна“ форма от дъното на острието и използвайте това, за да създадете кръгъл скица. Нуждаем се само от две остриета, но създадохме 8 еднакви скици, за да можем да ги модифицираме с различни остриета.
След това изтръгнете кръга и изрежете ключовете до правилната дълбочина, за да съответстват на остриетата. В нашата това беше 16мм. Уверете се, че централният отвор преминава през целия път.
След това намерете подходящ размер Perspex за обработка с ЦПУ. Той трябва да е достатъчно дебел, за да позволи малко повече от дълбочината на слотовете, така че всичко от около 20-30мм дебелина е идеално.
След като главината се обработи, ще трябва да пробиете отвора и да я докоснете (нишката). Нашата турбина ще се върти обратно на часовниковата стрелка, когато се гледа отпред, така че конецът трябва да бъде лява резба, за да се увери, че се стяга към вала, вместо да се отвинтва! Размерът на отвора и протектора зависи от размера на вала, който използвате, но ние използвахме M10.
Стъпка 9: Качулка
Капакът е важен, тъй като насочва въздушния поток плавно към ножовете.
За да направим нашия качулка, първо наслоехме слоеве от MDF, които бяха 160x160mm, за да направим купчина с височина около 250 mm. PVA лепилото работи най-добре за залепването му заедно, но ще трябва да го оставите закрепени за една нощ, за да изсъхне.
След това натрупайте сандвич с MDF върху дървообработващ струг, за да направите формата на качулката. Диаметърът на дъното е от решаващо значение, затова често използвайте чекмеджета, за да сте сигурни, че няма прекалено много струг.
След като имате правилната форма, използвайте шкурка на струга, за да изгладите неравностите в качулката.
След това добавете малък блок от дърво или MDF, с дебелина около 2-4 см, върху основата на формата на качулката. Този блок трябва да бъде по-малък от общия диаметър на основата. Това ще повдигне кожуха за следващия етап - вакуумно формоване.
Прах върху качулката с MDF с талк. Това ще предотврати залепването на акрила във вакуумната форма. Можете да използвате всеки цвят от акрил с дебелина 1-2мм за вакуумно формоване, но използвахме ясен, така че да можем да видим конструкцията на турбината, след като бъде сглобена.
След това вакуумът образува акрила над формата на MDF. След като се охлади, използвайте скалпел или остър нож, за да подстригвате внимателно около дъното. Трябва да останете с хубав, чист качулка.
Следващият етап е да направите вложката, която ще прикрепи акриловия кожух към вашата турбина.
Първо начертайте кръг със същия диаметър като основата на качулката (140мм). Начертайте друг кръг в средата на този, който е със същия диаметър като турбинния вал, в нашия случай 10мм. Това ще бъде основата при лазерно изрязване от 2мм прозрачен акрил. Залепете M10 гайка към центъра на тази част, като се уверите, че дупката в гайката е центрирана върху отвора в акрила.
След това лазерът наряза друг кръг с по-малък диаметър (около 40 мм), отново с 10 мм дупка в центъра.
Поставете големия кръг на вала на турбината, последван от гайка М10, малкия кръг и друга гайка. След това ще трябва да регулирате височината на малкия кръг, като навиете двете гайки нагоре и надолу. Трябва да получите двете кръгове на правилното разстояние, така че и двамата да докосват вътрешността на качулката, когато се поставят над върха на вала. След това измерете разстоянието между кръговете и изрежете парче прозрачна пластмасова тръба на тази дължина, като се уверите, че тя е достатъчно голяма, за да се побере над гайката на големия кръг.
Сега пробийте четири много малки дупки в страните на големия кръг и пробийте дупки, за да съвпаднат във вакуума. След това качулката може да бъде прикрепена към кръговете с щифтове и лепило.
Стъпка 10: Външен пръстен
Външният пръстен обгражда лопатките. Това е друга важна част, тъй като помага за спиране на огъването на ножовете и също така намалява "върховете на върха", като основен източник на съпротивление. (Забележете, че много високопроизводителни самолети имат крила за намаляване на това.)
Пръстенът, подобно на хъба и ножовете, може да бъде моделиран по CAD програма като Solidworks. Машината с ЦПУ, до която имахме достъп, е твърде малка, за да обработи пръстена, така че е произведена с помощта на лазерен нож, от 4 мм чист акрил.
Начертайте пръстена на вашия CAD софтуер, като направите слотове, за да съответстват на края на ножовете. Използвайте кръгъл скица като с хъба, за да получите всички идентични слотове и на правилните места. Изгледът на пръстена отгоре-надолу може след това да бъде "отпечатан" с помощта на лазерен нож.
Можете също да изрежете някои пръстени със същия вътрешен и външен диаметър на кръга, както преди, но без слотовете, за да направите затворен пръстен.
Последното нещо, което трябва да направите, е да сглобите всички части за бързо прототипиране, CNC обработка и лазерно рязане на вашия CAD софтуер, само за да се уверите, че всичко съвпада преди да го направите!
Стъпка 11: Рамката
Това е рамката, която ще държи всичко заедно.
Ние избрахме да използваме плексиглас за неговата твърдост, а също така и прозрачността му дава на потребителя ясна представа за това как всяка част е свързана.
За създаването на тези части са създадени поредица от CAD чертежи, които се развиват в CNC машина за производство.
Тези твърди файлове са пълни с размери.
Преди да се обработи материалът, основната форма на всеки компонент трябва да бъде нарязана на дължина, ширина и височина, готова за машината с ЦПУ.
След като това е направено, е време да пробиете и навиете дупките за закрепване към рамката.
Най-добрият начин да постигнете точност е да започнете с едновременно затягане на цялата рамка.
След това можете да започнете с пробиване на 8-те дупки от колоните към опорите.
Начинът, по който постигнах това, е да поставите 5мм пробивна част (размерът на отвора) в свредлото. Подравнете отвора със свредлото, затегнете устройството към перфоратора. След като веднъж дупката е перфектно подравнена, сменете свредлото на 4 мм (с 1 мм по-малка готова за 5мм резба) и пробийте 20 мм в материала.
Повторете този процес за 4-те отвора от основата в колоните. Когато започнете с 8мм, след това преминете надолу до 7мм.
След като това стане, можете да започнете да пробивате дупките. Ще ви е необходим кран m6 & m8.
Поставете опората в тик, напръскайте отворите с охлаждаща течност и докоснете с m6.
Повторете това за стълбовете, като използвате кранчето m8.
Сега намерете осем 6мм болта и 4 8мм болта, за да затегнете рамката заедно.
Финалист в
Направете това предизвикателство
