Vi er andet år Produktdesign Ingeniørstuderende. Vores udfordring var at designe og bygge en turbine, som når den placeres i den vindtunnel, der leveres, ville generere mest strøm. Turbinen blev designet med ideen til at undervise gymnasieelever, hvor en række forskellige blades påvirker effektiviteten af en turbine ved varierende vindhastigheder, dermed de aftagelige knive og kanaler. Men hvis din turbine er til udendørs brug så vil en simpel konisk kanal blive mere effektiv. Dette kunne fremstilles hurtigt ved hjælp af tyndt plaster og superlim.
* UPDATE * Efter nogle stive konkurrence og milde eksplosioner kom vores turbine ud 3 og vandt os nogle af Tescos fineste boblende. Jeg ville sørge for, at din yderring er helt crackfri, da vores blæste op, når vi sprang i højeste hastighed!
forsyninger:
Trin 1: Gør kanalen
Kanalen, som styrer luftstrømmen fra ventilatorens udgang til turbineblade, er vigtig, da den maksimerer luftmængden, som passerer turbineblade, og forener luftstrømmen.
Dette er den enkleste del at producere, idet de krævede materialer er de mest grundlæggende, og det er det eneste stykke lavet uden brug af elektronisk udstyr.
Hvis din turbine ikke kræver en kanal, fortsæt til trin 6.
Du får brug for:
En skumblok
Mange, mange aviser
clingfilm
Tapetpasta
Malertape
2 store ark MDF (ca. 300 x 400 mm)
Hvid maling
Lak
Hot limpistolen
Trin 2: Skaff en stor skumblok
Denne skumblok er at danne en form, som vi senere vil papir-mache omkring for at skabe en hul shell. Dimensionerne af denne blok er 450x280x280 mm. Jeg producerede denne cuboid ved at sammenlimme 6 strimler skum 75 mm tykt ved hjælp af en varm limpistol.
Den form, vi skal danne ud af dette, er ret kompleks, og jeg har svært ved at visualisere. Derfor fandt jeg ud af, at slibning ned i en stor form var meget lettere end at forsøge at bygge den færdige form ud af målte strimler, men mere tidskrævende.
I den ene ende af blokken skal du markere midten og tegne en cirkel på 140 mm radius. I den anden ende af blokken markerer du et rektangel i samme bredde som blokken og 165 mm høj, igen at sørge for at den er centreret.
Begynd nu slibning. Jeg brugte en stor metalfil, men lavt sandpapir ville gøre tricket. Mens du sliber, skal du huske på, at midterbåndet i din form skal forblive næsten uberørt. Dette gør det muligt for de to sider at smelte sammen smidigt, som vist.
Ved slibning af den rektangulære side vil det være skummet over og under den form, som du fjerner, mens den ved den cirkulære ende vil være bredden af den blok, som vil blive reduceret, og eventuelle hjørner afrundet.
I de afsluttende faser skal du bruge et sandpapir med høj grit til at glatte formen.
Trin 3: Paper Mache
Da vores skimmelsvamp er lavet af porøst materiale, skal vi dække det med klæbende film for at forhindre, at papir-mache-kabinettet holder fast ved det. Jeg brugte omkring halvdelen af clingfilm til dette.
Vi skal skabe så glat en overflade som muligt for at sikre, at indersiden af vores kanal giver minimal turbulens. Den nemmeste måde at gøre dette på er at gå rundt omkredsen med klæbende film en gang, overlappe kanterne og derefter skære filmen og starte igen højere indtil hele formen (herunder top- og bundfladerne) er dækket. Denne teknik forhindrer ripples, der vises i filmen, når du forsøger at dække formen på én gang.
Nu for den sjove smule. Fyld en spand med 4 dele varmt vand og 1 del tapetgranuler (i den rækkefølge, ellers går det klumpet som jeg opdagede). Bland dette, indtil det danner en tyk pasta, derefter dypp strimler afis i pastaen og placere dem på kanalformen. Dæk sidens form, så sørg for at gå helt op til toppen og bunden, men lad de øverste og nederste overflader blive afdækket. Prøv at lave det første lag af strimler i samme retning, og derefter på lag to gør dem vinkelret. Gentag for 8 lag.
Trin 4: Fjernelse af kanalen
Da denne form er bredere i den ene ende og højere på den anden, kan vi ikke blot trække skumcentret ud. Vi skal skære papiret mache i halvdelen og derefter sætte de to halvdele igen, når skummet er fjernet. En skarp håndværkskniv eller skalpel virker.
Når skumformen er fjernet, vil skalen forvride. Dette gør det svært at klæbe sammen igen. Vores metode var ganske eksperimentel. Vi brugte en kombination af PVA lim træstøtter, hæfteklammer og metalvægte. Først dække den ene side af et stykke MDF, ca. 100 x 150 mm, med PVA lim. Juster de to halvdele af papir mache, og fastgør derefter MDF-støtten over snit. Hæftes langs hele længden af skæret og klemmer eller vægt det, indtil PVA tørrer. Gentag for den modsatte side.
Trin 5: Afsluttende trin
Nu har du en gennemført kanal til din vindtunnel, men den er stadig ret skrøbelig. For at gøre formen mere stiv understøtter varmt lim træ (eller lignende) rundt om de to åbne ender. For at finde dimensioner af støtteringen løb jeg et målebånd rundt omkredsen og beregnet diameteren. Tape og / eller klem papiret mache til træet for at sikre en nemmere pasform.
Dernæst belæg det indre og udvendige med 2 lakker. Dette beskytter ikke kun papirmassen fra fugt og forbedrer dets stivhed, men reducerer også turbulens, når kanalen er i brug.
Endelig: æstetik. Vi besluttede at male vores kanal en blank hvid til at holde fast i vores tema.
Trin 6: Bladdesign
Vi har adgang til en Rapid Prototype-maskine (eller "3D-printer"), så det gav os mulighed for at optimere vores blade design for at opnå så meget strøm som muligt.
Løftebaserede vindmøller er langt den mest effektive type, så vi besluttede at bruge en aerofoil (vinge) form anvendt i vindmøller, der allerede er fantasifuldt kaldet FX-83-W-108. Se http://worldofkrauss.com/foils/52
Denne aerofoil blev valgt, fordi den har et godt løft / trækforhold på 68.785. Det betyder, at for hver kraft det skaber i træk, skaber det 68.785 gange mere kraft i løft. Aerofoilen har også en bred vifte af angrebsvinkler, hvor den virker, fra -5 til +8 grader. Dybest set giver dette os bare en lille margin for fejl, når vi laver bladene.
Det første skridt i optimering af bladdesign er virkelig at beregne, hvor meget strøm der er i vinden. Da vores projekt indebar en vindtunnel, havde vi en mere eller mindre konstant vindhastighed. Formlen er:
Vindkraft = 0,5 * (lufttæthed) * (areal) * (vindhastighed) ^ 3
Dette giver strøm i Watts - sørg for at bruge S.I enheder (dvs. meter, kilogram, sekunder osv.)
- Lufttætheden ved havniveau ved 20 grader C er ca. 1.204 kgm -3
-Området refererer til det område, som møllen vil optage For vores design var dette området for enden af vores kanal, dvs. pi * 0,14 * 0,14 = 0,0616 kvadratmeter.
-Vindens hastighed er luftens hastighed gennem det område, turbinen vil optage. Som du kan se, er en lille stigning i vindhastigheden en stor stigning i strømmen.
Vi havde en vindhastighed på omkring 11 meter pr. Sekund og et areal på 0,0616 kvadratmeter, så det gav os kraften i vinden som omkring 50 watt.
På grund af noget, der hedder "Betz Limit", er den maksimale effekt, der kan udvindes fra vind med en turbine, 59,3% af denne vindkraft. Jeg vil ikke gå ind i årsagerne her, men du kan se det op, hvis du virkelig er interesseret …
Så nu har vi vores maksimale effektudgang som 59,3% af 50 watt, hvilket giver ca. 29 watt.
Dette tal forudsætter, at turbinen er 100% effektiv, hvilket er umuligt. De store hvide turbiner, du ser overalt, styrer i dag 75 - 85% effektivitet, hvilket er ganske imponerende. Vi er ikke så gode, så 50% effektivitet lyder rimeligt. Dette giver os den teoretiske effekt fra vores turbine som omkring 14 watt.
Næste bit er nogle flere matematikker desværre - men det er den sidste bit!
Hvad vi skal gøre nu, er at finde ud af, hvor store blades der skal være for at opnå vores beregnede effekt. Dette afhænger også af den hastighed, vi ønsker at turbinen skal rotere på.
Den aerofoil vi vælger fungerer bedst med en lufthastighed på ca. 22-30 meter pr. Sekund (50-70 mph), så vi skal sørge for, at turbinen springer hurtigt nok til at tillade det.
For at udarbejde bladets hastighed på et bestemt tidspunkt bruger vi:
U = ω * r
- U er bladets hastighed
- ω er rotationshastigheden i radianer pr. sekund
- r er radius i meter.
Vi valgte en omdrejningshastighed på 1500 omdr./min. At konvertere dette til radianer pr. Sekund, formere med 2 * pi, og divider derefter med 60;
(1500 * 2 * pi) / 60 = 157 radianer pr. Sekund
Knivspidserne har en radius på 140 mm fra deres rotationscenter (på grund af kanalens størrelse), så spidshastigheden vil være:
U = ω * r = 157 * 0,14 = 22 meter pr. Sekund
Så det er så hurtigt, at bladet bevæger sig gennem luften vinkelret på vinden. For at finde den samlede lufthastighed oplevet af bladet på spidsen bruger vi Pythagoras:
Total hastighed = √ ((U ^ 2) + V ^ 2)
U er spidshastigheden, målt tidligere som 22 meter pr. Sekund
V er vindhastigheden, beregnet før som 11 meter pr. Sekund
Så vi får en total lufthastighed på 24,6 meter pr. Sekund ved knivspidsen, hvilket er pænt midt i området for optimale hastigheder for vores luftfilt.
OK, næste den store ligning for at få vores bladområde:
Bladområde = Effekt / 0,5 * ρ * √ (U ^ 2 + V ^ 2) * (Cl UV-CdU ^ 2)
-Power er vindmølleffekten vi har beregnet før, 14 watt
- ρ er luftens tæthed igen omkring 1.204 kg pr. kubikmeter
-V er vindhastigheden i meter per sekund - i dette tilfælde 11m / s
-Du er bladets spidshastighed i meter pr. Sekund - i dette tilfælde 22m / s
-Cl er løftekoefficienten for vores luftfilt, som findes på databladet. Vores aerofoil har en løftekoefficient på 1.138
-Cd er trækkoefficienten, som er 0,01654
Så fra ligningen får vi det optimale bladområde for vores turbines hastighed og effekt på 0,003536 kvadratmeter.
Vi besluttede at have to blade (mere og de ville være meget små og skrøbelige), så det gav os hvert bladområde som 0.001768 kvadratmeter. Ved hjælp af en knivbredde på 2,5 cm får en bladlængde på ca. 7 cm.
Så nu har vi vores teoretiske effekt, vores turbines rotationshastighed, antallet af knive vi har brug for, og de dimensioner, som knivene skal være. Vi er næsten klar til at lave en CAD-model af bladene nu - der er bare en lille smule mere matematik først …
Den endelige ting, vi skal træne, er vinklen på knivene på forskellige punkter langs bladradiusen. Dette er af et par grunde - for det første fungerer aerofoilen bedst ved en "angrebsvinkel" på 5 grader. Det betyder, at knivene virker bedst, hvis de vippes op med 5 grader i retning af luftstrømmen. Den anden grund er, at bladene vil opleve luftstrømmen i forskellige vinkler langs bladets radius, da bladet bevæger sig hurtigere gennem luften ved sin spids, end det er ved roden.
For at beregne vinklen "α", som knivene skal ændres til vind fra deres kørselsretning, bruger vi:
a = 95 - tan ^ (- 1) (U / V)
-U er bladets hastighed ved en bestemt radius (U = ω * r)
-V er vindhastigheden, altid 11m / s i dette tilfælde
Da vores blade vil være 7 cm lange og have en maksimal radius på 14 cm, vil knivets rod være 7 cm fra omdrejningscentret. Så fra rod til spids er vinklerne:
Radius (m) V (m / s) U (m / s) α (grader)
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
OK, matematik er endelig færdig, og nu kan vi gå videre til næste trin - modellering af bladet i CAD-software.
Du kan bruge aerofoil koordinaterne fra hjemmesiden, gemme dem som en .txt fil, og derefter importere dem til Solidworks for at give aerofoil form. Når koordinaterne er gemt som en .txt-fil, skal du indsætte> kurve> kurve gennem xyz-punkter i Solidworks og indsætte din aerofoil-fil på en af de grundlæggende planer. Vælg derefter dette fly, klik på skitse af aerofoil, og vælg "convert entities." Dette kan derefter skaleres og roteres til en vis vinkel ved hjælp af værktøjslinjen "move entities".
Derefter skal du indsætte> referencegeometri> indsætte fly og indsætte 7 fly, hver med en afstand på 10 mm fra hinanden. Vælg hvert fly igen, klik på aerofoil form, og vælg "konverter enheder." Dette vil projicere aerofoil på hvert fly. Som før kan dette skaleres (vi brugte en skala på 2,5, for at gøre bladet 2,5 cm fra førende til bagkant), og du kan også rotere bladet til de vinkler, der er beregnet før.
Vælg derefter "lofted boss / base", og vælg alle de vinklede luftfiltprofiler. Dette vil give dig hoveddelen af bladet!
Alt, hvad der skal gøres nu, er at lave en "nøgle" for at lade bladet stikke ind i navet, og også et stykke i enden til spalten ind i den ydre ring. Disse kan begge gøres ved at skitsere på de relevante fly, og bruge værktøjet "ekstruder" til at gøre dem 3D.
Bladet er nu klar til hurtig prototyper!
Trin 7: Blade Casting
Når bladet har været hurtigt prototyperet, kan det støbes for at lave identiske kopier.
Først og fremmest skal bladet glattes og poleres. Mest hurtige prototypemaskiner udskriver kun med en nøjagtighed på ca. 0,25 mm, så bladet kommer ud ganske ret.
Dyk først bladet i methylethylketon (MEK). Dette vil bidrage til at udjævne nogle af ufuldkommenhederne. Påfør derefter et tyndt lag U-POL, eller andet kompatibelt fyldstof, for at udfylde ujævnheden, og fastgør eventuelle skævte kanter. Efter at fyldstoffet er tørret, sænk bladet meget omhyggeligt. Husk, at luftfiltens dimensioner og glathed er helt afgørende for, at det fungerer korrekt. Lette krusninger eller ændringer i formen af aerofoil vil ændre sin aerodynamiske ydeevne drastisk.
Gentag påfyldnings- og slibeprocessen, indtil bladet er perfekt glat, uden dybe ridser. Bladet kan nu primeres for at vise yderligere mangler, og slibningen / påfyldningen gentages, indtil bladet er glat og skinnende.
Bladet er nu klar til støbning.
For at lave støbeformen skal du finde (eller lave) en lille kasse, omkring en centimeter eller to større end bladet i hver retning.
Lim et lille stykke plastik langs hele kanten af bladet. Forkanten er den tykkere side af aerofoil sektionen. Lim derefter dette stykke plastik til bunden af din kasse.
Bland derefter nogle siliciumstøbevæske som på flaskeinstruktionerne, og udfyld kassen.
Når siliconen er tørret, kan kassen brydes fra hinanden, og bladet kan forsigtigt fjernes fra formen.
Nu kan du blande harpiks til at begynde at lave kopier af bladet. Proportionerne er normalt ca. 1: 1 harpiks til hardner. Det tager ikke lang tid at sætte, så det skal straks hældes i formen. Sørg for at rulle formen rundt for at sikre, at harpiksen når alle dele af støbeformen.
Efter ca. 15-20 minutter skal dit første blad være klar. Du må ikke være fristet til at fjerne bladet for tidligt - det kan virke som sagt nok, men bladet vil stadig være blødt, og vil vende lidt og ødelægge alle de vinkler, du så nødt til at træne!
Gentag denne proces for så mange blade som du vil. Vi gjorde 10 for at sikre, at vi havde masser at spare.
Så er det samme proces som før - påfyldning og slibning. Vi brugte "green stuff" modelleringsfiller til at udjævne de små bobler og ufuldkommenheder skabt i formen og poleret med fint kvalitet sandpapir. Bladene kan derefter sprøjtes med enhver farve, så længe det er glans, for at reducere friktionen med luften.
Bladene er (endelig!) Færdige.
Trin 8: Hub
Vores nav er designet til at blive CNC-fræset fra Perspex.
Det første skridt er at skitsere en cirkel med den korrekte diameter. I vores tilfælde var dette 140mm. Skitse derefter en lille cirkel i midten som et centerhul.
Skits derefter den samme "nøgle" form fra bunden af bladet, og brug dette til at skabe et cirkulært skitse mønster. Vi har kun brug for to knive, men vi skabte 8 identiske skitser for at muliggøre modifikation med forskellige knive, hvis det ønskes.
Dernæst ekstruder cirklen og skær tasterne til den korrekte dybde for at matche knivene. I vores var dette 16mm. Sørg for, at midterhullet går helt igennem.
Find derefter en passende størrelse af Perspex til CNC-bearbejdning. Den skal være tyk nok til at tillade lidt mere end dybden af slidserne, så alt fra 20-30 mm tykt er ideelt.
Når navet er bearbejdet, skal du bore centerhullet og trykke på (tråd) det. Vores turbine vil dreje mod uret, når den ses fra forsiden, så tråden bliver nødt til at være en venstre håndtråd for at sikre, at den strammer sig til akslen i stedet for at løsne sig selv! Størrelsen på hullet og slidbanen afhænger af størrelsen på den aksel, du bruger, men vi brugte en M10.
Trin 9: Cowl
Kabinen er vigtig, da den styrer luftstrømmen jævnt til knivene.
For at lave vores skind, først laminerede vi lag af MDF, der var 160x160mm, for at lave en stabel omkring 250mm i højden. PVA lim fungerer bedst for at holde det sammen, men du skal lade det klæbe natten over for at tørre.
Drej derefter MDF sandwichen på en træ drej drejebænk for at gøre kappen form. Diameteren i bunden er kritisk, så brug rystebender ofte for at sikre, at du ikke drejer for meget væk.
Når du har den rigtige form, skal du bruge sandpapir på drejebænken for at udjævne ujævnheder i kappen.
Tilføj derefter en lille blok af træ eller MDF, ca. 2-4 cm tyk, på bunden af kappformen. Denne blok skal være mindre end bundens overordnede diameter. Dette vil rejse kappen til næste trin - vakuumdannelse.
Støv over MDF-kappen med talkumpulver. Dette forhindrer, at akryl stikker i vakuumdannelsen. Du kan bruge enhver farve på 1-2 mm tykt akryl til vakuumdannelse, men vi brugte klare, så vi kunne se konstruktionen af turbinen, når den blev samlet.
Derefter dannes vakuum akryl over MDF form. Når det er afkølet, skal du bruge en skalpel eller skarp kniv til omhyggeligt at trimme rundt i bunden. Du skal være tilbage med en flot, pæn kappe.
Det næste skridt er at lave indsatsen, der fastgør akrylkappen til din turbine.
Først skal du tegne en cirkel med samme diameter som bunden af din kappe (140mm). Tegn en anden cirkel midt i denne, der er den samme diameter som turbineakslen, i vores tilfælde 10mm. Dette bliver bunden, når laser skæres fra 2 mm klar akryl. Lim en M10 møtrik på midten af dette stykke, så hullet i møtrikken er centreret på hullet i akryl.
Derefter skærer laser en anden cirkel med en mindre diameter (ca. 40 mm), igen med et 10 mm hul i midten.
Træk den store cirkel på turbineakslen, efterfulgt af en M10 møtrik, den lille cirkel og en anden møtrik. Du skal derefter justere højden af den lille cirkel ved at vikle de to møtrikker op og ned. Du er nødt til at få de to cirkler i den rigtige afstand, så de begge rører på indersiden af kappen, når den placeres over toppen af skaftet. Derefter måle afstanden mellem cirklerne og skære et stykke klart plastrør til den længde, så sørg for at den er stor nok til at passe over møtrikken på den store cirkel.
Bor nu fire meget små huller i siderne af den store cirkel, og bor huller for at matche i den vakuumformede kappe. Kappen kan derefter fastgøres til cirklerne med stifter og lim.
Trin 10: Yderring
Den ydre ring omgiver bladene. Dette er en anden vigtig del, da det hjælper med at stoppe knivene bøjning og reducerer også "tip vortices", en stor kilde til træk. (Bemærk at mange højtydende fly har winglets for at reducere dette.)
Ringen, som nav og knive, kan modelleres på et CAD-program som Solidworks. Den CNC-maskine, som vi havde adgang til, er for lille til at maskine ringen, så den blev fremstillet ved hjælp af en laserskærer, fra 4 mm klar akryl.
Tegn ringen på din CAD-software, hvilket gør slots til at passe til enden af bladene. Brug et cirkulært skitse mønster som med navet for at få alle slots identiske og på de rigtige steder. Ringets top-down-visning kan derefter "printes" ved hjælp af en laserskærer.
Du kan også skære nogle ringe med samme indre og ydre cirkeldiameter som før, men uden slidserne, for at lave en lukket ring.
Det sidste, der skal gøres, er at samle alle dele til hurtig prototyping, CNC-bearbejdning og laserskæring på din CAD-software, for at sikre, at alt passer til hinanden, før du gør det!
Trin 11: Rammen
Dette er rammen, som vil holde alt sammen.
Vi har valgt at bruge perspex for sin stivhed, og også dets gennemsigtighed giver brugeren et klart syn på, hvordan hver del er forbundet.
For at skabe disse dele er der genereret en række CAD tegninger, der fremmer en CNC-maskine til fremstilling.
Disse solidworks-filer er komplette med dimensioner.
Før materialet er bearbejdet, skal den grundlæggende form af hver komponent skæres i længde, bredde og højde, klar til CNC-maskinen.
Når dette er gjort, er det tid til at bore og tråde hullerne til at fastgøre for at ramme.
Den bedste måde at score nøjagtigheden på er at starte ved at klemme hele rammen sammen.
Når dette er gjort, kan du starte med at bore de 8 huller fra søjlerne til støtterne.
Måden jeg opnåede på dette er at placere et 5 mm bore stykke (hullets størrelse) i boret. Løft hullet med borestykket, klem apparatet til søjleboringen. Så når borehullet er perfekt justeret, skift borestykket til 4 mm (1 mm mindre klar til 5 mm tråd) og bore 20 mm ind i materialet.
Gentag denne proces for de 4 huller fra bunden til søjlerne. Hvor du starter med en 8 mm, så bevæg dig ned til et 7 mm stykke.
Når dette er gjort, kan du begynde at tråde hullerne. Du skal bruge en m6 & m8 tap.
Placer støtten i en skrue, sprøjt hullerne med kølemiddel og tryk med m6.
Gentag for søjlerne ved brug af m8-tapen.
Find nu otte 6 mm bolte og fire 8 mm bolte for at fastgøre så rammen sammen.
Finalist i
Gør det rigtigt udfordring
