Лопасти из ПВХ труб – расчет лопастей ветрогенератора

Содержание
  1. Что представляет собой ветрогенератор?
  2. Как работает простой ветрогенератор?
  3. Как определить мощность ВЭУ?
  4. Виды ветрогенераторов
  5. Вертикальные
  6. Горизонтальные
  7. Виды лопастей
  8. Выбор материала
  9. Какая форма лопасти является оптимальной?
  10. Как рассчитать лопасти?
  11. Материал для изготовления
  12. Трубы ПВХ
  13. Алюминий
  14. Стекловолокно
  15. Древесина
  16. Как сделать своими руками
  17. Из ПВХ трубы
  18. Из стеклопластика
  19. Принципы изготовления лопастей для ветрогенератора своими руками
  20. Материалы и инструменты
  21. Чертежи и расчеты
  22. Изготовление из пластиковых труб
  23. Выполнение лопастей из алюминиевых заготовок
  24. Винт из стекловолокна
  25. Как сделать лопасть из древесины?
  26. Что потребуется для изготовления простых лопастей ветрогенератора:
  27. Процесс изготовления лопастей
  28. Вычисление подъемной силы и силы напора
  29. Факторы, влияющие на КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра)
  30. Высокоскоростные ветряки (за и против)
  31. Технологические особенности сборки ВЭУ
  32. Разметка ПВХ трубы
  33. Как разметить заготовку?
  34. Порезка ПВХ трубы
  35. Особенности сборки деталей
  36. Как это сделать?

Что представляет собой ветрогенератор?

Ветрогенератор представляет собой турбину с закрепленным на ней ветряным колесом и флюгером. Конструкция крепится на крышах домов при помощи специальной мачты или металлического штатива. Достаточно простое устройство позволяет трансформировать естественную энергию ветра в электричество.
Чтобы сделать свою мини электростанцию с неплохим показателем КПД, нужно правильно рассчитать мощность ВЭУ. Данный параметр во многом определяется размером лопастей, от которых зависит сопротивляемость конструкции воздушным массам и, как следствие, количество вырабатываемой электроэнергии.

Как работает простой ветрогенератор?

Существует два типа ветрогенераторов:

  • горизонтальные
  • вертикальные

Разница состоит в расположении оси вращения. Наиболее производительными считаются горизонтальные конструкции, напоминающие своими формами самолет с пропеллером. Винт — это крыльчатка ветряка, хвост — устройство наведения на поток ветра, автоматически разворачивающее ось по направлению движения воздуха.

При воздействии ветра на крыльчатку возникает вращающий момент, передающийся на ось генератора. В его обмотках возбуждается электроток, который заряжает аккумуляторные батареи. Они, в свою очередь, отдают заряд на инвертор, изменяющий параметры тока и выдающий на потребляющие приборы стандартное напряжение 220 В 50 Гц.

Существуют более простые комплексы, где с генератора запитываются сразу потребители, но такая система никак не защищена от скачков или пропадания напряжения. Вариант используется только для освещения или привода насосов, качающих воду.

Как определить мощность ВЭУ?

Мощность ветряка напрямую зависит от количества лопастей в устройстве, их размеров и диаметра ветряного колеса. Данная зависимость продемонстрирована в таблице ниже, благодаря которой можно определить линейные параметры составляющих ветряка и производимой ими потребной мощности.


Оптимальным вариантом конструкции для самостоятельной сборки лопастей из ПВХ трубы станет ветряк парусного типа. Однако следует учесть, что при вращении лопастей и самого ветряного колеса не будут задействованы законы аэродинамики. Иными словами, импульсом для вращения мобильных частей устройства станет только давление воздушных масс. КПД парусного ВЭУ составит только 10-12% от ветровой энергии, которая воздействовала на конструкцию.
Более удачным вариантом ветряка с большим коэффициентом полезного действия станет ВЭУ крыльчатого типа. Лопасти устройства имеют неодинаковую площадь, за счет этого создается разница давления воздушных масс, действующих на крылья с обеих сторон. Таким образом, при вращении мобильных частей ветряка удается задействовать аэродинамическую силу. Благодаря этому КПД ветрогенератора возрастает на 30-40%.

Виды ветрогенераторов

Они классифицируются по особенностям технического исполнения, что сказывается на функционале и возможностях.

Вертикальные

В зависимости от того, какой тип ротора и лопастей используется, вертикальные ветрогенераторы могут быть ортогональными, подвида савониуса, многолопастными (здесь присутствует направляющий механизм), дарье, геликойдными. Главным преимуществом устройств является тот факт, что их не нужно корректировать относительно ветра, они хорошо работают при любом его направлении. Поэтому они не оснащаются устройствами, улавливающими воздушные потоки.

Благодаря простоте агрегаты можно размещать на земле, по сравнению с горизонтальными вариантами, изготовить своими руками лопасти для такого ветрогенератора будет гораздо проще. Минусом является невысокая производительность вертикальных моделей, сфера применения ограничена из-за их недостаточного КПД.

Горизонтальные

Здесь варьируется количество лопастей. Самую высокую скорость проявляют однолопастные экземпляры, если сравнивать с трехлопастными, при идентичной силе ветра они крутятся примерно в 2 раза быстрее. КПД горизонтальных моделей существенно превышает производительность вертикальных.

Ветрогенераторы с горизонтальной осью

Горизонтально-осевая ориентация имеет уязвимость – ее работоспособность привязана к направлению ветра, поэтому устройство оснащается дополнительными механизмами, улавливающими движение воздушных потоков.

Виды лопастей

В зависимости от типа ветрового генератора, вид лопастей используемых в каждом конкретном случае, может меняться, но основные конструкции соответствуют следующим типам.

1.Крыльчатого вида – используются в установка с горизонтальной и вертикальной осью вращения и могут изготавливаться из жестких материалов.

2.Парусного вида, могут быть крыльчатой формы и изготавливаться с применением мягких материалов:

3.Плоские – в виде лопастей мельницы, объединяют в себе оба выше приведенных вида, и могут быть изготовлены из легкого и прочного материала (фанера, пластик и т.д.).

Выбор материала

Для изготовления лопастей используются различные материалы, главными требованиями, предъявляемые к ним, являются следующие:

  • Прочность – способность выдерживать постоянные нагрузки, обусловленные воздействием ветровых потоков;
  • Малый вес – увеличивает срок службы узлов и механизмов аппарата (подшипники, растяжки и т.д.);
  • Стойкость по отношению к атмосферным явлениям (осадки, солнечный свет, температура окружающего воздуха).

Всем, выше перечисленными требованиям, соответствуют: стекловолокно, композитные материалы, пластик и легкие металлы (алюминий, титан и прочие).

Выбор материала осуществляет производитель, в соответствии с экономической целесообразностью, наличием материала на соответствующем рынке, а также трудоемкости его обработки в процессе выполнения работ.

Какая форма лопасти является оптимальной?

Основной элемент горизонтального ветряка — крыльчатка. Она больше всего напоминает пропеллер, хотя выполняет абсолютно противоположные функции. Лопасти принимают на себя энергию воздушного потока, перерабатывая ее во вращательное движение. От их конфигурации напрямую зависит эффективность работы крыльчатки и всего комплекта в целом.

Горизонтальные устройства имеют крыльчатки, снабженные большим количеством лопастей. Обычно их больше 3. В этом вопросе существует зависимость числа лопастей от производительности. Дело в том, что с возрастанием числа принимающих плоскостей падает мощность крыльчатки, а с убыванием — чувствительность. Поэтому выбирают «золотую середину», принимая среднее число лопастей.

Важно! Большое число лопастей увеличивает фронтальную нагрузку на устройство, создавая опрокидывающее усилие на основании мачты и сильное осевое давление на крыльчатку, разрушающее подшипники генератора.

На практике создано большое количество разных устройств, имеющих форму крыльчатки от простых секторов окружности, немного развернутых по радиусной оси, до сложных вариантов с тщательно просчитанной аэродинамикой, испытанных в разных условиях. Результаты испытаний показали, что оптимальной формой является модель, приближенная к пропеллеру. Такая лопасть несколько расширяется от центра (обтекателя) крыльчатки и плавно сужается к концу.

Преимуществом этого вида является равномерное распределение нагрузок на опорный подшипник, поверхность лопасти и всю систему ветряка в целом. Поток ветра воздействует на все участки с одинаковой силой, но, если расширить лопасть к концу, то получится достаточно длинный рычаг, перегружающий подшипник и выламывающий лопасти. Отсюда возникла такая форма, с небольшими изменениями используемая практически на всех ветряках.

Как рассчитать лопасти?

Вычислить диаметр ветряка для определенной мощности можно следующим образом:

  1. Окружность пропеллера ветрогенератора с определенной мощностью, малыми оборотами и силой ветра, при которых происходит подача нужного напряжения, числом лопастей внести в квадрат.
  2. Высчитать площадь данного квадрата.
  3. Разделить площадь получившегося квадрата на мощность конструкции в ватах.
  4. Перемножить результат с требуемой мощностью в ватах.
  5. Под этот результат нужно подбирать площадь квадрата, варьируя размеры квадрата до тех пор, пока размер квадрата не достигнет четырех.
  6. В этот квадрат вписать окружность пропеллера ветрогенератора.

После этого нетрудно будет узнать другие показатели, например, диаметр.

Таким же способом можно рассчитать размеры лопастей.

Расчет максимально приемлемой формы лопастей достаточно мудреный, кустарному мастеру сложно его выполнить, поэтому можно использовать готовые шаблоны, созданные узкими специалистами.

Шаблон лопасти из ПВХ трубы 160 мм в диаметре:

Шаблон лопасти из алюминия:

Можно попробовать самостоятельно определить показатели лопастей ветряного устройства.

Быстроходность ветряного колеса являет собой соотношение круговой скорости края лопасти и скорости ветра, ее можно вычислить по формуле:

На мощность ветряного двигателя оказывают влияние диаметр колеса, форма лопастей, расположение их относительно потока воздуха, скорости ветра.

Ее можно найти по формуле:

При использовании лопастей обтекаемой формы коэффициент использования ветра не выше 0,5. При слабо обтекаемых лопастях – 0,3.

Материал для изготовления

Прежде, чем начать работы по созданию крыльчатки, надо определиться с материалом. Выбор производится из того, что имеется в наличии, или из материалов, более знакомых пользователю и доступных для обработки. Требования к материалу для изготовления лопастей:

  • прочность
  • малый вес
  • легкость обработки
  • возможность придания нужной формы или наличие ее у заготовки
  • доступность

Из всех возможных вариантов опытным путем были выделены несколько наиболее удачных. Рассмотрим их подробнее.

Трубы ПВХ

Использование канализационных труб ПВХ большого диаметра позволяет быстро и недорого получить вполне качественные лопасти. Пластик не боится воздействия влаги, легко обрабатывается. Самым ценным качеством является наличие у заготовки формы ровного желоба, остается лишь правильно отрезать все лишнее.

Простота изготовления и дешевизна материала в сочетании с эксплуатационными качествами пластика сделали трубы ПВХ самым ходовым материалом при изготовлении самодельных ветряков. К недостаткам материала можно отнести его хрупкость при низких температурах.

Алюминий

Лопасти из алюминия долговечны, прочны и не боятся никаких внешних воздействий. При этом, они тяжелее, чем пластиковые и требуют тщательной балансировки колеса. Кроме того, работа с металлом, даже таким податливым, как алюминий, требует наличия навыков и подходящего инструмента.

Затрудняет работу и форма материала — чаще всего используется листовой алюминий, поэтому мало изготовить лопасти, надо придать им соответствующий профиль, для чего придется сделать специальный шаблон. Как вариант, можно сначала изогнуть лист по оправке, затем приступить к разметке и резке деталей. В целом, материал более устойчив к нагрузкам, не боится температурных или погодных воздействий.

Стекловолокно

Такой выбор — для специалистов. Работа со стекловолокном сложна, требует навыков и знания множества тонкостей. Порядок создания лопасти включает в себя несколько операций:

  • изготовление деревянного шаблона, покрытие его поверхности воском, мастикой или иным материалом, отталкивающим клей
  • изготовление одной половины лопасти. На поверхность шаблона наносится слой эпоксидки, на который тут же укладывается стеклоткань. Затем снова наносится эпоксидка (не дожидаясь засыхания предыдущего слоя) и опять стеклоткань. Таким образом создается одна половина лопасти нужной толщины
  • подобным образом изготавливается вторая половина лопасти
  • после застывания клея половинки соединяются при помощи эпоксидки. Стыки зашлифовываются, в торец вставляется втулка для присоединения к ступице

Технология сложна, требует времени и умения работать с материалами. Кроме того, эпоксидная смола имеет неприятное свойство закипать в больших объемах, что создает постоянную угрозу испортить всю работу. Поэтому выбирать стеклоткань следует только опытным и подготовленным пользователям.

Древесина

Работа с деревом достаточно хорошо знакома для большинства пользователей, но создание лопастей — задача достаточно сложная. Мало того, что форма изделия сама по себе непроста, так еще и потребуется изготовить несколько одинаковых неотличимых друг от друга образцов.

Решение такой задачи по плечу далеко не всем. Кроме того, готовые изделия надо качественно защитить от воздействия влаги, пропитать олифой или маслом, покрасить и т.д.

Древесина обладает массой отрицательных качеств — она склонна к короблению, растрескиванию, гниению. Впитывает и легко отдает влагу, что изменяет массу и баланс крыльчатки. Все эти свойства делают материал не лучшим вариантом выбора для домашнего мастера, поскольку лишние осложнения никому не нужны.

Как сделать своими руками

Умея работать с различным ручным инструментом и приняв решение построить ветровой генератор своими силами, лопасти такого устройства, также можно изготовить самостоятельно. В этом случае выбор материала, используемого для изготовления, зависит от имеющегося в наличии, и это могут быть следующие варианты:

Из ПВХ трубы

В этом случае используются трубы, используемые для сетей канализации или водопровода, большого диаметра и обладающие высокой прочностью, что обусловлено их применением в сетях с избыточным давлением.

Расчет формы лопасти произвести самостоятельно довольно таки сложно, поэтому оптимальный вариант, это найти шаблон требуемого размера. Для этого можно воспользоваться специализированной литературой, журналами или интернет ресурсами, в которых приводится большое количество разнообразных по конфигурации и геометрическим размерам изделий.

По шаблону, на поверхности трубы, наносятся размеры, после чего, при помощи режущего инструмента, выполняется выпиливание лопастей, как на ниже приведенном рисунке.

Боковые грани зачищаются, удаляются заусеницы и неровности. После изготовления требуемого количества, лопасти соединяются в единый блок и помещаются на вал ветрового генератора.

Из стеклопластика

При использовании стеклопластика (стекловолокна), вначале из дерева изготавливается шаблон, по которому в дальнейшем, и изготавливаются элементы лопастей. Как правило, в этом случае, они делаются полыми, при необходимости возможна установка усиливающих лонжеронов и заполнении пустот различными компонентами.

При создании шаблона, поверхность лопасти условно делится по горизонтальной оси, после чего получается шаблон нижней и шаблон верхней частей. По изготовленному основанию (шаблону), который можно назвать матрицей, изготавливаются отдельные элементы лопасти. Для этого по матрице, с использованием эпоксидной смолы и отвердителя, наносятся несколько слоев стекловолокна, которое должно затвердеть. После застывания, внутрь поверхности изготавливаемого изделия, устанавливаются лонжероны и уплотнитель (в хвостовую часть). Уплотнитель укладывается в случае необходимости, что должно быть подтверждено соответствующим расчетом или обоснованием, приведенном в технической литературе, где был взят шаблон.

Изготовленные части соединяются между собой при помощи клея, в комлевой части, монтируется хвостовик, с помощью которого лопасть крепится к валу ветрового генератора.

При выполнении работ потребуется следующий инструмент:

  • Ножовки различного типа, в зависимости от используемого материала;
  • Ножницы по металлу или ручной электрический инструмент (лобзик, «болгарка» и т.д.);
  • Маркеры и чертилки, используемые для разметки изготавливаемых деталей;
  • Абразивные материалы: наждачная бумага, шлифовальные круги для углошлифовальной машинки, напильники – используемые для обработки поверхностей.

Принципы изготовления лопастей для ветрогенератора своими руками

Зачастую главной сложностью становится определение оптимальных размеров, так как от длины и формы лопастей ветрогенератора зависит его производительность.

Материалы и инструменты

В основу закладываются следующие материалы:

  • фанера либо древесина в другой форме;
  • стекловолоконные листы;
  • алюминиевый прокат;
  • ПВХ-трубы, комплектующие для пластиковых трубопроводов.
Лопасти для ветрогенератора своими руками

Выбирают один вид из того, что есть в наличии в виде остатков после ремонта, к примеру. Для их последующей обработки понадобятся маркер либо карандаш для черчения, лобзик, наждачная бумага, ножницы по металлу, ножовка.

Чертежи и расчеты

Если идет о маломощных генераторах, производительность которых не превышает отметки в 50 ватт, для них изготавливают винт по приведенной ниже таблице, именно он способен обеспечить высокие обороты.

Далее рассчитан низкооборотный трехлопастной винт, имеющий высокий стартовый показатель страгивания. Эта деталь будет полноценно обслуживать высокооборотистые генераторы, производительность которых достигает 100 ватт. Винт функционирует в тандеме с шаговыми моторами, низковольтными маломощными двигателями, автомобильными генераторами со слабыми магнитами.

Изготовление из пластиковых труб

Канализационные ПВХ-трубы считаются самым удобным материалом, при конечном диаметре винта до 2 м подойдут заготовки с диаметром до 160 мм. Материал привлекает простотой обработки, доступной стоимостью, повсеместной распространенностью и изобилием уже проработанных чертежей, схем. Важно выбрать качественный пластик, чтобы предотвратить растрескивание лопастей.

Наиболее удобна продукция, представляющая собой ровный желоб, ее нужно лишь подрезать в соответствии с чертежом. Ресурс не боится воздействия влаги и нетребователен в уходе, но может стать хрупким при минусовых температурах.

Выполнение лопастей из алюминиевых заготовок

Такие винты характеризуются долговечностью и надежностью, они устойчивы к внешним воздействиям и весьма прочны. Но нужно учитывать, что они получаются в итоге более тяжелыми, если сравнивать с пластиковыми, колесо в этом случае подвергается скрупулезной балансировке. Несмотря на то, что алюминий считается довольно податливым, работа с металлом подразумевает наличие удобных инструментов и минимальных навыков обращения с ними.

Форма подачи материала может затруднить процесс, так как распространенный листовой алюминий превращается в лопасти только после придания заготовкам характерного профиля, с этой целью предварительно нужно создать специальный шаблон. Многие начинающие конструкторы сначала изгибают металл по оправке, после чего переходят к разметке и вырезанию заготовок.

Лопасти из алюминиевых заготовок

Алюминиевые лопасти проявляют высокую устойчивость к нагрузкам, не реагируют на атмосферные явления и температурные перепады.

Винт из стекловолокна

Его предпочитают специалисты, так как материал капризен и сложен в обработке. Последовательность действий:

  • вырезают деревянный шаблон, натирают его мастикой или воском – покрытие должно отталкивать клей;
  • сначала выполняют одну половинку заготовки – шаблон намазывают слоем эпоксидки, сверху укладывают стеклоткань. Процедуру оперативно повторяют, пока первый слой не успел высохнуть. Таким образом заготовка получает требуемую толщину;
  • аналогичным способом выполняют вторую половинку;
  • когда клей застынет, обе половинки можно будет соединить эпоксидкой с тщательной шлифовкой стыков.

Торец оснащается втулкой, посредством которой изделие соединяется со ступицей.

Как сделать лопасть из древесины?

Это сложная задача ввиду специфичной формы изделия, к тому же все рабочие элементы винта в итоге должны получиться идентичными. Минусом решения также признается необходимость в последующей защите заготовки от воздействия влаги, для этого ее красят, пропитывают маслом или олифой.

Древесина не желательна в качестве материала для ветрового колеса, так как склонна к растрескиванию, короблению, гниению. Из-за того, что она быстро отдает и впитывает влагу, то есть меняет массу, произвольно корректируется баланс крыльчатки, это негативно сказывается на эффективности конструкции.

Что потребуется для изготовления простых лопастей ветрогенератора:

  • крыльчатка вентилятора радиатора от автомобиля;
  • пластиковая канализационная труба 100 мм;
  • болты, гайки, шайбы.

Процесс изготовления лопастей

В качестве основы лопастей ветрогенератора послужит крыльчатка вентилятора радиатора. Ее можно очень дешево купить на любой авторазборке. Это намного проще, чем придумывать и делать самодельное крепление. Чтобы она заработала на ветрогенераторе от ветра, необходимо только удлинить ее лезвия.
Для этого потребуется отрезок канализационной трубы 50-100 см, что зависит от размера имеющегося генератора.

Труба размечается на 4 одинаковые продольные части и разрезается по линиям.

Полученные отрезки складываются вместе и стягиваются по краям саморезами, что позволит их обрабатывать вместе.

Это, во-первых, ускорит процесс, а во-вторых, позволит получить абсолютно одинаковые лезвия, что важно для балансировки. Для удобной обработки можно не рисовать плохо заметную разметку, а приклеить вместо нее изоленту, чтобы обрезать заготовкии по ней.

Заготовки подрезаются так, чтобы получить оптимальную форму для захвата ветра. Для этого ближе к основанию они должны быть широкими, а к кончикам сужаться. В начале сложенных лезвий просверливаются 2 монтажные отверстия.

Затем заготовка обрезается по краям, чтобы удалить часть с саморезами.

Далее нужно зачистить кромки разделенных заготовок наждачной бумагой или напильником, чтобы они скользили по воздуху лучше. Подготовленные лезвия прикручиваются к лопастям автомобильной крыльчатки. Нужно использовать по 2-3 крепления с шайбами, чтобы порывы ветра не сломали пластик.

Желательно срезать выступающую часть лопастей крыльчатки радиатора, так как они только утяжеляют конструкция, при этом на ветер практически не реагируют. Если используемая крыльчатка радиатора рассчитана не на 4, а 8 лезвий, то они делаются из 2-х отрезков труб. При этом важно при придании им формы сложить все 8 заготовок вместе и соединить, чтобы они получились абсолютно одинаковыми.

Вычисление подъемной силы и силы напора

Подъемная сила

Сила напора

Где:

ρ – плотность воздуха 1,29кг/м3 При 0oC на уровне моря.

S – площадь лопасти м2,

V – скорость набегания потока м/с.

Подъемная сила и сила лобового сопротивления зависят от коэффициентов подъемной силы сy и коэффициента лобового сопротивления cx, которые в свою очередь зависят от примененного в лопасти профиля и угла атаки α, под которым поток ударяет в лопасть.

Мы больше привыкли к графикам воздушных сил, которые здесь повсюду.

Линия хорды самая длинная линия в сечении профиля, соединяющая носок и заднюю кромку.

Угол атаки α – это угол между вектором набегания потока и хордой лопасти.

Вы не можете вычислить коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления. Они измерены экспериментально в аэродинамических трубах и занесены в атласы профилей.

Вот типичный график коэффициента подъемной силы сy , в зависимости от угла атаки α.

При увеличении угла атаки подъемная сила тоже увеличивается, пока не достигнет точки срыва потока.

Поток воздуха отрывается от поверхности профиля в задней части крыла.

Подъемная сила падает, а сила лобового сопротивления быстро увеличивается.

Большинство плоских тел дадут подобный вид графика сy(α). Но изогнутые профили дадут большее отношение сy/cx.

При проектировании ротора воздушной турбины угол α будет зависеть от угла истинного ветра ψ, и, следовательно, угла установки лопасти β.

Таким образом при изменении α, мы управляем подъемной силой и силой лобового сопротивления лопасти.

Мы должны оптимизировать подъемную силу, но лопасть не будет работать хорошо, если сила лобового сопротивления не минимизирована.

Для каждого профиля необходимо определить такой угол атаки для которого отношение Cy/Cx, называемое в аэродинамике аэродинамическим качеством, наивысшее.

Нахождение точного значения оптимального угла α может быть запутанным процессом, потому что подъемная сила и сила лобового сопротивления зависят от сечения и от числа Рейнольдса (зависящего в свою очередь от размера хорды и скорости лопасти).

ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА = 68 500 х ДЛИНА ХОРДЫ (м) х ИСТИННАЯ СКОРОСТЬ (м/с)

Если b = 0,07 м и Z = 5 и V = 5 м/ c, то истинная скорость равна 25 м/с и Re = 120 000

Слева два графика профиля NACA 4412 снятых для разных чисел Рейнольдса.

Левый график показывает зависимость Cy(α).

Правый график показывает зависимость Cy( Cx).

Тангенс угла наклона прямой, проведенной через начало координат равен аэродинамическому качеству (отношению Cy/Cx).

Если провести касательную к кривой, соответствующей какому-либо числу Рейнольдса, то эта касательная покажет максимально возможное аэродинамическое качество для данного Re.

Для NACA 4412 эта точка касания соответствует Cy приблизительно равным 1 и α равным 6.

Заметьте, что низкие числа Re приводят к малым значениям Cy и низкому аэродинамическому качеству, что объясняет проблемы для пропеллеров с узкими лопастями при слабых ветрах.

Существуют другие профили ( ClarkY и K2), которые лучше работают при низких числах рейнольдса.

Практически все профили имеют наивысшее аэродинамическое качество при угле атаки равном 5 градусам. Если характеристики профиля неизвестны мы можем полагать, что угол установки можно вычислить как

β = ψ – 5

Факторы, влияющие на КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра)

(Куда теряется энергия?)

1 причина – поток, который огибает ветряк. Бетц выяснил, что максимальный КИЭВ, который мы можем получить, 0,593 из мощности ветрового потока. Чтобы получить такую мощность мы должны затормозить поток до 1/3 первоначальной скорости.

3 причина – вследствии того, что мы не можем везде поспеть. В ветряках с небольшим количеством лопастей выше нагрузки, и ветер предпочитает пройти мимо кончиков лопастей. Это известно, как концевые потери.

2 причина – потеря мощности во вращающемся цилиндре отходящего воздуха. Глауэрт выяснил, что потери на вращение отходящего воздуха будут наибольшими у тихоходных ветряков.

ДВИЖУЩАЯ ОКРУЖНАЯ СИЛА= Ysin(ф)(1 – (3 r/2 R) Z/ K) где K = Y/ X – аэродинмическое качество

ТАКИМ ОБРАЗОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ДОЛЖНО БЫТЬ БОЛЬШЕ, ЕСЛИ НУЖНО ПОЛУЧИТЬ БОЛЬШУЮ БЫСТРОХОДНОСТЬ. СИЛА ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНЯ БЕРЕТ БОЛЬШУЮ ПОШЛИНУ

4 причина – падение движущей окружной силы, которая зависит от аэродинамического качества. Это сильнее сказывается для быстроходных пропеллеров, где вектор подъемной силы отклоняется больше всего от направления движения лопасти.

Какой же вариант ветряка наилучший?

По графику видно, что быстроходность около 5 является оптимальной, а количество лопастей должно быть максимально возможно.

Трудность с большим количеством лопастей в том, что они должны быть очень узкие или быть очень тихоходными (или оба условия вместе), чтобы удовлетворить условию Бетца.

Совершенный ротор ветротурбины имеет бесконечное количество бесконечно узких лопастей.

Клаус Ниброе из Windmission создал ротор типа «windflower», следуя этой логике.

Из-за низкого числа Рейнольдса применяемые профиля должны быть тщательно выбраны и быть очень узкими. Чтобы достичь прочности и жесткости на кручение, для этого требуются первоклассные композитные материалы и большое профессиональное мастерство.

Здесь показан 12-лопастной ветряк « WINDFLOWER » спроектированный с быстроходностью 3,6. Возможно это наиболее эффективная форма ротора.

На практике этот подход редко используется, потому что такой ветряк слишком тихоходен. 3-х лопастной ветряк, работающий на большей быстроходности, работает лучше, несмотря на потери.

Вот менее честолюбивая форма лопасти.

ЕСЛИ ШИРИНА КОНЧИКА b = (7/100)R, ТО

i = 80/Z2

ЭТО ПРАВИЛО ГОДИТСЯ ТОЛЬКО ДЛЯ ИЗОБРАЖЕННОЙ ЛОПАСТИ С ХОРДОЙ НА КОНЧИКЕ РАВНОЙ 3,5% ОТ ДИАМЕТРА ПРОПЕЛЛЕРА.

Как только Вы выбрали форму лопасти в плане, количество лопастей будут продиктованы быстроходностью Z.

Высокоскоростные ветряки (за и против)

График справа показывает скорости и мощности воздушных винтов с быстроходностью 5 при ветре в 5 м/с

На этом графике мощность рассчитана из условия КИЭВ 0,25 и потерь в целом равным 40%, которые являются достижимыми для маленьких ветряков.

(Потери складываются из потерь на трение, потерь в железе, меди, в выпрямителе)

Выбор размера ветряка (диаметра) в зависимости от требуемой мощности.

СТАРТОВЫЙ ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ МОЖЕТ БЫТЬ ОЦЕНЕН ПО ФОРМУЛЕ

НАПРИМЕР ВЕТРЯК 2 М ДИАМЕТРОМ С БЫСТРОХОДНОСТЬЮ Z = 5 БУДЕТ ИМЕТЬ ПРИ 4 М/С СТАРТОВЫЙ ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ

N. B. ЭТО ОЧЕНЬ ПРИБЛИЖЕННАЯ ФОРМУЛА

Выбо быстроходности Z зависит от многих факторов.

Высокая быстроходность приводит к высокой частоте вращения вала, необходимой для эффективного производства электроэнергии и перевешиват эти неудобства:

1. Шум лопастей выше

2. Вибрация в случае 2-лопастного или 1-лопастного ветряка.

3. Кромки лопастей при высоких скоростях эррозируют.

4. Снижение эффективности ротора из-за роста лобового сопротивления и концевых потерь.

5. Трудности при старте

КОНЧИКИ ЛОПАСТЕЙ, ДВИЖУЩИХСЯ СО СКОРОСТЬЮ СВЫШЕ 80 М/С СИЛЬНО ПОДВЕРЖЕНЫ ЭРРОЗИИ, ВЫЗВАННОЙ МЕЛКИМИ ЧАСТИЦАМИ ДВИЖУЩИМСЯ С ВЕТРОМ. ЭТИ ПОВРЕЖДЕНИЯ МОЖНО СУЩЕСТВЕННО УМЕНЬШИТЬ ИСПОЛЬЗУЯ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ.

РОТОР 5 М В ДИАМЕТРЕ С БЫСТРОХОДНОСТЬЮ 7 НА 12 М/С БУДЕТ ДЕЛАТЬ 350 ОБ/МИН И БУДЕТ ПОДВЕРЖЕН ЭРРОЗИИ.

ЭФФЕКТ СУЩЕСТВЕННО УВЕЛИЧИВАЕТСЯ С УВЕЛИЧЕНИЕМ СКОРОСТИ

Технологические особенности сборки ВЭУ

Из чего сделать лопасти для ветряка? Для изготовления лопастей проще всего использовать пластиковые трубы. Они достаточно просты в обработке и способны выдерживать немалые динамические нагрузки. Но для того, чтобы ветряк в процессе эксплуатации не разлетелся на куски, желательно учесть несколько важных нюансов:

  • Толщину трубы. В процессе вращения несущие детали устройства испытывают большую нагрузку из-за влияния центробежной силы. Чтобы ее уменьшить желательно взять в качестве материала канализационную или газопроводную трубу с большей толщиной стенки – не менее 4 мм;
  • Длину лопастей. Чем длиннее лопасть, тем большую нагрузку она испытывает. Чтобы продлить срок службы конструкции, не делайте крылья слишком длинными. Наиболее приемлемым вариантом станет крыло с длиной от 30 до 50 см;
  • Количество лопастей. От количества крыльев напрямую зависит сопротивляемость ветряка воздушным массам. Чтобы увеличить его КПД, число крыльев стоит увеличить. Оптимальным вариантом станет ВЭУ с 5 или 6 крыльями.

Разметка ПВХ трубы

В качестве примера рассмотрим процесс маркировки крыльев для ВЭУ из трубы с диаметром в 10 см и толщиной стенки – 5 мм.

Генератор вертикального типа

Как разметить заготовку?

1. Чтобы правильно разметить цилиндрическую поверхность, оберните трубу листом бумаги;
2. Кромка листа станет ориентиром для формирования оси на трубе;
3. Ширина листа укажет на длину окружности;
4. Теперь сложите листок пополам, чтобы отметить половину от окружности заготовки;
5. Сложите листок четыре раза, чтобы отметить на цилиндре 4 линии для предполагаемых разрезов.

Порезка ПВХ трубы

Как разрезать ПВХ трубу? Для того, чтобы порезать заготовку лучше всего использовать электролобзик с пилкой по металлу. Порезка трубы на составные части делается следующим образом:
1. Сначала размеченную заготовку разрезают на две равные части;
2. Теперь половинки трубы также нужно разрезать пополам;
3. У основания каждой из лопастей делают прямоугольные надрезы длиной не более 5-6 см;
4. Чтобы не разрушить структурную целостность материала, в углах крыльев нужно просверлить небольшие отверстия;
5. После этого заготовленные части следует разрезать по диагонали;
6. Таким образом, у вас получатся лопасти конусного типа.

Особенности сборки деталей

На завершающем этапе конструирования ветрогенератора нужно соединить крылья с ветряным колесом и турбиной.

Как это сделать?

  • Необходимо изготовить соединительный узел. Деталь представляет собой стальной диск с шестью металлическими лентами
  • Форма узла определяется конфигурацией самого генератора, выполняющий роль преобразователя кинетической энергии ветра в электрическую;
  • Чтобы лопасти ветрогенератора не сломались и не деформировались под давлением воздушных масс, толщина стальных лент и диска должна варьироваться в пределах от 2 до 6 мм.

Источники

  • https://o-trubah.com/materialy/pvx-truby/lopasti-dlja-vetrogeneratora/
  • https://Energo.house/veter/lopasti-dlya-vetrogeneratora.html
  • https://pechiexpert.ru/lopasti-dlya-vetrogeneratora-01/
  • https://alter220.ru/veter/lopasti-dlya-vetrogeneratora.html
  • https://slarkenergy.ru/vetrogenerator/lopasti-svoimi-rukami.html
  • https://SdelaySam-SvoimiRukami.ru/6448-kak-sdelat-samye-prostye-lopasti-vetrogeneratora.html
  • http://vetronet.com/raschet-lopastey-dlya-vetryakov/

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об инженерных системах
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: