Stap 6: Mesontwerp
Lift-gebaseerde windturbines zijn veruit de meest efficiënte type, dus we besloten om het gebruik van een vorm van de vleugel (vleugel) die wordt gebruikt in windturbines al, de fantasie benoemde FX-83-W-108. Zie http://worldofkrauss.com/foils/52
Deze vleugel werd gekozen omdat het heeft een goede Lift/Sleep ratio van 68.785. Dit betekent dat voor elke kracht die het creëert in slepen, het creëert 68.785 keer meer kracht in de lift. De vleugel heeft ook een breed scala aan invalshoeken waarin het werkt, van -5 tot + 8 graden. In principe geeft dit gewoon ons een weinig marge voor fout wanneer we de messen te maken.
De eerste stap in het optimaliseren van het mesontwerp is echt om te berekenen hoeveel stroom er is in de wind. Aangezien ons project een windtunnel betrokken, hadden we een min of meer constante windsnelheid. De formule is:
Windenergie = 0,5 * (de dichtheid van de lucht) * (gebied) * (windsnelheid) ^ 3
Dit geeft vermogen in watt-zorg ervoor dat u S.I eenheden (d.w.z. meter, kilogram, seconden, enz.)
-De dichtheid van de lucht op zeeniveau bij 20 graden C is ongeveer 1.204 kg m -3
-Het gebied verwijst naar het gebied dat de turbine zal bezetten. Voor onze ontwerp, dit was het gebied van het einde van onze duct, d.w.z. pi * 0.14 * 0.14 = 0.0616 vierkante meter.
-De wind is de snelheid van de lucht door het gebied dat de turbine zal bezetten. Zoals u zien kunt, maakt een kleine toename van de windsnelheid een grote toename in kracht.
We hadden een windsnelheid van ongeveer 11 meter per seconde en een oppervlakte van 0.0616 vierkante meter, dus dat gaf ons de kracht in de wind als ongeveer 50 watt.
Als gevolg van iets genaamd de "Betz Limit", is de maximale mogelijke vermogen dat kan worden geëxtraheerd uit de wind een turbine 59.3% van deze windenergie. Ik ga niet op de redenen hier, maar u kunt het opzoeken als je echt geïnteresseerd bent...
Dus nu hebben we onze maximale mogelijk vermogen als 59.3% van 50 watt, waardoor ongeveer 29 watt.
Dit nummer wordt ervan uitgegaan dat de turbine 100% efficiënt is, wat onmogelijk is. De grote witte turbines u helemaal over de plaats deze dagen beheren ongeveer 75-85% efficiëntie, die vrij indrukwekkend is. We zijn niet zo goed, dus 50% efficiëntie redelijk klinkt. Dit geeft ons de theoretische vermogen van onze turbine als ongeveer 14 watt.
De volgende beetje is wat meer wiskunde helaas – maar dit is het laatste stukje!
Nu is wat we moeten doen uitwerken hoe groot de messen worden moeten om onze berekende vermogen. Dit is ook afhankelijk van de snelheid die wij de turbine willen te draaien op.
De aerofoil we kozen werkt het best met een luchtsnelheid van ongeveer 22-30 meter per seconde (50-70 mph), dus we ervoor zorgen moeten dat de turbine om dit snel genoeg zal draaien.
Om uit de snelheid van het blad op een bepaald punt te werken, we gebruiken:
U = ω * r
-U is de snelheid van het blad
-Ω is de draaisnelheid in radialen per seconde
-r is de straal in meter.
We kozen een toerental van 1500 rpm. Om dit te converteren naar radialen per seconde, vermenigvuldigen met 2 * pi, en vervolgens delen door 60;
(1500 * 2 * pi) / 60 = 157 radialen per seconde
De blade tips krijgen een straal van 140mm van hun centrum van draaiing (vanwege de grootte van de koker), zodat de snelheid van de tip zal zijn:
U = ω * r = 157 * 0.14 = 22 meter per seconde
Dus is dit hoe snel het mes beweegt door de lucht loodrecht op de wind. Vind je het totale luchtsnelheid ervaren door het blad aan het uiteinde, maken we gebruik van Pythagoras:
Total snelheid = √ ((U^2) + V ^ 2)
U is de tip van de snelheid, gemeten eerder als 22 meter per seconde
V is de windsnelheid, berekend vóór 11 meter per seconde
Zo krijgen we een totale luchtsnelheid van 24.6 meter per seconde aan het uiteinde van de blade, die mooi in het midden van het bereik van optimale snelheden voor onze vleugel is.
OK, daarna de grote vergelijking om onze mes-gebied:
Blade gebied = macht / [0,5 * ρ * √(U^2+V^2) * (Cl UV-CdU ^ 2)]
-Power is de wind turbine macht, die we berekend vóór, 14 watt
-Ρ is de dichtheid van lucht, weer ongeveer 1.204 kg per kubieke meter
-V is de windsnelheid in meter per seconde-in dit geval 11m/s
-U is de snelheid van de tip van de bladen in meter per seconde-in dit geval 22m/s
-Cl is de coëfficiënt van lift voor onze aerofoil, gevonden op het veiligheidsinformatieblad. Onze vleugel heeft een coëfficiënt van lift van 1.138
-Cd is de coëfficiënt van slepen, die 0.01654 is
Dus van de vergelijking krijgen we het optimale blade-gebied voor onze turbine van snelheid en vermogen 0.003536 vierkante meter.
We besloten om twee bladen (niet meer en ze zou heel klein en kwetsbaar) dus dit gaf ons elk mes gebied als 0.001768 vierkante meter. Met behulp van een mes breedte van 2,5 cm geeft een lemmetlengte van ongeveer 7cm.
Dus nu hebben we onze theoretische vermogen, rotatiesnelheid van onze turbine, het aantal bladen moeten we, en de afmetingen die de messen moeten zijn. We zijn bijna klaar om te doen een CAD-model van de messen nu-er is gewoon een klein beetje meer wiskunde eerste...
Het laatste wat dat we nodig hebben om uit te werken is de hoek van de bladen op verschillende punten langs de blade-straal. Dit is voor een paar redenen – in de eerste plaats de aerofoil werken beste op een "angle of attack" van 5 graden. Dit betekent dat de messen het beste werken zal als ze zijn schuin omhoog door 5 graden naar de richting van de luchtstroom. De tweede reden is dat de messen luchtstroom onder verschillende hoeken langs de straal van het blad, zullen ervaren als het mes sneller door de lucht op het puntje beweegt dan in de hoofdmap.
Voor het berekenen van de hoek "α", dat de messen moeten worden omgezet in wind van hun rijrichting, we gebruiken:
Α = 95 - tan^(-1)(U/V)
-U is de snelheid van het blad op een specifieke straal (U = ω * r)
-V is in dit geval de windsnelheid, altijd 11m/s
Aangezien onze messen zal worden 7cm lang, en een maximale straal van 14cm hebben, zullen de wortel van het blad 7cm vanaf het centrum van rotatie. Dus van wortel tot punt, zijn de hoeken:
RADIUS(m) V(m/s) U(m/s) α(degrees)
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, de wiskunde is eindelijk gedaan, en nu kunnen we op naar de volgende stap – het mes in CAD-software modellering.
U kunt de coördinaten van de vleugel van de website te gebruiken, als een txt-bestand opslaan en vervolgens importeren in Solidworks de aerofoil vorm te geven. Zodra de coördinaten worden opgeslagen als een txt-bestand, ga naar invoegen > curve > kromme door xyz punten in Solidworks, en voeg uw aerofoil-bestand naar een van de fundamentele vliegtuigen. Selecteer vervolgens dit vliegtuig, klik op de schets van de vleugel, en selecteer "convert entiteiten." Dit kan vervolgens worden geschaald en gedraaid om een bepaalde hoek met behulp van de werkbalk "Verplaats entiteiten".
Vervolgens, ga naar invoegen > verwijst naar geometrie > vliegtuigen invoegen en invoegen van 7 vliegtuigen, elk op een afstand van 10mm van elkaar. Selecteer elk vlak op zijn beurt, klik op de vorm van de vleugel, en selecteer "convert entiteiten." Dit zal het project van de vleugel op elk vlak. Zoals voorheen, dat vervolgens kan worden geschaald (wij gebruikten een schaal van 2.5, om het mes 2,5 cm leidt tot trailing edge) en u kunt ook het draaien van het blad aan de hoeken berekend vóór.
Selecteer "lofted baas/base", en schakel alle profielen van de schuine vleugel. Dit geeft je het grootste deel van het blad!
All that's left om te doen is nu een "sleutel" om het mes naar sleuf in op de hub, en ook een stukje aan het einde tot slot in met de buitenste ring maken. Dit kunnen zowel gebeuren door schetsen op de juiste vliegtuigen, en het gebruik van de "diepte" tool te laten 3D.
Het blad is nu klaar voor Rapid Prototyping!
