Многие мечтают построить ветряк, но не знают, как к нему

Многие мечтают построить ветряк, но не знают, как к нему подступиться.
Перечитывают множество страниц в Интернете, тупо смотрят на формулы,
пытаясь что-то понять. Наконец проходит год, другой и человек начинает
понимать устройство и принцип ветродвигателя. Давайте вместе начнем
строить ветродвигатель и попробуем во всем разобраться. Я не буду сильно
вдаваться в теорию винта и попробую объяснить только необходимое. Винт
будем делать из самого распространенного материала - дерева.
Первое, что нужно усвоить, какую мощность и при каком ветре можно
получить на валу нашего винта. Ветер меньше 4 м/сек, сразу откинем, он не
несет никакой полезной энергии. Мощность на валу находим по формуле
P  0.605  S  V 3  K где
Р - мощность (Ват), S площадь сечения винта (м/кв.), V скорость ветра
(м/сек),
К - коэффициент использования ветра, в нашем случае 0.3, так как в
домашних условиях трудно сделать винт отличного качества.
Итак при ветре 5м/сек винт площадью 1кв.м (1.1метр диаметром) разовьет
мощность на валу 22Вт. Если скорость ветра увеличится вдвое (10м/сек),
мощность возрастет в 8 раз (кубическая зависимость) и составит 176Вт.
Теперь мы можем рассчитать какой диаметр винта, и при каком ветре даст
нам нужную мощность. Но это еще не та мощность, которую мы получим с
генератора. Генератор имеет свой кпд, поэтому мощность на валу нужно
умножить на кпд генератора.
Дальше разберемся, что такое быстроходность винта (TSR) и будем ее
обозначать через Z. Это самая важная величина, от нее и будем
отталкиваться при расчетах.
Быстроходность показывает, во сколько раз скорость конца лопасти выше
скорости ветра. Если винт имеет быстроходность 5 (Z=5), то при ветре
5м/сек, конец лопасти движется со скоростью 25м/сек.
Теперь, зная диаметр винта и его быстроходность, можем рассчитать
обороты. Если винт диаметром 2м, то при ветре 5м/сек и Z=5, вращается со
скоростью 238.7об/мин. (25/2/пи)*60=238.7об/мин. При ветре 10м/сек
соответственно 477об/мин.
Быстроходность зависит от угла установки лопастей. Чем угол меньше, тем
быстроходность больше. Винт дает максимальную мощность при
определенной быстроходности. А оптимальная быстроходность зависит от
числа лопастей, примененного профиля и качества изготовления пропеллера
(точности исполнения профиля и гладкости поверхности). Обычно самые
распространенные профиля с плоской нижней стороной. Эти профиля легче
изготовить. Для таких профилей рекомендуется принимать следующую
быстроходность:
Для трехлопастного винта, Z=5. Двухлопастного, Z=6-7. Для
однолопастного, Z=8-10. Точные значения быстроходности можно получить,
лишь анализируя поляры примененных в ветряке профилей. И то расчет даст
лишь первое приближение, которое необходимо уточнить, изготовив
несколько близких по параметрам моделей.
Если самодельщик решится на быстроходный профиль, у которого нижняя
поверхность имеет прогиб внутрь, то величины быстроходности надо
увеличить на пару единиц. Но тут надо четко понимать, что обычные
профили прощают ошибки, формы допущенные при изготовлении и
шероховатость поверхности. А высокоскоростные профили этих ошибок уже
не прощают. И вместо ожидаемой ничтожной прибавки в мощности
несколько процентов можно получить убыток несколько десятков
процентов. Поэтому лучше использовать обычные профили типа Clark Y и
NASA 4412.
Что еще надо сказать про быстроходность? Быстроходность задается при
номинальной нагрузке. Если нагрузки не будет, то при свободном вращении
винт будет вращаться с двойной скоростью.
Теперь, вкратце зная теорию, можно приступить к расчету винта.
Предположим, Вы определились с мощностью, оборотами, диаметром,
быстроходностью и количеством лопастей.
Угол установки бета считается по следующей формуле
β = ATAN(2*R/3*r*Z) – α
β – угол установки (заклинения) лопасти
R – Радиус пропеллера
r – Расстояние от центра пропеллера до выбранного сечения
Z – Быстроходность
α – оптимальный угол атаки для данного профиля. Его можно принять
равным 4 градусам. (Кроме симметричных профилей)
Угол для Clark Y и NASA 4412 по хорде
TSR (Z)
Угол
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
29.7 14.4 8.5 5.5 3.6 2.3 1.4 0.8 0.2 -0.2
Но мы будем пользоваться другой табличкой, так как между хордой и
плоскостью угол 2 градуса. Ориентироваться будем по плоскости. В
формуле, что я привел выше, будем отнимать угол атаки 2 градуса.
β = ATAN(2*R/3*r*Z) – 2
Углы β для наших расчетов Clark Y и NASA 4412
TSR
Угол
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
31.7 16.4 10.5 7.5 5.6 4.3 3.4 2.8 2.2 1,8
Для примера я взял винт диаметром D=0.72m Z=8.
По формуле находим хорду на конце лопасти.
Хорда(C) = 4D/TSR в квадрате * кол. Лопастей(В) На конце лопасти.
С = 4*0,72/8*8*2 = 0,0225
Ширина в сечении №1 для двухлопастного винта - 3С. Для трехлопастного,
2С.
Ширину лопасти на конце я взял 0,023м. Ширина в сечении №1 (1/8R) от
центра 0,067м.
Заготовка имела ширину 0,067м, толщину 0,022м (какая была под рукой).
Итак, размечаем лопасть, радиус делим на 8 частей (Z=8).
Срезаем лишний материал.
По таблице находим углы β
В сечении №1- 31,7 град., в №2 – 16,4град. -- №8 – 2,8.
Ширина заготовки в сечении обозначим b. Измеряем ширину в каждом
сечении.
b1 = 0,067м, b2 = 0,061м, b3 = 0,055м, b4 = 0,049м, b5 = 0,043м,
b6 = 0,036м, b7 = 0,03м, b8 = 0,023м.
Снижение h находим по формуле
h = b * TAN β
h1 = 0.067 * TAN 31.7 = 0.041m
h2 = 0.018m,
h3 = 0.01m
h4 = 0.006m
h5 = 0.004m
h6 = 0.003m
h7 = 0.002m
h8 = 0.01m
Размечаем снижение.
Так, как толщина материала не позволяет сделать h1, дотягиваем линию до
края заготовки,
Дальше срезаем ненужное дерево.
Теперь измеряем хорду С на делениях.
Толщину заготовки находим в % от хорды.
C1 = 0.007
C2 = 0.0063
C3 = 0.0056
C4 = 0.005
C5 = 0.0043
C6 = 0.0037
C7 = 0.003
C8 = 0.0024
21% = 0,015м Берем потолще
15% = 0,009м Уменьшаем, остальные 12%.
12% = 0,007м
12% =0,006м
12% = 0,005м
12% = 0,0044м
12% = 0,0036м
12% = 0,003м (3мм)
Размечаем с двух сторон.
Делаем надпилы, для облегчения снятия лишней древесины.
Снимаем лишнее
Получаем заготовку, крученную и имеющую нужную толщину по всей длине
Дальше размечаем линию самой толстой части лопасти, 1/3 от носка и
наносим вспомогательные линии, чтобы легче ориентироваться при снятии
материала.
Профилируем, шлифуем наждачной бумагой, покрываем лаком. При
профилировании желательно пользоваться шаблонами, распечатанными
программой Profili 2 в натуральную величину. В центре сверлим отверстие
(строго перпендикулярно) 2.5мм для балансировки. Балансируем на этом же
сверле.
Получаем вот такой винт.
Если отбалансировать лаком не удается, сверлим отверстия в ступице,
кладем свинцовые груза и закрепляем эпоксидной смолой или шпаклевкой.
Отбалансированый винт должен в любом положении оставаться
неподвижен.
Желаю удачи в построении ветродвигателей.
За вопросами стучитесь в аську 307-612-130. Буду рад помочь.
Валерий.