Paso 6: Diseño de hoja
Lift – basado en aerogeneradores son el tipo más eficiente, por lo que decidimos utilizar una forma de perfil aerodinámico (ala) utilizada en las turbinas de viento ya, el imaginativo nombre FX-83-W-108. Ver http://worldofkrauss.com/foils/52
Este perfil aerodinámico fue elegido porque tiene una buena relación de la elevación/fricción de 68.785. Esto significa que para cada fuerza que crea en la fricción, crea 68.785 veces más fuerza en elevación. El velamen también tiene una amplia gama de ángulos de ataque en el que trabaja, de -5 a + 8 grados. Básicamente esto sólo nos da un pequeño margen para el error cuando hacemos las hojas.
El primer paso en la optimización del diseño de la lámina es calcular la cantidad de energía que está en el viento. Ya que nuestro proyecto de un túnel de viento, tuvimos una velocidad del viento constante más o menos. La fórmula es:
Energía eólica = 0.5 * (densidad del aire) * (área) * (velocidad del viento) ^ 3
Esto le da la potencia en vatios, asegúrese de que utilizar S.I unidades (metros, kilogramos, segundos, etc..)
-La densidad del aire a nivel del mar a 20 grados C es de 1.204 kgm -3
-El área se refiere a la zona que ocupará la turbina. Para nuestro diseño, este fue la zona del final de nuestro conducto, es decir, pi * 0,14 * 0.14 = 0,0616 metros cuadrados.
-La velocidad del viento es la velocidad del aire a través del área que ocupará la turbina. Como se puede ver, un pequeño aumento en la velocidad del viento hace que un gran aumento en el poder.
Hemos tenido una velocidad de viento de unos 11 metros por segundo y un área de 0,0616 metros cuadrados, para que esto nos dio el poder en el viento como cerca de 50 vatios.
Debido a algo llamado el "límite de Betz", la energía posible máxima que se puede extraer del viento de una turbina es 59,3% de esta energía eólica. No entraré los motivos aquí, pero usted puede ver si usted está realmente interesado...
Así que ahora tenemos nuestra máxima potencia posible como el 59,3% de 50 vatios, que da unos 29 vatios.
Este número supone que la turbina es 100% eficiente, que es imposible. Las grandes turbinas blanco ver todo sobre el lugar en estos días administración 75 – 85% eficiencia, que es bastante impresionante. No que bueno, así suena razonable eficiencia de 50%. Esto nos da la potencia teórica de la turbina como cerca de 14 vatios.
El siguiente bit es unas matemáticas más lamentablemente, pero este es el último bit!
Lo que tenemos que hacer ahora es tan grande las cuchillas deben ser para lograr la potencia calculada. Esto también depende de la velocidad que queremos que la turbina gire en.
El velamen elegimos funciona mejor con una velocidad de unos 22-30 metros por segundo (50-70 mph), por lo que hay que asegurarse de que la turbina que gira lo suficientemente rápido como para permitir esto.
Para trabajar la velocidad de la cuchilla en un momento dado, utilizamos:
U = ω * r
-U es la velocidad de la hoja
-Ω es la velocidad de rotación en radianes por segundo
-r es el radio en metros.
Elegimos una velocidad de giro de 1500 rpm. Para convertir radianes por segundo, multiplicar por 2 * pi y luego dividir por 60;
(1500 * 2 * pi) / 60 = 157 radianes por segundo
Las puntas de la hoja tendrá un radio de 140mm de su centro de rotación (debido al tamaño del conducto), por lo que la velocidad punta será:
U = ω * r = 157 * 0.14 = 22 metros por segundo
Esto es rapidez se mueve la hoja en el aire perpendicular al viento. Para encontrar la velocidad total experimentada por la cuchilla en la punta, usamos a Pitágoras:
Total velocidad = √ ((U^2) + V ^ 2)
U es la velocidad punta, mide antes como 22 metros por segundo
V es la velocidad del viento, calculada antes de 11 metros por segundo
Así conseguimos una velocidad total de 24,6 metros por segundo en la punta de la hoja, que está muy bien en el centro de la gama de velocidades óptima para nuestro perfil aerodinámico.
OK, luego la gran ecuación para obtener la zona de la hoja:
Zona de hoja = potencia / [0.5 * ρ * √(U^2+V^2) * (Cl UV-CdU ^ 2)]
-Poder es el poder de la turbina de viento que se calculó antes, 14 vatios
-Ρ es la densidad del aire, otra vez cerca de 1,204 kilogramos por metro cúbico
-V es la velocidad del viento en metros por segundo, en este caso 11m/s
-U es la velocidad de la punta de las cuchillas en metros por segundo, en este caso 22m/s
-Cl es el coeficiente de la elevación de nuestro perfil aerodinámico, que se encuentran en la hoja de datos. La superficie sustentadora tiene un coeficiente de la elevación de 1.138
-Cd es el coeficiente de fricción, que es 0.01654
Así que de la ecuación, obtenemos el área de hoja óptimo para la velocidad de la turbina y la potencia que 0,003536 metros cuadrados.
Decidimos tener dos cuchillas (más y sería muy pequeño y frágil) así que esto nos dio la zona de cada hoja como 0,001768 metros cuadrados. Utilizando un ancho de hoja de 2,5 cm da una longitud de unos 7cm.
Así que ahora tenemos nuestra potencia teórica, velocidad de rotación de la turbina, el número de hojas que necesitamos y las dimensiones que las hojas necesitan ser. Ya estamos casi listos para hacer un modelo de CAD de las cuchillas – sólo hay un poquito más matemáticas primer...
La última cosa que necesitamos trabajar hacia fuera es el ángulo de las palas en diferentes puntos a lo largo del radio de la cuchilla. Esto es para un par de razones: en primer lugar, las obras de perfil aerodinámico mejor en un "ángulo de ataque" de 5 grados. Esto significa que las cuchillas funcionará mejor si está inclinado hacia arriba de 5 grados en la dirección del flujo de aire. La segunda razón es que las cuchillas se flujo de aire en diferentes ángulos a lo largo del radio de la hoja, como la cuchilla se mueve más rápido por el aire en la punta que está en la raíz.
Para calcular el ángulo "α" que las cuchillas necesitan ser dados vuelta en el viento de su sentido de la marcha, vamos a usar:
Α = 95 - tan^(-1)(U/V)
-U es la velocidad de la hoja en un radio específico (U = ω * r)
-V es la velocidad del viento, siempre de 11m/s en este caso
Ya que nuestras láminas serán 7cm de largo y tiene un radio máximo de 14cm, la raíz de la lámina será 7cm del centro de rotación. Tan de raíz a la punta, los ángulos son:
Radio (m) V(m/s) U(m/s) α(degrees)
0,07 11 10,99 50.0
0,08 11 12,56 46.2
11 0,09 14,13 42,9
11 0,10 15,70 40.0
0,11 11 17,27 37.5
11 0,12 18,84 35,3
0,13 11 20,41 33,3
11 0,14 21,98 31.6
OK, finalmente se hace la matemáticas, y ahora podemos ir el siguiente paso – la hoja en software CAD de modelado.
Puede utilizar las coordenadas del perfil aerodinámico de la web, guardarlos como un archivo .txt y luego importarlas a Solidworks para darle la forma del perfil aerodinámico. Una vez que las coordenadas se guardan como un archivo .txt, vamos a insertar > curva > curva a través de puntos xyz en Solidworks e inserte el archivo de perfil aerodinámico a uno de los planos básicos. Seleccione este plano, haga clic en el croquis de la superficie sustentadora y seleccione "convertir entidades." Esto se puede escalar y girar a un cierto ángulo con la barra de herramientas "mover entidades".
Luego, ir a insertar > referencia geometría > Insertar planos e inserte 7 planos, cada uno a una distancia de 10mm uno del otro. Seleccione cada plano a su vez, haga clic en la forma de perfil aerodinámico y seleccione "convertir entidades." Esto proyectará el velamen en cada plano. Como antes, esto puede luego ser a escala (hemos utilizado una escala de 2.5, para hacer la hoja 2,5 cm conduzcan a borde posterior) y también puede girar la hoja para los ángulos calculados antes.
Continuación, seleccione "abuhardilladas base del jefe" y seleccionar todos los perfiles de ángulo de perfil aerodinámico. Esto le dará la parte principal de la hoja!
Todo lo que queda por hacer ahora es hacer una "llave" para permitir que la cuchilla a la ranura en el centro, y también una pieza en el extremo de la ranura para el anillo externo. Estos pueden tanto hacerse por dibujar en los planos correspondientes y utilizando la herramienta de "extraer" para hacerlos en 3D.
La hoja está lista para prototipado rápido!
