Крыши. Энергия, принесенная ветром. Велосипед-тандем-веломобиль...("Сделай сам" №4∙2004) - [13]

Так, в средней полосе России среднегодовая скорость ветров около 2,6 м/с. Это значит, что в некоторые дни ветер дует со скоростью до 20 м/с, а иногда — полный штиль. Случаются ураганы, когда воздушные массы передвигаются со скоростью до 25 м/с.

Размеры и конструкция нашего винта зависят также от того, насколько полнее и чаще мы хотим пользоваться нашей ВЭС. Если использовать только сильные ветры — размеры выбираются меньше. Если хотим пользоваться практически без перерывов, то воздушный винт надо строить максимальных размеров.

Точный расчет силовых характеристик и размеров воздушного винта достаточно сложен. Поэтому приводить их здесь нет особой необходимости. Все равно теория и практика разойдутся в конечных результатах. Просто воспользуемся накопленным опытом для определения характеристик винта.

Для первоначального расчета винта будем опираться на скорость ветра, равную 4 м/с. Это довольно слабый ветерок. Из опыта известно, что при такой скорости ветра один квадратный метр площади, описываемой одной лопастью винта, может дать примерно 1,6 Вт мощности. Примем это за отправную точку и составим таблицу. В вертикальной колонке слева — мощность в ваттах, в горизонтальной строке вверху — число лопастей винта. В вертикальных колонках под числом лопастей — радиусы винта. Таблица составлена методом экстраполяции.

Из таблицы видно, чтобы получить мощность 0,5 кВт, при скорости ветра около 4 м/с нужен огромный винт. При двухлопастном винте его диаметр должен равняться 14 м!. Но не надо пугаться. Во-первых, мы взяли скорость ветра маленькую, во-вторых — больших 2-лопастных винтов никто не делает. Если изготовить 16-лопастный винт, то его диаметр при той же мощности будет равен 5 м, т. е. почти в 3 раза меньше.

Выбранный нами генератор Г-221 имеет максимальную мощность около 500 Вт. При постройке будем ориентироваться на то, что при скорости ветра 4 м/с генератор будет давать 0,1 мощности, т. е. 50 Вт. Общая длина двухлопастного винта, согласно таблице, около 4,5 м. Это много. Лучше построить шестилопастный винт. Тогда диаметр винта будет равен D = 2,6 м. Это вполне приемлемо. Покрытие лопасти винта примем не более 0,06. Это тоже из практики.

ΔS_л < 0,06.

Площадь плоскости вращения:

S = π∙R²  = 3,14∙1,3² = 5,3 м².

Площадь проекции плоскости:

S_л = ΔS_л∙S = 0,06∙5,3 = 0,318 м².

Значит, ширина лопасти должна быть не более:

L =< S_л/R_л = 0,24 м.

Принимаем L = 0,24 м = 240 мм.

Конструкция и изготовление воздушного винта

Итак, геометрические характеристики нашего воздушного винта определены. Сведем их в табличку:

D = 2,6 м = 2600 мм — диаметр винта.

К = 6 — количество лопастей.

Форма лопастей — прямоугольная.

φ = 12° — угол установки лопастей.

Н = π∙D∙tgφ = 3,14∙2600∙0,2126 = 1736 мм — шаг винта.

ΔS_л = 0,06 — покрытие одной лопасти.

ΔS_ε = К∙ΔS_л = 6∙0,06 = 0,36 — покрытие винта.

L = 0,24 м = 240 мм — ширина лопасти.

В = L∙tgφ = 240∙0,2126 = 51 мм — максимальная толщина 1-го винта.

Вращение — правое.

Крепление лопастей — глухое, неподвижное.

Пользуясь этими данными, начертим в масштабе 1:20 наш винт (рис. 8).

Рис. 8

Из чертежа видно, что диаметр ступицы для крепления лопастей должен быть d = 480 мм. Из чертежа же видно, что часть полезной площади лопастей в месте соединения со ступицей не будет принимать участия в создании крутящего момента. Общая величина этой площади S_ст = π∙R²  = 3,14∙240 = 180864 мм² = 0,18 м², что составляет 3,4 %. Этой потерей можно пренебречь, а можно и компенсировать увеличением диаметра винта миллиметров на 40.

А. Изготовление лопастей. Лопасти воздушного винта будем делать из дерева. Можно применить, практически, любые породы — сосну, ель, березу, дуб, осину и т. д. Но лучше всего взять липу. Древесина этого дерева легче других пород, она хорошо обрабатывается и в высушенном виде прочна.

Очень важно, чтобы древесина была хорошо просушена, не имела трещин. Мелкие сучки — не помеха. Лучшая древесина — это та, которая пролежала где-нибудь на чердаке в сухом месте года 3–4. Ни в коем случае нельзя изготавливать лопасти из недостаточно просушенного материала. Коробление при окончательной сушке неизбежно. Еще лучше, если заготовки для лопастей склеены из нескольких слоев тонких дощечек клеем, не боящимся сырости, например, эпоксидным.

Нам потребуется 6 заготовок 1300х150х55 мм. Из этих заготовок выстругаем прямоугольные доски размером 1240х240х50 мм. Запас, или припуск на обработку, нужен для того, чтобы плоскости получились без перекосов, все углы — точно 90°. Особенно вредны искривления типа винт.

Последовательность изготовления лопасти показана на рис. 9.

Рис. 9.Последовательность изготовления лопасти воздушного винта

Здесь: а) выстругивание чистовой заготовки и разметка пропилов вдоль плоскости по диагонали торца и отпил угла 60° для крепления основания лопасти к ступице; б) распиловка, в) выстругивание профиля обратной стороны лопасти. На этом этапе надо пользоваться двумя шаблонами, вырезанными, лучше всего, из листа дюралюминия толщиной 2–3 мм по рис. 10.

Рис. 10

Открытый шаблон применяется при первоначальной обработке, закрытый — при окончательной. Через этот шаблон лопасть должна проходить с легким трением по всей длине без зазоров. Тем самым обеспечивается идентичность всех лопастей; г) готовая лопасть. Сверление отверстий для болтов крепления к ступице делается при сборке. Чистота обработки поверхности должна быть высокой. Острые кромки закругляют.