Smo drugo leto študentov Product Design Engineering. Naš izziv je bil načrtovati in zgraditi turbino, ki bi, če bi bila nameščena v vetrovniku, ustvarila največ energije. Turbina je bila zasnovana z idejo, da bi učence srednje šole naučila, kako različne vrste lopatic vplivajo na učinkovitost turbine pri različnih hitrostih vetra, torej na odstranljive lopatice in kanal. Če pa je vaša turbina namenjena za zunanjo uporabo, bo enostavnejši konični kanal učinkovitejši. To bi lahko hitro izdelali s tanko plastično plastjo in superlepljenjem.
* UPDATE * Po nekoliko ostri konkurenci in blagih eksplozijah, je naša turbina izšla na 3. mesto in osvojila nekaj najboljših Teskovih mehurčkov. Prepričal bi se, da je vaš zunanji obroč popolnoma brez razpok, saj se je naš raznesel, ko se vrtijo z najvišjo hitrostjo!
Dobave:
1. korak: Izdelava kanala
Vod, ki usmerja pretok zraka od izhoda ventilatorja do lopatic turbine, je pomemben, saj poveča prostornino zraka, ki gre skozi lopatice turbine, in združuje pretok zraka.
To je najpreprostejši del za izdelavo, saj so zahtevani materiali najbolj osnovni in je edini kos, narejen brez uporabe elektronske opreme.
Če vaša turbina ne zahteva kanala, nadaljujte s korakom 6.
Boste potrebovali:
Blok pene
Veliko, veliko časopisov
Folija
Lepilo za tapete
Lepilni trak
2 veliki listi MDF (približno 300 x 400 mm)
Bela barva
Lak
Vroča pištola za lepilo
2. korak: Pridobite velik blok pene
Ta blok pene je tisti, ki tvori plesen, ki ga bomo kasneje pospravili, da bi ustvarili votlo lupino. Dimenzije tega bloka so 450x280x280 mm. Kuboid sem izdelal tako, da sem z vročo lepilno pištolo lepljalo 6 trakov iz pene debeline 75 mm.
Oblika, ki jo bomo oblikovali iz tega, je precej zapletena in mi je bilo težko vizualizirati. Zato sem ugotovil, da je brušenje velike oblike veliko lažje, kot pa poskusiti zgraditi dokončano obliko iz izmerjenih trakov, vendar bolj zamudno.
Na enem koncu bloka označite središče in narišite krog polmera 140 mm. Na drugem koncu bloka označite pravokotnik enake širine kot blok in višino 165 mm, ponovno se prepričajte, da je centriran.
Zdaj začnite z brušenjem. Uporabil sem veliko kovinsko datoteko, vendar bi brusni papir z nizkim peskom uspel. Med brušenjem morate imeti v mislih, da srednji pas vaše oblike ostane praktično nedotaknjen. To omogoča, da se obe strani gladko združita, kot je prikazano na sliki.
Medtem ko brušimo pravokotno stran, bo pena nad in pod obliko, ki jo odstranite, medtem ko bo na krožnem koncu širina bloka, ki se bo zmanjšala, in vsi vogali zaokroženi.
V zaključnih fazah uporabite brusni papir z visoko peskanje, da gladite obliko.
3. korak: Papir Mache
Ker je naš kalup izdelan iz poroznega materiala, ga moramo pokriti s folijo, da preprečimo lepljenje ohišja papirja. Za to sem uporabil približno pol zvitka filma.
Ustvariti moramo čim bolj gladko površino, da bi zagotovili minimalno turbulenco znotraj našega kanala. Najlažji način je, da enkrat obiščete obod s folijo, prekrivajte robove, nato izrežete film in začnete znova višje, dokler ni pokrita celotna oblika (vključno z zgornjo in spodnjo površino). Ta tehnika preprečuje valovanje, ki se pojavi v filmu, ko poskusite pokriti obliko naenkrat.
Zdaj za zabavo. Napolnite vedro s 4 deli tople vode in 1 delno ozadje (v tem vrstnem redu, drugače pa se kot je odkril). To zmešajte, dokler ne nastane gosta pasta, nato pa v pasto potopite trakove časopisa in jih položite na kalup. Stranice oblike prekrijte tako, da greste do zgornjega in spodnjega roba, vendar pustite zgornjo in spodnjo površino nepokrito. Poskusite narediti prvi sloj trakov v isti smeri, nato pa na plasti 2 naredite pravokotno. Ponovite za 8 plasti.
4. korak: Odstranjevanje kanala
Ker je ta oblika na enem koncu širša in na drugi višja, ne moremo preprosto izvleči pene. Papirno kašo moramo prerezati na pol in nato ponovno odstraniti obe polovici. Deluje oster nož ali skalpel.
Ko se peneče plesen odstrani, se lupina izkrivlja. To otežuje zlepljanje. Naša metoda je bila precej eksperimentalna. Uporabili smo kombinacijo PVA lepilnih lesenih nosilcev, sponk in kovinskih uteži. Najprej pokrijte eno stran kosov MDF, približno 100 x 150 mm, s PVA lepilom. Poravnajte dve polovici papirne kaše in nato pritrdite nosilec MDF na rez. Spenjajte vzdolž celotne dolžine reza in jo nato spnite ali stehtajte, dokler se PVA ne posuši. Ponovite za nasprotno stran.
Korak 5: Končni koraki
Zdaj imate popoln kanal za vaš vetrovnik, vendar je še vedno precej krhek. Da bi bila oblika bolj toga, se leseni (ali podobni) vroči lepilni trakovi držijo okoli dveh odprtih koncev. Da bi našli dimenzije podpornega obroča, sem meril trak po obodu in izračunal premer. Zaščitite in / ali zlepite papirnato kavo na les, da zagotovite dobro prileganje.
Nato prevlecite notranjost in zunanjost z 2 nanosi laka. To ne samo, da ščiti papirnato kavo pred vlago in izboljšuje njegovo togost, ampak tudi zmanjšuje turbulenco, ko je kanal v uporabi.
Končno: estetika. Odločili smo se, da bo naš kanal barvno svetlečo belo, da bi ohranili našo temo.
6. korak: Oblika rezila
Imamo dostop do stroja za hitro izdelavo prototipov (ali »3D tiskalnika«), zato smo imeli priložnost optimizirati našo rezilo, da bi dosegli čim več moči.
Vetrne turbine z dvigalom so daleč najučinkovitejše, zato smo se odločili, da uporabimo obliko krila, ki se že uporablja za vetrne turbine, domiselno imenovano FX-83-W-108. Glejte http://worldofkrauss.com/foils/52
Ta profil je bil izbran, ker ima dobro razmerje Lift / Drag 68.785. To pomeni, da za vsako silo, ki jo ustvari v uporu, ustvari 68.785-krat večjo silo pri dviganju. Letalo ima tudi širok razpon kotov napada, v katerih deluje, od -5 do +8 stopinj. V bistvu nam to samo daje malo prostora za napake, ko naredimo rezila.
Prvi korak pri optimizaciji dizajna rezila je v resnici izračunati, koliko moči je v vetru. Ker je naš projekt vključeval vetrovnik, smo imeli bolj ali manj konstantno hitrost vetra. Formula je:
Moč vetra = 0,5 * (gostota zraka) * (območje) * (hitrost vetra) ^ 3
To daje moč v Wattih - poskrbite, da boste uporabljali enote S.I (tj. Metre, kilograme, sekunde itd.)
- Gostota zraka na morski gladini pri 20 stopinjah C je približno 1,204 kgm -3
- Območje se nanaša na območje, v katerem bo turbina zasedena. Za našo zasnovo je bila to površina konca našega kanala, t.j. pi * 0,14 * 0,14 = 0,0616 kvadratnih metrov.
- Hitrost vetra je hitrost zraka skozi območje, kjer bo turbina zasedena. Kot lahko vidite, majhno povečanje hitrosti vetra močno poveča moč.
Hitrost vetra je bila okrog 11 metrov na sekundo in območje 0,0616 kvadratnih metrov, kar nam je dalo moč na vetru kot 50 Wattov.
Zaradi nečesa, kar imenujemo Betzova meja, je največja možna moč, ki jo lahko iz vetra iztisne turbina, 59,3% te vetrne energije. Tu ne bom razpravljal o razlogih, vendar si ga lahko ogledate, če ste resnično zainteresirani …
Zdaj smo dobili največjo možno izhodno moč kot 59,3% 50 Wattov, kar daje približno 29 Wattov.
To število predpostavlja, da je turbina 100% učinkovita, kar je nemogoče. Velike bele turbine, ki jih danes vidite povsod, dosežejo 75 - 85% učinkovitosti, kar je precej impresivno. Nismo tako dobri, zato 50-odstotna učinkovitost zveni razumno. To nam daje teoretično izhodno moč naše turbine kot 14 Wattov.
Naslednji del je žal še nekaj matematike - toda to je zadnji del!
Zdaj je treba ugotoviti, kako velike morajo biti rezila za doseganje naše izračunane izhodne moči. To je odvisno tudi od hitrosti vrtenja turbine.
Najvišjo točko smo izbrali s hitrostjo okoli 22-30 metrov na sekundo (50-70 mph), zato moramo zagotoviti, da se bo turbina vrtela dovolj hitro, da bo to mogoče.
Za določitev hitrosti rezila na določeni točki uporabljamo:
U = ω * r
- U je hitrost rezila
- ω je hitrost vrtenja v radianih na sekundo
- r je polmer v metrih.
Izbrali smo hitrost vrtenja 1500 vrt / min. Če želite to pretvoriti v radiane na sekundo, pomnožite z 2 * pi in nato delite s 60;
(1500 * 2 * pi) / 60 = 157 radianov na sekundo
Konice rezil imajo polmer 140 mm od središča vrtenja (zaradi velikosti kanala), tako da bo hitrost konice:
U = ω * r = 157 * 0,14 = 22 metrov na sekundo
Torej je tako hitro, da se rezilo premika skozi zrak, ki je pravokoten na veter. Da bi našli skupno hitrost, ki jo je doživel rezilo na konici, uporabljamo Pitagora:
Skupna hitrost = √ ((U ^ 2) + V ^ 2)
U je hitrost konice, merjena prej kot 22 metrov na sekundo
V je hitrost vetra, izračunana pred 11 metrov na sekundo
Tako dobimo skupno hitrost 24,6 metrov na sekundo na konici rezila, ki je lepo v središču optimalnih hitrosti za naš profil.
OK, naslednja velika enačba za našo rezilo:
Površina rezila = moč / 0,5 * ρ * √ (U ^ 2 + V ^ 2) * (Cl UV-CdU ^ 2)
Moč je moč vetrne turbine, ki smo jo izračunali prej, 14 W
- ρ je gostota zraka, ponovno približno 1,204 kg na kubični meter
-V je hitrost vetra v metrih na sekundo - v tem primeru 11m / s
-U je hitrost rezila v metrih na sekundo - v tem primeru 22m / s
-Cl je koeficient dviga za naš profil, najden na podatkovnem listu. Naš profil ima koeficient dviganja 1.138
-Cd je koeficient upora, ki je 0,01654
Tako iz enačbe dobimo optimalno območje rezila za hitrost naše turbine in izhodno moč 0,003536 kvadratnih metrov.
Odločili smo se, da imamo dva rezila (več in bi bila zelo majhna in krhka), tako da smo imeli vsako površino rezila 0,001768 kvadratnih metrov. Uporaba širine rezila 2,5 cm daje dolžino rezila približno 7 cm.
Zdaj imamo tako teoretično izhodno moč, hitrost naše turbine, število potrebnih rezil in dimenzije, ki jih morajo biti rezila. Zdaj smo skoraj pripravljeni narediti model CAD za rezila - najprej je samo malo več matematike …
Zadnja stvar, ki jo moramo izvesti, je kot rezila na različnih točkah vzdolž polmera lopatice. To je iz več razlogov - prvič, najlažje deluje pri "napadnem kotu" 5 stopinj. To pomeni, da bodo rezila najbolje delovala, če bodo nagnjena za 5 stopinj v smeri pretoka zraka. Drugi razlog je, da bodo rezila doživela pretok zraka pod različnimi koti vzdolž polmera rezila, saj se rezilo hitreje premika po zraku na konici, kot je v korenu.
Za izračun kota "α", ki ga je potrebno iz svoje smeri vožnje zavrteti v veter, uporabimo:
α = 95 - tan ^ (- 1) (U / V)
-U je hitrost rezila pri določenem polmeru (U = ω * r)
-V je hitrost vetra, vedno 11m / s v tem primeru
Ker bodo naše lopatice dolge 7 cm in imajo največji polmer 14 cm, bo koren rezila 7 cm od središča vrtenja. Torej so od kota do konice koti:
Polmer (m) V (m / s) U (m / s) α (stopinje)
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, matematika je končno končana in zdaj lahko nadaljujemo z naslednjim korakom - modeliranje rezila v CAD programski opremi.
Koordinate letalnega profila lahko uporabite na spletni strani, jih shranite kot datoteko .txt in jih nato uvozite v Solidworks, da dobite obliko zračnega krila. Ko so koordinate shranjene kot .txt datoteka, pojdite na insert> curve> curve skozi xyz točke v Solidworks, in vstavite vašo datoteko letalnika v eno od osnovnih ravnin. Nato izberite to ravnino, kliknite na skico letalnega profila in izberite »pretvorite entitete«. To lahko nato prilagodite in zavrtite pod določenim kotom z orodno vrstico »Premakni subjekte«.
Nato vstavite> referenčno geometrijo> vstavite ravnine in vstavite 7 ravnin, vsak na razdalji 10 mm drug od drugega. Izberite vsako ravnino, kliknite na obliko aerodinamičnega elementa in izberite »Pretvorba entitet«. S tem boste usmerili krilo na vsako ravnino. Kot prej se lahko to prilagodi (uporabili smo lestvico 2,5, da bi rezilo 2,5 cm vodili do zadnjega roba), rezilo pa lahko obrnete tudi na prej izračunane kote.
Nato izberite “lofted boss / base” in izberite vse profile kotnih profilov. To vam bo dalo glavni del rezila!
Vse, kar je zdaj treba storiti, je narediti "ključ", ki omogoča rezilo v pesto, in tudi kos na koncu, ki se vtakne v zunanji obroč. To lahko naredite tako, da skicirate ustrezne ravnine in uporabite orodje za iztiskanje, da jih naredite 3D.
Rezilo je zdaj pripravljeno za hitro izdelavo prototipov!
7. korak: Odlivanje rezil
Ko je rezilo hitro prototipirano, ga lahko oddajemo za izdelavo identičnih kopij.
Najprej mora biti rezilo zglajeno in polirano. Večina strojev za hitro izdelavo prototipov tiska le z natančnostjo približno 0,25 mm, zato bo rezilo precej grobo.
Najprej potopite rezilo v metil etil keton (MEK). To bo pomagalo izravnati nekatere pomanjkljivosti. Nato nanesite tanek sloj U-POL-a ali drugega kompatibilnega polnila, da izpolnite hrapavost in pritrdite morebitne nazobčane robove. Ko se polnilo posuši, rezilo zelo pečatite. Ne pozabite, da so dimenzije in gladkost krilnega dela nujno potrebne za pravilno delovanje. Rahlo valovanje ali sprememba oblike krila bo drastično spremenila njegovo aerodinamično učinkovitost.
Postopek polnjenja in brušenja ponovite, dokler rezilo ni popolnoma gladko, brez globokih prask. Rezilo je sedaj lahko napolnjeno, da pokaže morebitne nadaljnje pomanjkljivosti, brusenje / polnjenje pa se ponavlja, dokler rezilo ni gladko in sijoče.
Rezilo je zdaj pripravljeno za ulivanje.
Da bi izdelali kalup, morate najti (ali narediti) majhno škatlo, približno za centimeter ali dva, večja od rezila v vsako smer.
Zlepite majhen kos plastike vzdolž sprednje strani rezila. Vodilni rob je debelejša stran krilnega dela. Nato lepljite ta kos plastike na dno škatle.
Nato zmešajte nekaj silicijeve tekočine za brizganje kot na navodilih na steklenici in napolnite škatlo.
Ko se silicij posuši, se škatla lahko razdeli, rezilo pa se lahko previdno odstrani iz kalupa.
Sedaj lahko zmešate smolo, da začnete izdelovati kopije rezila. Razmerja so običajno približno 1: 1 smola na trdne. Nastavitev ne traja dolgo, zato jo je treba takoj vnesti v kalup. Prepričajte se, da kalup okrog sebe zavrtite in zagotovite, da smola doseže vsak del plesni.
Po približno 15-20 minutah mora biti vaša prva rezila pripravljena. Ne bodite v skušnjavi, da odstranite rezilo prezgodaj - morda se vam zdi, da je dovolj, ampak rezilo bo še vedno mehko in se bo rahlo upogibalo, uničilo vse tiste kote, ki ste jih tako uživali.
Ta postopek ponovite za toliko rezil, kot želite. Naredili smo 10, da bi bili prepričani, da imamo veliko za to.
Potem je to isti postopek kot prej - polnjenje in brušenje. Uporabili smo model za polnjenje z zelenimi materiali, da bi izravnali majhne mehurčke in pomanjkljivosti, ki so nastali v kalupu, in jih polirali s finim brusnim papirjem. Nože lahko nato razpršite z vsako barvo, dokler je sijaj, da zmanjšate trenje z zrakom.
Rezila so (končno!) Končana.
8. korak: Hub
Naše vozlišče je bilo zasnovano za CNC rezkanje iz Perspexa.
Prvi korak je skiciranje kroga pravilnega premera. V našem primeru je bilo to 140 mm. Nato skicirajte majhen krog v sredini kot sredinsko luknjo.
Nato na dnu rezila skicirajte isto "ključno" obliko in s tem ustvarite krožno skico. Potrebujemo samo dva rezila, vendar smo izdelali 8 enakih skic, ki omogočajo modifikacijo z različnimi rezili, če želite.
Nato iztisnite krog in izrežite ključe do pravilne globine, da se ujemajo z rezili. V našem je bilo to 16mm. Poskrbite, da bo sredinska luknja potekala do konca.
Nato poiščite primeren kos Perspexa za CNC obdelavo. Mora biti dovolj debela, da omogoča malo več kot globina reže, zato je idealno vse, kar je približno 20-30 mm debelo.
Ko je pesta strojno obdelana, boste morali izvrtati sredinsko luknjo in jo tapniti (navoj). Naša turbina se obrne v nasprotni smeri urinega kazalca, če jo gledamo od spredaj, tako da mora biti navoj levi navoj, da se prepriča, da se privije na gred, namesto da se odvija! Velikost luknje in tekalne plasti je odvisna od velikosti gredi, ki jo uporabljate, vendar smo uporabili M10.
9. korak: Pokrov
Pokrov je pomemben, saj usmerja pretok zraka gladko na rezila.
Da bi izdelali naš pokrov, smo najprej laminirali plasti MDF, ki so bile 160x160mm, da bi naredili dimenzijo približno 250 mm višine. PVA lepilo najbolje deluje za lepljenje, vendar ga boste morali čez noč pustiti, da se posuši.
Nato izrežite MDF sendvič na stružnico za obračanje lesa, da dobite obliko plašča. Premer na dnu je bistvenega pomena, zato ga pogosto uporabljajte, da se prepričate, da ne boste preveč odrezali.
Ko imate pravilno obliko, uporabite peskani papir na stružnici, da izravnate morebitne hrapavosti plašča.
Nato dodajte majhen blok lesa ali MDF, debeline približno 2-4 cm, na dno oblike plašča. Ta blok mora biti manjši od celotnega premera podnožja. To bo dvignilo pokrov za naslednjo stopnjo - vakuumsko oblikovanje.
Prah nad okrovom MDF z prahom smukca. To bo preprečilo akrilno lepljenje v vakuumu. Za vakuumsko oblikovanje lahko uporabite katerokoli barvo akrilnega debeline 1-2mm, vendar smo uporabili čisto, tako da smo lahko videli sestavitev turbine, ko jo sestavimo.
Nato vakuum oblikujte akril nad obliko MDF. Ko se ohladi, uporabite skalpel ali oster nož, da skrbno obrežete okoli dna. Ostanite z lepo, lepo urejeno plaščem.
Naslednja faza je vstavitev, ki bo pritrdila akrilno plašč na vašo turbino.
Najprej narišite krog enakega premera kot podnožje vašega klobuka (140mm). Na sredini tega dela narišite še en krog, ki je enak premeru turbinske gredi, v našem primeru 10mm. To bo osnova, ko boste lasersko odrezali iz 2mm čistega akrila. Matico M10 prilepite na sredino tega kosa, pri tem pazite, da je luknja v matici centrirana na luknji v akrilu.
Nato laserski izreže drug krog manjšega premera (približno 40 mm), ponovno s 10 mm luknjo v sredini.
Veliki krog usmerite na gred turbine, sledi matico M10, majhen krog in drugo matico. Nato boste morali prilagoditi višino majhnega kroga z navijanjem obeh navojev navzgor in navzdol. Dva kroga morata biti na pravi razdalji, tako da se oba dotikata notranjosti plašča, ko je nameščena nad vrh gredi. Nato izmerite razdaljo med krogi in odrežite kos prozorne plastične cevi na to dolžino, pri čemer pazite, da bo dovolj velika, da bo lahko prilegala matico na velik krog.
Zdaj vrtati štiri zelo majhne luknje na straneh velikega kroga, in izvrtati luknje, da se ujemajo v vakuumsko oblikovan plašč. Pokrov lahko nato pritrdite na kroge z zatiči in lepilom.
Korak 10: Zunanji obroč
Zunanji obroč obdaja rezila. To je še en pomemben del, saj pomaga preprečevati upogibanje rezil in zmanjšuje "vrtinec", ki je glavni vir upora. (Opazite, da imajo številna visoko zmogljiva letala krila za zmanjšanje tega.)
Prstan, tako kot vozlišče in rezila, se lahko modelira na CAD programu, kot je Solidworks. CNC stroj, do katerega smo imeli dostop, je premajhen za obdelavo obroča, zato je bil izdelan s pomočjo laserskega rezalnika, od 4 mm čistega akrila.
Narišite obroč na vaši CAD programski opremi in naredite reže, ki se bodo ujemale s koncem rezil. Uporabite krožno skico kot pri vozlišču, da dobite vse reže enake in na pravih mestih. Pogled od zgoraj navzdol obroča se lahko nato natisne z laserskim rezalnikom.
Lahko tudi prerežete nekaj obročev z enakim notranjim in zunanjim premerom kroga kot prej, vendar brez rež, da naredite zaprt obroč.
Zadnja stvar je, da sestavite vse dele za hitro izdelavo prototipov, CNC obdelavo in lasersko rezanje na vaši CAD programski opremi, samo da se prepričate, da se vse prilega skupaj, preden jo naredite!
11. korak: Okvir
To je okvir, ki bo držal vse skupaj.
Odločili smo se, da uporabimo perspex za njegovo togost, tudi njegova preglednost daje uporabniku jasen pogled na to, kako je vsak del povezan.
Za izdelavo teh delov je bila izdelana vrsta CAD risb, ki so se nadaljevale v CNC stroje za proizvodnjo.
Te datoteke solidworks so skupaj z dimenzijami.
Pred obdelavo materiala je treba osnovno obliko vsake komponente razrezati na dolžino, širino in višino, pripravljeno za CNC stroj.
Ko je to storjeno, je čas za vrtanje in navijanje lukenj za pritrditev na okvir.
Najboljši način za točnost točnosti je, da začnete z vpetjem celotnega okvirja skupaj.
Ko je to storjeno, lahko začnete z vrtanjem 8 lukenj od stebrov do nosilcev.
Način, kako sem to dosegel, je, da v vrtalnik vstavim 5 mm sveder (velikost luknje). Poravnajte luknjo z vrtalnikom, pritrdite enoto na stebrno varovalo. Potem ko je izvrtina popolnoma poravnana, zamenjajte sveder na 4 mm (1mm manjši pripravljen za 5mm navoj) in izvrtajte 20 mm v material.
Postopek ponovite za 4 luknje od podnožja do stebrov. Če začnete z 8mm, se premaknite navzdol na 7mm.
Ko je to storjeno, lahko začnete z navojem lukenj. Potrebovali boste pipo m6 & m8.
Nosilec postavite v primež, razpršite luknje s hladilnim sredstvom in tapnite z m6.
Ponovite za stebre z uporabo pipe m8.
Sedaj najti osem 6mm vijakov in štiri 8mm vijake za pritrditev okvirja skupaj.
Finalist v
Make It Real Challenge
