Étape 6: Design de lame
Ascenseur – base éoliennes sont de loin le type le plus efficace, nous avons donc décidé d’utiliser une forme de profil aérodynamique (aile) utilisée dans les turbines de vent déjà, l’imaginaire nommé FX-83-W-108. Voir http://worldofkrauss.com/foils/52
Cette aile a été choisi parce qu’il a un bon rapport portance/traînée de 68.785. Cela signifie que pour toutes les forces qu’il crée en travesti, il crée 68.785 fois plus de force dans l’ascenseur. Le profil aérodynamique dispose également d’un large éventail d’angles d’attaque, dans laquelle il travaille, de -5 à + 8 degrés. Fondamentalement cela juste nous donne un peu de marge pour l’erreur lorsque nous faisons les lames.
La première étape dans l’optimisation de la conception de lame est vraiment de calculer combien d’énergie il est dans le vent. Puisque notre projet porte sur un tunnel de vent, nous avons eu un vent constant plus ou moins. La formule est :
Énergie éolienne = 0,5 * (densité de l’air) * (espace) * (vitesse du vent) ^ 3
Cela donne la puissance en Watts – Assurez-vous que vous utilisez des unités S.I (mètres, kilogrammes, secondes, etc..)
-La densité de l’air au niveau de la mer à 20 degrés C est environ 1,204 kgm -3
-La zone fait référence à la région qui occupe la turbine. Pour notre conception, c’est la zone de la fin de notre conduite, c'est-à-dire pi * 0,14 * 0,14 = 0,0616 mètres carrés.
-La vitesse du vent est la vitesse de l’air dans la zone de que la turbine occupera. Comme vous pouvez le voir, une légère augmentation de la vitesse du vent permet une forte augmentation en puissance.
Nous avons eu une vitesse de vent d’environ 11 mètres par seconde et une superficie de 0,0616 mètres carrés, donc cela nous a donné le pouvoir dans le vent comme environ 50 Watts.
En raison de ce qu’on appelle la « limite de Betz », la puissance maximale possible qui peut être extraite du vent par une turbine est de 59,3 % de cette énergie éolienne. Je n’irai pas les raisons ici, mais vous pouvez regarder il vers le haut si vous êtes vraiment intéressé...
Alors maintenant, nous avons notre puissance possible maximum 59,3 % de 50 Watts, ce qui donne environ 29 Watts.
Ce chiffre suppose que la turbine est 100 % efficace, ce qui est impossible. Les grandes turbines blancs vous voyez partout ces jours-ci gérer environ 75 – 85 % efficacité, ce qui est assez impressionnante. Nous ne sommes pas très bons, donc 50 % d’efficacité semble raisonnable. Cela nous donne la puissance théorique de notre turbine comme environ 14 Watts.
Le bit suivant quelques fonctions mathématiques plus malheureusement – mais c’est le dernier morceau !
Ce que nous devons faire maintenant est de déterminer quelle est la taille des lames doivent faire pour atteindre notre puissance calculée. Cela dépend aussi de la vitesse, à que nous voulons que la turbine de tourner.
Le profil aérodynamique, nous avons choisi fonctionne mieux avec une vitesse d’environ 22-30 mètres / seconde (50 à 70 mi/h), nous avons donc besoin de s’assurer que la turbine tourne assez vite pour permettre cela.
Pour déterminer la vitesse de la lame à un certain moment, nous utilisons :
U = ω * r
-U est la vitesse de la lame
-Ω est la vitesse de rotation en radians par seconde
-r est le rayon en mètres.
Nous avons choisi une vitesse de rotation de 1500 tr/min. Pour convertir cela en radians par seconde, multipliez par 2 * pi et ensuite diviser par 60 ;
(1500 * 2 * pi) / 60 = 157 radians par seconde
Les pointes de la lame aura un rayon de 140mm de leur centre de rotation (en raison de la taille du conduit), donc la vitesse de pointe sera :
U = ω * r = 157 * 0,14 = 22 m / s
C’est donc à quelle vitesse la lame se déplace dans l’air perpendiculaire au vent. Pour trouver la vitesse totale vécue par à l’extrémité de la lame, nous utilisons de Pythagore :
Total de vitesse = √ ((U^2) + V ^ 2)
U est la vitesse de pointe, mesurée précédemment comme 22 mètres / seconde
V est la vitesse du vent, calculée avant 11 mètres par seconde
Ainsi, on obtient une vitesse totale de 24,6 mètres / seconde à l’extrémité de la lame, qui est bien dans le milieu de la gamme de vitesses optimales pour notre profil aérodynamique.
OK, ensuite l’équation grosse pour obtenir notre zone de la lame :
Zone de la lame = puissance / [0,5 * ρ * √(U^2+V^2) * (Cl UV-CdU ^ 2)]
-Puissance est la puissance de turbine de vent que nous avons calculé avant, 14 Watts
-Ρ est la masse volumique de l’air, encore environ 1,204 kg / m3
-V est la vitesse du vent en mètres par seconde – dans ce cas 11m/s
-U est la vitesse de l’extrémité des pales en mètres par seconde – dans ce cas 22m/s
-Cl est le coefficient de portance pour notre profil aérodynamique, trouvé sur la feuille de données. Notre profil aérodynamique a un coefficient de portance de 1.138
-Cd est le coefficient de traînée, qui est 0.01654
Donc l’équation, nous obtenons la zone optimale de lame pour la vitesse de la turbine et la puissance de 0,003536 mètres carrés.
Nous avons décidé d’avoir deux lames (plus et ils seraient très petites et fragiles), donc cela nous a donné de chaque zone de la lame comme 0,001768 mètres carrés. En utilisant une largeur de lame de 2,5 cm donne une longueur de la lame de 7cm environ.
Alors maintenant, nous avons notre puissance théorique, vitesse de rotation de la turbine, le nombre de lames, que nous avons besoin et les dimensions que les lames doivent être. Nous sommes presque prêts à faire un modèle CAO des lames maintenant – il n’y a juste un tout petit peu plus de maths première...
La dernière chose que nous devons travailler est l’angle des pales à divers endroits le long du rayon de la lame. C’est pour deux raisons : tout d’abord, les œuvres de profil aérodynamique mieux à un « angle d’attaque » de 5 degrés. Cela signifie que les lames fonctionnera mieux si ils sont inclinés vers le haut de 5 degrés à la direction du flux d’air. La deuxième raison est que les lames connaîtront des flux d’air des angles différents le long du rayon de la lame, que la lame se déplace plus rapidement dans l’air à son extrémité que c’est à l’origine.
Pour calculer l’angle « α » que les lames ont besoin d’être transformé en vent de leur sens de la marche, nous utilisons :
Α = 95 - tan^(-1)(U/V)
-U est la vitesse de la lame à un rayon spécifique (U = ω * r)
-V est la vitesse du vent, toujours 11m/s dans ce cas
Nos lames seront 7cm de long et ont un rayon maximum de 14cm, la racine de la lame sera 7cm du centre de rotation. Donc des racines aux pointes, les angles sont :
RADIUS(m) V(m/s) U(m/s) α(degrees)
11 0,07 10,99 50,0
11 0,08 12,56 46,2
11 0,09 14,13 42,9
11 0,10 15,70 40,0
11 0,11 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, les maths est enfin terminée, et maintenant nous pouvons passer à l’étape suivante – modélisation de la lame dans les logiciels CAO.
Vous pouvez utiliser les coordonnées de profil aérodynamique sur le site, enregistrez-les dans un fichier .txt et puis les importer dans vers Solidworks pour donner la forme aérodynamique. Lorsque les coordonnées sont enregistrées dans un fichier .txt, allez à insérer > courbe > courbe par points xyz dans Solidworks et insérez votre fichier de profil aérodynamique à l’un des plans de base. Sélectionnez ensuite ce plan, cliquer sur l’esquisse du profil aérodynamique et sélectionnez « convertir entités. » Ceci peut alors être mis à l’échelle et tourné vers un certain angle à l’aide de la barre d’outils « déplacer des entités ».
Puis, cliquez sur Insérer > géométrie de référence > insérer des avions et insérer 7 avions, chacun à une distance de 10mm les uns des autres. Sélectionnez chaque plan à son tour, cliquez sur la forme du profil aérodynamique et sélectionnez « convertir entités. » Cela va projeter le profil aérodynamique sur chaque plan. Comme avant, elle peut alors être ajustée (nous avons utilisé une échelle de 2.5, pour rendre la lame 2,5 cm de l’attaque à bord de fuite) et vous pouvez également faire pivoter la lame à l’angle calculé avant.
Puis sélectionnez "lancéee bossage/base" et sélectionnez tous les profils d’angle aérodynamique. Cela vous donnera la partie principale de la lame !
Tout ce qui reste à faire est maintenant faire une « clé » pour permettre à la lame à fente dans le moyeu et aussi une partie à la fin à fente à la bague extérieure. Ces tous les deux faire de croquis sur les plans appropriés et à l’aide de l’outil « extruder » pour les rendre 3D.
La lame est maintenant prête pour le prototypage rapide !
