В. Сарафанников – Крыши. Энергия, принесенная ветром. Велосипед-тандем-веломобиль...("Сделай сам" №4∙2004) (страница 8)

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.

Помочь изготовлению лопастей может мерительный инструмент — слесарный угольник, стальная линейка-метр, штангенциркуль, пара стальных линеек по 300 мм для проверки плоскостей визуально, угломер, шаблоны, циркуль, желательны весы.

Б. Ступица (рис. 11).

Рис. 11

Служит для закрепления лопастей и насадки винта на вал редуктора. Из стали δ = 10 мм и δ = 15 мм вырезают два диска диаметром 480 мм с припуском 3–4 мм. К диску толщиной 15 мм приваривают втулку. Скрепив струбцинами оба диска, сверлят 24 отверстия диаметром 8,5 мм. Диск с втулкой — ступица. В нем нарезают резьбы М10. Второй диск — зажимная накладка.

Здесь отверстия рассверливают до диаметра 10. Закрепив несколькими болтами М10 ступицу с накладкой, обтачивают на токарном станке для устранения возможных биений. Отверстие в центре для насадки на вал редуктора может быть и другого диаметра, лучше — больше, в зависимости от вала редуктора. Пунктиром на рис. 11 показано размещение оснований лопастей.

В. Сборка воздушного винта. Собирать воздушный винт надо на ровной площадке. Шесть отверстий М10 на диаметре 240 мм являются технологическими. Ввернув шесть болтов М10х80, пропустив их через отверстия накладки в ступицу, вводят основания лопастей между дисками ступицы и накладкой. Тщательно замерив расстояния между концами лопастей и выровняв их, затягивают все болты, стараясь сделать это равномерно. Равномерность затяжки контролируют штангенциркулем в 6 точках ступицы между основаниями лопастей. После затяжки проверяют расстояние между лопастями еще раз. После этого можно просверлить 18 отверстий в основаниях лопастей и ввернуть крепежные болты М10х85. С обратной стороны навертывают контргайки для предотвращения самопроизвольного отвертывания. Лопасти и места их крепления на ступице отмечают, чтобы после разборки каждая лопасть вставала на свое место.

Г. Балансировка и отделка винта. Для балансировки собранный винт насаживают на вал редуктора, который должен очень легко вращаться в подшипниках. Редуктор устанавливают на высоте около 1,5 м и хорошо закрепляют. Приводной ремень между шкивами должен быть снят.

Балансировка заключается в том, что винт несколько раз крутят, наблюдают за остановками. Ни одна из лопастей не должна быть тяжелее других. Если винт стремится останавливаться все время вниз одной и той же лопастью, значит, ее надо облегчить.

Убеждаются также в отсутствии радиальных и осевых биений. Радиальные биения могут появляться из-за погрешности в сборке. Эти биения — источник несбалансированности винта. Устраняют подрезанием конца лопасти. Для проверки осевых биений сбоку от плоскости вращения устанавливают какой-нибудь штырек, поворачивая винт, проверяют расстояния между лопастями и штырьком в момент прохождения. Если все шесть лопастей проходят мимо указателя-штырька на одном и том же расстоянии, значит, все в порядке. В противном случае можно тонкими прокладками в месте крепления лопастей исправить эти дефекты. Хорошо сделанный ровный винт — это залог долголетней работы ВЭС.

Воздушный винт работает в довольно тяжелых условиях. Его и дождем мочит, и жаром сушит, зимой — мороз, обледенение. Поэтому готовый винт надо тщательно покрыть лаком слоев 5–6. Лак лучше употребить масляный. Он сохнет дольше, но зато покрытие прочнее и долговечнее. Винт перед лакированием надо разобрать, чтобы лак попал даже в отверстия для болтов. Перед нанесением следующего слоя поверхность надо обрабатывать мелкой наждачной бумагой, чтобы удалить все приставшие соринки и ворсинки.

После отделки винта лаком и повторной, окончательной сборки, винт еще раз проверяется на сбалансированность и отсутствие биений. Если мы за счет лака сделали какую-либо лопасть тяжелее, надо снова устранить этот дефект.

Редуктор

Выбранный нами генератор Г-221 высокооборотный, начинает вырабатывать электрический ток, приемлемый к эксплуатации, при оборотах около 1000. Воздушный винт при слабом ветре может развить 180–200 об/мин. Повышение числа оборотов достигается применением редуктора. Шкив генератора рассчитан на применение клинового ремня, диаметр его — 80 мм. Изготавливается шкив с такой же канавкой, но диаметром

D_B = D_r∙N = 80∙5 = 400 мм.

Здесь D_B — диаметр ведущего шкива, устанавливаемого на валу воздушного винта;

D_r = 80 мм — диаметр шкива генератора; N = 5 — передаточное число редуктора.

Есть соблазн повысить обороты генератора за счет увеличения передаточного числа. Но нельзя забывать основной закон механики — «выигрываем в скорости — проигрываем в крутящем моменте». Чрезмерно увеличив N, можно прийти к тому, что винт при умеренном ветре не сможет вращать генератор. Если кто держал в руках механизм обыкновенного будильника, тот знает, что при очень сильной пружине достаточно попасть соринке между зубчиками триба анкерного колеса, как механизм перестает вращаться. Очень сильной заводной пружине из-за большого передаточного тела между барабанным колесом и трибом анкерного колеса оказывается не по силам преодолеть столь мизерное препятствие.

Кинематическая схема нашей ВЭС показана на рис. 12.

Рис. 12

Вариантов изготовления может быть несколько. Рассказывать с подробной деталировкой о каком-либо варианте нет необходимости. Все зависит от материальных возможностей конструктора. Просто дадим несколько рекомендаций.

На чертеже (рис. 12) показаны: 1 — воздушный винт со ступицей; 2 — ведущий шкив. Изготавливается на токарном станке из материала, который доступен, — из чугуна, алюминиевого сплава, текстолита. Можно даже, на худой конец, из толстой фанеры с металлическим фланцем. Профиль канавки шкива выгачивают точно такой же, как на штатном шкиве генератора; 3 — ведущий вал. Его диаметр не должен быть менее 30 мм; 4 — генератор Г-221; 5 — два подшипника устанавливают в корпусах с сальниками, которые снаружи не пропускают пыль, изнутри не дают вытекать смазке. Очень хорошо подходят подшипники вместе с корпусами, применяемыми в сельскохозяйственной технике, например, в хлебоуборочных комбайнах. Двухрядные «плавающие» подшипники допускают погрешности в установке, не влияя на легкость вращения вала, хорошо закрыты, не требуют частой смазки, легко устанавливаются на вал при помощи специальных конических зажимных втулок с гайками. Валом в этом случае может служить отрезок стального прутка диаметром не менее 30 мм без токарной обработки (зажимные втулки подшипников это позволяют). Корпуса подшипников устанавливают на полке 6; 7 — устройство натяжения приводного ремня, представляющее собой планку с прорезью шарнирного укрепления на станине; 8 — токосъемные кольца; 9 — изоляционная колодка с щетками; 10 — крепление генератора; 11 — приводной ремень; 12 — корпус-станина. Ее можно сварить из уголка. Снаружи все устройство закрывается листами металла для защиты от воздействий внешней среды.