Лопасти для ветряка на 3D-принтере (создание ветрогенератора, часть 1)

Изготовление лопастей для ветрогенератора своими руками

Лопасти для ветрогенератора своими руками — сложный и основной элемент устройства, определяющий его технические параметры. Изготавливают их из труб ПВХ, стекловолокна, алюминия или дерева.

Устройство и принцип работы ветрогенератора

Такие технические решения востребованы в регионах, где преобладает ветреная погода, они функционируют, используя воздушный поток, в итоге образуется электрический ток. Устройства работают благодаря присутствию в конструкции лопастей, они вращаются и запускают генератор. Последний превращает кинетическую энергию ветра в электричество, ток подается к потребляющему его оборудованию и аккумуляторным блокам.

Ветряки промышленного производства и изготовленные дома своими руками могут быть использованы как в качестве ключевого, так и вспомогательного источника напряжения. В частности, непрерывно функционирующие генераторы обслуживают осветительную систему дома, отвечают за нагревание воды вне зависимости от основной электроцепи.

Если объект не соединен с централизованной электрической сетью, мощности ветряка может быть достаточно для поддержания отопительной системы, всех бытовых приборов, лампочек. Следует учитывать, что в зимние месяцы для обслуживания отопления производительность установки должна быть выше 10 кВт, в этом случае мощности будет хватать и для бытовой техники. Ветряные электростанции эксплуатируются в тандеме со стабилизаторами.

Варианты форм лопастей

При изготовлении лопастей для ветрогенератора нужно учитывать, что эффективность ветряка будет зависеть от следующих их характеристик:

• веса,
• формы,
• количества,
• размеров,
• базового материала.

Данные параметры очень важны, если хочется сделать лопасти своими руками. Ошибочно полагать, что для увеличения количества перерабатываемой ветровой энергии достаточно увеличить число крыльев на винте. Здесь, напротив, наблюдается снижение эффективности механизма, так как каждый отдельный сегмент при движении вынужден преодолевать неизбежное сопротивление воздуха. Поэтому для выполнения одного оборота винтом с большим количеством лопастей необходимо увеличение силы ветра.

Нельзя забывать, что избыток широких крыльев нередко вызывает формирование перед винтом своеобразной «воздушной шапки» – это явление, когда воздушный поток огибает ветряк, хотя должен проходить сквозь него. Форма элементов обладает существенным значением, так как определяет скорость перемещения винта. Если в результате неправильного расчета лопастей ветрогенератора возникает плохое обтекание, появляются вихри, способные затормозить колесо.

Однолопастные устройства зарекомендовали себя как самые продуктивные, но их довольно сложно самостоятельно сконструировать и сбалансировать. При высоком КПД конструкция отличается крайней ненадежностью, поэтому для тех, кто собирает устройство своими руками, будет удобна трехлопастная модель.

В домашних условиях принято выполнять лопасти крыльчатого или парусного типа. Последние выглядят как простые широкие полосы по аналогии с ветряной мельницей. Они малоэффективны, КПД варьируется в пределах 10-12%.

Крыльчатые лопасти функционируют по принципам аэродинамики, благодаря которым осуществляется перемещение самолетов. Подобный винт вращается быстрее, его легче привести в движение. Благодаря обтеканию воздухом уменьшается сопротивление. С одного края изделие имеет характерное утолщение, напротив наблюдается пологий спуск. Здесь КПД составляет 30-35%.

Выбор вида лопасти

Вариантов или видов лопастей для горизонтальных ветряков существует немного. Причина этого кроется в самой конструкции крыльчатки — создавать сложные формы или конфигурации там попросту негде. Тем не менее, разработки наиболее удачного варианта ведутся постоянно, на сегодня можно выделить несколько видов:

• твердолопастные крыльчатки
• парусные

Твердые лопасти изготавливаются из различных материалов сразу в определенной форме, парусные имеют совершенно другую конструкцию. Основой является рамка, на которую натягивается плотное полотно таким образом, чтобы одна из сторон была не прикреплена к рамке. Получается лопасть треугольной формы с одной стороной (от центра к одной из вершин), не закрепленной к основе.

Поток ветра создает давление на парус и придает ему оптимальную форму для схода с плоскости, в результате чего колесо начинает вращаться. Вариант имеет преимущество в массе и весе колеса, но нуждается в постоянном наблюдении за состоянием ткани и крыльчатки в целом.

Для самостоятельного изготовления обычно используют подручные материалы. Учитывая сложный профиль лопастей, хорошим вариантом становится использование листового металла или пластиковых труб.

Из чего делают лопасти в домашних условиях

Материалы, которые подойдут для строительства ветрогенератора – это, прежде всего, пластик, легкие металлы, древесина и современное решение – стеклоткань. Главный вопрос заключается в том, сколько труда и времени вы готовы потратить на изготовление ветряка.

Канализационные трубы из поливинилхлорида

Самый популярный и широко распространенный материал для изготовления пластиковых лопастей для ветрогенератора является обыкновенная канализационная ПВХ-труба. Для большинства домашних генераторов с диаметром винта до 2 м хватит трубы 160 мм.

К преимуществам такого метода относят:

• невысокую цену;
• доступность в любом регионе;
• простоту работы;
• большое количество схем и чертежей в интернете, большой опыт использования.

Трубы бывают разными. Это известно не только тем, кто изготавливает самодельные ветряные электростанции, но всем, кто сталкивался с монтажом канализации или водопровода. Они отличаются по толщине, составу, производителю. Труба стоит недорого, поэтому не нужно пытаться еще больше удешевить свой ветряк, экономя на ПВХ-трубах.

Некачественный материал пластиковых труб может привести к тому, что лопасти треснут при первом же испытании и вся работа будет проделана впустую

Сначала нужно определиться с лекалом. Вариантов существует много, каждая форма имеет свои недостатки и преимущества. Возможно, имеет смысл сначала поэкспериментировать, прежде чем вырезать итоговый вариант.

Поскольку цена на трубы невысокая, а найти их можно в любом строительном магазине, этот материал отлично подойдет для первых шагов в моделировании лопастей. Если что-то пойдет не так, всегда можно купить еще одну трубу и попробовать сначала, кошелек от таких экспериментов не сильно пострадает.

Опытные пользователи энергии ветра заметили, что для изготовления лопастей для ветрогенератора лучше использовать оранжевые, а не серые трубы. Они лучше держат форму, не изгибаются после формирования крыла и дольше служат

Конструкторы-любители предпочитают ПВХ, так как во время испытаний сломанную лопасть можно заменить на новую, изготовленную за 15 минут прямо на месте при наличии подходящего лекала. Просто и быстро, а главное – доступно.

Алюминий

Алюминий – легкий и прочный металл. Его традиционно используют для изготовления лопастей для ветрогенераторов. Благодаря небольшому весу, если придать пластине нужную форму, аэродинамические свойства винта будут на высоте.

Основные нагрузки, которые испытывает ветряк во время вращения, направлены на изгиб и разрыв лопасти. Если пластик при такой работе быстро даст трещину и выйдет из строя, рассчитывать на алюминиевый винт можно гораздо дольше.

Однако если сравнивать алюминий и ПВХ-трубы, металлические пластины все равно будут тяжелее. При высокой скорости вращения велик риск повредить не саму лопасть, а винт в месте крепления

Еще один минус деталей из алюминия – сложность изготовления. Если ПВХ-труба имеет изгиб, который будет использован для придания аэродинамических свойств лопасти, то алюминий, как правило, берется в виде листа.

После вырезания детали по лекалу, что само по себе гораздо сложнее, чем работа с пластиком, полученную заготовку еще нужно будет прокатать и придать ей правильный изгиб. В домашних условиях и без инструмента сделать это будет не так просто.

Стекловолокно или стеклоткань

Если вы решили подойти к вопросу создания лопасти осознанно и готовы потратить на это много сил и нервов, подойдет стекловолокно. Если ранее вы не имели дела с ветрогенераторами, начинать знакомство с моделирования ветряка из стеклоткани – не лучшая идея. Все-таки этот процесс требует опыта и практических навыков.

Лопасть из нескольких слоев стеклоткани, скрепленных эпоксидным клеем, будет прочной, легкой и надежной. При большой площади поверхности деталь получается полая и практически невесомая

Для изготовления берется стеклоткань – тонкий и прочный материал, который выпускается в рулонах. Помимо стекловолокна пригодится эпоксидный клей для закрепления слоев.

Начинают работу с создания матрицы. Это такая заготовка, которая представляет собой форму для будущей детали.

Матрица может быть изготовлена из дерева: бруса, доски или бревна. Прямо из массива вырубают объемный силуэт половины лопасти. Еще вариант – форма из пластика

Сделать заготовку самостоятельно очень сложно, нужно иметь перед глазами готовую модель лопасти из дерева или другого материала, а только потом по этой модели вырезают матрицу для детали. Таких матриц нужно как минимум 2. Зато, сделав удачную форму однажды, ее можно применять многократно и соорудить таким образом не один ветряк.

Дно формы тщательно смазывают воском. Это делается для того, чтобы готовую лопасть можно было легко извлечь впоследствии. Укладывают слой стекловолокна, промазывают его эпоксидным клеем. Процесс повторяют несколько раз, пока заготовка не достигнет нужной толщины.

Затем клей должен высохнуть. Некоторые рекомендуют поместить форму в вакуумный пакет и откачать воздух. Так клей лучше проникает во все слои стеклоткани, не оставляя непропитанных участков

Когда эпоксидный клей высохнет, половину детали аккуратно вынимают из матрицы. То же делают со второй половиной. Части склеивают между собой, чтобы получилась полая объемная деталь. Легкая, прочная, правильной аэродинамической формы лопасть из стекловолокна – вершина мастерства домашнего любителя ветряных электростанций.

Ее главный минус – сложность реализации задумки и большое количество брака на первых порах, пока не будет получена идеальная матрица, а алгоритм создания не будет отточен.

Дерево

Деревянная лопасть – дедовский метод, который легко осуществим, но малоэффективен при сегодняшнем уровне потребления электричества. Сделать деталь можно из цельной доски легких пород древесины, например, сосны. Важно подобрать хорошо высушенную деревянную заготовку.

Если дерево будет сырым, в процессе высыхания винт может “повести” и он деформируется. Да и вес влажного дерева существенно выше сухого

Нужно выбрать подходящую форму, но учитывать тот факт, что деревянная лопасть будет не тонкой пластиной, как алюминиевая или пластиковая, а объемной конструкцией. Поэтому придать заготовке форму мало, нужно понимать принципы аэродинамики и представлять себе очертания лопасти во всех трех измерениях.

Придавать окончательный вид дереву придется рубанком, лучше электро. Для долговечности древесину обрабатывают антисептическим защитным лаком или краской

Главный недостаток такой конструкции – большой вес винта. Чтобы сдвинуть с места эту махину, ветер должен быть достаточно сильным, что трудноосуществимо в принципе. Однако дерево – доступный материал. Доски, подходящие для создания винта ветрогенератора, можно найти прямо у себя во дворе, не потратив ни копейки. И это главное преимущество древесины в данном случае.

КПД деревянной лопасти стремится к нулю. Как правило, время и силы, которые уходят на создание такого ветряка не стоят полученного результата, выраженного в ваттах. Однако, как учебная модель или пробный экземпляр деревянная деталь вполне имеет место быть. А еще флюгер с деревянными лопастями эффектно смотрится на участке.

Как рассчитать лопасти

Вычислить диаметр ветряка для определенной мощности можно следующим образом:

1. Окружность пропеллера ветрогенератора с определенной мощностью, малыми оборотами и силой ветра, при которых происходит подача нужного напряжения, числом лопастей внести в квадрат.
2. Высчитать площадь данного квадрата.
3. Разделить площадь получившегося квадрата на мощность конструкции в ватах.
4. Перемножить результат с требуемой мощностью в ватах.
5. Под этот результат нужно подбирать площадь квадрата, варьируя размеры квадрата до тех пор, пока размер квадрата не достигнет четырех.
6. В этот квадрат вписать окружность пропеллера ветрогенератора.

После этого нетрудно будет узнать другие показатели, например, диаметр.

Таким же способом можно рассчитать размеры лопастей.

Расчет максимально приемлемой формы лопастей достаточно мудреный, кустарному мастеру сложно его выполнить, поэтому можно использовать готовые шаблоны, созданные узкими специалистами.

Шаблон лопасти из ПВХ трубы 160 мм в диаметре:

Шаблон лопасти из алюминия:

Можно попробовать самостоятельно определить показатели лопастей ветряного устройства.

Быстроходность ветряного колеса являет собой соотношение круговой скорости края лопасти и скорости ветра, ее можно вычислить по формуле:

На мощность ветряного двигателя оказывают влияние диаметр колеса, форма лопастей, расположение их относительно потока воздуха, скорости ветра.

Ее можно найти по формуле:

При использовании лопастей обтекаемой формы коэффициент использования ветра не выше 0,5. При слабо обтекаемых лопастях – 0,3.

Как определить количество лопастей для ветрогенератора

Прежде всего, нужно определиться с количеством лопастей. На быстроходные, ветрогенераторы устанавливается минимальное количество лопастей 2 – 3, это позволяет максимально раскручивать ротор генератора, но устанавливать быстроходные генераторы можно только в районах с постоянными ветрами, например на берегу моря.

В условиях средней полосы страны преобладают слабые ветра, и если установить быстроходный ветряк, то он будет малоэффективным.

2 — 3 лопастный ветряк будет хорошо раскручиваться при сильном ветре, а при слабом он будет просто стоять.

На ветрогенераторы с 2 – 3 лопастями очень сильно идёт нагрузка от воздействия центробежной силы, такие ветряки способны раскручивать лопасти до скорости полёта пули, если лопасть сломается, то может отлететь и нанести травму человеку.

К тому же 3 лопастные ветряки очень сильно шумят, их не рекомендуется устанавливать возле жилых домов, при сильных порывах ветра такой ветрогенератор издаёт звук пролетающего вертолёта.

В средней полосе страны, где преобладают слабые и средние ветра практичней устанавливать низко оборотистые ветрогенераторы. Для таких генераторов оптимально использовать 5 – 6 лопастей в форме крыла. Такое количество лопастей позволяет ветряку ловить слабый поток ветра и стабильно работать на низких оборотах.

Создание лопастей поэтапно из трубы ПВХ

Рассмотрим наиболее распространенный вариант изготовления лопастей. В качестве материала используется труба ПВХ диаметром порядка 110-160 мм:

• отрезаются куски трубы по длине лопастей
• вдоль отрезка наносится линия, от которой в обе стороны отмеряются 22 мм. Получится 44 мм — ширина одной лопасти
• с противоположного торца делается то же самое
• крайние точки с одной стороны центральной линии соединяются по прямой. Со второй стороны наносится рисунок формы лопасти
• вырезается лопасть, свободный конец аккуратно закругляется, кромки обрабатываются наждачной бумагой или напильником
• лопасти присоединяются к ступице

Форма лопастей имеет следующее строение:

• торцевые части одинаковы по ширине — 44 мм
• посередине ширина лопасти составляет 55 мм
• на расстоянии 0,15 длины ширина лопасти составляет 88 мм

Полученные точки соединяются прямой линией, затем оформляются более плавными переходами, руководствуясь полученными очертаниями. Изготавливается шаблон, по которому вырезаются все лопасти, имеющие одинаковую форму. Для присоединения к ступице необходимо просверлить пару отверстий под винты (шурупы).

Они должны на всех лопастях находиться в одинаковых точках, чтобы не нарушался баланс крыльчатки. Готовое колесо требуется тщательно отбалансировать, установив его на ось и, свободно вращая, отыскать участок с нарушениями баланса. В этом месте следует понемногу стачивать лопасть до момента полного уравновешивания крыльчатки.

Из стеклопластика

При использовании стеклопластика (стекловолокна), вначале из дерева изготавливается шаблон, по которому в дальнейшем, и изготавливаются элементы лопастей. Как правило, в этом случае, они делаются полыми, при необходимости возможна установка усиливающих лонжеронов и заполнении пустот различными компонентами.

При создании шаблона, поверхность лопасти условно делится по горизонтальной оси, после чего получается шаблон нижней и шаблон верхней частей. По изготовленному основанию (шаблону), который можно назвать матрицей, изготавливаются отдельные элементы лопасти. Для этого по матрице, с использованием эпоксидной смолы и отвердителя, наносятся несколько слоев стекловолокна, которое должно затвердеть. После застывания, внутрь поверхности изготавливаемого изделия, устанавливаются лонжероны и уплотнитель (в хвостовую часть). Уплотнитель укладывается в случае необходимости, что должно быть подтверждено соответствующим расчетом или обоснованием, приведенном в технической литературе, где был взят шаблон.

Изготовленные части соединяются между собой при помощи клея, в комлевой части, монтируется хвостовик, с помощью которого лопасть крепится к валу ветрового генератора.

При выполнении работ потребуется следующий инструмент:

• Ножовки различного типа, в зависимости от используемого материала;
• Ножницы по металлу или ручной электрический инструмент (лобзик, «болгарка» и т.д.);
• Маркеры и чертилки, используемые для разметки изготавливаемых деталей;
• Абразивные материалы: наждачная бумага, шлифовальные круги для углошлифовальной машинки, напильники – используемые для обработки поверхностей.

Выполнение балансировки ветряка

Балансировка лопастей ветрогенератора поможет сделать его работу максимально эффективной. Для осуществления балансировки нужно найти помещение, где нет ветра или сквозняка. Разумеется, для ветроколеса больше 2 м в диаметре найти такое помещение будет сложно.

Лопасти собираются в готовую конструкцию и устанавливаются в рабочее положение. Ось должна располагаться строго горизонтально, по уровню. Плоскость, в которой будет вращаться винт, должна быть выставлена строго вертикально, перпендикулярно оси и уровню земли.

Винт, который не движется, нужно повернуть на 360/х градусов, где х = количество лопастей. В идеале сбалансированный ветряк не будет отклоняться ни на 1 градус, а останется неподвижным. Если лопасть повернулась под собственным весом, ее нужно немного подправить, уменьшить вес с одной стороны, устранить отклонение от оси.

Процесс повторяется до тех пор, пока винт не будет абсолютно неподвижным в любом положении. Важно, чтобы во время балансировки не было ветра. Это может исказить результаты испытаний

Также важно проконтролировать, чтобы все части вертелись строго в одной плоскости. Для проверки на расстоянии 2 мм с обеих сторон одной из лопастей устанавливают контрольные пластины. Во время движения ни одна часть винта не должна коснуться пластины.

Для эксплуатации ветрогенератора с изготовленными лопастями потребуется собрать систему, аккумулирующую полученную энергию, сохраняющую ее и передающую потребителю. Одним из компонентов системы является контроллер. О том, как сделать контроллер для ветряка, узнаете, ознакомившись с рекомендованной нами статьей.

Лопасти для ветряка на 3D-принтере (создание ветрогенератора, часть 1)

Уже 15 лет, как мечта построить ветрогенератор оставалась нереализованной. Казалось бы, давно канули в лету попытки электрифицировать дачу с помощью бочки и генератора от жигулей, хотя нет, до сих пор людям не дает покоя публикация в «Юном технике» 80-х

Но современные технологии вдохнули новую жизнь в старую идею. И подход будет куда более научным.

Для начала, я построил ультразвуковой анемометр с вычислением энергии ветра. Полевые испытания не за горами.

Теперь следует определиться с типом ротора — горизонтальный или вертикальный- это скорее вопрос религии и тема для холиваров.

Поэтому безо всяких обьяснений скажу- я выбрал ротор Дарье с вертикальной осью, вот такой:

Но конструкция на фото имеет мощность 5 килоВатт и размеры лопастей уж никак не вмещающиеся в область печати Прюши — 200×200х200мм.

А мне этого и не надо, поскольку можно использовать концепцию гирлянды ветряков:

Тогда задача сводится к выбору размера «базовой ячейки» и доводке ее энергоэффективности. Это кстати избавит от траты «всех денег» в случае фэйла — изготовление ротора с ометаемой площадью 1 квадратный метр по карману даже студенту.

Кстати, мощность, снимаемая с одной ячейки должна получиться от 100Вт(при скорости ветра 8м/с), что может стать хорошим решением для рыбаков/туристов/охотников.

Но вернемся к нашим баранамветрякам — нужно создать 3D-модель профиля NACA-0021/0012, используемого в роторах Дарье с 50-х годов прошлого века.

Найти уже готовый чертеж данных профилей в формате SVG не составляет труда:

Но он же плоский, как сделать его обьемным?

Элементарно! Для этого подойдет даже простейший инструмент для 3D-моделирования. Я воспользовался онлайн-ресурсом tinkercad.com, импортировал туда чертеж, и получил рыбу-вомера 8-0

Но ведь мы помним соотношение хорды(длины) к толщине — выставив его получаем искомую картину.

Теперь остается выставить требуемую высоту, отверстия под резьбовые шпильки(на них я буду собирать экпериментальную версию) и гнезда под гайки:

Все, остается экспортировать готовую модель в STL-формате и нарезать любимым слайсером (у меня- CURA)

Теперь последуют эксперименты с разной длинной хорды относительно диаметра ротора(обычно 10-18%), числом лопастей (2/3/4) и их относительной толщиной. Напомню, у меня диаметр ротора будет 1м, начну с коротких(хорда-10см) и «толстых»(21%) лопастей, 2 шт.

Для начала критерием эффективности послужит количество оборотов ротора без нагрузки, ибо «индекс скорости»/быстроходность является косвенным критерием КПД/КИЭВ.

Просто как правило, Коэффициент Использования Энергии Ветра прямо пропорционален быстроходности (скорость лопасти относительно ветра — от 3х для Дарье), что в переводе на круговое движение дает RPM.

Но не все так просто — больше всего вопросов вызывает сам генератор и редуктор.

Для метровой турбины просится зубчатая ременная передача с натяжителем (передаточные числа до х10), но об этом в следующей публикации.

А пока что 3D-принтер днями и ночами не остужая экструдера печатает 166-мм участки лопастей для грядущей энергонезависимости ульев

Да-да, я не забросил эту тему (у меня уже 2 улья с живыми пчелами и свой мед), просто некоторое время вел ее на отдельном сайте.

Как сделать самые простые лопасти ветрогенератора

При сборке ветрогенератора из подручных материалов для получения бесплатной электроэнергии существует трудность в изготовлении лопастей, способных реагировать даже на слабые порывы ветра. Без хорошей крыльчатки даже заводской генератор не будет работать должным образом. Сделать эффективные лопасти можно очень дешево из доступных материалов.

Что потребуется:

• крыльчатка вентилятора радиатора от автомобиля;
• пластиковая канализационная труба 100 мм;
• болты, гайки, шайбы.

Процесс изготовления лопастей

В качестве основы лопастей ветрогенератора послужит крыльчатка вентилятора радиатора. Ее можно очень дешево купить на любой авторазборке. Это намного проще, чем придумывать и делать самодельное крепление. Чтобы она заработала на ветрогенераторе от ветра, необходимо только удлинить ее лезвия.
Для этого потребуется отрезок канализационной трубы 50-100 см, что зависит от размера имеющегося генератора.

Полученные отрезки складываются вместе и стягиваются по краям саморезами, что позволит их обрабатывать вместе.

Это, во-первых, ускорит процесс, а во-вторых, позволит получить абсолютно одинаковые лезвия, что важно для балансировки. Для удобной обработки можно не рисовать плохо заметную разметку, а приклеить вместо нее изоленту, чтобы обрезать заготовкии по ней.

Заготовки подрезаются так, чтобы получить оптимальную форму для захвата ветра. Для этого ближе к основанию они должны быть широкими, а к кончикам сужаться. В начале сложенных лезвий просверливаются 2 монтажные отверстия.

Далее нужно зачистить кромки разделенных заготовок наждачной бумагой или напильником, чтобы они скользили по воздуху лучше. Подготовленные лезвия прикручиваются к лопастям автомобильной крыльчатки. Нужно использовать по 2-3 крепления с шайбами, чтобы порывы ветра не сломали пластик.

Желательно срезать выступающую часть лопастей крыльчатки радиатора, так как они только утяжеляют конструкция, при этом на ветер практически не реагируют. Если используемая крыльчатка радиатора рассчитана не на 4, а 8 лезвий, то они делаются из 2-х отрезков труб. При этом важно при придании им формы сложить все 8 заготовок вместе и соединить, чтобы они получились абсолютно одинаковыми.

Смотрите видео

Источник https://remont-system.ru/alternativnaya-energiya/izgotovlenie-lopastey-dlya-vetrogeneratora-svoimi-rukami

Источник https://habr.com/ru/post/594153/

Источник https://sdelaysam-svoimirukami.ru/6448-kak-sdelat-samye-prostye-lopasti-vetrogeneratora.html