私たちは2年生のプロダクトデザインエンジニアリングの学生です。私たちの課題は、提供された風洞内に設置されたときに最も多くの電力を生み出すことになるタービンを設計し構築することでした。タービンは高校生に風速が異なるとタービンの効率にどのように影響を与えるか、つまり取り外し可能なブレードとダクトにどのように影響するかを教えるために設計されました。しかし、あなたのタービンが屋外での使用のためであるならば、それから単純な円錐形のダクトはもっと効果的になるでしょう。これは薄いシート状のプラスチックと接着剤を使ってすばやく作り出すことができます。
*更新*いくつかの激しい競争と穏やかな爆発の後、私たちのタービンは3番目に出てきて、私たちにテスコの最高の陽気さのいくつかを勝ち取った。その最高速度で回転しているときに私達のものが爆発したので、私はあなたの外輪が完全にひび割れのないことを確認したいです！
用品：
ステップ1：ダクトを作る
ファンの出口からタービンブレードへ気流を方向付けるダクトは、タービンブレードを通過する空気の量を最大にし、気流を統一するので重要である。
必要な材料が最も基本的で、電子機器を使用せずに作られた唯一の部品であるという点で、これは製造するのが最も簡単な部分です。
タービンにダクトが不要な場合は、手順6に進みます。
必要になるだろう：
泡のブロック
たくさんの、たくさんの新聞
クリングフィルム
壁紙ペースト
マスキングテープ
2枚の大きなMDFシート（約300 x 400 mm）
白いペンキ
ワニス
ホットグルーガン
ステップ2：泡の大きなブロックを取得する
このフォームブロックは、後でシェルを形成するために抄紙する金型を形成するためのものです。このブロックの寸法は450×280×280 mmです。私はこの直方体を、ホットグルーガンを使って厚さ75 mmのフォームの6つのストリップを接着することによって作りました。
このことから私たちが形成しようとしている形状は非常に複雑であり、私はそれを視覚化するのは難しいと感じました。したがって、大きな形状を研磨するほうが、測定されたストリップから完成した形状を作成するよりもはるかに簡単ですが、時間がかかります。
ブロックの一方の端に中心をマークし、半径140 mmの円を描きます。ブロックのもう一方の端には、ブロックと同じ幅で165 mmの高さの長方形をマークします。
今サンディングを始めます。私は大きい金属やすりを使いました、しかし、低グリット紙やすりはトリックをするでしょう。サンディングしている間、あなたはあなたの形の真ん中のバンドは実質的に手つかずのままであることであることを心に留めておく必要があります。これにより、図に示すように、2つの面が円滑に結合されます。
長方形の面を研磨している間は、削除した図形の上下の泡になりますが、円形の端ではブロックの幅が狭くなり、角が丸くなります。
最終段階では、形状を滑らかにするために高グリットサンドペーパーを使用してください。
ステップ3：紙製
私達の型は多孔質材料から作られているので、私達はそれに粘着フィルムでそれをカバーする必要があります。私はこれのためにしがみつくフィルムの約半分のロールを使いました。
ダクトの内側の乱れを最小限に抑えるために、できるだけ滑らかなサーフェスを作成する必要があります。これを行う最も簡単な方法は、一度フィルムを密着させて円周上を移動し、端を重ねてからカットし、全体の形状（上面と下面を含む）が覆われるまで上から始めます。このテクニックは、一度に図形を覆ってカバーするときにフィルムに現れる波紋を防ぎます。
それではお楽しみください。 4部のお湯と1部の壁紙の顆粒でバケツをいっぱいにしてください（その順序で、そうでなければ私が発見したように塊になります）。濃いペーストになるまでこれを混ぜ合わせ、次に新聞のストリップをペーストに浸してダクト型の上に置きます。シェイプの側面を覆い、上下の端まで上がるようにして、上下の面は覆わないようにします。ストリップの最初のレイヤーを同じ方向に走らせて、次にレイヤー2でそれらを垂直にします。 8層繰り返します。
ステップ4：ダクトの取り外し
この形状は一方の端でより広く、もう一方の端でより背が高いので、フォームの中心を単純に引き出すことはできません。私たちは紙の袋を半分に切り、泡が取り除かれたら二つの半分を再び取り付ける必要があります。鋭いクラフトナイフやメスが使えます。
フォーム金型を取り外すと、シェルが変形します。これは一緒に接着することを難しくします。私たちの方法はかなり実験的でした。私達はPVAのりの木のサポート、ステープルおよび金属のおもりの組合せを使用した。まず、約100 x 150 mmのMDF片の片面をPVA接着剤で覆います。 2つの紙の半分を並べ直してから、切開部にMDFサポートを取り付けます。カットの全長に沿ってステープル留めしてから、PVAが乾燥するまでそれを締め付けるか、または重さを量ります。反対側についても繰り返します。
ステップ5：最終ステップ
風洞用のダクトは完成しましたが、まだ非常に壊れやすいです。形状をより硬くするために、木製の（または同様の）熱接着剤で2つの開口端を支えます。支持リングの寸法を見つけるために、私は円周の周りに巻尺を走らせて、直径を計算しました。きちんとフィットするように、紙のテープを木材にテープで固定します。
次に、内側と外側をニスで2回塗りします。これは、湿気から製紙用マッシェを保護し、その剛性を向上させるだけでなく、ダクトが使用されているときの乱流も減少させる。
最後に：美学。私達は私達の主題と調和して私達の管を光沢のある白に塗ることにした。
ステップ6：ブレード設計
私たちはラピッドプロトタイプ機（または「3Dプリンター」）にアクセスできるので、これは私たちに可能な限り多くの電力を達成するために私たちのブレードデザインを最適化する機会を与えました。
リフトベースの風力タービンがはるかに最も効率的なタイプであるので、我々はすでに風力タービンで使用されている想像力豊かな名前のFX-83-W-108を使用しました。 http://worldofkrauss.com/foils/52を参照してください。
それが68.785の良い揚力/抗力比を持っているので、この翼は選ばれました。これは、抗力で発生するすべての力に対して、揚力で68.785倍の力が発生することを意味します。エアロフォイルには、-5度から+8度までの広範囲の迎え角もあります。基本的にこれは私達が私達が刃を作るとき私達に少しの誤差の余裕を与えるだけです。
ブレード設計を最適化するための最初のステップは、実際に風の中にある電力量を計算することです。私たちのプロジェクトは風洞を含んでいたので、私たちはほぼ一定の風速を持っていました。式は次のとおりです。
風力= 0.5 *（空気密度）*（面積）*（風速）^ 3
これはワットで電力を与えます - あなたがS.I単位（すなわちメートル、キログラム、秒など）を使うようにしてください
- 20℃の海面での空気密度は約1.204 kgm -3
- 面積とは、タービンが占める面積のことです。我々の設計では、これは我々のダクトの端部の面積、すなわち、pi * 0.14 * 0.14 = 0.0616平方メートルであった。
- 風速は、タービンが占める領域を通過する空気の速度です。お分かりのように、風速が少し増加すると、電力が大幅に増加します。
私たちは毎秒約11メートルの風速と0.0616平方メートルの面積を持っていたので、これは私たちに約50ワットの風の中で力を与えました。
「ベッツリミット」と呼ばれるものが原因で、タービンによって風から引き出すことができる最大可能電力は、この風力の59.3％です。ここには理由がありませんが、興味があれば調べてください。
これで、最大出力は50ワットの59.3％となり、約29ワットになりました。
この数値は、タービンの効率が100％であると想定しているため不可能です。最近目にする大型の白いタービンは、75〜85％の効率を管理しています。これは非常に印象的です。それほど良くないので、50％の効率が妥当と思われます。これにより、タービンからの理論出力は約14ワットとなります。
次のビットは残念ながらもう少し数学です - しかしこれは最後のビットです！
私たちが今やらなければならないことは、計算された出力を達成するためにどれだけの大きさのブレードが必要であるかを考え出すことです。これは、タービンの回転速度にも左右されます。
私たちが選んだエアロフォイルは、毎秒約22〜30メートル（50〜70マイル）の対気速度で最もうまく機能するので、タービンがこれを可能にするのに十分な速さで回転することを確認する必要があります。
ある時点でのブレードの速度を計算するために、我々は使用します：
U =ω* r
- Uはブレードの速度です
- ωは毎秒ラジアンで表した回転速度です
- rはメートル単位の半径です。
我々は1500rpmの回転速度を選びました。これを1秒あたりのラジアンに変換するには、2 * piを掛けてから60で割ります。
（1500 * 2 * pi）/ 60 =毎秒157ラジアン
ブレードの先端は、（ダクトのサイズのために）それらの回転中心から140mmの半径を持つことになるので、先端の速度は次のようになります。
U =ω* r = 157 * 0.14 =毎秒22メートル
それで、これはブレードが風に垂直に空気を通って動く速さです。先端でブレードが経験した総対気速度を見つけるために、我々はピタゴラスを使います：
総速度=√（（U ^ 2）+ V ^ 2）
Uは毎秒22メートルとして先に測定された先端速度です
Vは風速で、以前は毎秒11メートルとして計算されていました
それで、私達はブレード先端で毎秒24.6メートルの総対気速度を得ます、これは私達の翼のための最適速度の範囲の真ん中にいます。
さて、次に私達の刃の面積を得るための大きな方程式：
翼面積=力/ 0.5 *ρ*√（U ^ 2 + V ^ 2）*（Cl UV-CdU ^ 2）
- 電力は、以前に計算した風力タービンの電力です。14ワット
- ρは空気の密度であり、これも立方メートル当たり約1.204 kg
-Vは1秒あたりのメートルで表した風速です - この場合11m / s
-Uは、ブレードの先端速度をメートル/秒で表したものです - この場合は22 m / sです。
-Clは、データシートに記載されている当社のエアロフォイルの揚力係数です。私たちの翼は1.138の揚力係数を持っています
-Cdは0.01654である抗力の係数です
したがって、この式から、タービンの速度と出力に最適なブレード面積は0.003536平方メートルになります。
私たちは2枚のブレードを使うことにしました（それ以上であれば非常に小さくて壊れやすいでしょう）ので、これで各ブレードの面積は0.001768平方メートルになりました。 2.5cmのブレード幅を使用すると、約7cmのブレード長が得られます。
これで、理論的な出力、タービンの回転速度、必要なブレードの数、そしてブレードに必要な寸法がわかりました。これでブレードのCADモデルを作成する準備が整いました。最初にもう少し数学があります…
最後に必要なのは、ブレードの半径に沿ったさまざまな点でのブレードの角度です。これにはいくつかの理由があります - まず、エアロフォイルは5度の「迎角」で最も効果的に機能します。これは、ブレードが空気の流れの方向に対して5度上に傾けられている場合、ブレードが最もうまく機能することを意味します。第２の理由は、ブレードが根元よりも先端で空気を通って速く動くので、ブレードがブレードの半径に沿って異なる角度で気流を経験することである。
ブレードをその進行方向から風にする必要がある角度「α」を計算するために、以下を使用する。
α= 95 - tan ^（ - 1）（U / V）
-Uは特定の半径におけるブレードの速度です（U =ω* r）
-Vは風速で、この場合は常に11m / sです。
私達の刃は7cmの長さで、14cmの最大半径を持つので、刃の付け根は回転の中心から7cmになります。だから根から先端まで、角度は次のとおりです。
半径（m）V（m / s）U（m / s）α（度）
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
さて、数学はようやく完成しました。そして、次はCADソフトウェアでブレードをモデル化します。
Webサイトからエアロフォイル座標を使用し、それらを.txtファイルとして保存してから、それらをSolidworksにインポートしてエアロフォイル形状を作成することができます。座標が.txtファイルとして保存されたら、Solidworksで挿入>曲線> xyz点を通る曲線に進み、エアロフォイルファイルを基本平面の1つに挿入します。次に、この平面を選択し、翼のスケッチをクリックして、「エンティティの変換」を選択します。「エンティティの移動」ツールバーを使用して、これを拡大縮小して特定の角度に回転できます。
次に、挿入>参照ジオメトリ>平面の挿入の順に進み、7つの平面を挿入します。それぞれの平面は互いに10 mmの距離にあります。各平面を順番に選択し、エアロフォイル形状をクリックして、「エンティティの変換」を選択します。これにより、エアロフォイルが各平面に投影されます。これまでと同様に、これを拡大縮小し（前縁から後縁まで2.5cmにするために2.5の目盛を使用）、前に計算した角度まで刃を回転させることもできます。
次に、「ロフトボス/ベース」を選択し、すべての角度付きエアフォイルプロファイルを選択します。これでブレードの主要部分がわかります。
今やらなければならないことは、ブレードをハブに差し込むための「鍵」を作ることと、外側のリングに差し込むための端の部分を作ることだけです。どちらも適切な平面上にスケッチし、「押し出し」ツールを使用してそれらを3Dにすることで実行できます。
これでラピッドプロトタイピングの準備が整いました。
ステップ7：ブレードキャスティング
ブレードのラピッドプロトタイプが完成したら、それをキャストして同一のコピーを作成できます。
ただし、まず最初に、ブレードを滑らかにして磨く必要があります。ほとんどのラピッドプロトタイプ機は約0.25mmの精度で印刷するだけなので、刃はかなり粗くなります。
まず、メチルエチルケトン（MEK）にブレードを浸します。これは不完全さのいくつかを取り除くのに役立ちます。次に、U-POLまたは他の適合性のあるフィラーを薄く塗り、粗さを埋め、ギザギザの縁を修正します。フィラーが乾いたら、非常に慎重にブレードを研磨します。エアロフォイル部品の寸法と滑らかさは、それが正しく機能するために絶対に重要であることを忘れないでください。わずかな波紋、または翼の形状の変化は、その空力性能を劇的に変化させます。
ブレードが完全に滑らかになり、深い傷が付かなくなるまで、充填と研磨のプロセスを繰り返します。それ以上の欠陥がある場合は、ブレードを下塗りすることができます。そして、ブレードが滑らかで光沢があるようになるまでサンディング/フィリングを繰り返します。
これでブレードはキャストの準備が整いました。
金型を作るためには、それぞれの方向でブレードよりも1センチメートルか2大きい、小さな箱を見つける（あるいは作る）必要があります。
ブレードの先端側に沿って小さなプラスチック片をすべて接着します。前縁は、エーロフォイルセクションの厚い側です。次にこのプラスチック片を箱の底に接着します。
それからびんの指示のようにあるケイ素の形成の液体を混合し、そして箱をいっぱいにしなさい。
シリコンが乾燥したら、箱をバラバラにすることができ、ブレードを型から慎重に取り外すことができる。
今、あなたはブレードのコピーを作り始めるために樹脂を混ぜることができます。割合は、通常、硬化剤に対して樹脂約１：１である。固まるのにそれほど時間がかかりません、従ってそれはすぐに型に注がれなければなりません。樹脂が金型のあらゆる部分に届くように、金型を転がしてください。
約15〜20分後、最初のブレードの準備が整いました。早すぎると動かさないでください。十分に設定されているように見えるかもしれませんが、ブレードはまだ柔らかく、わずかに反っているので、ワークアウトを楽しんだ角度をすべて壊してしまいます。
あなたが好きなだけ多くのブレードに対してこのプロセスを繰り返してください。十分に余裕があることを確認するために、10を行いました。
それからそれは前と同じプロセスです - 塗りつぶしとサンディング。金型に発生した小さな気泡や欠陥を滑らかにするために「グリーンなもの」のモデリングフィラーを使用し、上質のサンドペーパーで磨きました。その後、空気との摩擦を減らすために、光沢がある限り、ブレードに任意の色をスプレー塗装することができます。
ブレードは（ついに！）完成です。
ステップ8：ハブ
私達のハブはPerspexからCNC製粉されるように設計されていました。
最初のステップは正しい直径の円をスケッチすることです。私たちの場合、これは140mmでした。それから真ん中の小さな円を中心の穴としてスケッチします。
次に、ブレードの下から同じ「キー」形状をスケッチし、これを使って円形のスケッチパターンを作成します。必要なのは2枚のブレードだけですが、必要に応じて異なるブレードで修正できるように、8つの同一のスケッチを作成しました。
次に、円を押し出して、ブレードに合うようにキーを正しい深さにカットします。私達のものではこれは16mmでした。中央の穴が完全に貫通していることを確認してください。
次に、CNC加工用の適切なサイズのPerspexを探します。それはスロットの深さより少し大きいことを許容するのに十分な厚さでなければならない、それで約20-30mmの厚さのどれでも理想的である。
ハブが機械加工されたら、中心の穴を開けてタップする（ねじ込む）必要があります。私たちのタービンは正面から見て反時計回りに回転するので、ねじを緩めるのではなく、ねじをシャフトに締め付けるために、ねじは左ねじである必要があります。穴とトレッドのサイズはあなたが使うシャフトのサイズに依存します、しかし我々はM10を使いました。
ステップ9：カウル
カウルは気流をスムーズにブレードに向けるので重要です。
私達のカウルを作るために、最初に私達は高さ約250mmの積み重ねを作るために160x160mmであったMDFの層を一緒にラミネートしました。 PVAのりはそれをすべて一緒にくっつけるのに最も効果的ですが、あなたはそれを一晩締め付けて乾かしておく必要があります。
次に、MDFを木材旋盤でサンドイッチしてカウル形にします。一番下の直径は非常に重要であるため、頻繁にカリパスを使用して、旋盤を締めすぎないようにします。
正しい形状になったら、旋盤にサンドペーパーを使用してカウルの粗さを滑らかにします。
次に、厚さ約2〜4cmの小さな木のブロックまたはMDFをカウルの形のベースに追加します。このブロックはベースの全体の直径より小さくなければなりません。これは次の段階 - 真空成形 - のためのカウルを上げるでしょう。
タルカムパウダーでMDFカウルの上にほこりをかけます。これはアクリルが真空成形で固着するのを防ぎます。あなたは真空成形に厚さ1〜2mmのアクリルのどんな色を使うこともできます、しかし、我々がそれが組み立てられたらタービンの構造を見ることができるように我々は透明を使いました。
次に、MDF形状の上にアクリルを真空成形します。冷えたら、メスまたは鋭利なナイフを使って、底の周りを慎重に整えます。あなたは素晴らしい、きちんとしたカウルを付けたままにされるべきです。
次の段階は、アクリルカウルをタービンに取り付けるインサートを作ることです。
まず、カウルの付け根と同じ直径（140mm）の円を描きます。この真ん中にタービン軸と同じ直径、私達の場合10mmである別の円を描きます。これは、2mmの透明アクリルからレーザーカットするときのベースになります。ナットの穴がアクリルの穴の中央にくるように、M10ナットをこのピースの中央に接着します。
それから、中心に10mmの穴を開けて、さらに小さい直径（約40mm）の別の円をレーザーで切りました。
大きい円をタービンシャフトに通し、次にM10ナット、小さい円、そして別のナットを取り付けます。次に、2つのナットを上下に巻いて、小さな円の高さを調整する必要があります。あなたはそれがシャフトの上に置かれたときに両方ともカウルの内側に触れるように正しい距離で二つの円を得る必要があります。次に円の間の距離を測り、大きな円のナットの上に収まる大きさであることを確認しながら、その長さまで透明なプラスチック製のチューブを一切れにします。
今度は大きな円の側面に4つの非常に小さな穴を開け、そして真空成形カウルに合うように穴を開けます。その後、カウルをピンと接着剤で円に取り付けることができます。
ステップ10：外輪
外側リングはブレードを囲みます。これは、ブレードの撓みを止めるのに役立ち、また主な抗力源である「先端渦」を減らすのに役立つので、もう一つの重要な部分です。 （多くの高性能航空機には、これを減らすためのウイングレットがあります。）
ハブやブレードのようなリングは、SolidworksなどのCADプログラムでモデル化できます。我々がアクセスしたCNC機械は、リングを機械加工するには小さすぎるので、それは4mmの透明なアクリルからレーザーカッターを使って生産されました。
あなたのCADソフトウェアに輪を描き、刃の端に合うようにスロットを作ります。ハブと同じように円形のスケッチパターンを使用して、すべてのスロットを同じ位置に配置します。次に、レーザーカッターを使用してリングの上面図を「印刷」することができます。
前と同じ内円と外円の直径を持つが、溝のないいくつかのリングを切断して、囲まれたリングを作ることもできます。
最後にやるべきことは、ラピッドプロトタイピング、CNC加工、レーザーカットのためのすべての部品をCADソフトウェアで組み立てることです。
ステップ11：フレーム
これはすべてをまとめる枠です。
私たちは、その剛性のためにperspexを使用することを選択しました。また、その透明度はすべての部分がどのように接続されているかの明確な視覚をユーザーに与えます。
これらの部品を作成するために、一連のCAD図面が作成され、製造用のCNC機械に組み込まれました。
これらのsolidworksファイルはディメンション付きです。
材料を機械加工する前に、各コンポーネントの基本形状を長さ、幅、高さに切断し、CNCマシンに対応するようにします。
これが行われればそれはフレームに留まるために穴をあけ、ねじる時です。
正確性を評価するための最良の方法は、フレーム全体を一緒に締め付けることから始めることです。
これが終わったら、柱から支柱までの8つの穴を開けることから始めることができます。
私がこれを達成した方法はドリルに5mmのドリルピース（穴のサイズ）を置くことです。穴をドリルピースに合わせ、ユニットをピラードリルに固定します。その後、ドリル穴が完全に揃ったら、ドリルピースを4 mm（5 mmネジ用に1 mm小さく）に変更し、材料に20 mmドリルします。
ベースからピラーまでの4つの穴についてこの手順を繰り返します。あなたが8mmから始めるところで、それから7mmの小片に動いてください。
これが完了したら、あなたは穴を通すことができます。あなたはM6&M8タップが必要になります。
サポートを万力に配置し、穴にクーラントをスプレーして、m6で軽くたたいてください。
M8タップを使用して柱のために繰り返します。
次に、6本の6本のボルトと4本の8mmのボルトを取り付けて、枠で固定します。
のファイナリスト
それを本当の挑戦にしなさい
