Волновая турбина своими руками
Данная заметка написана на основе одной
из исследовательских работ школьников. Полностью приводить её здесь не
буду, кому потребуется, сможет прочесть на сайте-источнике. Здесь же дам только выдержки, касающиеся собственно генератора.
Постановка задачи следующая, нужно
преобразовать колебания волн во вращательное движение. Задача была
решена весьма простым способом - колеблющийся плавник, закреплённый на
оси вращения генератора. Причём, вращательный момент, создаваемый
плавником при любом движении воды, будет направлен в одну сторону.
Далее, просто цитирую из оригинала.
Решение
задачи "...достигается применением в качестве лопасти турбины плоского
или объемного гидродинамически обтекаемого гибкого упругого тела.
Область жесткого захвата этого тела должна удовлетворять правилу U =
0.29, причём, в состоянии покоя хорда лопасти располагается в плоскости
вращения турбины, перпендикулярной оси её вращения.
Сама турбина
состоит из N-отдельных элементов, закрепленных на валу вращения
турбины, каждый из которых составлен из двух и более лопастей,
симметрично расположенных относительно вала вращения турбины. Тогда сила
тяги лопасти возникает под воздействием текучей среды при
возвратно-поступательном движении турбины относительно среды или среды
относительно турбины вдоль оси её вращения за счет гибких деформаций
лопасти. Деформации подобны деформациям крыла птицы или хвоста рыбы в
процессе махового движения.
Применение нашего движителя в
варианте лопасти для турбины даёт устройство, изначально обладающее
высоким КПД и знакопостоянным моментом вращения при знакопеременном
направлении падения потока текучей среды на турбину.
На рис. 1
показан элемент турбины, состоящий из двух лопастей 1, закрепленных на
поперечине 2 в области, соответствующей правилу U = 0.29 для лопасти.
Поперечина 2 жёстко соединена с валом 3, имеющим ось вращения 4. Так
выглядит элемент турбины в состоянии покоя. Движение элемента вдоль оси
вращения, т.е. в положительном направлении оси Z приводит к изгибным
деформациям 5 лопастей, противоположное движение приводит к изгибным
деформациям 6 лопастей. В обоих случаях элемент приобретает вращательное
движение в направлении 7 - против часовой стрелки. Наращивание числа
элементов турбины, последовательно расположенных на одном валу вращения,
приводит к пропорциональному возрастанию мощности на валу вращения. Это
позволяет наращивать необходимую мощность на одном валу вращения
турбины без увеличения поперечных размеров колеса турбины.
Рис.1
Диаметрическая проекция вращательного элемента турбины. Лопасти 1
закреплены на поперечине 2 в области, соответствующей правилу U=0,29 для
лопасти. Поперечина 2 жестко соединена с валом 3, имеющим ось вращения
4. Так выглядит элемент турбины в состоянии покоя. Движение элемента
вдоль оси вращения, т.е. в положительном направлении оси Z, приводит к
изгибным деформациям лопастей вида 6. В обоих случаях элемент
приобретает вращательное движение в направлении 7 – против часовой
стрелки.
Для демонстрации реализации предлагаемого технического решения воспользуемся методом физического моделирования.
На
фотографии рис. 2 приведена фотография модели турбины с одним
вращательным элементом, содержащая две симметрично расположенные
прямоугольные лопасти 1, закрепленные на поперечине 2, жестко связанной с
валом 3. На вал 3 насажаны поплавок 8 с возможностью свободного
вращения и жестко большая шестерня 9. Лопасти выполнены из гибкой
упругой полимерной пленки толщиной 0.00025 м так, что образуют
прямоугольное тело с размерами 0.07х0.105 м . В области, соответствующей
правилу U = 0.29, создан карман 10 для насаживания и крепления лопасти 1
на поперечине 2. На рис.3 показаны проекции лопасти 1: а - вид сбоку,
b - вид сверху. 10 - карман для жесткого крепления поперечины и
лопасти.
Рис.2
Фотография модели турбины с одним вращательным элементом, содержащая две
симметрично расположенные прямоугольные лопасти 1, закрепленные на
поперечине 2, жестко связанной с валом 3. На вал 3 насажены поплавок 8 с
возможностью свободного вращения на валу и жестко большая шестерня 9.
На
фотографии рис.4 приведена турбина с тремя последовательно
расположенными элементами на валу, смещёнными один по отношению к
другому в плоскости вращения на угол 120° и расстояние 0.1 м. Вдоль вала
вращения. 11 - площадка для крепления генератора 12 так, как это
показано на фотографии рис.5. Вращение вала 3 приводит в движение
шестерню 9, которая, в свою очередь, через зубчатую передачу приводит во
вращение малую шестерню, насажанную на вал генератора 12.
Рис.3 Показаны проекции лопасти 1. а - вид сбоку, b - вид сверху. 10 - карман для жесткого крепления поперечины и лопасти.
Рис.4 Фотография турбины с тремя последовательно расположенными элементами
на валу 3, смещёнными один по отношению к другому на угол 120 градусов и
расстояние 10 см.
Рис.5 Фотография генератора 12,закрепленного на платформе 11, 13 – выводы проводов генератора.
Коэффициент
передачи шестеренок 132:8 (n=16.5). В результате вращения турбины на
выводах генератора 13 возникает разность потенциалов. В качестве
генератора используется электрический микродвигатель постоянного тока в
обратном режиме. Двигатель постоянного тока ДМП-25-Н1-03 расчитан на
напряжение питания 12В и силу тока 0,3А; угловая скорость 6000 об/мин. В
качестве индикатора используется светодиод марки GNL-1206URC красного
цвета с рабочим напряжением 1.9В и силой тока 70mA, подключаемый к
выводам генератора.
Для имитации движения поплавка на волне
используется ручной вариант - удерживая устройство за поплавок,
производим вертикальные колебательные движения так, что трехэлементная
турбина все время находится в состоянии погруженном в воду. При этом
возникает вращательное движение турбины, не зависящего от прямого или
обратного направления движения устройства, возбуждающее в цепи
генератор-светодиод электрический ток.
Рис.6
Фотография работы устройства: под действием вертикальных движений руки
устройство, захваченное за поплавок, с турбиной, погруженной в воду,
зажигает красный светодиод 14. Светодиод подсоединен к выводам
генератора 13 и для удобства фотосъемки механически закреплен на штативе
15.
На фотографии рис.6 можно видеть работу устройства:
под действием вертикальных движений руки, устройство захваченное за
поплавок, с турбиной погруженной в воду, зажигает красный светодиод 14.
Светодиод присоединён к выводам генератора 13 и для удобства фотосъемки
механически закреплен на штативе 15. Динамометрические измерения и
измерения напряжения и силы электрического тока дали следующие
результаты (таблица 1).
Таблица 1
1
| сила, Н | 3.0×0.5 | 2
| скорость, М/с
| 0.12 | 3
| мощность механическая, Вт | 0.18 | 4
| напряжение, В
| 2.0 | 5
| ток, А
| 0.05 | 6
| мощность электрическая, Вт | 0.10 |
Максимальное значение прикладываемой силы
выбрали равным 3.0 Н. Средняя прикладываемая сила 3.0×0.5 действовала в
течение 0.5с на интервале вертикального смещения устройства, равном
0.06 м, что определило среднюю скорость движения как 0.12 м/с и угловую
1.0 обор/с. Мощность, прикладываемая к устройству, равна 3.0x0.5x0.12 =
0.18 Вт. Измерение напряжения (2.0 В) и силы тока (0.05 А) на
светодиоде, подключенном к выводам генератора, дало оценку выходной
(полезной) мощности 2.0×0.05=0.1 Вт.
В результате КПД устройства оказалось равным 0.1/0.18 = 0.56 = 56%.
Если
учесть, что КПД генератора (обратного двигателя) может оцениваться в
пределах от 60 до 80 %%, то для КПД турбины можно получить оценки - от
93 до 70 %%.
В заключении:
1.
Таким образом, предложенное техническое решение оказывается
экономически существенно более выгодным, чем турбины Уэллса и Дэннисса.
2.
Выигрыш заключается в том, что мы принципиально отходим от варианта
использования текучей среды в качестве опоры для движителя, поскольку в
этом случае движитель всегда будет "проваливаться" в среду, при этом его
действенность будет заключаться в том, сколько текучей массы в единицу
времени он успеет оттолкнуть от себя. Но это уже ближе к реактивному
движению, причем в самом экономически невыгодном варианте.
3. Наш
же вариант заключается в том, что движитель создает условия для
возникновения вихревых потоков, т.е. таких потоков, которые возникают
при маховых движениях крыла у птицы или хвоста у рыбы, КПД которых
примерно 95%.
Предлагаемое техническое решение естественным образом допускает следующие расширения:
— турбина может располагаться не только в водной, но и в воздушной среде;
— на одном валу вращения возможно совместное применение и подводного и воздушного вариантов турбины.
Авторы: Дмитрий Краснопевцев, Евгений Журавлев.
Школа № 1273 ЮЗАО, 11 класс, Москва. 2006г.
--------------------------------------------Конец цитаты---------------------------------------------
Не
стоит, конечно, доверять полученным "оптимистичным" цифрам КПД
преобразования, но не стоит и смеяться над методиками измерения и т.п. У
ребят была задача используя методологию большой науки, выполнить свою,
пока маленькую"научную" работу и они с ней справились.
Нам же стоит обратить внимание на сам принцип преобразователя-генератора и может быть сделать что-то реально рабочее.
Источник: http://www.mobipower.ru |
