Энергия, принесенная ветром. Нехитрая обувь своими руками...("Сделай сам" №4∙1995)

ЭНЕРГИЯ, ПРИНЕСЕННАЯ ВЕТРОМ

Е.В. Кубасов

Желание иметь автономный источник электроснабжения возникает у тех, кому постоянно или периодически приходится жить в местах, удаленных от линий электропередач. Комфортабельность такого жилья повышается во много раз, когда комнаты освещаются не керосиновыми лампами, а электричеством, можно посмотреть телевизор, включить магнитофон или радиоприемник. Все это осуществимо благодаря одному из автономных источников, каким является ветроэлектростанция — ВЭС. Даже совсем небольшая по мощности — несколько десятков ватт — ВЭС переносит нас в удивительный мир XX века. Плюсы ее очевидны — бесшумная работа, в отличие от бензоэлектроагрегатов с их надоедливым шумом, самое же главное — совершенно бесплатная электроэнергия. Присущи, конечно, и существенные недостатки. Это зависимость от наличия и скорости ветра, как следствие — нестабильность напряжения получаемого электротока, ограниченная мощность, невозможность получения непосредственно от генератора стандартного напряжения 220 В частотой 50 Гц, каким мы привыкли пользоваться в обиходе.

Тем не менее постройка ВЭС — дело стоящее. Конструктор и строитель испытают удовлетворение и радость при виде разбегающихся пауков из темных углов комнат, освещенных вдруг ярким светом электрических лампочек.

ВЭС — самые экологически чистые источники электроэнергии. От них нет шума, нет копоти, нет опасности заражения радиоактивностью, нет затопления огромных пойменных земель, не надо сжигать ценнейшее сырье — уголь, газ, нефтепродукты.

Имеется в виду, каким током пользоваться, переменным или постоянным. При решении этого вопроса большинство факторов говорит в пользу постоянного тока. Генераторы постоянного тока небольшой мощности более распространены, чем генераторы переменного тока, значит, их легче приобрести. Применение аккумуляторов, которые заряжаются постоянным током, позволяет избежать зависимости от капризов природы — наличия ветра, величину напряжения проще регулировать при постоянном токе. Конечно, большой недостаток — невозможность трансформации, то есть понижения или повышения напряжения трансформаторами, но с этим приходится мириться. Да и неудобство такое не всегда бывает. Кроме того, выход из положения есть. Построив преобразователь постоянного тока в переменный с частотой 50 Гц, можно затем повысить напряжение до необходимой величины. Но это тема другого разговора. Для освещения можно применять низковольтные, например автомобильные, лампочки на 6, 12 или 24 Вт, в зависимости от действующего напряжения вашей ВЭС. Практически все переносные телевизоры, магнитофоны, приемники имеют схемную возможность запитки от источников 9 или 12 В. Есть электробритвы, работающие от 12 В.

Таким образом, даже если имеется генератор переменного тока, то от него все равно мы не сможем получить стандартное напряжение, т. к. эти генераторы обычно высокооборотные, требующие строго постоянные определенные (в зависимости от типа генератора) числа оборотов. Это требование в любительских условиях практически невыполнимо. Тем не менее генераторы переменного тока можно использовать для постройки ВЭС, дополнив их выпрямителями.

Кстати, современные автомобильные генераторы являются трехфазными генераторами переменного тока со встроенными выпрямительными мостами.

Весьма существенное значение имеет то, что генераторы постоянного тока могут работать в большом диапазоне скоростей оборотов. В этом случае просто изменяется мощность. То есть, если в паспорте какого-либо генератора постоянного тока указано номинальное (рабочее) число оборотов, например, 5000 об/мин, то это не означает, что при других скоростях он не будет работать. Практически он начнет вырабатывать электрический ток сразу, как только его ротор получит вращение. Примерная характеристика зависимости напряжения от числа оборотов генератора показана на рис. 1. Такое напряжение получается без нагрузки и без внешнего регулятора напряжения.

Рис. 1. Примерная характеристика зависимости напряжения холостого хода (без нагрузки) генератора от числа оборотов его ротора (якоря)

Из графика видно, что уже при 800 об/мин напряжение достигает 12 В. Но подключать нагрузку при этих оборотах ротора генератора еще нельзя, так как напряжение сразу упадет ниже 12 В. С повышением числа оборотов напряжение растет и при n = 1200 об/мин можно уже нагружать генератор. Для поддержания напряжения на нужном уровне, например 12 В, служат специальные регуляторы напряжения. Пунктиром показан уровень напряжения, получаемого в результате совместной работы генератора с регулятором. В результате мы видим, что генератор может работать в интервале от 1200 до 13000 об/мин. (Большее число оборотов воздушный винт развить просто не сможет.)

Все это сказано для примера. Различные типы генераторов имеют весьма разнообразные характеристики.

Очень заманчиво, конечно, построить ВЭС мощностью киловатт на 30–50 и запитать от нее даже батареи отопления. Но сложность постройки возрастает с повышением мощности не линейно, даже не квадратично, а по гиперболическому закону, что мы и увидим из нижеследующего.

Вес генератора — один из самых главных факторов, с которым придется считаться при постройке ВЭС. Нам ведь надо устанавливать его на довольно высокой мачте. Чем тяжелее генератор, тем прочнее и сложнее должна быть мачта. Для примера рассмотрим несколько типов генераторов. Генератор постоянного тока Г-20, мощностью 0,22 кВт, вырабатывающий ток до 18 А напряжением 12 В, весит 12,5 кг. Генератор МП-542-1/2 мощностью 3,6 кВт весит 235 кг. Генератор В-48/30-6 мощностью 45 кВт весит уже 2400 кг.

Согласитесь, что вес в 2400 кг — трудно преодолимое препятствие для любительской постройки. Чтобы поднять такой вес на высоту 6–8 метров, нужна не просто мачта, а сложное инженерное сооружение типа старинных ветряных мельниц, да и сам подъем потребует хотя бы автокрана. Можно, конечно, не поднимать генератор на высоту, установив его в основании мачтового сооружения. В этом случае потребуется сложная трансмиссионная передача от воздушного винта к генератору.

Кроме этого, чем мощнее генератор, тем больше и сложнее должен быть его привод — воздушный винт или ветровое колесо, «ветряк».

Поэтому наиболее просто построить ВЭС мощностью не более 0,5 кВт.

Немаловажное значение имеет при выборе генератора его номинальное число оборотов. Генераторы с n = 300–800 об/мин можно назвать тихоходными или низкооборотными. Такие генераторы уже при 200–300 об/мин начинают давать электрический ток, обеспечивающий зарядку аккумуляторов и поддержание напряжения в сети на необходимом уровне. Генераторы с рабочими оборотами выше 1000 — высокооборотные или быстроходные. Низкооборотные генераторы позволяют значительно упростить кинематическую схему ВЭС, насадив непосредственно на вал генератора воздушный винт.

Высокооборотные генераторы потребуют применения редуктора для повышения скорости вращения, так как воздушный винт под нагрузкой при умеренном ветре развивает 250–300 об/мин.

Можно попытаться приобрести подходящий генератор на машинно-тракторных станциях, в автохозяйствах. Там всегда есть выработавшие свой ресурс и списанные генераторы от тракторов, автомобилей и т. д.

Как правило, генераторы от старых типов автомобилей более низкооборотные, чем от современных. Так, генераторы типа ГБФ-4105, применявшиеся в автомобилях ГАЗ, работают при номинальных оборотах 1800 об/мин. Это, конечно, тоже довольно высокооборотный генератор, но по сравнению с генератором Г-221, применяющимся в настоящее время в легковых автомобилях ВАЗ и работающих на 6–8 тысяч оборотов в минуту, довольно малооборотны.

Списанный генератор после соответствующего ремонта вполне подойдет для постройки ВЭС.

Не следует также забывать о том, что практически все коллекторные машины постоянного тока обратимы, т. е. двигатель постоянного тока может работать генератором. В зависимости от типа приобретенного генератора и его рабочего напряжения — 6, 12 или 24 В приобретаются остальные изделия — лампочки накаливания, аккумуляторы, регуляторы напряжения и другое. Об этом будет сказано ниже. Мы же для примера рассмотрим постройку ВЭС, опираясь на конкретный генератор Г-221, применяемый в автомобилях ВАЗ, который наиболее распространен. Достать его всего проще — пойти в магазин автозапчастей и купить. Его технические характеристики:

Принцип работы воздушного винта

Эту главу я решил включить для того, чтобы тот, кто впервые приступает к постройке воздушного винта, делал это вполне осознанно и целенаправленно, а не вслепую, как тот барин-кузнец из русской сказки, принявшийся ковать соху, а в конце концов получился у него пшик.

По этому поводу вспомнил я один давний случай. Еще в конце пятидесятых годов, в один из зимних морозных дней с улицы послышался рев мотора. Заинтересовавшись, оделся и вышел посмотреть, чем и кто занят. Оживленная толпа наблюдателей окружила сооружение из труб на трех лыжах. Оглушительно ревел и стрелял двигатель. Аэросани! Конструктор суетился вокруг своего детища, то добавляя газ, то пытаясь подтолкнуть, чтобы начать движение. Со всех сторон, как это всегда бывает, раздавались советы — подняться на гору покруче, запрячь лошадь, прицепить к трактору и т. д. Двигатель ревел, конструкция тряслась, но результаты — нулевые. Даже под горку сани ехать не желали.

Когда двигатель был заглушен, я подошел поближе и внимательно осмотрел всю силовую установку, обращая особое внимание на воздушный винт. Он был трехлопастный, деревянный. Изготовлен очень тщательно и красиво. В то время я еще учился в школе, заканчивал последний 10-й класс, немного занимался авиамоделями. Поэтому кое-какие основы знаний о винтах имел.

Присмотревшись, обнаружил, что винт был сделан хоть и красиво, но абсолютно неграмотно. Лопасти в поперечном сечении симметричны, угол атаки был равен нулю. Естественно, что тяга винта тоже равнялась нулю.

Весьма робко, боясь натолкнуться на амбицию старшего относительно меня, зеленого юнца, конструктора аэросаней, я предложил свою помощь.

К моему удивлению и удовлетворению, предложение было принято, мы тут же (не отходя от кассы), разобрали винт, я, состругивая лишнюю древесину, постарался придать лопастям профиль, близкий к необходимому, сбалансировали, выставили угол атаки, и свершилось чудо. Сани поехали.

Для пояснения принципа работы воздушного винта, работающего в качестве двигателя (в отличие от самолетного, где винт является движителем), рассмотрим рис. 2.

Рис. 2

Плоскость АА' установлена под углом φ к плоскости вращения Y, называемом углом установки лопасти. Ось X — ось вращения воздушного винта. На плоскость винта АА' набегает (дует) воздушный поток (ветер) V под углом α. Воздушный поток отражается плоскостью в направлении V' под углом α' = α (угол отражения равен углу падения). В результате отражения воздушного потока возникает реактивная сила F. Составляющая этой силы F' направлена вдоль оси вращения X, вторая — F' направлена по плоскости вращения Y. Вот эта сила и является той, которая создает вращающий момент. Под действием силы F' плоскость АА' начинает двигаться вправо, встречая при этом сопротивление воздуха V", которое создает противодействующую силу Р. Эта сила пропорциональна линейной скорости плоскости АА' и площади проекции S плоскости АА' на плоскость ВВ', расположенной перпендикулярно плоскости вращения Y, и параллельно продольной оси винта (на чертеже это точка пересечения О осей X и Y). После набора определенного числа оборотов сила F' будет равна силе Р, и винт будет вращаться с постоянной скоростью при данной скорости ветра V. Наступит динамическое равновесие. При изменении скорости воздушного потока V изменится и величина силы F'. Это приведет к изменению скорости вращения воздушного винта. Сильнее ветер — быстрее вращение.

Мы рассмотрели поведение лопасти воздушного винта на холостом ходу, без нагрузки. Стоит только передать вращение винта генератору, как появится момент сопротивления моменту вращения. Число оборотов винта упадет до нового равновесия.

Из рис. 2 видно, что возникающая бесполезная сила F'' гораздо больше нужной нам силы F'. Кажется, стоит увеличить угол установки Y, как это показано на рис. 3, и полезная сила F', а значит, и крутящий момент увеличатся. Да, это так и есть. На рис. 3 это отчетливо видно.

Рис. 3

И совсем, казалось бы, идеально установить угол φ = 45°. Как видно из рис. 4, в этом случае отраженный воздушный поток V' направлен в плоскости вращения, а реактивная сила F направлена в нужном нам направлении.

Рис. 4

Но! В этих случаях сразу возникают два весьма существенных «но». Первое — резко увеличивается плоскость проекции винта, следовательно, и сила противодействия P. S" >> S' >> S; Р" > Р' > Р. Второе — возникают турбулентные завихрения за плоскостью, как это показано на рис. 4, создается зона разряжения воздуха Q' и зона повышенного давления Q. Все эти явления вызывают появление дополнительных противодействующих сил, которые не только начисто «съедают» полученный полезный прирост силы F', но и ухудшают работу винта в целом. Винт начинает «месить» воздух, работать неравномерно, рывками, скорость вращения падает, момент вращения уменьшается.

Путем теоретических расчетов, экспериментальных работ и многолетней практики определено, что наилучший угол установки лопасти φ = 11°–12°, как это показано на рис. 5.

Рис. 5. Примерный профиль лопастей воздушного винта

В приведенных выше рассуждениях не учтены многие факторы: тут и влияние шероховатости поверхности винта, сопротивление трения оси вращения винта и другое.

Основные геометрические характеристики воздушного винта

Воздушный винт (ветроколесо) состоит из двух и более совершенно одинаковых лопастей, закрепленных на ступице неподвижно или подвижно относительно продольных осей лопастей. В первом случае винт может быть изготовлен из одного куска дерева или иметь возможность поворота лопастей относительно продольной оси для установки угла φ с последующим жестким креплением. Во втором случае лопасти могут изменять этот угол при помощи автоматических регуляторов для поддержания (стабилизации) оборотов на заданном уровне.

а) Диаметр винта D — диаметр окружности, описываемой концами лопастей.

б) Шаг винта Н — расстояние, пройденное винтом за один оборот при условном ввинчивании его в воздух, как в твердое тело.

Н = π∙D∙tgφ;

в) Угол установки лопасти φ был подробно рассмотрен выше.

г) Покрытие лопасти винта ΔS_л — отношение площади проекции одной лопасти на плоскость вращения к площади диска диаметром D:

ΔS_л = S_л/π∙R² = 4S_л/π∙D²

д) Покрытие винта — ΔS_ε = К∙(4S_л/π∙D²).

В приведенных формулах π = 3,14; R = 0,5∙D — радиус винта; К — количество лопастей винта.

е) Форма лопасти винта в плане. Примеры форм показаны на рис. 6/

Рис. 6. Формы лопастей воздушных винтов:

_{а — прямоугольная; б — «самолетная»; в — трапецеидальная прямая; г — трапецеидальная обратная}

Форма может быть прямоугольная, «самолетная», трапецеидальная прямая, трапецеидальная обратная. Наиболее простая в изготовлении — прямоугольная. Наиболее сложная «самолетная». Преимуществ «самолетная» форма не имеет, кроме лучшего эстетического восприятия. Трапецеидальная прямая крепится в ступице большим основанием. Такие лопасти механически самые прочные. Трапецеидальная обратная крепится к ступице меньшим основанием. Такие лопасти изготавливаются обычно из металла. Из дерева их делать не рекомендуется, так как механически они очень не прочны и легко лопаются при сильном ветре. Но крутящий момент у них выше. Эти лопасти применимы при числе их больше 8.

ж) Число лопастей N. Как уже упоминалось, минимальное количество N = 2; максимальное может быть N = 16. Увеличение числа лопастей увеличивает крутящий момент. Но в изготовлении такие винты, конечно, гораздо сложнее. Винту с большим числом лопастей больше подходит название «ветроколесо». Примеры на рис. 7.

Рис 7. Примерная конструкция винтов:

_{а — двухлопастный; б — трехлопастный; в — восьмилопастный}

Тем не менее, несмотря на сложность изготовления, выгоднее увеличивать крутящий момент не за счет увеличения покрытия лопасти ΔS_л, а за счет увеличения количества лопастей N. Увеличение обоих параметров, ΔS_л и N, приводит к увеличению покрытия винта ΔS_ε. Но в случае увеличения ΔS_л, возрастает аэродинамическое сопротивление, уменьшающее крутящий момент.

з) Профиль лопасти. Для уменьшения величины суммарных сил противодействия Р обратной стороне лопасти винта придается форма (рис. 5), позволяющая максимально уменьшить аэродинамическое сопротивление потока воздуха в плоскости вращения. Для винтов применяются специальные «винтовые» профили. Эти профили получены в результате сложных математических расчетов и аэродинамических испытаний. Форм профилей с высокими аэродинамическими качествами несколько. В настоящее время наиболее применимы профили ВС-2 или РАФ-6 для деревянных винтов, и Clark-У для металлических. О расчете профилей можно узнать в специальной литературе.

Строгое выполнение профилей — дело сложное и кропотливое. Для нашего случая особой необходимости в этом нет. Все-таки мы не летательный аппарат строим. Вполне достаточно придать приближенную форму лопастям нашего винта.

и) Направление вращения винта — может быть правое и левое. Выбирается в зависимости от выбранного генератора. Для генератора Г-221 направление вращения винта должно быть правое, по часовой стрелке, если глядеть на винт с лицевой стороны.

Правое или левое вращение винта получается при изготовлении, устанавливая угол φ вершиной вправо или влево, если смотреть на лопасть со стороны конца. Изменить направление вращения простым поворотом лопастей (в случае, если лопасти имеют возможность поворота вдоль продольной оси) нельзя, так как сразу резко ухудшатся аэродинамические качества.

Определение геометрических размеров воздушного винта

В этой главе мы приступим к самой сложной и противоречивой части расчетов. Крутящий момент, а следовательно, и мощность, отдаваемая воздушным винтом генератору, целиком зависит от скорости ветра, размеров винта и числа лопастей. Если размеры и конструкция винта целиком зависят от нашего желания, то скоростью ветра управлять мы никакие можем. Поэтому придется «подлаживаться» под капризы стихии.

В разных местностях ветры дуют по-разному. Число ветреных дней в году, скорости ветров и их направление — характерная климатическая особенность каждого района. В ежедневные прогнозы погоды или сводки метеосообщений включают сведения о ветрах. За год можно составить общую картину состояния погоды. Эта картина, в основном, повторяется из года в год.

Так, в средней полосе России среднегодовая скорость ветров около 2,6 м/с. Это значит, что в некоторые дни ветер дует со скоростью до 20 м/с, а иногда — полный штиль. Случаются ураганы, когда воздушные массы передвигаются со скоростью до 25 м/с.

Размеры и конструкция нашего винта зависят также от того, насколько полнее и чаще мы хотим пользоваться нашей ВЭС. Если использовать только сильные ветры — размеры выбираются меньше. Если хотим пользоваться практически без перерывов, то воздушный винт надо строить максимальных размеров.

Точный расчет силовых характеристик и размеров воздушного винта достаточно сложен. Поэтому приводить их здесь нет особой необходимости. Все равно теория и практика разойдутся в конечных результатах. Просто воспользуемся накопленным опытом для определения характеристик винта.

Для первоначального расчета винта будем опираться на скорость ветра, равную 4 м/с. Это довольно слабый ветерок. Из опыта известно, что при такой скорости ветра один квадратный метр площади, описываемой одной лопастью винта, может дать примерно 1,6 Вт мощности. Примем это за отправную точку и составим таблицу. В вертикальной колонке слева — мощность в ваттах, в горизонтальной строке вверху — число лопастей винта. В вертикальных колонках под числом лопастей — радиусы винта. Таблица составлена методом экстраполяции.

Из таблицы видно, чтобы получить мощность 0,5 кВт, при скорости ветра около 4 м/с нужен огромный винт. При двухлопастном винте его диаметр должен равняться 14 м!. Но не надо пугаться. Во-первых, мы взяли скорость ветра маленькую, во-вторых — больших 2-лопастных винтов никто не делает. Если изготовить 16-лопастный винт, то его диаметр при той же мощности будет равен 5 м, т. е. почти в 3 раза меньше.

Выбранный нами генератор Г-221 имеет максимальную мощность около 500 Вт. При постройке будем ориентироваться на то, что при скорости ветра 4 м/с генератор будет давать 0,1 мощности, т. е. 50 Вт. Общая длина двухлопастного винта, согласно таблице, около 4,5 м. Это много. Лучше построить шестилопастный винт. Тогда диаметр винта будет равен D = 2,6 м. Это вполне приемлемо. Покрытие лопасти винта примем не более 0,06. Это тоже из практики.

ΔS_л < 0,06.

Площадь плоскости вращения:

S = π∙R² = 3,14∙1,3² = 5,3 м².

Площадь проекции плоскости:

S_л = ΔS_л∙S = 0,06∙5,3 = 0,318 м².

Значит, ширина лопасти должна быть не более:

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.

Габариты станины определяются конструкцией установки. Для основания станины надо использовать стальную плиту толщиной миллиметров 8 или же принять другие меры для повышения жесткости, например — наварить ребра жесткости из уголка, так как конструкция будет испытывать значительные нагрузки.

Токосъем и узел поворота

Чтобы подвести электроэнергию от генератора к потребителю, просто подключить провода нельзя. Наша ВЭС должна и будет поворачиваться к ветру, который не всегда дует по одному направлению. Провода рано или поздно перекрутятся вокруг мачты и оборвутся. Поэтому надо обеспечить подвижное электрическое соединение.

На рис. 13 приведена одна из возможных конструкций поворотного узла с токосъемом.

Рис. 13

Размеры не указаны, так как они будут зависеть от имеющихся подшипников, на которых наша ВЭС будет поворачиваться к ветру. Желательны подшипники с внутренним посадочным диаметром не менее 60 мм. На чертеже указаны: 1 — корпус подшипников, он крепится 4–6 болтами к нижней плите станины ВЭС; 2 — плита; 3, 9 — шарикоподшипники (можно применить и конические роликовые, но конструкцию деталей 1 и 4 надо будет изменить); 4 — ось-втулка. На этой оси будет вращаться вся ВЭС. Нижний конец оси укрепляется на вершине мачты; 5 — текстолитовая насадка с внутренними каналами для проводов; 6 — контактные токосъемные кольца. Вытачиваются из латуни, а еще лучше — из бронзы; 7 — щетки. Лучше всего медно-графитовые. Их надо установить на плоских пружинах, чтобы обеспечить хороший контакт; 8 — стойка из изоляционного материала для крепления щеток; 10 — нижняя защитная крышка; 11 — провода.

Конструкция этого узла может быть и другой. Здесь важно только соблюсти два условия — обеспечить легкий поворот на 360° вокруг внутренней оси и хороший надежный токосъем для подключения генератора к сети потребления.

Мачта

Чтобы наша ВЭС хорошо работала, надо поднять ее на достаточную высоту, где поток воздуха не преграждается рядом стоящими домами, деревьями и др. Для этого можно, в самом простом варианте, поставить столб, наподобие телеграфного. Высота в 6–7 метров будет вполне достаточна. От мачты требуется: достаточная высота, надежность конструкции и установки, такая, чтобы наша ВЭС однажды не свалилась на головы проходящих, и возможность легкого доступа для проведения осмотра и профилактических работ. На рис. 14 приведен вариант мачтового устройства, отвечающий всем перечисленным требованиям.

Рис. 14. На чертеже: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор с генератором; 3 — стабилизатор; 4 — поворотный узел; 5 — хомут для крепления 4-х растяжек; 6 — мачта; 7 — ось; 8 — затяжка; 9 — два швеллера, вкопанных (а лучше — забетонированных) в землю; 10 — запорный штырь; 11 — противовес.

Для осмотра ВЭС нужно отцепить только одну растяжку из четырех, на чертеже (не показана) направленную к нам. Вынув запорный штырь и придерживая за отцепленную растяжку, опускают агрегат вниз. Противовес служит для облегчения подъема-спуска. При равенстве веса обоих плеч относительно оси поворота опускать агрегат можно одному человеку без всяких усилий. Лучше сделать противовес тяжелее. Эго исключит возможность случайного падения и поломки воздушного винта при отцепленных растяжках и вынутом запорном штыре.

На время длительных перерывов в работе ВЭС рекомендуется опускать агрегат и даже снять воздушный винт.

Электрическая сеть ВЭС

Всю электрическую схему электросети можно подразделить на три основные составляющие. Это генератор — источник электроэнергии; батарея аккумуляторов, запасающих электроэнергию впрок; потребители. Все они соединены электропроводкой и дополнены коммуникационными аппаратами — выключателями, розетками, предохранителями.

Работа электроустановки возможна в трех вариантах:

1. Дует хороший ветер. Вырабатываемая электроэнергия поступает к потребителям. Одновременно подзаряжаются батареи аккумуляторов.

2. Ветер отсутствует. К потребителям энергия поступает от аккумуляторов.

3. Генератор не работает. Потребители отключены. Это режим хранения запасенной энергии.

Может быть также и четвертый режим. Это тогда, когда потребляемое количество энергии превышает количество, вырабатываемое генератором. Это может быть при повышенной нагрузке, при слабом ветре. Тогда в помощь генератору подключается аккумулятор. Причем это происходит автоматически.

Приведенные примеры показывают, сколь необходимы в составе электроустановки аккумуляторы. И чем больше их емкость — тем лучше. Самыми доступными являются кислотные аккумуляторы для легковых автомобилей емкостью 55 ампер-часов 6-СТ-55. Для нашего случая подойдут любые 12-вольтовые аккумуляторные батареи. Батареи можно соединять параллельно для увеличения емкости. Только не следует соединять батареи с разными сроками хранения. В этом случае старая батарея может начать разряжать новую. Лучше всего раздобыть более емкую батарею, например, типа 6-СТ-150. Здесь опять все зависит от многих факторов — от частоты и силы ветра в данной местности, от нагрузки, какую мы хотим подключить к электрической сети, от суммарного времени включения этой нагрузки. В процессе эксплуатации вскоре станет ясно, достаточна емкость имеющегося аккумулятора или нет.

О техническом обслуживании аккумуляторных батарей имеется много литературы, инструкций и правил. Поэтому здесь об этом говорить не будем.

Перейдем к описанию электрической схемы. Как было показано выше, генератор при различных скоростях вращения ротора может выдавать самое разное напряжение — от нуля до 35–40 вольт. Таким напряжением пользоваться нельзя. Поэтому к генератору подключают специальные регуляторы напряжения. Нам можно применить схему регулирования, применяющуюся в автомобилях ВАЗ. Такая схема показана на рис. 15.

Рис. 15. Схема регулирования напряжения. Номера выводов на генераторе и реле соответствуют выбитым номерам на корпусах этих приборов

На схеме: 1 — узел генератора Г-221; 2 — узел аккумулятор ной батареи и регулировки напряжения; 3 — потребитель энергии. В узле 2: SA1 — отключатель генератора от потребителей; SA2— выключатель нагрузки центральный (общий); FU1 — предохранитель (устанавливается в зависимости от тока нагрузки); БА — батарея аккумуляторов; РА1 — амперметр с «нулем» посреди шкалы. По этому прибору можно видеть ток заряда или разряда аккумулятора. Шкала его, в зависимости от емкости аккумулятора, может быть 30-0-30А; 50-0-50А; прибор полезный, но не обязательный; РА2 — вольтметр 0—15 В также не обязателен. EL1 — сигнальная лампочка на 12 В зарядки аккумулятора; РС702 — реле контрольной (сигнальной) лампы зарядки; это реле сработает при начале зарядки аккумулятора, лампочка EL1 при этом гаснет; РР380 — реле — регулятор напряжения.

Следует заметить, что эта система электромеханического регулирования напряжения довольно несовершенна, груба и ненадежна, хотя и применяется на современных автомобилях. Поэтому, если идет речь о покупке, то вместо этих двух реле, РС702 и РР380, лучше приобрести электронный регулятор РН-4. С этим регулятором точность и надежность работы резко повышается. Отпадает необходимость в четырехпроводной связи генератора с нагрузкой, токосъем можно сделать из трех колец. Схема всей электроустановки показана на рис. 16.

Рис. 16

В обеих схемах нагрузка показана чисто условно. Лампочки освещения, розетки и выключатели устанавливают по необходимости и желанию.

Провода, применяемые для соединений всей электрической схемы, надо брать возможно большего сечения. Самыми подходящими будут медные многожильные провода в изоляции с общим сечением жил 3–4 мм. Токи, протекающие по проводам, довольно значительны, десятки ампер. В таких проводах произойдет значительное падение напряжения. Минусовой провод желательно заземлить. Это резко уменьшит помехи при приеме радио- и телепередач.

О соблюдении техники безопасности

Действующее напряжение в электросети — 12 В совершенно безопасно. Но у нас имеется высокая мачта, в которую при грозе может попасть разряд молнии. Поэтому мачту нужно оборудовать грозозащитой. О надежности самой мачты говорилось. Необходимо принять меры против самопроизвольного падения. Источник некоторой опасности представляет собой аккумуляторное хозяйство. Соблюдение инструкций по уходу за аккумуляторами обязательно. На время длительного перерыва в работе ВЭС ее надо опускать в нерабочее положение. Выключатели SA1 и SA2 должны быть в разомкнутом состоянии.

Информация к размышлению

Приведенные здесь советы, рекомендации и материалы не являются абсолютной истиной в последней инстанции. Творческий подход, а не слепое копирование, обеспечит успех в любом деле. Напоследок можно дать еще несколько рекомендаций.

Если применяется генератор без выпрямительного моста, то в день потребления необходимо включить реле обратного тока или мощный выпрямительный диод, которые воспрепятствуют направлению энергии от аккумулятора к генератору при остановке последнего.

Применяемый нами воздушный винт не имеет ограничения скорости вращения. Генератор Г-221 высокооборотный и максимальное число оборотов воздушный винт вряд ли наберет даже при самом сильном ветре. При необходимости и желании можно сделать винт со стабилизатором скорости. Центробежный стабилизатор сложен в изготовлении. Применить можно другой, динамический стабилизатор. Схема его приведена на рис. 17.

Рис. 17. 1 — лопасть воздушного винта, 2 — шарниры; 3 — закрылок; 4 — элерон; 5 — возвратная пружина

Вырезанные части соединяют с лопастью шарнирами. Эти части называются элеронами. На обратной стороне элеронов длинными шурупами привертываются закрылки. Это дощечки размером 200х40х15 мм. Между лопастью и закрылком натягивается пружина. Работает это нехитрое устройство следующим образом: при вращении винта встречный воздушный поток давит на закрылок и отклоняет элерон, как показано штриховыми линиями. В результате на элерон начинает действовать реактивная сила Р, направленная против основной F'. Таким образом происходит регулирование числа оборотов винта. Чем сильнее пружина, возвращающая элерон в исходное состояние, тем на более высокой скорости начинает работать все устройство стабилизации. Подбором этой пружины добиваются нужного числа оборотов винта.

Для желающих построить более мощную ВЭС (а такое желание может возникнуть у жителей собственных усадеб и коттеджей) можно порекомендовать кинематическую схему на рис. 18. Здесь тяжелый генератор устанавливается внизу. По вертикальной оси вращения узла воздушного винта пропускается вал. Через конические шестерни вращение винта передается генератору.

На схеме рис. 18: 1 — ветроколесо; 2 — подшипники ведущего вала; 3 — коническая шестерня ведущего вала; 4 — ведущий вал; 5 — коническая шестерня промежуточного вала; 6 — верхний подшипник промежуточного вала; 7 — поворотный узел; 8 — промежуточный вал; 9 — мачтовое устройство; 10 — нижний подшипник промежуточного вала; 11 — коническая шестерня; 12 — шестерня генератора; 13 — генератор.

Желающим можно порекомендовать собрать самостоятельно регулятор напряжения. Схемы электронных регуляторов довольно широко распространены в журналах «Радио», в серии книг МРБ и другой литературе.

ЛИТЕРАТУРА

_{1. Журнал «Радио» № 7 за 1947 год.}

_{2. «Радио» № 9 за 1947 год.}

_{3. Уткин Б.В. Школьная ветроэлектростанция. — Таткнигоиздат, 1954.}

_{4. Догадин В.Н. и Малинин P.M. Книга сельского радиолюбителя. — Госэнергоиздат, 1955.}

_{5. Блинов Б.С. Гирляндная ГЭС. — Госэнергоиздат, 1963.}

_{6. Синельников А.Х. Электроника в автомобиле. — Радио и связь, 1986.}

_{7. Чумак П.И., Кривокрысенко В.Ф. Расчет, проектирование и постройка сверхлегких самолетов. — Патриот. 1991.}

_{8. Автомобиль ВАЗ-2106. — Издательство Саратовского госуниверсигета, 1992.}

_{9. Электрооборудование автомобилей ВАЗ. — Блок, Фирма МД, Хозяин. 1992.}

_{10. Стрижевский С.Я. Теория и расчет воздушных винтов. — ВВИА, 1948.}