Sposób na smigło

Z całym szacunkiem do teoretycznych podstaw budowy śmigieł należy jednak stwierdzić, że w wykonaniach amatorskich dominuje praktyka. Co więcej - nawet najpoważniejsze wytwórnie śmigieł do elektrowni o mocy rzędu MW nie polegają wyłącznie na teorii i ostateczne rozwiązania przyjmowane są po serii praktycznych doświadczeń metodą prób i błędów. Każdy, nawet najbardziej naukowo uzasadniony profil, trafia ze swym szczytem sprawności w ściśle określone warunki wiatru i obciążenia, a więc zmienne, których nie sposób ustalić zawczasu. Nie sposób wykonać śmigło o profilu zmieniającym się w miarę zmiany prędkości wiatru, gęstości powietrza i obciążenia! Dlatego też nie przesadzajmy w tym "dzieleniu włosa na czworo" i przyjmując profil ze sprawdzonych praktycznie rozwiązań (np. stąd: http://darmowa-energia.eko.org.pl/pliki/wiatr.html ) na pewno nie popełnimy większego błędu.

Dylematy do rozstrzygnięcia na wstępie:

1. Z jakiego materiału - ponieważ nasza "produkcja" jest najczęściej jednostkowa kombinacje ze śmigłami laminatowymi będą przerostem formy nad treścią, mówiąc wprost: nie opłacalne.
Do zastosowań zabawowo - demonstracyjnych można eksperymentować ze śmigłami wycinanymi z plastykowych rur (dużo odnośnych opisów znajdziemy w internecie), ale do zastosowań praktycznych (mam na myśli uzyskanie realnych rezultatów w produkcji np. prądu) polecam bardzo wdzięczny w obróbce i wbrew pozorom trwały materiał jakim jest DREWNO.
Może to być lita sosnowa belka (dobrze wysuszona - "sezonowana"!) o wymiarach mieszczących w sobie całe śmigło (lub jeden płat), może to być belka powstała w wyniku sklejenia (np. żywicą epoksydową, poliestrową) kilku desek.

2. Obróbka - warto zwrócić uwagę na konieczność w miarę dokładnego odwzorowania założonego profilu i dokładną wymiarową - kątową powtarzalność każdego płata. Bez odpowiedniego oprzyrządowania będzie to raczej nie możliwe. Proponuję (dla śmigieł o średnicy do 4 m) wykonanie przyrządu pozwalającego na szybkie i dokładne wycięcie śmigła. Potrzebne do tego będą:
- masywny stół o długości min. 2m,
- 3 kwadratowe rury stalowe około 60/40 mm, po 2 m każda,
- 2 metrowe pręty gwintowane M 10 - 12,
- odpowiednia ilość nakrętek i podkładek.


Uwaga: materiał wykorzystany na budowę powyższej konstrukcji można w całości (rury, śruby) wykorzystać do budowy konstrukcji nośnej prądnicy.

Wykonanie "skręconej" płaszczyzny przedniej śmigła (do wiatru), przy wyborze profilu płaskiego (nie wklęsłego) jest dziecinnie proste. Więcej trudności sprawia dojście do wypukłego profilu drugiej strony - po prostu należy ( regulując na śrubach odpowiednie ułożenie prowadnic) podchodzić do problemu kilka razy - w praktyce: dwa wystarczy, a reszta - strugiem i szlifierką.

Liniowo zmieniający się kąt zaklinowania nie jest rozwiązaniem optymalnym - jest znacznym uproszczeniem i ma niewielki, ale jednak ujemny wpływ na efektywność śmigła. Zmienny kąt zaklinowania (rosnący w miarę zbliżania się do osi obrotu śmigła) można uzyskać poprzez regulację na śrubach trzymających prowadnicę w miarę zbliżania się narzędzia tnącego do środka śmigła. Wymaga to obliczenia, o ile prowadnicę należy opuścić dla poszczególnych odległości piły od środka śmigła i procedurę tą dokładnie powtarzać dla każdego kolejnego płata.

Przykładowe kąty zaklinowania dla 2. metrowej łopaty:









3. Ilość płatów - wychodzimy z dość prostej zasady:
Więcej płatów - mniejsze obroty, większy moment (stosujemy do odbiorników mocy typu pompa, do prądnic bardzo wolnoobrotowych lub do prądnic z przekładnią).
Mniej płatów - wyższe obroty, mniejszy moment ( stosujemy w elektrowniach wiatrowych przy - z natury rzeczy - prądnicach wymagających dość dużych obrotów).
W mojej elektrowni przyjąłem rozwiązanie trochę pośrednie - 4. płaty ponieważ amerykanka o średnicy 300 mm jest prądnicą w miarę wolnoobrotową (przy 60 obr./min około 15V), a ponadto o takim wyborze zdecydowały względy mechaniczno - konstrukcyjne: tarcze mocowane są za pomocą czterech śrub.

4. Średnica śmigła - działa zasada: większe - wolniejsze, ale nie jest to główne kryterium wyboru. Wielkość śmigła określamy biorąc pod uwagę moc jaką chcemy uzyskać dla określonej prędkości wiatru. Również w tym miejscu można by pokusić się o naukowo uzasadnione wyliczenia, ale dla naszych potrzeb w zupełności wystarczy analiza szeroko publikowanych praktycznych rozwiązań. Sądzę, że jeżeli przyjmiemy:
- dla prędkości wiatru - 10m/sek,
- oczekiwanej mocy na amerykance 300mm - 1 kW,
- średnicę śmigła w granicach 2,5 do 3,5 m
nie rozczarujemy się. Oczywiście, przy różnych prędkościach wiatru otrzymamy moc od pojedynczych W do kilku kilowatów (do dyma - jak mawiają amerykanie zza Bugu)

Ustalając wielkość śmigła w stosunku do prądnicy amerykanki (lub odwrotnie) można przyjąć za zasadę, iż śmigło powinno mieć około 10 - 12. krotnie większą średnicę od średnicy tarcz z magnesami, np.: 3 m śmigło - 300 mm średnica tarcz. Przy takim stosunku można się spodziewać, że już przy wietrze 3m/sek wiatrak rozpocznie realną pracę.







Rama z kwadratowych rur pozwala na ustawienie narzędzia tnącego pod zmiennym kątem - ustalonego za pomocą szablonu z narysowanym profilem.










Można wykonywać dwa płaty z jednego kawałka (dla śmigieł do 2 m średnicy)- dla większych polecam wykonywanie po jednym płacie. Na tym przyrządzie wykonałem np. 4 płaty po 150 cm. Wykonywanie po kolei pojedynczych operacji dla każdego płata pozwala na dokładne powtórzenie wymiarów (kątów).







Prowadnice mocowane są na śrubach regulacyjnych.
Narzędzie tnące: na zdjęciu przerobiona pilarka na prowadnicy z deseczki.





Do większych płatów stosowałem ręczną elektryczną piłę łańcuchową z dorobionymi prowadnicami - praca postępuje błyskawicznie. Do wykończenia wystarcza strug (najlepiej ręczny - elektryczny) i szlifierka oscylacyjna.