Papierový mechanický model trojlistovej veternej turbíny
Veterná turbína je zariadenie, ktoré premieňa kinetickú energiu vetra na energiu elektrickú. Najbežnejší typ je horizontálna, s troma listami (lopatkami) otáčajúcimi sa okolo horizontálnej osi. Počet listov má svoj technický a praktický význam. Trojlistová papierová vrtuľka poháňaná vetrom tak môže byť nielen hračkou, ale aj edukačnou pomôckou.
Papierový model poháňaný vetrom
Stiahneme a vytlačíme PDF dokument. Vystrihneme jednotlivé tvary a dierky prepichneme špendlíkom. Nezabudnite dať medzi vrtuľu a papierovú rúrku korálku alebo malý papierový valček, aby sa znížilo trenie, inak sa bude vrtuľa ťažko roztáčať.
|
|
Kto nemá po ruke tlačiareň môže postupovať podľa návodu vo videu a narysovať kružnicu, na nej šesť bodov a potom spojením každého druhého bodu na kružnici, vznikne trojuholník.
Optimálny rozmer na papier veľkosti A4 je vonkajšia kružnica s polomerom 6cm a vnútorná s polomerom 2cm. Namiesto paličky vytvoríme papierovú rúrku z obdĺžniku 20x10cm.
Sily pôsobiace pri rotácii reálnej turbíny
Gyroskopická precesia je fyzikálny jav, pri ktorom sa rotujúci objekt (v tomto prípade rotor veternej turbíny) správa ako obrovský zotrvačník (gyroskop). Okrem toho, že sa listy vrtule otáčajú okolo horizontálnej osi, otáča sa aj celá gondola s vrtuľou okolo vertikálnej osi, smerom proti vetru. Pri týchto dvoch pohyboch vzniká vplyvom výslednej reakčnej sily nežiaduci ohybový moment.
Vplyv počtu listov
Jeden list by spôsoboval excentrické rozloženie hmotnosti a obrovské vibrácie.
Dva listy sú hmotnostne vyvážené, ale gyroskopický moment pulzuje z maxima do nuly, podľa toho či sa listy práve nachádzajú vo zvislej alebo vodorovnej polohe.
Tri listy majú konštantný gyroskopický moment, bez ohľadu na to v akej momentálnej polohe sa listy nachádzajú. Natáčanie gondoly za vetrom tak nespôsobuje deštrukčné pulzovanie ohybového momentu.
Štyri listy majú vyvážený gyroskopický moment, avšak sú bližšie pri sebe, čo spôsobuje že každý ďalší list prechádza turbulentným vzduchom, ktorý bol narušený predchádzajúcim listom, čo znižuje aerodynamickú účinnosť. Väčší počet listov taktiež spôsobuje nárast hmotnosti a ceny zariadenia.
Optimálne riešenie
Trojlistová konštrukcia teda predstavuje ideálny kompromis medzi aerodynamickou účinnosťou, mechanickou stabilitou a výrobno materiálovými nákladmi. Papierový model vrtule má však príliš malú rýchlosť a hmotnosť na to, aby tu prejavil gyroskopický moment.
Ako vypočítať rýchlosť listov veternej turbíny
Rýchlosť listov turbíny sa dá vyjadriť dvoma spôsobmi. Prvým je uhlová rýchlosť, teda o aký uhol sa pootočí list za jednotku času. V technickej praxi sa však namiesto uhlovej rýchlosti udáva počet otáčok za sekundu alebo za minútu.
Pohľadom z diaľky môžeme zmerať čas jednej otáčky. Teda koľko trvá, kým jeden konkrétny list spraví jednu otáčku po celej kružnici a vráti sa do pôvodnej pozície. Napríklad jedna otáčka môže trvať 5 sekúnd. Takže frekvencia otáčania bude 1/5=0,2 otáčok za sekundu. Ak by sme chceli túto hodnotu prepočítať na otáčky za minútu, vynásobíme výsledok hodnotou 60. Takže 0,2x60=12 otáčok za minútu.
Druhým spôsobom je vyjadrenie obvodovej rýchlosti. Teda ako rýchlo sa pohybuje špička listu vrtule, ktorá sa nachádza na obvode kružnice. Táto rýchlosť sa vyjadruje v metroch za sekundu alebo pre lepšiu predstavu v kilometroch za hodinu.
Budeme potrebovať rozmery turbíny. Výšku stožiara môžeme zistiť metódou dopadu tieňa a podobnosti trojuholníkov. Dĺžku listov a polomer otáčania, odvodíme podľa mierky z výšky stožiara. Takže ak má stožiar určitú výšku, potom list vrtule v dolnej polohe siaha od polomeru otáčania do určitej vzdialenosti. Napríklad list vrtule môže mať dĺžku 75m. Ak je frekvencia otáčania napríklad 0,2 otáčok za sekundu, tak obvodovú rýchlosť špičky listu vypočítame ako obvod kruhu krát frekvencia. Takže 2x3,14x75x0,2=94,2 metrov sa sekundu. Ak chceme túto hodnotu prepočítať na kilometre za hodinu, vynásobíme výsledok koeficientom 3,6. Teda 94,2x3,6=339 kilometrov za hodinu.
Rýchlostný pomer špičky
Rýchlosť listov sa často posudzuje pomocou bezrozmerného koeficientu TSR (Tip Speed Ratio), ktorý vyjadruje pomer medzi rýchlosťou špičky listu a rýchlosťou vetra. Pre trojlistové turbíny býva optimálny pomer zvyčajne v rozmedzí 6 až 8. To znamená, že špička listu sa pohybuje 6 až 8 krát rýchlejšie ako samotný vietor. Automatický systém udržiava turbínu v optimálnych otáčkach podľa rýchlosti vetra, pomocou zmeny uhla nábežnej hrany listov.
Význam červených pruhov
Červené pruhy na listoch slúžia na zlepšenie viditeľnosti, pretože biela farba listov môže splývať s bielym pozadím mrakov na oblohe. Na menších turbínach býva len jeden pruh. Najčastejšie sa stretneme s dvoma pruhmi. V blízkosti niektorých letísk majú listy tri pruhy. Pre ochranu vtáctva sa začal využívať nový koncept, že dva listy sú biele a jeden je celý čierny. Pri rýchlej rotácii listov tak vzniká efekt blikania.
Súvisiace články:
Papierový spektroskop s mierkou