Idémaskinen


Drakturbin: Analys och nya visioner

Posted in Energiteknik av Robert Wensman på 26 maj 2010
Tags: ,

(Denna artikel är en del av mitt projekt som går ut på att bygga en så kallad drakturbin)

Från början hade jag tänkt att börja utföra tester med ett mindre nav. Men istället så började jag tänka och analysera olika aspekter av designen av drakarna som jag testade förra gången. Vetenskap börjar alltid som vidskepelse, men rör sig sakta men säkert mot någonting som verkar vara säker kunskap.

I och med att jag blivit mer och mer övertygad om att de drakar jag använde i tidigare försök varit ganska suboptimala så har mitt intresse istället vänts till att försöka göra en helt ny design av dessa innan jag fortsätter med ett mindre nav i förhållande till ytterdiameter.

Svepning:

Mina drakar var från början tänkta att vara frammåtsvepta, men jag börjar mer och mer inse att detta troligen är ett ganska stort feltänk. Argumentationen var från början att svepningen skulle underlätta placeringen av draglinorna, samt en vag tanke att om en frammåtsvept drake börjar luta bakåt, så kommer den i alla fall att stå ganska rak i vinden. Ingen av dessa tankar verkar vid en närmare betraktelse vara riktigt sunda.

Till att börja med så vare sig kan eller behöver draglinorna vara vinkelräta i vindriktningen, detta eftersom oavsett hur stark lyftkraft drakarna genererar, så kommer de alltid att dras med i vindriktningen något. Men drakarna behöver inte heller vara svepta för att kunna packa dem tätt, eftersom de sneda draglinor från den del av draken som flyger längst ifrån navet gör att de inte heller kolliderar med nästföljande drake. Dessutom, att designa en drake för eventualiteten att den tippar bakåt i vinden är bara dålig ingenjörsmässighet, då drakarna i första hand bör designas för den formation de ska flyga i. Inget sådant trams alltså!

Men slutligen så finns det en annan uppenbar nackdel med frammåtsvepta drakar, nämligen att även om man skulle lyckas med det, så kommer drakarnas gemensamma formation skapa en skruv som går i motsatt riktning mot vindriktningen. Det vill säga det kommer att uppstå en bromsande effekt, och även om man kan fundera över om något sådant kunde vara användbart som automatisk broms vid högre vindstyrkor, så är nog förstaprioritet i dagsläget att skapa så hög effektivitet som möjligt. Så av dessa orsaker anser jag numera att frammåtsvepta drakar inte är av intresse.

Man kan se på ovanstående bild att drakarna i mitt experiment faktiskt flög i neutral vinkel, och inte frammåtsvepta. Detta ger samtidigt en bra förklaring till varför draken med de röda vingprofilerna verkar sacka efter de övriga. Tack vare att draken flyger i neutral vinkel hamnar vingprofilerna helt fel och verkar i själva verket som broms.

Man kan eventuellt fundera över om en bakåtsvept formation skulle vara av mera intresse. Detta gör ju samtidigt att drakarna bildar en skruvform som hjälper till att fånga upp den kraft som drar drakarna bakåt. Man kan även tänka sig en lång och utdragen skruv, som visserligen gör navet betydligt mindre i förhållande till ytterdiametern, men som samtidigt kräver ett längre nav.

En potentiell nackdel med en bakåtsvept skruv är dock att den behöver överföra kraft i de bakre draglinorna, vilket kräver att navet har har ganska bra hållfasthet hela vägen ut.

Så min slutsats av allt detta är i alla fall att jag tills vidare tänker fokusera på att bygga antingen neutrala eller bakåtsvepta drakar. I det förstnämnda fallet är det istället draglinorna som får luta.

Vingprofil:

Dessutom så läste jag en del på nätet om hur man utformar vanliga propellrar, för att försöka överföra den kunskapen till mina drakar. Här finns till exempel en guide som beskriver hur en propeller bör vara utformad. I stora drag så ska vingspetsarna på en turbin ha en större vinkel mot vindriktningen eftersom svephastigheten är större där, och omvänt har bladen mindre vinkel mot vinden närmare turbinens nav. Istället bör propellern bli bredare ner mot navet för att med den svagare vinkeln ändå kunna fånga upp lika mycket energi. Ovanstående guide ger dock inte de fullständiga formlerna för detta, men min tolkning av detta är som följer.

Vi antar att z-axeln löper utmed vindriktningen. Det förefaller logiskt att djupet Pz på en punkt P, ges av formeln aV där a är någon konstant, och där V är vinkeln till bladets framkant mätt ifrån propellerns nav. Man tänker sig sedan att bladets bredd som projicerats i det svepta planet är konstant utmed bladets längd.

Sedan försöker vi tänka oss hur denna geometri kan överföras till en drake. Man kan till att börja med konstatera att en drake i dess enklaste form som flygger snett, redan har vissa intressanta egenskaper. Man kan konstatera att vinkeln mot vinden rent naturligt blir större mot toppen av vingspetsen.

Däremot så smalnar en vanlig drake istället av ner mot navet, vilket egentligen är tvärtemot vad man skulle vilja. Så om man vill bygga en drakturbin som utnyttjar större delen av svepytan så bör man försöka göra den bredare längre mot navet, i den mån det nu är möjligt.

Detta visar förresten ytterligare en orsak till varför draken med de röda vingprofilerna var dysfunktionell i mitt tidigare experiment. Nämligen att luftflödet över drakarna i rörelse inte alls borde vara vinkelrätt mot drakarnas tangent, utan snarare borde följa sveprörelsen mer. Här är ytterligare en bild som visar riktigt hur kasst draken med röda vingprofiler flög. Så även om turbinen som helhet snurrade på ganska bra så skulle den ha kunnat gå betydligt bättre:

Möjligen skulle man försöka låta vingprofilerna följa luftflödet helt, istället för att vara ortogonala med draken självt, men det blir i så fall kanske mer knepigt att beräkna deras form.

En annan tanke som slagit mig, är att man borde försöka utnyttja drakens båda ändar för att överföra kraft till navet. Detta illustreras till exempel av de första figurerna i den här artikeln. Detta borde dessutom göra det enklare att skapa drakar som är vesäntligt mycket större än navet.

Jag tänker även återigen att fästpunkterna för drakens olika ändar bör ligga så långt ifrån varandra som möjligt, det vill säga med 180 graders skillnad. Det viktiga är bara att änden som är närmast navet är vinkelrät mot ytans tangent för att undvika att draken sugs ner mot navet, vilket faller sig rätt naturligt om man vill att draglinorna i båda ändar av draken ska överföra kraft till navet.

Faktiskt så kan man direkt tänka sig att ena änden av draken är fäst direkt i navet utan några draglinor alls, vilket gör det allt mindre passande att prata om ”drake”, utan snarare ”mjukt turbinblad”. Utifrån dessa tankar började jag fundera ut sätt att räkna fram en form på en drake.

Det enklaste sättet att beskriva drakens krökta form är genom att använda kurva beskriven i polära kordinater som ökar avståndet till origo linjärt. Detta kallas för arkimedes spiral och ger en form på draken/bladet som figuren ovan visar. Man kan även fundera på om en exponetiell spiral skulle vara bättre om man skulle göra en ännu större drake.

Jag hade lite funderingar på att slänga ihop ett enkelt dataprogram som kunde räkna ut drakarnas mått utifrån ett antal givna parametrar, men även om formeln för arkimedes spiral, tycktes vara den enklast möjliga, så var formeln för dess krökning och båglängd lite mer avskräckande. Någon regning dag kanske jag tar och räknar mer på dessa formler.

Hittills har vi bara diskuterat vingprofilernas vinkel och längd vid olika delar utmed draken, men en annan fråga är också utformningen av drakarnas övriga vingprofil. Här är några varianter:

Att döma av designen av traditionella turbinblad bör krönet på drakens böjning finnas 30% in av vingprofilens längd. Men om man nu bygger en drake istället för en vingprofil så ställs frågan om hur man ska vinkla den i vinden. Framtippen på A borde förvisso generera en kraft nedåt, men jag inbillar mig sedan att det skapas ett större sug på bakdelen av draken som roterar drakens framkant nedåt, och motverkar att draken dras med allt för långt i vindriktningen. Att skapa modell C vore i linje med konventionell turbinteknik, men kräver att man har en drake med två lager som hålls ut på något sätt, antingen med tryckluft eller ett drakskelett. Om någon med relevanta kunskaper i aerodynamik råkar läsa detta, så vore jag tacksam för lite råd i frågan. För närvarande imbillar jag mig att A som är ganska nära B kanske är en ganska lämplig kompromiss, jag har naturligtvis ingen aning om vad jag håller på i sammanhanget, men tids nog så klurar jag nog ut det🙂. Här är en bild på hur en turbin ser ut i en jetmotor (den röda delen):

Man kan notera att den har mest profiler som liknar C. Några liknar A, men där de är placerade så är luftflödet antagligen krökt.

Ny Vision:

Jag har desstuom tänkt på olika sätt att enkelt kunna dra nytta av drakturbiner. Enligt vad jag har förstått så är det många segelbåtar som har små vindturbiner för att ladda batterier, men att dessa turbiner ibland kan ge ifrån sig ett störande ljud, samt att de utgör en säkerhetsrisk om de placeras på en plats där barn och djur kan komma åt dem.

Här tänker jag att en drakturbin faktiskt skulle kunna ha några fördelar. Dels så borde man kunna göra en drakturbin närmast ljudlös, eller åtminstone ultra-tyst, speciellt om man har många blad på den, t.ex. 8 st. En mer långsam rörelse borde också vara mindre störande rent visuellt för den som till exempel avnjuter sin kvällsmåltid på båten.

Ur säkerhetssynpunkt är drakturbinen idealisk. Den har inga vassa och tunga blad som skada. Eftersom bladspetsarna på en drakturbin är krökta innåt, så går det antagligen inte ens att få en pisksnärt av dem. Man borde i princip kunna gå rakt in i den utan att något händer, annat än att turbinen saktar ner eller stannar. Den skulle alltså kunna placeras direkt på relingskanten utan någon större hänsyn till förbipasserande. Här är en bild av hur jag tänker mig att kraftverket skulle kunna vara utformat:

I tidigare modeller så har jag tänkt mig ett långt nav som fungerar som landningsbana åt drakarna, men då jag tänker mig att ett långt utstickande nav skulle ta upp för mycket plats och eventuellt skulle kunna vara i vägen, så övervägde jag andra lösningar vad gäller starten av drakarna. Nu eftersom drakarna i princip är förankrade i navet, så skulle man kunna utnyttja detta och låta drakarna vara tillräckligt styva för att kunna hålla sig uppe själva vid stiltje. Men konstruktionen är ändå bara halvstyv, och det vridmoment som draken levererar ner till navet förmedlas endast via mjuka konstruktioner. Den halvstyva konstruktkionen skulle kunna bestå av spänstig plast eller fjäderstål av den typ som förekommer i vissa hopfällbara tvättkorgar eller solskydd för bilen.

Man kan också notera att drakarna på bilden är lätt bakåtsvepta. De är bakåtsvepta endast i bemärkelsen att drakarnas bredare bas expanderar framåt istället för bakåt. Detta främst för att minska eventuell belastning på de halvstyva konstruktinoner som håller bladen upprätta, men jag inbillar mig också att turbinen lättare ställer sig rätt i vindriktningen på grund av detta.

För att få upp spänningen trots den långsamma rotationsrörelsen så tänker jag mig att man behöver ganska många spolar. För att få plats i navet så skulle man kunna trava pankaksgeneratorer på varandra. Detta har fördelen att man kan utnyttja båda sidorna på de magneter som ligger mellan två spolar. En sak jag naturligtvis är nyfiken på är om denna turbin skulle kunna nå laddspänning i extremt låga vindstyrkor tack vare de många och lätta bladen, men för ändamålet krävs en generator som kan översätta ett lågt varvtal med ett högt vridmoment till en lämplig laddspänning.

Jag har en bekant som införskaffat en MakerBot, och jag funderar därför över möjligheterna att designa en shareware version av ovan beskrivet vindkraftverk som man sedan skulle kunna skriva ut för att sedan färdigställa med några enkla handgrepp. Men detta får bli ämne för nästa uppdatering i detta projekt!

2 svar to 'Drakturbin: Analys och nya visioner'

Subscribe to comments with RSS eller TrackBack to 'Drakturbin: Analys och nya visioner'.

  1. mrperfect72 said,

    Vore intressant med en fungerande prototyp.🙂


    • Ja, precis, det vore ju intressant att se om den faktiskt fungerade :-)… Bladformen jag skissar på i denna artikel är ju främst uttänkt i syfte att få ut mycket energi ifrån svepytan, men frågan om den kan flyga stabilt och starta utan allt för mycket hjälp återstår ju. Om de kan starta utan någon hjälp så vore det såklart det bästa… Men det är ju det som är tjusningen med att experimentera i okänt område, man vet helt enkelt inte hur det ska sluta :-)…

      Har i alla fall börjat skriva ihop ett Ruby-program som jag tänkte använda för att generera formen i Sketchup, för att sedan kunna platta ut formen för att se hur man ska klippa i tyget.


Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s


%d bloggare gillar detta: