Idémaskinen


Digital drakturbin!

Posted in Energiteknik av Robert Wensman på 20 juni 2010
Tags: , ,

Denna artikel är en uppföljning på mitt projekt som går ut på att bygga en så kallad ”drakturbin”. Det vill säga en vindturbin med endast mjuka delar.

Ingen ny testkörning den här gången, men däremot ett dataprogram som kan generera bladforme utifrån en rad parametrar, samt lite nya insikter.

Till att börja med skulle jag vilja belysa följande artikel som jag hittade på nätet. Jag har inte läst den i detalj, men dess slutsats är av visst intresse för huruvida drakturbinen är en vettig idé. Artikeln verkar mena på att fler blad i många fall skulle kunna öka en turbins effektivitet, men att tillverkare av vindturbiner idag valt en kompromiss där även kostnaden för konstruktionen vägs in. Här är en annan artikel om samma ämne. Jag läste även i illustrerad vetenskap att på en konventionell vindturbin så kan hela propellern väga 100 ton, vilket betyder att varje blad skulle väga uppåt 30 ton. I så fall kan man ju förstå varför tillverkarna väljer att spara in lite på antalet blad, även om man tappar något i effektivitet. Så här kan man undra om vingar av tyg och linor skulle kunna ha en fördel? Vi får väl se… I NyTeknik så diskuteras det också hur vanliga vindturbiner skapar problem för militären, vilket kanske en drakturbin inte skulle göra på samma sätt.

Från början hade jag tänkt mig att rent analytiskt beräkna relevanta mått på draken, men efter att ha stirrat ett tag på extremt komplicerade matematiska uttryck vad gäller tangenter och båglängder, så slängde jag allt i papperskorgen och plockade fram datorn. Jag beslutade mig för ett mer numeriskt angreppsätt vilket kanske är passande för mig som trots allt är programmerare! Ju mer jag arbetade med detta, desto mer insåg jag också nödvändigheten i att ha en datormodell av draken vars olika parametrar man kan manipulera

Tobias Nurmiranta som också är intresserad av detta tipsade om att man kunde använda Google Sketchup. Där finns nämligen ett Ruby-gränssnitt som gör att man kan skapa former med hjälp av ett program. Sagt och gjort, jag började testa lite med Sketchup och här är ett av mina första försök:

Jag upptäckte att det var några extra features som behövdes för att skapa en lämplig form. T.ex. så upptäckte jag att man behöver kapa ner bladets bredd i XY planet när man kommer nära navet, för att undvika att bladet blir väldans långt som i bilden ovan. En liten andragradskurva fixade detta.

En annan sak jag upptäckte, var också att det inte fungerar att bara skala vingprofilen med bladets totala bredd i XYZ rymden. Detta orsakade ett väldigt stort överhäng nära navet där vingprofilen är väldigt stor, och ligger väldigt mycket vinklad utmed navet. Jag implementerade därför en liten funktion som skalar om vingprofilen i de fall då ”knölen” går utanför bladets bredd i XY planet. Jag är dock lite osäker på om detta är det sätt man ska göra det på. Ska man t.ex. istället ha en abolut höjd på vingprofilen och låta den vara konstant över hela vingen? Jag vet uppriktigt sagt inte.

På bilden ovan kan man även notera den här konfigurationen av draglinor. Draglinorna bildar som en ficka åt efterföljande drake. Möjligen skulle detta kunna hindra att drakarna faller ur sin plats och trasslar in sig. Det är en hypotes i alla fall.

Sedan började jag även fundera över om det inte är för restriktivt att bladets bredd i XY planet är konstant utmed bladet (bortsett från den insnävning precis vid navet som är för att minska på turbinens längd). Vanliga propellrar brukar förvisso ha konstant bredd, eller är rentav avsmalnande, men här kan man undra om detta beror på aerodynamik, eller det faktum att en styv konstruktion helt enkelt skulle knäckas om allt för mycket kraft genererades vid vingspetsen. Eftersom vi nu har draglinor som stödjer upp konstruktionen kan man fundera på om man kunde förbättra effekten genom att låta bladen bli större längre från navet. Här är en variant där de växer något utifrån navet:

Men det var även en annan sak som jag upptäckte. Man kan notera att formen för bladet i föregående bild är ganska olika jämfört med de drakar som jag faktiskt testat och som fungerar. Den avgörande skillnaden är att mina tidigare designer hade mer kraft riktad bort ifrån navet. För en drakturbin gäller nämligen att varje blad skapar två krafter, dels en kraft som expanderar bladet och håller det på plats, och sedan en kraft som drar bladet framåt. Om kraften framåt skulle bli för stor i förhållande till den expanderande kraften så skulle turbinen bara linda upp sig själv på navet.

Jag försökte fundera på om man kunde skapa mer expanderande kraft genom att ändra på spiralformeln. Istället för en arkimedes spiral tänkte jag mig en andra gradens kurva som planar ut kring turbinens yttre radie. På följande bild kan man se skillnaden.

Dock så insåg jag senare att man nog inte heller vill att spiralens topp helt sammanfaller med turbinens yttre radie, eftersom det då skapar krafter som går helt vinkelrätt mot navet och därmed är bortslösad energi. Vad man vill ha är nog istället att spiralen planar ut i en kurva som vid varje punkt är vinkelrät mot draglinorna som fästs i navets tangent, om det nu existerar en sådan kurva det vill säga. Jag försökte beskriva en sådan kurva rent matematiskt, men kom inte någon vart med det. Så till sist nöjde jag mig med en blandning mellan arkimedes spiral och min andragrandskurva, vilket antagligen på ett ungefär får samma effekt.

Men när jag böjt av kurvan kraftigare, så insåg jag att min metod att endast skapa snitt som ligger utmed turbinens radie inte verkar vara hållbar, då bladet blev helt platt längst ut! Så jag fick komma på ett sätt att rotera snitten ut med spiralens tangent, samtidigt som snittens form övergår ifrån runda till raka.

Nu började jag också förstå lite mer om hur drakens optimala formen antagligen ser ut. Nere vid navet är vinkeln ganska flack eftersom cirkelrörelsen där är liten, och längre ut blir vinkeln mer och mer brant för att bli som mest i drakens ”knä” där cirkelrörelsen är som störst. Men därefter blir den mer och mer flack igen eftersom ju mer bladet sammanfaller med turbinens yttre tangent, desto mer stilla står bladet i förhållande till luften. På följande bild kan man med lite god vilja se det något bredare ”knäet”:

Detta var också orsaken till varför jag svepte bladet lätt bakåt, genom att ha olika djuppositionering för expansionssnittet jämfört med rotationssnittet. Om jag bara hade justerat snittens bakkant till att ligga i samma plan hade det funnits en risk för att bladet plötsligt sticker ut framåt igen på slutet. Här är ytterligare en bild på den senaste versionen. Det är också samma blad som visas i artikelns allra första bild. Jag har dock inte plockat ihop den till en hel turbin.

Om man vill vara ännu mer säker på att få en stabil turbin så kan man förlänga den flacka bladtippen ännu mer.

Det är väl också djuppositioneringen som man skulle kunna fundera ännu djupare kring. Varje snitt i kurvan är en kompromiss, d.v.s interpolering, mellan ett snitt som skapar rotationskraft, och ett som skapar expansionskraft. Men kanske skulle man kunna blanda in snittens djupposition i den här ekvationen och på så vis en ännu mer optimal form. Får bli något att grubbla på, men det känns i alla fall som att nuvarande design ser ut att kunna fungera någorlunda effektivt såvida den är stabil.

Så nu återstår bara att hacka ner polygonerna till en plan yta, så att man kan få ut en mall som man kan använda när man ska klippa upp tyg. Jag prövade med ett ”unfold” verktyg som Tobias hittat på nätet, men det verkar efter lite mekande med den som att den inte riktigt håller måttet. Jag lyckades i alla fall inte veckla ut mitt blad med det verktyget. Sedan sparar man nog i slutändan en hel del tid genom att skriva ett eget program för det som eliminerar alla manuella steg genom att redan känna till drakturbinens speciella egenheter. Men det får bli nästa gång.

(Hade tänkt ta och lägga upp källkoden också, men jag hittade ingen smidig funktion i newsmill för ändamålet, så jag återkommer när jag hittat någonstans att ha min ruby-fil. )

2 svar to 'Digital drakturbin!'

Subscribe to comments with RSS eller TrackBack to 'Digital drakturbin!'.

  1. Reality said,

    En liten iaktagelse är du har profilen upp&ner på t.ex. 4de’ bilden,
    profilen skall liksom en flygplansvinge vara med konvexa sidan på lyftsidan (sidan som strävar snett mot vinden) mot vindrikningen i detta fallet..


    • Jag förstår, men jag misstänker lite att du uppfattat rotationsriktningen lite fel. Bladtippen är den som följer efter roten och inte tvärtom. Eller kan det vara det som är fel?


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: