Idémaskinen


Digital Drakturbin 2

Posted in Energiteknik av Robert Wensman på 22 juli 2010
Tags: ,

Detta är del av mitt projekt som går ut på att bygga en så kallad ”drakturbin”. Här följer jag upp mitt försök att designa en drakturbin med hjälp av programmering.

Generering av en drakturbin

Till att börja med skulle jag vilja gå igenom de metoder jag använder för att generera formen på en drakturbin. Jag inser att de förklaringar som jag gav i föregående uppdatering kanske lämnade en del att önska vad gäller en pedagisk förklaring av den bakomliggande matematiken. Så hur genererar man ett blad på en drakturbin? Det finns några saker att hålla reda på.

Dels så måste man ha någon form av kurva som bladet följer. Längs denna kurva kommer man att lägga ett antal vingprofiler, där utformningen av varje vingprofil i huvudsak påverkas av kurvans tangent, det vill säga i vilken utsträckning som just den vingprofilen ska bidra till en roterande kraft, eller en expanderande kraft. Alla vingprofiler genereras utifrån en vingprofilsprototyp som är definierad mellan 0 till 1 i både x- och y-led.

Det som gör detta lite klurigt är att den roterande kraften verkar ut med navets krökning, men till att börja med kan man faktiskt bortse ifrån detta. Enklast kan man egentligen tänka sig ett kordinatsystem där den roterande kraften riktas ut med X-axeln, och den expanderande kraften riktas ut med Y-axeln. Den vingprofils-form som man genererat i detta så kallat ”euklidiska”, det vill säga rätvinkliga rum överförs sedan till ett kordinatsystem som kröks av runt. Detta är vad som sker i mitt program. Detta gör att vingprofilerna kröker sig snyggt utmed navet där bladet och navet möts.

Den design som jag valde i föregående uppdatering skulle man kunna kalla för ”centripetal”, det vill säga ett sätt att generera bladet så att vingprofilerna rikas mer och mer i linje mot navet längre ut mot spetsen. I det euklidiska rummet ser dessa vingprofiler ut enligt följande:

Här kan man se hur snittet ser ut rent principiellt på olika platser utmed bladet.

En nackdel med en centripetal design är att vingprofilerna mot bladets topp potentiellt skulle kunna hindra luftflödet eftersom de inte alls har något att göra med bladets rotation. Speciellt kan vi betrakta den avhuggna bladspetsen som inte är aerodynamisk alls vad gäller rotationskraften.

Men förhoppningsvis gör detta det lite enklare att förstå hur själva genereringen går till.

Nya ideer

Men som alltid när man skapar något, så inser man snart att det kanske finnas andra till synes mycket bättre sätt att göra någonting på. Ett sådant sätt är vad jag tror är mera koaxiala snitt som ”dras ut” i höjdled. Min allra första design var mer koaxial, men den hade problemet att den blev platt närmare bladspetsen. När jag nu har en djupare insikt över hur man kan generera varje vingprofil i ett euklidiskt rum, innan man kröker dem runt navet, så verkar det finnas andra sätt att komma runt detta. Idén är att vinprofilen placeras tvärs igenom en rektangulär låda, och att man sedan roterar vingprofilen runt dess egen axel. Vid bladets början så är lådans höjd =0, för att sedan växa mot ett visst maxvärde i takt med att vingprofilerna mer och mer skapar en expanderande kraft. Följande figur visar detta:

På detta sätt får vi vingprofiler som följer luftflödet mycket bättre ut med hela bladlängden. Även om man kapade av bladet tvärt längst ut, skulle den sneda kanten ha rätt vinkel för att generera en extra påskjutande kraft. Mitt nästa projekt blir nog att skriva ett nytt program som genererar blad av den här typen.

Givetvis kommer jag då också göra något smartare med vingprofilernas Z-placering. Jag tror att jag kommer att använda följande princip. För att skapa en roterande rörelse hade det varit optimalt att låta vingprofilernas tippar följa en ”propellerform”, d.v.s. en lutning utmed rotationsriktningen som beror på radien. För att skapa en expanderande rörelse hade det varit optimalt att låta vingprofilernas tippar ligga i samma plan. På så vis är min idé att man interpolerar mellan dessa val beroende på i vilken mån som en viss vingprofil bidrar till en expanderande resp roterande kraft (beroende på spiralkurvans tangent just där).

Dessutom har jag blivit allt mer skeptisk till att använda arkimedes spiral. Till att börja med så skulle jag vilja ha en kurva med en tangent som går rakt ut ifrån navet där den ansluter till navet. Jag fick fuska till detta i mitt program. Dessutom så nämnde jag i föregående uppdatering om att jag vill att kurvan planar ut i en kurva som är vinkelrät mot draglinornas fästpunkter i navets tangent. Jag tror att man kan skapa en ganska hyfsad sådan kurva genom att för varje segment av bladet se till så att detta gäller. Det enda som blir svårare med en kurva som genereras steg för steg med en algoritm på detta sätt, blir att avgöra turbindiametern. Möjligen kommer alltså en sådan variant att sakna en direkt parameter för turbindiameter, men det kanske inte är hela världen ändå.

Men sedan så ska man vara medveten om att allt detta till stora delar utgör tillhöftningar och kvalificerade gissningar. Det är långt ifrån att på något sätt generera en ”optimal” drakturbin. För det skulle man även behöva en aerodynamisk och fysisk modell av konstruktionen. Men man måste börja någon stans. ”Fake it until you make it” är ett bra talesätt, i livet så väl som i ingenjörskonsten.

Programkod

”Information wants to be free”😉.

Jag har nu lagt upp koden till min generering. Man kan hitta den här. Jag övervägde ett tag att starta ett Google Code projekt, men eftersom det bara är en endaste fil i mitt program så var det lite för bökigt med all versionshantering som de verkar stödja etc.

Du kan lätt köra mitt program genom att först installera Google Sketchup. Placera sedan min fil i Plugins filen i Google Sketchups installationsdirectory. Starta om Google Sketchup och generera genom plugins menyn.

För att ändra på parametrar i genereringen så ändra och spara först kitebladeExpRot.rb. Gör sedan load ‘kitebladeExpRot.rb’ i rubykonsolen innan du kör plusginet.

Förbättrade mallar

Jag lade till funktionalitet i mitt program för att skapa allehanda mallar som behövs för att faktiskt bygga en viss drakturbin. Man kan zooma in valfri detalj och sedan skriva ut den. Programmet genererar per definition en över och undersida av bladet, samt vingprofiler och en ”bas” som man kan klistra runt navet för att se vart alla fästpunkter för draglinorna ska vara. Ett starkt tips är att skriva ut basen först och testa att den har rätt diameter innan man börjar konstruera själva bladet. Jag råkade få navets radie fel på någon millimeter och det resulterade i att ena draken blev någon centimeter för kort i förhållande till vad den egentligen skulle ha varit.

För att få måtten på draglinorna använder man Google Sketchups mätverktyg. Man kan ställa om enheterna till cm genom att gå in under ”Window” och sedan ”Model Info”.

Dock tog det lite klurande innan jag kom på hur man skulle skriva ut med Google Sketchup. Dels så måste man kryssa ur rutan ”use model extents” för annars får man ett väldans lapptäcke. Man måste också kryssa ur ”fit to paper” och istället sätta skala 1:1. Sedan upptäckte jag något som måste beskrivas som en ren bugg i Google Sketchup. När man skriver ut så måste man skriva ut varje enskilld sida i taget, för annars är det bara den första som blir rätt.

Konstruktion

Min ambition den här gången var att inte behöva sy någonting, så istället försökte jag lösa alla problem med en smältlimspistol. Jag klippte ut bladens form efter mallen på överdelen, och limmade helt enkelt ihop överlappande tyg. Observera att mallarna som genereras av programmet saknar ”sömsmån”, så det får man höfta till och lägga till själv.

Den här gången så byggde jag helt enkelt navet av en liten PET-flaska. Det enda pilliga var att få fast alla draglinorna. Jag skrev ut basen och limmade den runt navet med limstift för att se vart alla hål skulle vara. Sedan borrade jag upp små 1 millimeters hål för varje fästpunkt. Sedan knöt jag björntråden runt små 1 centimeter långa ståltrådsbitar, som jag sedan petade in i varje hål. När ståltråden ställde sig på tvären blev det ett sorts ankare. Det hela förseglades med lite smältlim.

Testflygning

Här är en film som visar min testflygning av konstruktionen. Som synes verkar den flyga ganska stabilt, trots att det bara är två blad.

Jag trodde att jag hade spelat in två filmer, men jag måste ha råkat tryckt av inspelningen på den som visar starten. Men man även på ovanstående film kan man se hur den startar igen självmant efter att ha stannat.

Även om denna flygning kan se lite vinglig ut så tycker jag att den var oerhört lyckad och sätter ett nytt rekord för vad en drakturbin klarar av:

1. Denna konstruktion är helt mjuk utan något som helst styvt skelett. Mitt tidigare experiment hade ganska styva drakar.

2. Bladens längd i förhållande till navets diameter är flera gånger större än vid tidigare test 8:1 – 9:1 jämfört med 1,2:1 närmare  bestämt vilket innebär en ökning av bladlängden på runt 800-900%.

3. Turbinen startar av sig självt trots att navet är mycket kort. Endast axelstaven verkar räcka för att förhindra trassel.

Man kan dessutom notera att ytterdiametern på turbinen går utanför fläkten, vilket antagligen betyder att resultatet skulle varit mycket bättre i en riktig vindtunnel.

På den negativa sidan kan vi dock notera en viss tendens till att komma i otakt med varandra så att hela turbinen börjar vibrera. Möjligen kan detta bli bättre om man har fler blad, men man kan också fundera på om man i slutändan kan behöva drag linor mellan bladspetsarna.  Följande bild visar två blad på samma sida om turbinen.

Man kan också notera att formen på bladen under flykt var långt ifrån den tänkta. På följande bild kan man se en tydlig utbuktning mellan draglinorna längst ner till höger. Man kan förvisso inte se draglinorna, men man kan jämföra med datorbilden för att se var de är någonstans.

Sedan finns det många saker som man kan förbättra:

1. Man kan ändra genereringen av bladet till en koaxial design (se beskrivning ovan under avsnittet ”Nya ideer”)
2. Man kan ha fler draglinor för bättre stabilitet eller ett halvstyvt skelett.
3. Man kan blad med riktiga vingprofiler och över och undersida. I testet använder jag bara översidorna.
4. Precisionen, som nämnt så är ena turbinbladet i testkörningen något för kort och har aningen fel form.

Nästa steg blir nog som sagt punkt 1 ovan. Innan man ger sig in på fin liret vad gäller konstruktionen är det bäst att se till att grundprincipen är den bästa. Att skapa en helt ny generering av bladen, bygga en ny prototyp och se om det ger någon uppenbar fördel blir alltså nästa steg. Kanske kommer det analkande höstrusket att bjuda på lite starka vindar som jag kan testa min turbin på utomhus, nu när min ”vindtunnel” i tvättstugan börjar bli för liten.

Svällande blad forts.

Jag är som sagt väldigt nyfiken på varför konventionella turbinblad blir smalare längst ut mot bladspetsarna där det egentligen borde finnas en mycket större svepyta. Jag spekulerade i föregående uppdatering om att detta hade att göra med bladens hållfasthet, och att en drakturbin i så fall kan ha blad som blir avsevärt mycket bredare längre ut. I alla fall den del av bladen som är avsedda att skapa rotationsriktning och det så kallade ”knäet”. Efter att ha tittat runt en del på turbiner som monteras i trummor så följer de denna modell vilket t.ex. följande bild visar.

Men det kan också vara så att det totala luftflödet genom turbinen minskar om man utnyttjar denna svepyta. Efter vad jag har förstått så är det lite knepigt att konstruera vindturbiner, eftersom turbinen inte får hindra luftflödet för mycket. Tydligen ska det vara optimalt om turbinen bromsar vinden med en tredjedel. När jag designar nästa drakturbin kanske jag testar med en ännu fetare bladyta längre ut för ett mer påtagligt vridmoment.

Ett svar to 'Digital Drakturbin 2'

Subscribe to comments with RSS eller TrackBack to 'Digital Drakturbin 2'.

  1. Josef Boberg said,

    Apropå det här med energi i luften.

    ”FIG. 1. BURNING THE NITROGEN OF THE ATMOSPHERE

    Note to Fig. 1.—This result is produced by the discharge of an electrical oscillator giving twelve million volts. The electrical pressure, alternating one hundred thousand times per second, excites the normally inert nitrogen, causing it to combine with the oxygen. The flame-like discharge shown in the photograph measures sixty-five feet across.

    FIG. 1. BRÄNNA ATMOSFÄRENS KVÄVE

    Not till Fig. 1. – Detta resultat är producerat med en elektrisk oscillator som ger tolv miljoner volt. På denna elektriska energi, som växlar hundra tusen gånger per sekund, reagerar normalt inert kväve, vilket gör att syret i luften brinner med kvävet. Eldslågorna vid denna förbränning visas på bilden – och är sextiofem fot (= ca 20 m) i diameter.” – slut citat härifrån.

    Det finns ju åtskilliga hundra miljoner personbilar, lastbilar, bussar osv i världen. Vad är det som säger att de ej ENKELT skulle gå att konvertera till kvävedrift – genom att byta ut tändstiften till en elektriska oscillatorer ?


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: