ساخت توربین بادی-جلسه نهم

 اهداف جلسه:
آشنایی با مفهوم باد ظاهری و آیرودینامیک پره ها
12- باد ظاهری(کاذب)
آزمایش قبل نحوه ی توزیع نیروها را در سطحی با وضعیت ساکن و با حرکت جانبی بسیار آرام نشان داد. اکنون یک آسیای بادی را با تعداد زیادی پره، به شکل همین سطوح زاویه دار و در حال چرخش تصور کنید. در این جا، دیگر فقط باد عادی(باد واقعی) در کار نیست، بلکه باد تولید شده توسط خود پره ها نیز هست. این دو با هم ترکیب می شوند و جهت تازه ای می گیرند. بادی که عملا در اطراف پره ها جریان دارد با زاویه ی بسیار تندتری از جلو می آید.
در کشتیرانی، باد ظاهری یا کاذب را در مورد این باد به کار می برند؛ ما هم آن را به همین نام می خوانیم. نمودار آن به این شکل است:
و چون کار انجام می دهد، سرعت آن به نصف کاهش می یابد( ). نیروی قائم، که با زاویه ی عمود بر پره ها اثر می گذارد، نیروی بالابر(برا) نیز نامیده می شود. این نیرو به دو نیروی جزئی R و T تقسیم می شود. می توانید ببینید که تمام نیروی بالابر پره به چرخیدن آن کمک نمی کند و نیروی مقاوم پره تا حد زیادی به وسیله ی جریان پیش آینده با زاویه ی تند، کاهش می یابد. این دقیقا همان هدف سازنده ی آسیای بادی است: نیروی مقاوم کم با نیروی بالابر زیاد.
هنوز هم در بعضی جاها، مانند گذشته، آسیاهای بادی را با یک حلقه ی کامل از پره های تخت شبیه به این می سازند. یک نمونه ی کلاسیک(سنتی) آن آسیای بادی سبک آمریکایی است که بیش تر برای تلمبه کردن آب استفاده می شود.
آسیاهای بادی در جزیره ی اسپانیایی مایورکا قرن هاست که آب را به مزرعه ها تلمبه می کنند. آن ها به کندی و صبورانه می چرخند، اما آسان ساخته می شوند و نیروی بسیار زیادی تولید می کنند. متأسفانه، این آسیاها از باد استفاده ی بهینه نمی کنند زیرا پره های تخت آن ها بیش از اندازه تلاطم(آشفتگی) ایجاد می کنند.
                                                                                   آسیای بادی سبک آمریکایی
12-1- تلاطم انرژی را هدر می دهد
زیرا نیروی مقاوم تولید می کند. آسیاهای بادی مولد الکتریسیته باید، بدون اتلاف زیاد ناشی از تلاطم، با سرعت و قدرت بچرخد. لازم است ژنراتور آن ها با دور در دقیقه ی بسیار بالا کار کند. برای این منظور، بهترین جیز پره هایی با شکل آیرودینامیک است که مقدار زیادی نیروی بالابر تولید می کنند.
12-2- تلاطم و نیروی مقاوم
منظور از طراحی آیرودینامیک داشتن چیست؟ منظور این است که در شکل یک جسم به گونه ای باشد که در برابر باد، کمترین نیروی مقاوم را ایجاد کند. سطوح مدور و مخروطی شکل نسبت به سطوح دارای لبه های تیز، تلاطم کم تری به وجود می آورند. یک آزمایش این را نشان می دهد.
12-3- آزمایش 6: مقایسه ی شکل های نیروی مقاوم
وسایل لازم: چهار عدد میل بلند، چهار عدد چهارچوب کوچک، دو عدد چهارچوب بزرگ، یک محور بلند، دو قطعه مقوای نازک به شکل و اندازه ی کارت پستال، نوار چسب، سشوار
یک قطعه مقوا را بردارید و آن را از درازا محکم دور یک میل بلند تا بزنید، به طوری که یک لوله ی چهار گوش ایجاد شود. دقت کنید که لوله گوشه های تیزی داشته باشد. قسمت اضافی را ببرید و لبه ی آن را بچسبانید. اکنون یک میل بلند دیگر را به اولی وصل کنید.
قطعه مقوای دوم را به شکل گلابی یا قطره ی اشک تا بزنید و دو سر مقوا را بچسبانید تا یک لوله با لبه ی حمله ی منحنی درست شود. مراقب باشید آن را خط نیندازید. تصویرها را با دقت نگاه کنید.
سازه را مطابق شکل سوار کنید و دو بال آزمایشی را کار بگذارید. هوا را از فاصله ی 30 سانتیمتری به طور مستقیم به جلوی هر بال بدمید. سشوار را به طور متناوب بین آن دو عقب و جلو ببرید و با دقت مشاهده کنید که چه طور تکام می خورند. بال چهار گوش آشکارا به عقب رانده می شود، هر چند که مساحت سطح مقطع آن نسبت به باد، مشابه بال قطره اشکی است و باد روی سطح کاملا وسیع تری جریان می یابد. میان همه ی شکل ها، شکل قطره اشکی آیرودینامیک کمترین مقاومت را در برابر باد دارد. خطوط جریان هوای اطراف شی از فاصله ی بسیار نزدیک به سطح آن می گذرد. در مورد شکل چهار گوش، ذرات هوا در تلاطم دچار افت سرعت می شوند.
جریان(شارش) ذرات هوا در اطراف جسم دارای مقاومت، با خطوط جریان نمایش داده شده است. برای آن که بیشترین انرژی ممکن از باد استخراج شود، یک شکل قطره اشکی کشیده همیشه بهتر از صفحه ی تخت گوشه دار است.
12-4- خطوط جریان
                                                                         مقاومت کم در بال قطره اشکی شکل
  12-5- آزمایش 7: بال میانه به شکل قطره ی اشک
نخست، باد را به دماغه ی بالی به شکل قطره ی اشک بدمید. نیروی مقاوم باعث عقب رفتن آن می شود.
اکنون سشوار را آرام به طرف چپ یا راست حرکت بدهید، طوری که جریان هوا با زاویه به جلوی بال برخورد کند. چه اتفاقی می افتد؟ میله ی حامل بال فقط به وضعیت ساکن خود برنمی گردد، بلکه کمی هم به جلو می آید.
این همان اصلی است که هر چه قدر نیروی مقاوم کم تر شود، نیروی بالابر بیشتر می شود! آنچه در این جا می بینید هنگام چرخش آسیای بادی نیز رخ می دهد. شما جهت جریان باد ظاهری را مدل سازی کرده اید.
اما شکل بالی که پرندگان و هواپیماها برای پرواز دارند، از این هم بهتر عمل می کند. ما هم در این جا یکی از این بال ها را درست می کنیم:
 12-6- بال آیرودینامیک بالارو
احتیاط: مقوا را کمی به سمت پایین خم کنید! وقتی آن را رها کنید، بال اشکی شکلی خواهید داشت که زیر آن تخت است: بالی که نیروی بالابر را تأمین می کند.
اکنون بیایید بالاروندگی بال آیرودینامیکی مان را آزمایش کنیم.
شکل بال باید این طور باشد.
 12-7- آزمایش 8: آزمودن بال آیرودینامیک
وسایل لازم: قطعه هایی که در تصویر نشان داده شده است، سشوار، نخ بافتنی(کاموا)، چسب کاغذی
نخست مطابق شکل های 1 و 2، یک سازه ی جدید برای این آزمایش بسازید.
سپس سشوار را طوری مستقر کنید که دو دستتان آزاد باشد. می توانید دسته ی آن را با مقداری پارچه درون یک لیوان بزرگ یا ظرف دیگری قرار دهید. انتهای بیرونی میل های بلند، هنگامی که در وضعیت افقی آغاز آزمایش قرار دارند، می بایست با جریان هوای سشوار هم ارتفاع باشد. بگذارید نخ کمی شل بشود و دو سر آن را، به کمک دو عدد توپی محوری، محکم به میل ها ببندید. نوک میل ها را کمی بالا ببرید تا جریان هوا به اندکی پایین تر از لبه ی حمله ی بال بخورد. سشوار را روشن کنید، بال بلند می شود. این همان کاری است که نیروی بالابر انجام می دهد. با نگاه کردن به ریسمان معلق جلویی می توانید ببینید که نیروهای مقاوم و بالابر چطور توزیع می شوند. نیروی مقاوم آن را به عقب می کشاند، در حالی که نیروی بالابر آن را بالا می کشد. زاویه ی بال را چند بار تغییر دهید و ببینید چه تفاوت هایی ایجاد می شود.
                                                        بال آیرودینامیک را به این صورت آزمایش می کنیم
12-8- مکش و تراکم(فشردگی)
- نیروی بالابر در بال آیرودینامیک
                                                                          بال آیرودینامیک با زاویه ی حمله
12-9- آزمایش 9: خط جریان در بال آیرودینامیک
در بال آیرودینامیک طراحی شده برای بالا رفتن چه اتفاقی می افتد؟
وسایل لازم: سازه ی آزمایش قبلی، یک تکه نخ نازک، چسب همه کاره
یک تکه نخ نازک را با یک قطره ی کوچک چسب به دماغه ی بال آیرودینامیک بچسبانید، به طوری که دو سر آن از رو و زیر به لبه ی تیز بال برسد. سشوار را روشن کنید و ببینید چه اتفاقی می افتد: نخ محکم به بال می چسبد و فقط در قسمت عقب، کمی موج می زند.
 12-10- آزمایش 10: خط جریان روی یک صفحه ی تخت
وسایل لازم: یک قطعه مقوا یا کاغذ ضخیم طراحی به اندازه ی یک کارت پستال
مقوا را از وسط تا کنید و لبه ی تا را خط بیندازید، سطوح داخلی را چسب بزنید، دو ریسمان معلق را از لای مقوا بگذرانید و دو سطح مقوا را به هم بچسبانید تا یک صفحه ی تخت درست شود.
بال آیرودینامیک را از سازه درآورید و ریسمان را دوباره شل ببندید. دقت کنید که همه جای ریسمان کمی آویزان باشد. مانند آزمایش قبل، یک تکه نخ به لبه ی جلویی بچسبانید میل ها را طوری تنظیم کنید که باد با زاویه به جلو و زیر صفحه ی تخت بخورد. باد را بدمید و تماشا کنید: فقط صفحه ی تخت نیست که در باد بالا و پایین می رود. نخ هم به طور ناموزون موج می زند و کنار می رود. روی سطح بالایی صفحه به حالت صاف و کشیده درنمی آید. در سطح پایینی، حالت نخ کمی صاف تر است، اما باز هم به علت وجود یک لایه ی نازک تلاطم، از سطح مقوا فاصله دارد.
بنابراین، در صفحه ی تخت، تلاطم مسئول آم چیزی است که اتفاق می افتد.
بیایید نگاه دقیق تری به شکل بال آیرودینامیک بیندازیم: شبیه یک قطره اشک است، جریان هوا تلاطم کمی دارد و بسیار نزدیک به سطح بال است. جریان هوایی که با زاویه از قسمت پایین جلوی صفحه می آید، به سطح پایینی می خورد و فشار تولید می کند. ذرات هوا روی سطح بالایی، به علت شکل طاقی آن، باید مسافت بیشتری را پوشش بدهند تا از ذرات هوای سطح پایینی و بقیه ی قسمت ها عقب نمانند. تنها در صورتی می توانند این کار را بکنند که شتاب بگیرند. جریان سریع تر در سطح بالایی، یک منطقه ی کم فشار به وجود می آورد.
علاوه بر آن، یک مکش رو به بالا در بال ایجاد می کند. بدین ترتیب، بال در سطح پایینی فشار و از بالا مکش دریافت می کند، و این باعث بالا رفتن آن می شود. در نیمه ی عقب سطح بالایی، جریان هوا به علت سرعت بالایی که دارد، خود را عقب می کشد و متلاطم می شود(در تصویر به وسیله ی نخ موج دار نشان داده شده است). هر چه سرعت باد بیش تر و شیب بال تندتر باشد، نخ از سطح بال زودتر جدا می شود. در شرایط مطلوب، نقطه ی جدایی می بایست تا حد ممکن از عقب بال دور باشد.
                                                          پره های روتور بال هایی دوار و پیچش دار هستند.
12-11- پره های یک آسیای بادی امروزی
پره ی آسیای بادی یک بال آیرودینامیک دوار است. چون این پره، نسبت به بال قطره اشکی تخت آزمایش 7، نیروی بالابر بیش تری تولید می کند، توان تولیدی آن هم بیش تر است. تفاوت اصلی میان آن و بال هواپیمای معمولی در نحوه ی نصب آن است: به این معنی که پره های آن به سمت داخل پیچ خورده است. علت چیست؟
وقتی که پره می چرخد، لبه ی داخلی آن دایره ی کوچک تری را نسبت به نوک آن طی می کند. بنابراین، سرعت لبه ی داخلی پره، در حین چرخش، کم تر از سرعت نوک پره است. برای آن که تلاطم، در سرتاسر درازای پره، تا حد ممکن کم شود زاویه ی پره از درون به بیرون کاهش داده می شود. این موجب پیچش در پره می شود. همه ی پروانه ها پره های پیچ خورده دارند. در ضمن، یک آسیای بادی می تواند حداکثر 60٪ از انرژی باد را جذب کند، در حالی که بقیه ی انرژی(دست کم 40٪) باید در باد بماند تا باد از پره رد شود و دوباره جریان پیدا کند. به همین علت است که باید میان پره ها فضای کافی وجود داشته باشد.
12-12- ضریب نیروهای بالابر و مقاوم
پهن یا باریک، سرعت پایین یا سرعت بالا؟ همه ی بال ها ویژگی های یکسان ندارند. بال های با خط طراز به شدت قوسی نیروی بالابر بسیار زیادی دارند اما نیروی مقاومشان هم بسیار زیاد است و جریان هوا به کندی از بالای آن ها می گذرد. آن هایی که باریک اند و قوس خفیفی دارند نیروی بالابر کم تری تولید می کنند اما مقاومتشان هم کم تر است. آن ها مقدار کم تر نیروی بالابر را با سرعت بیش تر جبران می کنند. بال های پهن به زاویه ی پره ی بزرگ تر و بال های باریک یه زاویه ی کوچک تر نیاز دارند. جت های جنگنده ی تندرو اغلب بال های بسیار تیزی دارند، در حالی که هواپیماهای باری، که مجبورند محموله های بزرگ را در هوا جا به جا کنند، بال هایی شبیه به گوژپشت ها دارند.
 12-13- زاویه ی پره
زاویه ی پره را به وسیله ی چرخاندن پایه ی میل روی توپی تنظیم کنید. بریده ی شابلون های زاویه کمکتان می کند.
شکل هر بال یا پروانه توسط یک نسبت بالابری ویژه، یا به اصطلاح ضریب بالابر(یا ضریب برا)(CL) تعیین می شود. یک ضریب کشش(یا ضریب پسا)(Cd) نیز در این تعیین دخیل است. ضریب های شکل های مختلف بال در تونل های باد ویژه ای تعیین می شود. ضریب کشش بدنه ی اتومبیل های مختلف و سایر وسایل نقلیه نیز به همین صورت تعیین می شود.
پره های روتور شما قوس خفیفی دارند و برای یک مدل سرعت پایین در نظر گرفته شده است. اما سرعت پایین چیست و سرعت بالا چیست؟
                                                                                       هواپیمای مدل در تونل باد
  12-14- سرعت چرخش(دوران) را چه چیزی تعیین می کند؟
سرعت چرخش نشانگر تعداد چرخش یا دور در هر ثانیه یا دقیقه است. عوامل زیر سرعت چرخش را تعیین می کنند:
                                                                                         سرعت باد
                                                                                  اندازه ی آسیای بادی
                                                                                       تعداد پره ها
                                                                                        شکل پره ها
                                                                                       توان مورد نیاز
ما برای آزمایش هایمان باید بتوانیم سرعت باد را تعیین کنیم. برای این کار یک بادسنج روی دستگاه سوار می کنیم.
12-15- آزمایش 11
وسایل لازم: مقیاس اندازه گیری سرعت باد(بریده شده از کاغذی که در اختیار شما قرار می گیرد)، ریسمان به طول 40 سانتیمتر، خار اتصال
بادسنج را از کاغذ جدا کنید. ریسمان را از سوراخ بادسنج رد کنید و از میان خار اتصال هم بگذرانید. دو سر ریسمان را گره بزنید تا خار اتصال در 3 سانتیمتری لبه ی پایینی بال آویزان بماند. گره را درون خار پنهان کنید و آن را نقطه ی اتکای ریسمان قرار بدهید.
 تکلیف:
1-نیروی بالابر در چه جهتی بر پره های روتور اثر می گذارد؟
2-هدف اصلی مهندسان از تعیین شکل پره ی روتور چیست؟
3-چه چیزی باعث بالا رفتن پره های آسیای بادی با طراحی آیرودینامیک می شود؟
منبع مطالعه:
کتاب چگونه از نیروی باد استفاده کنیم؟ مترجم: محمود سالک.
تنظیم کننده:محبوبه همت

 مطالب مرتبط:
ساخت توربین بادی-جلسه اول
ساخت توربین بادی-جلسه دوم
ساخت توربین بادی-جلسه سوم
ساخت توربین بادی-جلسه چهارم
ساخت توربین بادی-جلسه پنجم
ساخت توربین بادی-جلسه ششم
ساخت توربین بادی-جلسه هفتم
ساخت توربین بادی-جلسه هشتم
ساخت توربین بادی-جلسه نهم
ساخت توربین بادی-جلسه دهم
ساخت توربین بادی-جلسه یازدهم
ساخت توربین بادی-جلسه دوازدهم