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2005年10月30日 (日)

クラークY翼形のジャイロミル型風車

牛山・三野著「小型風車ハンドブック」(パワー社)によると、揚力は風速とブレード(羽根)の面積に比例するとありました。そこで一方の面が水平である「Clark Y」翼形で、さらにブレード面積を増やした羽根を、また何日もかけて削りだし作りました。
結果は起動はある角度ででき、最大揚力の回転数に上がる時間も短くなりました。

051029gyromil 左の写真をクリックして拡大してご覧ください。【図1】が風車部です。一枚はずして断面が見えるように立てかけてあります。【図2】の上がブレード断面の主要寸法です。下が材料の木材です。木材は50×600×10mmの「アガチス板」(252円)を2枚買い切断して長さ300mmを4枚としました。よく考えるとClark Yは薄い板で良かったのですね。プロペラのひねりのように苦労して厚い木材を削るのに比べれば製作も簡単で材料も安いです。まず、冒頭の書籍に書いてある座標(翼弦長の%になっている)を50mmの翼弦長寸法でエクセルで計算しグラフ化します。書籍通りだと端が厚さ0mmなので薄くて割れてしまいます。空気の流れが剥がれないのがポイントだからと考え、丸い翼形の上面は全体を+2mm加算して平行移動した寸法にしました。このグラフを目分量で実寸法になるよう印刷します。上の断面用を4枚印刷し、下の断面用も逆方向を計算してグラフ化し4枚印刷します。これを切り抜き上下の断面に貼ります。これを目安に削ります。断面部が若干大きめの穴になる紙形も作り、この穴をスムーズにブレードが抜けるようになるまで慎重にカンナで削っていきます。カンナは息子の昔の学校教材のものがあったので、これを刃を上に向けて寝かせ、鰹節を削るようにして削りました。完成したブレードの下面がCD媒体の円周の接線方向と水平になるように2枚の媒体にL型金具で取り付けます。

【図3】が発電実験です。前回と同じ扇風機を「強(平均風速約4.5m/s)」にして25cm離し、扇風機の右半分の風を当てるとネオジウム磁石とフェライトコアの間のギャップを約4~5mmにしたコイル発電で無負荷で4.6Vppのパルスが得られました。倍電圧整流すると直流で4.1Vとなりました。パルス周期は最大85msで毎秒11.8回転となります。ブレードの最外周の速度(周速)は4.8m/sとなり、風速より若干早くなりました。負荷は青色と緑色のLEDを光らせることができます。
さらに扇風機を「弱(平均風速約2.5m/s)」でも条件がよければボンヤリと青色LEDを光らせることができました。
自然の風でも実験しましたが、天気予報で風速3m/sとあっても、自然風は扇風機と異なり強弱が絶え間なく変化し全体的に弱いので、残念ながらLEDは全く点灯できませんでした。

起動はフェライトコアのコイル直下にネオジウム磁石がある風車の位置からの起動はできず、その他の位置では、「ある位置(風との角度)」からのみ起動できることがわかりました。その理由をへこみのある翼形も含めて次回、素人なり考えてみようと思ってます。

この実験装置の寸法では、ブレードの大型化は長さ300mmが限界なので、ここまでとしました。

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2005年10月23日 (日)

へこみのある翼形のジャイロミル型風車

インターネットで調べたら羽根(ブレード)の翼形にへこみを入れるとジャイロミル型風車の起動特性が良くなるような記事がありました。へこみがあると飛行機のフラップのように低速時の揚力が増したり、起動時の抗力でも増すのかな?と勝手に予想しました。そして、ブレードの翼形をへこみのあるものに、また何日もかけて苦労して削りだし実験しました。
結果は起動特性どころか、揚力効果も弱く、へこみのない翼形よりもはるかに性能が落ちてしまいました。苦労した上、大失敗です。しかし、まぁ、そういう事実が分かったことが成果だと自分を慰めています。

051023kangyromil  左の写真をクリックして拡大してご覧ください。【図1】が風車部です。一枚はずして断面が見えるように立てかけてあります。垂直のブレード(羽根)は【図3(1)】のように前回の羽根をもとにさらに削りました。下の面のへこみ(カンバーと言うらしい)は、ドイトへ行き、「大五郎まめ鉋外丸18mm(1,660円)」を思い切って買い、そのカンナを使って削りました。翼形は「FX 72-MS-150B」とかいう形で牛山・三野著「小型風車ハンドブック」という本に座標が出ていたのでエクセルでグラフにして目分量で印刷して上下の断面に貼り、さらに型紙を作ってそれにあわせて慎重に削りました。垂直ブレード(羽根)の取り付けは下面を円周の接線方向と水平にして風車にしました。角度を少しでも持たせると揚力はでません。【図3(2)】は参考で前回の「Clark Y」という翼形です。

【図2】は揚力か出たあとでの発電実験です。前回と同じ扇風機を「強」にして25cm離し、扇風機の右半分の風を当てるとネオジウム磁石とフェライトコアの間のギャップを3~4mmにしたコイル発電で無負荷で4.5Vppのパルスが得られました。倍電圧整流すると直流で3.9Vとなり青色LEDを点灯できました。写真の真ん中あたりで青色と緑色のLEDが光っています。点灯時は直流電圧が2.6Vに下がります。但し、このときのパルス周期は110msで毎秒9.1回転となり性能が落ちます。電圧が高いのは磁石とのギャップが若干狭いからです。

肝心の目的の効果は、予想と逆で、起動トルクはさらに悪く、フェライトコアのコイル直下にネオジウム磁石がある位置からの起動はおろか、その他の位置からもヨタヨタと動き出すこともあますが、全く回転が上がりません。手動で相当な速さまで回転を上げて、やっと「揚力効果」が出て上記の発電特性が出る始末です。

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2005年10月13日 (木)

ジャイロミル型風車の揚力効果を確認

ジャイロミル型の揚力効果をやっと確認できました。前回失敗したので垂直型のブレード(羽根)の面積が少ないのかもしれないと思いました。苦労して大きなブレードを何日もかけて削り出し、半信半疑で風をあてたところ、最初はゆっくり回りだし、だんだんスピードが上がる揚力特有の特性が確認できました。この瞬間は嬉しかったです。でも最大の回転でもサボニウスより遅いです。本には先端速度は風速より早くなると書いてありますが、計算してみましたが最高速時でも風速よりは遅かったです。重さが重いのか、形状が悪いのかわかりません。

051013Biggyromil 左の写真をクリックして拡大してご覧ください。【図1】が風車部です。一枚はずして断面が見えるように立てかけてあります。垂直のブレード(羽根)は【図4】のように断面が45mm×21mmで高さ225mmのヒバ材(長さ910mmで394円)を買い、断面の対角線をノコギリで切り出し、下の水平面にします。ヒバ材にしたのはバルサ材だと柔らかすぎて固定のための穴がすぐに壊れるためです。作り方が下手なので平面は傷だらけです。反対側の面はプロペラ型のClark Y型の2倍厚の翼型にカンナで丸みを削り出しました。牛山・三野著「小型風車ハンドブック」という図書館から借りた本にClark Y型の座標が出ていたのでエクセルでグラフにして目分量で印刷し厚紙で型を作りました。2倍厚にしたのはプロペラ型のブレードを作ったとき軸に近い根本は厚かったので、低速で揚力でも出るのかな? と勝手に推定して厚くしました。同じものを4枚作り、前回と同じく【図3】のように上下を2枚のCD-ROM媒体に穴をあけL型金具(ミニステー)と2mmのネジで取り付けました。垂直ブレード(羽根)の翼形の下の平面を円周の接線方向と水平にしました。

【図2】は発電実験です。扇風機を「強」にして25cm離し、扇風機の右半分の風を当てるとネオジウム磁石とフェライトコアの間のギャップを3~4mmにしたコイル発電で無負荷で4.1Vppのパルスが得られました。倍電圧整流すると直流で3.5Vとなり青色LEDを点灯できました。写真の真ん中あたりで青色と緑色のLEDが光っています。点灯時は直流電圧が2.6Vに下がります。このときのパルス周期は105msで毎秒9.5回転となりました。

但し、起動トルクは大変弱いです。もちろんフェライトコアのコイル直下にネオジウム磁石がある位置からの起動は扇風機「強」にしてもビクとも動きません。その他の位置からでも最初はヨタヨタと動き出します。試しに自然風にも当てましたがゆっくり廻り発電は無理でした。扇風機は理想的な連続風だと痛感してます。今回は、「揚力効果」があることを確認しただけでもよしとしました。もっと翼の厚さを薄くするとどうなるか知りたいのですが、勘では、もっと起動トルクが弱くなり、回転も、重さで上がらない気がして材料は買ったけど作ろうかどうか迷ってます。

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