我们是第二年产品设计工程专业的学生。我们的挑战是设计和制造涡轮机，当放置在提供的风洞中时，涡轮机将产生最大的动力。该涡轮机的设计理念是向高中学生讲授各种不同数量的叶片在不同风速下如何影响涡轮机的效率，因此可拆卸的叶片和管道。但是，如果您的涡轮机是户外使用，那么简单的锥形管道将更有效。这可以使用薄片塑料和强力胶水快速生产。
*更新*经过一些激烈的竞争和轻微的爆炸后，我们的涡轮机排名第三，并为我们赢得了一些特易购最好的泡沫。我确保你的外圈完全没有裂缝，因为我们在最高速度旋转时会爆炸！
供应：
第1步：制作风管
将气流从风扇出口引导到涡轮机叶片的管道是重要的，因为它使通过涡轮机叶片的空气体积最大化并使气流统一。
这是最简单的生产部件，因为所需的材料是最基本的，它是唯一不使用电子设备制造的部件。
如果您的涡轮机不需要风管，请继续执行步骤6。
你会需要：
一块泡沫
很多很多报纸
保鲜膜
壁纸粘贴
美纹纸胶带
2张大型MDF（约300 x 400 mm）
白漆
漆
热胶枪
第2步：获取大块泡沫
这个泡沫块是为了形成一个模具，我们将在后来纸张周围创建一个空心壳。该块的尺寸为450x280x280 mm。我用热胶枪将6条75毫米厚的泡沫粘在一起，制作出这个长方体。
我们将要形成的形状非常复杂，我发现很难想象。因此，我发现打磨一个大的形状比试图用测量的条带建立完整的形状要容易得多，但更耗时。
在块的一端，标记中心并绘制一个140 mm半径的圆。在块的另一端，标出一个与块相同宽度的矩形，高165mm，再次确保它居中。
现在开始打磨。我使用了一个大金属文件，但是低砂砾砂纸可以解决这个问题。在打磨时，您需要记住，您的形状的中间带几乎保持不变。如图所示，这允许双方平滑地合并在一起。
在打磨矩形侧面的同时，它将是您移除的形状上方和下方的泡沫，而在圆形末端，将是块的宽度将被减小，并且任何角落都会变圆。
在最后阶段，使用高砂纸来平滑形状。
第3步：纸Mache
由于我们的模具是由多孔材料制成的，我们需要用保鲜膜覆盖它，以防止纸浆套管粘在上面。为此我用了大约半卷的保鲜膜。
我们需要创建尽可能光滑的表面，以确保管道内部产生最小的湍流。最简单的方法是用保鲜膜绕一圈，重叠边缘，然后切割薄膜并再次向上开始直到覆盖整个形状（包括顶部和底部表面）。当您尝试一次性覆盖形状时，此技术可防止出现在胶片中的涟漪。
现在为了有趣的一点。用4份热水和1份壁纸颗粒填充桶（按此顺序，否则它会像我发现的那样变得粗糙）。将其混合直至形成浓稠糊状物，然后将条状条带浸入糊状物中并将其放置在管道模具上。覆盖形状的两侧，确保直到顶部和底部边缘，但保持顶部和底部表面不被覆盖。尝试使第一层条带在同一方向上运行，然后在第二层上使它们垂直。重复8层。
第4步：移除风管
由于这种形状在一端较宽而在另一端较高，因此我们无法简单地将泡沫中心拉出。我们需要将纸浆切成两半，然后在移除泡沫后重新连接两半。锋利的工艺刀或手术刀将起作用。
一旦泡沫模具被移除，外壳就会变形。这使得难以粘合在一起。我们的方法很实验。我们使用了PVA胶水木质支撑，钉书钉和金属配重的组合。首先，用PVA胶覆盖一块大约100 x 150mm的MDF的一侧。重新对齐纸浆的两半，然后将MDF支架连接到切口上。沿切割的整个长度装订，然后夹紧或称重，直到PVA干燥。重复相反的一面。
第5步：最后的步骤
现在你有一个完整的风洞管道，但它仍然非常脆弱。为了使形状更加坚硬，在两个开口端周围有热胶木（或类似的）支撑。为了找到支撑环的尺寸，我在圆周上测量了一个卷尺并计算了直径。将纸板粘贴和/或夹在木头上以确保贴合。
接下来，在内部和外部涂上2层清漆。这不仅可以保护纸张免受潮湿影响并提高其刚性，还可以减少管道使用时的湍流。
最后：美学。我们决定将我们的管道涂成有光泽的白色以符合我们的主题。
第6步：刀片设计
我们可以使用Rapid Prototype机器（或“3D打印机”），因此这使我们有机会优化我们的刀片设计，以实现尽可能多的功率。
基于升力的风力涡轮机是迄今为止效率最高的类型，因此我们决定使用风力涡轮机中使用的机翼（机翼）形状，富有想象力地命名为FX-83-W-108。见http://worldofkrauss.com/foils/52
选择这种机翼是因为它具有68.785的良好提升/阻力比。这意味着对于它在阻力中产生的每一个力，它在升力中产生68.785倍的力。机翼也有很宽的攻角范围，从-5到+8度。基本上这只是在我们制作刀片时给我们一点误差。
优化叶片设计的第一步是计算风中的功率。由于我们的项目涉及风洞，我们的风速或多或少。公式是：
风力= 0.5 *（空气密度）*（面积）*（风速）^ 3
以瓦为单位提供功率 - 确保使用S.I单位（即米，千克，秒等）
- 20摄氏度海平面的空气密度约为1.204 kgm -3
- 该区域是指涡轮机占用的区域。对于我们的设计，这是我们管道末端的区域，即pi * 0.14 * 0.14 = 0.0616平方米。
- 风速是通过涡轮机占据的区域的空气速度。如您所见，风速的小幅增加会使功率大幅增加。
我们的风速约为每秒11米，面积为0.0616平方米，因此风力发电约为50瓦。
由于称为“Betz极限”的东西，涡轮机可以从风中提取的最大可能功率是该风力的59.3％。我不会在这里说明原因，但如果你真的感兴趣的话，你可以查阅一下……
所以现在我们的最大可能功率输出为50瓦的59.3％，这大约为29瓦。
这个数字假设涡轮机效率为100％，这是不可能的。如今，您在整个地方看到的大型白色涡轮机的效率大约为75-85％，令人印象深刻。我们不是那么好，所以50％的效率听起来很合理。这使我们的涡轮机的理论功率输出约为14瓦。
不幸的是，下一部分是更多的数学 - 但这是最后一点！
我们现在需要做的是确定需要多大的叶片来实现我们计算的功率输出。这也取决于我们希望涡轮旋转的速度。
我们选择的机翼效果最好，速度大约为每秒22-30米（50-70英里/小时），因此我们需要确保涡轮机能够快速旋转以实现这一目标。
为了在某一点计算出刀片的速度，我们使用：
U =ω* r
- U是刀片的速度
- ω是以弧度/秒为单位的转速
- r是以米为单位的半径。
我们选择了1500转/分的转速。要将其转换为每秒弧度，请乘以2 * pi，然后除以60;
（1500 * 2 * pi）/ 60 =每秒157弧度
叶片尖端的旋转中心半径为140mm（由于管道的尺寸），因此叶尖速度将为：
U =ω* r = 157 * 0.14 =每秒22米
因此，这是叶片在垂直于风的空气中移动的速度。为了找到刀尖在尖端所经历的总空速，我们使用毕达哥拉斯：
总速度=√（（U ^ 2）+ V ^ 2）
U是尖端速度，早先测量为每秒22米
V是风速，之前计算为每秒11米
因此我们在叶尖处获得了每秒24.6米的总空速，这恰好在我们的机翼的最佳速度范围的中间。
好的，接下来我们的刀片区域的大方程式：
叶片面积=功率/ 0.5 *ρ*√（U ^ 2 + V ^ 2）*（Cl UV-CdU ^ 2）
-Power是我们之前计算的风力涡轮机功率，14瓦
- ρ是空气密度，每立方米约为1.204千克
-V是以米/秒为单位的风速 - 在这种情况下为11米/秒
-U是叶片的尖端速度，单位为米/秒 - 在这种情况下为22米/秒
-Cl是我们的机翼的升力系数，可在数据表中找到。我们的机翼升力系数为1.138
-Cd是阻力系数，为0.01654
因此从这个等式中，我们得到了涡轮机速度和功率输出的最佳叶片面积为0.003536平方米。
我们决定有两个刀片（任何更多，它们将非常小而且易碎），因此这使我们每个刀片面积为0.001768平方米。使用2.5cm的刀片宽度使刀片长度约为7cm。
所以现在我们有理论功率输出，我们的涡轮转速，我们需要的叶片数量，以及叶片需要的尺寸。我们现在已经准备好做刀片的CAD模型了 - 首先是数学上的一点点…
我们需要解决的最后一件事是叶片在沿叶片半径的不同点处的角度。这有几个原因 - 首先，机翼在5度的“迎角”下效果最好。这意味着如果叶片向气流方向倾斜5度，则叶片效果最佳。第二个原因是叶片将沿着叶片的半径以不同的角度经历气流，因为叶片在其尖端处通过空气比在根部处更快地移动通过空气。
为了计算叶片需要从其行进方向转变为风的角度“α”，我们使用：
α= 95 - tan ^（ - 1）（U / V）
-U是特定半径处叶片的速度（U =ω* r）
-V是风速，在这种情况下总是11m / s
由于我们的刀片长7厘米，最大半径为14厘米，因此刀片的根部距离旋转中心7厘米。所以从根到尖，角度是：
半径（m）V（m / s）U（m / s）α（度）
0.07 11 10.99 50.0
0.08 11 12.56 46.2
0.09 11 14.13 42.9
0.10 11 15.70 40.0
0.11 11 17.27 37.5
0.12 11 18.84 35.3
0.13 11 20.41 33.3
0.14 11 21.98 31.6
好了，数学终于完成了，现在我们可以继续下一步 - 在CAD软件中对刀片进行建模。
您可以使用网站上的机翼坐标，将它们保存为.txt文件，然后将它们导入Solidworks以获得机翼形状。将坐标保存为.txt文件后，转到Solidworks中的xyz点插入>曲线>曲线，然后将机翼文件插入其中一个基本平面。然后选择此平面，单击机翼的草图，然后选择“转换实体”。然后可以使用“移动实体”工具栏将其缩放并旋转到某个角度。
然后，转到插入>参考几何体>插入平面，并插入7个平面，每个平面彼此相距10mm。依次选择每个平面，单击翼型，然后选择“转换实体”。这会将机翼投射到每个平面上。和以前一样，这可以缩放（我们使用2.5的比例，使刀片从前缘到后缘2.5厘米），你也可以将刀片旋转到之前计算的角度。
然后选择“放样的凸台/底座”，并选择所有成角度的机翼轮廓。这将为您提供刀片的主要部分！
现在剩下要做的就是制作一个“钥匙”，让刀片插入轮毂，并在末端插入一个插入外圈的零件。这些都可以通过在适当的平面上绘制草图，并使用“拉伸”工具使它们成为3D来完成。
刀片现在已准备好进行快速原型制作！
第7步：刀片铸造
刀片快速成型后，可以进行铸造以制作相同的副本。
首先，刀片必须经过平滑和抛光处理。大多数快速原型机只能以大约0.25毫米的精度进行打印，因此刀片会很粗糙。
首先，将叶片浸入甲基乙基酮（MEK）中。这将有助于消除一些不完美之处。然后，涂上薄薄的U-POL涂层或其他相容的填充物，以填充粗糙度，并修复任何锯齿状边缘。填料干燥后，非常小心地刮刀片。请记住，机翼部件的尺寸和平滑度对于其正常工作绝对至关重要。轻微的波纹或机翼形状的变化将极大地改变其空气动力学性能。
重复填充和打磨过程，直到刀片完全光滑，没有深度划痕。刀片现在可以涂底漆以显示任何进一步的缺陷，并重复打磨/填充，直到刀片光滑和有光泽。
刀片现在已准备好进行铸造。
要制作模具，您需要找到（或制作）一个小盒子，每个方向比刀片大约一厘米或两个。
沿刀片前缘一侧粘上一小块塑料。前缘是翼型截面的较厚侧。然后将这块塑料胶粘到盒子的底部。
然后按照瓶子上的说明混合一些硅成型液，并填满盒子。
当硅已经干燥时，盒子可以被分开，并且可以小心地从模具中取出刀片。
现在你可以混合树脂开始制作刀片的副本。比例通常为约1：1树脂至硬化剂。设置不需要很长时间，因此必须立即倒入模具中。确保滚动模具以确保树脂到达模具的每个部分。
大约15-20分钟后，您的第一个刀片应该准备好了。不要试图过早地移除刀片 - 看起来可能已经足够了，但是刀片仍然会很软，并且会稍微扭曲，破坏你喜欢锻炼的所有角度！
对任意数量的刀片重复此过程。我们做了10次，以确保我们有足够的余地。
然后它就像以前一样 - 填充和打磨。我们使用“绿色东西”造型填充物来消除模具中产生的小气泡和瑕疵，并使用优质砂纸进行抛光。然后可以用任何颜色喷涂刀片，只要它的光泽度，以减少与空气的摩擦。
刀片（终于！）完成了。
第8步：集线器
我们的轮毂设计为由Perspex进行CNC铣削。
第一步是绘制正确直径的圆。在我们的例子中，这是140毫米。然后在中间画一个小圆作为中心孔。
然后从刀片底部绘制相同的“关键”形状，并使用此形状创建圆形草图图案。我们只需要两个刀片，但是我们创建了8个相同的草图，以便根据需要使用不同的刀片进行修改。
接下来，挤出圆圈，并将键切入正确的深度以匹配刀片。在我们这是16毫米。确保中心孔完全通过。
然后找一个适当大小的Perspex用于CNC加工。它必须足够厚，以允许比槽的深度稍微多一点，所以任何约20-30mm厚的东西都是理想的。
一旦轮毂被加工，您将需要钻出中心孔并轻敲（螺纹）它。当从正面看时，我们的涡轮机将逆时针旋转，因此螺纹需要是左手螺纹，以确保它自己紧固到轴上，而不是拧松自己！孔和胎面的大小取决于您使用的轴的尺寸，但我们使用的是M10。
第9步：兜帽
整流罩很重要，因为它可以将气流平稳地引导到叶片上。
为了制作我们的整流罩，首先我们将160x160mm的MDF层叠在一起，以形成高度约250mm的叠层。 PVA胶最适合将它们粘在一起，但是你需要将它夹紧过夜干燥。
接下来，在木材车床上将MDF夹层车床加工成整流罩形状。底部的直径是至关重要的，所以经常使用卡尺以确保不会过多地拉扯。
一旦形状正确，就可以在车床上使用砂纸来消除整流罩中的任何粗糙度。
然后将一小块木材或MDF（约2-4厘米厚）添加到整流罩形状的底部。该块必须小于基部的总直径。这将为下一阶段提升整流罩 - 真空成型。
用滑石粉粉尘涂抹在MDF罩上。这将防止丙烯酸粘在真空成型中。您可以使用任何颜色的1-2mm厚的丙烯酸树脂进行真空成型，但我们使用了清洁，这样我们就可以看到涡轮机组装后的结构。
接下来，真空在MDF形状上形成丙烯酸。一旦冷却，使用手术刀或锋利的刀子仔细修剪底部。你应该留下一个漂亮，整洁的整流罩。
下一步是制作将丙烯酸罩连接到涡轮机的插入件。
首先，绘制一个与整流罩底部直径相同的圆（140mm）。在其中间绘制另一个圆，其直径与涡轮轴相同，在我们的情况下为10mm。当从2mm透明丙烯酸激光切割时，这将是基础。将M10螺母粘在该部件的中心，确保螺母上的孔位于丙烯酸树脂的孔中心。
然后，激光切割另一个较小直径（约40毫米）的圆，同样在中心有一个10毫米的孔。
将大圆圈拧到涡轮轴上，接着是M10螺母，小圆圈和另一个螺母。然后，您需要通过上下缠绕两个螺母来调整小圆的高度。您需要将两个圆圈放在正确的距离，以便当它放在轴顶部时，它们都会碰到整流罩内部。然后测量圆圈之间的距离，并将一块透明塑料管切成该长度，确保它足够大以适合大圆上的螺母。
现在在大圆的两侧钻四个非常小的孔，并在真空成型的整流罩上钻孔以匹配。然后可以用销钉和胶水将整流罩连接到圆圈上。
第10步：外环
外环围绕刀片。这是另一个重要的部分，因为它有助于阻止刀片弯曲，并且还减少了“尖端涡流”，这是阻力的主要来源。 （请注意，许多高性能飞机都有小翼以减少这种情况。）
环，如轮毂和刀片，可以在诸如Solidworks之类的CAD程序上建模。我们可以使用的数控机床太小，无法加工环，因此它是使用4mm透明丙烯酸的激光切割机生产的。
在CAD软件上绘制环，使插槽与刀片末端相匹配。使用圆形草图图案与集线器一样，以使所有插槽相同，并在正确的位置。然后可以使用激光切割机“打印”环的俯视图。
您也可以切割一些具有与以前相同的内外圆直径的环，但没有插槽，以制作封闭的环。
最后要做的是组装所有零件，以便在CAD软件上进行快速原型制作，CNC加工和激光切割，以确保在制作之前所有部件都适合在一起！
第11步：框架
这是将所有东西组合在一起的框架。
我们选择使用有机玻璃来保持其刚性，同时它的透明度使用户可以清楚地看到每个部件的连接方式。
为了创建这些零件，已经生成了一系列CAD图纸，进一步用于制造的CNC机床。
这些solidworks文件包含尺寸。
在加工材料之前，每个部件的基本形状应切割成长度，宽度和高度，为CNC机床做好准备。
完成后，是时候钻孔并拧紧孔以固定到框架上。
获得准确性的最佳方法是首先将整个框架夹在一起。
完成此操作后，您可以先从支柱上钻出8个孔到支撑件。
我实现这一目标的方法是在钻头上放置一个5毫米的钻头（孔的大小）。将钻孔与钻头对齐，将单元夹紧到柱钻上。然后，一旦钻孔完美对齐，将钻头更换为4毫米（小于1毫米，准备5毫米螺纹）并钻入材料20毫米。
对从基座到支柱的4个孔重复此过程。从8毫米开始，然后向下移动到7毫米的一块。
完成后，您可以开始穿孔。你需要一个m6和m8水龙头。
将支架放入虎钳中，用冷却剂喷射孔，然后用m6敲击。
使用m8水龙头重复支柱。
现在找到8个6毫米螺栓和4个8毫米螺栓，然后将它们固定在一起。
入围决赛
让它成为真正的挑战
