Учёба. Образование

 Техническое творчество

 Издательство ЦК ВЛКСМ «Молодая Гвардия» 1955 г.

Физико-технический кружок должен заниматься постройкой не только моделей, но и настоящих машин и установок, которые могут быть использованы в школе, пионерском лагере, подшефном колхозе и т. д.

Одной из таких работ является постройка роторного ветродвигателя для зарядки аккумуляторов и питания радиоприемника или радиоузла небольшой мощности.

Рекомендуемая система так называемого роторного ветродвигателя отличается от других типов маломощных ветродвигателей простотой устройства, возможностью вращаться даже при самом слабом ветре, сравнительно высоким коэффициентом использования ветра, малым числом деталей.

Роторный ветродвигатель (рис. 25) представляет собой два полуцилиндра, обращенных вогнутыми сторонами друг к другу и укрепленных на вертикальном валу между деревянными шайбами (дисками). Полуцилиндры сдвинуты по отношению друг к другу на расстояние, приблизительно равное их радиусу, так что между их вогнутыми поверхностями может свободно проходить ветер, набегающий на ротор.

Вертикальный вал вращается в подшипниках, закрепленных на прямоугольной деревянной раме, являющейся частью конусообразной башни — основания, сбитого из толстых деревянных брусков. В верхней части башни укреплена площадка, на которой смонтирована система шкивов и шестеренок для передачи движения от ветродвигателя к генератору.

Ротор состоит из двух деревянных дисков и закрепленных между ними двух полуцилиндров, являющихся лопастями ветродвигателя.

Для изготовления дисков на листе фанеры толщиной 12—15 мм (если такой фанеры нет, ее можно оклеить из нескольких слоев) большим циркулем вычерчивают две окружности диаметром 360 мм. По этим окружностям выпиливают диски ротора. На одной стороне каждого из дисков циркулем, согласно рисунку 25, вычерчиваются полуокружности радиусом 100 мм. Линия полученных полуокружностей указывает .место прикрепления деревянных полукружков — оснований для прикрепления лопастей ротора.

Из сосновых или еловых досок толщиной не менее 20 мм вырезают два полукруга радиусом 100 мм и с помощью клея и гвоздей укрепляют по линиям размеченных полуокружностей. Вместо сплошных деревянных полукружков по линии вычерченных полуокружностей могут быть набиты деревянные накладки, толщину которых желательно взять 30—40 мм.

После того как изготовление дисков закончено, их необходимо надеть на вал ветродвигателя. В качестве вала можно использовать отрезок водопроводной трубы длиной в 1 400 мм и. диаметром 25—30 мм. Для более прочной установки дисков в местах их крепления на валу применяют втулки, имеющие фланцы с отверстиями под болты и удерживающиеся от провертывания на валу при помощи сквозных шпонок. Надетые на вал диски привертываются болтами к фланцам втулок. Верхний диск надевается на вал так, чтобы деревянные кружки для лопастей были внизу, а нижний — так, чтобы полукружки были вверху. Расстояние между надетыми дисками равно 800 мм. Между дисками по краям полукружков устанавливаются деревянные стойки. На стойки по вертикали и на внешние кромки полукружков при помощи клея и гвоздей прикрепляют обшивку полуцилиндров. Обшивка полуцилиндров может быть выполнена из 3-миллиметровой фанеры или из листового железа толщиной от 0,6 до 1 мм.

Смонтированный ротор необходимо отбалансировать. Для этого ротор концами вала кладется в горизонтальном положении на две опоры. Если полуцилиндры ротора расположены симметрично, то при вращении «го вокруг горизонтальной оси ротор будет сохранять то положение, в котором мы его оставим. Если же сим1мётрии нет, ротор будет возвращаться в первоначальное положение.

Проверяя правильность расположения полуцилиндров, добиваемся, чтобы при каждом поворачивании ротора около его горизонтальной оси он находился в равновесии, то есть был бы отбалансирован.

После проверки ротора его необходимо установить в подшипники, которые закреплены на верхней перекладине прямоугольной рамы и в центре двух площадок башни согласно рисунку.

Устройство подшипников понятно из рисунка. Они состоят из деревянных брусков, посредине которых привинчены сверху и снизу железные пластинки. Верхняя пластинка имеет отверстие, равное диаметру вала. Нижняя пластинка отверстия не имеет, на нее опирается нижний конец вала ротора. Устанавливают подшипник на вторую сверху площадку башни.

Если есть возможность, то можно поставить шариковые подшипники; это значительно улучшит качество работы двигателя.

Для обеспечения нормальной работы ветродвигателя его необходимо устанавливать на высокой мачте. В основном высота башни двигателя зависит от рельефа местности. Лучше всего ветродвигатель поставить на холме или на открытом месте. В отдельных случаях ветродвигатель можно установить на крыше здания и смонтировать там передаточный механизм и генератор. Минимальная высота башни 3,5—4 м.

Одна из конструкций башни дана на рисунке 25. Установка изготовляется из сухих ровных бревен или брусков диаметром 100—150 мм. Крепления основных узлов и раскосов башни должны быть сделаны очень прочно. Лучше всего для крепления применять железные болты с ганками, это предохранит башню от разрушения при сильном ветре.

Поблизости от установленного ветродвигателя должно находиться небольшое подсобное помещение, хотя бы временного типа, для размещения там необходимой аппаратуры (аккумуляторов и т. д.).

Передача от ветродвигателя к генератору может быть осуществлена различными способами в зависимости от наличия в кружке того или иного материала. Основная задача конструктора — сохранить передаточное число 1 : 20. Это соотношение устанавливается следующим расчетом: при средней скорости ветра в 5 м/сек ротор вращается со скоростью 40—60 оборотов в минуту. Для получения от генератора нормального напряжения якорь его должен вращаться со скоростью 1 000—1 200 оборотов в минуту. Следовательно, соотношение передач должно быть равно в среднем 1 : 20.

Система передач показана на рисунке 25. Шкивы вытачиваются из дерева и соединяются между собой ременной передачей. Диаметр ведущего шкива равен 200 мм, ведомого — 50 мм. Для обеспечения должного натяжения в ременное кольцо вшивается кусок резины.

На оси ведомого шкива укреплена коническая шестерня, сцепленная со второй малой конической шестерней. Число зубьев шестерен подбирается из соотношения 5:1. При скорости вращения ротора в 60 об/мин ведущий шкив дает 60 об/мин, ведомый шкив и ведущая большая шестерня — 240 об/мин, а малая ведомая шестерня, укрепленная на роторе генератора,— 1 200 об/мин.

Ведущий шкив насаживается на нижний конец вала ротора. Диаметр оси ведомого шкива равен 15—"20 мм. Оси вращаются в таких же подшипниках, в каких и ось ротора. На рисунке 25 дан вариант фрикционного сцепления.

Электрическая часть нашей ветросиловой установки состоит из генератора постоянного тока, реле обратного тока, вибропреобразователя с выпрямителем, батареи аккумуляторов и распределительного щитка.

В качестве генератора постоянного тока (рис. 26) в настоящей установке использован четырехмагнитный телефонный индуктор, переделанный следующим образом: тонкая обмотка, находящаяся на якоре индуктора, снимается, и вместо нее наматывается обмотка проводом диаметром 0,7 мм. Наматывать обмотку нужно вплотную виток к витку до заполнения пазов якоря. Чтобы избежать замыкания витков между собой и на корпус, обмотка должна быть сделана очень аккуратно и хорошо изолирована. По окончании намотки обмотка проверяется и пропитывается шеллачным лаком.

Для получения от индуктора постоянного тока на оси якоря необходимо установить коллектор. Последний представляет собой цилиндр диаметрам 10—12 мм, выточенный из изоляционного материала (эбонит, фибра) или из хорошо пропарафинированного дерева. На коллекторе укрепляются две изолированные друг от друга пластинки из латуни (ламели), к которым припаиваются концы обмотки. Щетками для коллектора служат две упругие латунные пластинки. Коллектор нужно укрепить на оси в таком положении, чтобы на щетках получилось наибольшее напряжение (рис. 26).

Для защиты аккумуляторной батареи от разряда ее на генератор применяется реле обратного тока. Реле отключает аккумуляторную батарею, как только упадет напряжение генератора при снижении его оборотов. Причина — прекращение ветра, обрыв или скольжение ремня и т. д. Если не отключить в этот момент батарею, то электрический ток пойдет от нее в обмотку генератора и последний начнет вращаться как электромотор, в- результате чего аккумуляторная батарея быстро разрядится.

Схема реле и способ его включения показаны на рисунке 26. На железный сердечник надета катушка с двумя обмотками. Первая обмотка — шунтовая —состоит из 600 витков ПЭ диаметром 0,1 мм; сопротивление обмотки — 60—70 ом. Подключается эта обмотка параллельно щеткам генератора. Вторая обмотка — последовательная — имеет 8—10 витков провода ПЭ диаметром 0,8—1 мм и включается последовательно в цепь питания аккумулятора. Вибратор В делается из танкой гибкой железной пластинки, которая оттягивается пружиной Я. Изменяя натяжение пружины, реле регулируют до тех пар, пока оно не будет срабатывать при том напряжении, до которого можно зарядить аккумулятор. Для трех банок кислотных аккумуляторов, соединенных последовательно, это напряжение должно быть равным 7,2—7,4 в.

Реле может быть изготовлено самими кружковцами или взято от автомашины. При самодельном изготовлении реле необходимо обратить особое внимание на контакты реле: контакты должны быть сделаны из неонисляющегося металла.

Низковольтные аккумуляторы, заряженные от генератора, позволяют питать только накальные цепи приемника. Для питания анодных цепей приемника необходимо преобразовать постоянный  ток  аккумулятора в переменный, повысить его напряжение через трансформатор и при помощи выпрямителя снова превратить ток в постоянный, но уже высокого напряжения, необходимого для питания анодов. Это можно сделать при помощи вибропреобразователя, состоящего из прерывателя и выпрямителя. В качестве прерывателя может быть использован механизм электрического звонка. Детали звонка должны быть очень прочными, а чашечка звонка сниматься. Особое внимание надо обратить на искровой промежуток. Через него проходит ток силой до 2 а, поэтому контакты следует- спаять серебром. С электромагнита снимают обмотку и наматывают на него провод диаметром 0,5 — 0,8 мм в эмалевой изоляции до заполнения каркасов.

Для повышающего трансформатора выпрямителя может быть использован любой силовой трансформатор заводского типа, одна из накатных обмоток которого включается в цепь звонка-прерывателя. Сетевая обмотка трансформатора остается неиспользованной. Если трансформатор изготовляют сами кружковцы, то он должен иметь следующие данные: сечение железа—12 см2. Первичная обмотка, рассчитанная на напряжение 4—6 в, состоит из 26 витков провода ПЭ 1,0 мм. Вторичная обмотка имеет 2 300 витков провода ПЭ 0,16 мм с отводом от середины. Обмотка накала для кенотрона типа «5Ц4С» имеет 20 витков провода ПЭ 2,0 мм. Данные фильтра (дроссель, конденсаторы) те же, что и для обычного выпрямителя, служащего для питания радиоустройств.

Чтобы избежать помех от вибропреобразователя, необходимо преобразователь поместить в заземленный железный кожух, в котором, в свою очередь, отделить железной перегородкой выпрямляющее устройство от прерывателя (кожух можно изготовить из кровельного железа), зашунтировать конденсатором в I—2 мкф искровой промежуток звонка-прерывателя; не располагать вибропреобразователь в непосредственной близости от радиоприемника.

При эксплуатации настоящей ветросиловой установки используют 3 банки кислотных аккумуляторов емкостью 60 а-ч, соединенных последовательно. Необходимо иметь 2 комплекта аккумуляторов. Во время работы одного комплекта второй комплект аккумуляторов заряжается. Если применяют не свинцовые, а щелочные аккумуляторы, дающие напряжение от каждой банки в 1,2 в вместо 2 в и соединенные в батареи, То необходимо заново отрегулировать реле обратного тока.

Панель распределительного щитка может быть изготовлена из любого изоляционного материала, в крайнем случае — из сухого дерева, которое необходимо пропитать парафином. Распределительный щиток устанавливается в вертикальном положении. На нем укрепляется реле обратного тока, вольтметр, амперметр, рубильник и зажимы для присоединения батарей аккумуляторов. Полная электрическая схема установки дана на рисунке 26.

Перед пуском установки в эксплуатацию необходимо убедиться в исправной работе генератора, реле обратного тока и правильности монтажа всех узлов. Для этого двигатель запускают. В реле обратного тока должен послышаться щелчок, а вольтметр на щитке показать напряжение около 8 в. Показания вольтметра зависят от напряжения, даваемого генератором, и поэтому могут быть несколько больше или меньше. Когда рубильник, включающий напряжение от генератора, выключается, в реле обратного тока должен снова быть слышен щелчок.

Без проверки действия приборов и правильности присоединения нельзя начинать зарядку батареи аккумуляторов, так как при наличии неисправностей в монтаже можно сжечь генератор. Включать аккумуляторную батарею нужно по всем техническим правилам с соответствующей регулировкой силы зарядного тока.

В процессе эксплуатации установки необходимо периодически смазывать подшипники ротора и осматривать коллектор и щетки генератора. Если коллектор имеет шероховатую поверхность, а щетки плохо прилегают к коллектору- и искрят, то коллектор нужно отшлифовать, а щетки зачистить наждачной бумагой и отрегулировать степень их прижатия к коллектору.

Приведенный нами роторный ветродвигатель был построен в одном из подмосковных пионерских лагерей и установлен на крыше здания на высоте 8 м над землей. При средней силе ветра в 5 м в секунду ветродвигатель полностью обеспечивал питание радиоприемника «Родина».

Если благоприятных условий для работы ветродвигателя нет (средняя скорость ветра ниже 5 м/сек), то рабочая поверхность ротора может оказаться недостаточной для обеспечения нужного количества оборотов генератора. В таком случае размеры ротора должны быть увеличены вдвое.