Przekładnia do wiatraka

W wszelkiego typu budowanych domowym sposobem mniejszych wiatrakach i elektrowniach wodnych problemem może być odpowiednie przełożenie przekładni, by uzyskać odpowiednio wysokie obroty na prądnicy. Oczywiście najlepiej byłoby zastosować odpowiednią wolnoobrotową prądnicę i zastosować napęd bezpośredni, ale raczej trudno coś takiego czasami nabyć lub zbudować. Tymczasem zwykłe alternatory samochodowe ze starych złomowanych samochodów można zdobyć już od ok. 50 zł - wystarczy je zregenerować (wymiana szczotek, przetoczenie pierścieni ślizgowych itp.). Lecz do ich napędu wymagana jest dość wysoka prędkość obrotowa - pracują w dość szerokim zakresie 1500-5000obr/min i więcej, a nominalną moc uzyskują przy ok. 5000 obr/min. Natomiast w mniejszych wiatrakach śmigłowych prędkość obrotowa jest rzędu kilkuset, a większych lub wolnoobrotowych kilkudziesięciu obr/min.

Są różne rodzaje przekładni stosowane w amatorsko budowanych konstrukcjach:

- łańcuchowe - po pewnym czasie łańcuch rozciąga się, koła zębate ulegają zużyciu, wymaga też smarowania;

- pasowe - konieczny napinacz i wykonanie odpowiednich kół pasowych;

- zębate - gotowe są drogie, raczej trudno coś takiego zrobić, w przypadku wykorzystania gotowych kół zębatych trzeba wykonać z dużą dokładnością obudowę, wymaga smarowania.

Opisana poniżej przekładnia cierna jest prostą w budowie, wykorzystuje tanie elementy i ma duże przełożenie. Rozwiązuje ona wiele problemów przy projektowaniu silników wiatrowych i otwiera nowe możliwości dla różnych urządzeń wytwarzających energię elektryczną. Jest cicha, niedroga i dość niezawodna przy prawidłowym wykonaniu. Oczywiście ma też wady - nie może przenosić dużych mocy i nadaje się głównie do dość szybko obracających się wiatraków, czyli takich o małych średnicach (do kilku metrów).

W tym napędzie jako główny element przekładni zastosowano zwykłą oponę samochodową. Dzięki jej użyciu przełożenia przekładni rzędu 10:1, 20:1 są łatwo osiągalne. Można też zaraz wykorzystać hamulec samochodowy do ochrony, wyłączania wiatraka przy większych prędkościach wiatru. Nie trzeba martwić się o przedziurawienie koła - w powietrzu nie ma gwoździ, szkieł itp. Jakakolwiek wolnoobrotowa turbina może odnieść znaczne korzyści z zastosowania rolek napędzających, a szybkoobrotowe wiatraki mogą napędzać mocniejsze alternatory.

Z systemem rolkowym łatwo rozpędzić prądnicę do ponad 5000, a nawet 10000 obr/min bez bardzo dużych nakładów pracy i kosztów. Rolki dostępne w handlu i stosowane w USA mają średnicę zewnętrzną 22mm (7/8") i 76mm (3") długie. Średnicę wewnętrzną mają tak dobraną, by pasowała do większości standardowych alternatorów. Zaleca się taką rolkę najlepiej nagwintować, a prądnicę umieścić tak, by wałek obracał się w prawo i rolka się samodokręcała. Jednak najlepiej byłoby gdyby taka rolka była na wałku osadzonym w łożyskach na obu końcach ze względu na spore siły dociskające. Rolka jest karbowana (porobione rowki w celu zwiększenia tarcia).

Opona na zdjęciu (rys. 1) ma średnicę 50,8cm (20"), tzn. obwód = 62,8" (159,5cm), rolka ma średnicę 2,2cm, tak więc przełożenie 23:1 (50,8/2,2=23) dla wałka prądnicy. Tzn. że jeśli na wale wiatraka jest 250 obr/min, to na wyjściu otrzymamy 5750 obr/min.

Napęd cierny z opony i rolki jest cichy, nie wymaga smarowania. Typowa opona bezdędkowa zaprojektowana by wytrzymać obciążenie 500 funtów (227kg) przez 50.000 mil powinna pracować z rolką przez wiele lat - prędzej się zestarzeje guma niż zużyje bieżnik, dlatego można wykorzystywać również zużyte opony, które należało już wymienić w samochodzie ze względu na przepisy o głębokości bieżnika.

Ciśnienie opony jest ważne dla utrzymania wysokiej sprawności. Opona z niskim ciśnieniem powoduje dużo strat. Dlatego należy napompować koło do maksymalnego ciśnienia - sprawność będzie bliska 99%, a generator będzie utrzymywanego na wysokich obrotach. Ze względu na konieczność utrzymania wysokiego ciśnienia, lepiej zastosować nową dętkę, zaworek. W mniejszych wiatrakach można stosować koła od motorynki, gokarta lub z litej gumy stosowane w różnych maszynach, wózkach transportowych itp.

Rys. 3. Koło GMK o średnicy 400mm z litej gumy ma dopuszczalne obciążenie 1000kg. (http://www.acme.pl/pierchala/kolka.html)

Rys. 4. Sposób zamocowania ramienia

Konstrukcja ramienia mocującego alternator powinna być mniej więcej taka jak na rysunku. Oś obrotu ramienia (zawias mocujący) powinien być blisko obwodu koła. Rolka jest wstępnie dociągana sprężyną utrzymującą ramię. Ramię powinno mieć taką długość, by prostopadły rzut osi obrotu wałka alternatora na linię przechodzącą przez oś obrotu koła i zawias ramienia wypadał w odległości równej połowie promienia koła. Dzięki takiemu zamocowaniu rolka będzie się zaciskać mocniej wraz ze wzrostem obrotów i rozluźniać z ich spadkiem. To jest ważna właściwość tej przekładni. Wspomniany rzut osi obrotu wałka alternatora nie może wypadać zbyt blisko obwodu koła, ponieważ może to spowodować zbyt mocny nacisk na oponę (która jest mocno napompowana) i może wtedy powstawać zbyt duży opór, może ulec uszkodzeniu wałek alternatora (na którym osadzona jest rolka), może uszkodzić się opona, może ramie obrócić się razem z kołem na drugą stronę koła. Gdy rzut osi obrotu wypada zbyt blisko osi obrotu koła, to docisk może być zbyt słaby, rolka przy większym obciążeniu może się ślizgać.

Przenoszona moc przez taką przekładnię zależy głównie od siły docisku i współczynnika tarcia między rolką a przekładnią. Formularz do obliczania przenoszonej mocy przekładni w pliku *.xls (MS Excel) można pobrać tutaj. Chociaż dotyczy on przekładni gdzie docisk jest stały, to pozwala mniej więcej zorientować się w zakresie możliwych do przeniesienia mocy - w omawianej tu przekładni docisk zwiększa się wraz ze wzrostem obrotów. Do danych wejściowych możemy podawać średnicę i obroty koła lub rolki. Jak widać aby napędzać np. alternator o mocy 1kW trzeba będzie z sensem i wyczuciem skonstruować taką przekładnię. W rzeczywistej przekładni jeśli zastosujemy karbowaną rolkę i ze względu na samo zaciskanie oraz pewne ugięcie opony (powierzchnia styku jest na pewnym odcinku obwodu rolki) będzie można przenieść nieco większą moc niż wyliczona w tym arkuszu kalkulacyjnym. Trzeba wziąć pod uwagę, że jeśli będą występować duże siły docisku to może to wpłynąć na trwałość przekładni (opony i łożysk). Jeśli mamy podany parametr koła - wielkość maksymalnego obciążenia, jakie może przenieść koło - to trzeba uwzględnić, że jest to nacisk koła na płaską powierzchnię podłoża (rolka ma niewielką średnicę i działa na mniejszą powierzchnię opony).

Zaletą wyżej wymienionej przekładni jest więc prostota, duże przełożenie i niewysoka cena elementów składowych, szczególnie jeśli posiadamy jakieś niewykorzystane koła. Główną wadą, że nie można przenieść zbyt wysokich mocy. Jeśli jednak mamy możliwość kupienia tanio jakiejś fabrycznej przekładni zębatej, to oczywiście lepiej taką wykorzystać, szczególnie jeśli prądnica ma wytwarzać energię elektryczną rzędu kilka kW. Przekładnie zębate o dużych przełożeniach dostępne są w http://www.befared.pl. Najlepsza by była jednak prądnica wolnoobrotowa do której nie trzeba przekładni. Z dostępnych na rynku prądnic Komel-u najwolniejsze mają prędkość obrotową rzędu 188 obr/min - są jednak bardzo drogie. Są jednak tej samej firmy dostępne prądnice o prędkościach 375, 750, 1000 obr/min do których nie trzeba zbyt dużych przełożeń - więc można tu zastosować np. przekładnie zębate jednostopniowe.

http://darmowa-energia.eko.org.pl/

---