Сельскохозяйственное водоснабжение является одним из процессов, для механизации которого с успехом используется энергия ветра. Так как поднятую из колодцев, скважин, рек, прудов и озер воду можно запасать в водонапорных баках, расположенных на некоторой высоте водоемах, наледях, то ветронасосные установки в сельском хозяйстве могут и должны стать в один ряд с насосными установками, работающими от тепловых и электрических двигателей.
Одно из отрицательных свойств энергии ветра — ее непостоянство — становится не столь существенным, ибо уже при водонапорном баке емкостью на 2—3-суточный расход воды в хозяйстве обеспеченность водой составляет 80—90%.
Подъем воды ветродвигателями может производиться с помощью как простейших водоподъемников: нории, спирально-цепочных водоподъемников, так и поршневых и центробежных насосов, а также специальных насосов с гидравлическими, пневматическими и электрическими приводами.
Рис. 47 - Совмещенные характеристики мощности ветродвигателя ТВ-5 и поршневого насоса:
I — характеристика поршневого насоса, II — кривые мощностей ветродвигателя.
Наибольшее распространение получили поршневые насосы как самые простые. Но поршневые насосы, обладая свойством самовсасывания, т. е. не требуя заливки их перед пуском, отличаясь простотой устройства и возможностью подачи воды на большие высоты (до 150—200 м и более), имеют, к сожалению, быстроизнашивающиеся манжеты, в большинстве случаев неполностью загружают ветродвигатель, имеют большой момент страгивания и могут работать лишь при относительно небольшом числе ходов поршня в минуту.
Известно, что свойства поршневых насосов в той или иной степени определяют требования к типу ветродвигателя для механизации водоснабжения. Поэтому мы рассмотрим сущность этих свойств.
На рисунке 47 даны характеристики мощности, потребляемой поршневым насосом и развиваемой тихоходным ветродвигателем ТВ-5. Совмещенные характеристики показывают, что почти при всех режимах скорости ветра мощность, развиваемая ветродвигателем, остается больше мощности, потребляемой насосом. Только при одной скорости ветра, в зависимости от размеров насоса, передаточного отношения передачи от ветроколеса к насосу 60 и от хода поршня, мощность, потребляемая насосом, будет равна максимальной мощности ветродвигателя.
Выберем размер насоса, его ход и передаточное отношение передачи от ветроколеса к насосу так, чтобы он при скорости ветра 4 м в секунду полностью загружал ветродвигатель (точка А). Допустим, что скорость ветра возросла до 6 м в секунду. Тогда число оборотов ветродвигателя будет возрастать до тех пор, пока мощность, потребляемая насосом, не станет равной мощности ветродвигателя при числе оборотов.
Сельскохозяйственное водоснабжение является одним из процессов, для механизации которого с успехом используется энергия ветра. Так как поднятую из колодцев, скважин, рек, прудов и озер воду можно запасать в водонапорных баках, расположенных на некоторой высоте водоемах, наледях, то ветронасосные установки в сельском хозяйстве могут и должны стать в один ряд с насосными установками, работающими от тепловых и электрических двигателей.
Одно из отрицательных свойств энергии ветра — ее непостоянство — становится не столь существенным, ибо уже при водонапорном баке емкостью на 2—3-суточный расход воды в хозяйстве обеспеченность водой составляет 80—90%.
Подъем воды ветродвигателями может производиться с помощью как простейших водоподъемников: нории, спирально-цепочных водоподъемников, так и поршневых и центробежных насосов, а также специальных насосов с гидравлическими, пневматическими и электрическими приводами.
Действительно, если мы учтем, что скорость вращения ветроколеса при работе в наилучшем режиме должна быть пропорциональна скорости ветра, то выражение мощности ветродвигателя может быть записано:
Какие же ветродвигатели могут быть использованы для работы с поршневым насосом?
Если мы вспомним характеристики моментов вращения различных ветродвигателей, которые приведены на рисунке 2, то увидим, что ветродвигателями, наиболее пригодными для привода поршневых насосов, являются тихоходные многолопастные ветродвигатели. Эти двигатели не только обладают большим моментом трогания, но при прочих равных условиях имеют меньшее, чем быстроходные двигатели, число оборотов и, следовательно, требуют меньшего передаточного отношения от ветроколеса к насосу. Это однако совершенно не значит, что быстроходные ветродвигатели, обладающие малым начальным моментом, не могут быть использованы для привода поршневых насосов.
Вполне очевидно, что если нам удастся снизить момент сопротивления на валу ветродвигателя при его трогании с места либо подключением насоса малой мощности, либо разгрузкой насоса или какими-то другими способами, то быстроходный ветродвигатель может быть также использован для привода поршневого насоса.
Об устройствах, которые позволяют приводить прошневые насосы от быстроходных ветродвигателей, будет сказано в дальнейшем.
Рис. 48 - Схема кривошипного механизма поршневого насоса и диаграмма изменения момента на валу колеса с кривошипным механизмом:
1 — ведущее колесо, 2 — ведомое колесо, 3 — шатун, 4— штанга насоса, 5 — насос.
Положение 1—3—5 — ход поршня вверх — подача воды насосом. Положение 5—7—1 — ход поршня вниз. Момент нагрузки равен нулю.
Усилие изобретателей и рационализаторов, работающих над улучшением ветронасосных установок, над повышением эффективности их работы, направлены, с одной стороны, на устранение недостатков поршневых насосов, о которых мы только что рассказали, а с другой — на создание новых экономичных способов водоподъема, при использовании которых удалось бы применить для механизации водоснабжения легкие быстроходные ветродвигатели.
Прежде чем перейти к рассмотрению предложений изобретателей по ветро-насосным агрегатам и оценке их полезности, будет целесообразным ознакомиться с основными ветронасосными агрегатами, выпускаемыми нашей промышленностью или подготовляемыми к выпуску. Таких насосных агрегатов немного и все они, как правило, работают с поршневыми насосами.
Основными из них являются УТВ-5, ДДК-4 и ВП-3. Кроме того, для работы с поршневым насосом используется ветродвигатель УВД-8.
Ветродвигатель УТВ-5 мощностью до 2,5 л. с. предложен С. В. Назаровым и М. Б. Ханиным (авторская заявка № 8636). Он предназначен преимущественно для механизации подъема воды и отличается от ветродвигателя УВД-8 размерами ветроколеса и конструкциями редукторов (рис. 49).
Ветродвигатель УТВ-5, как и УВД-8, имеет регулирование скорости вращения и мощности путем вывода ветроколеса из-под ветра за счет эксцентриситета, как это выполнено и на ветродвигателе ТВ-5.
Ветродвигатель УТВ-5 имеет ветроколесо велосипедного типа 1 диаметром 5 м, вращение которого с помощью верхнего 2 и нижнего 3 редукторов передается приводному шкиву 4, от которого вращается с помощью плоскоременной передачи 5 водоподъемная лебедка 6 с насосом НП-95. Водоподъемная лебедка применена та же, что и у ветродвигателя УВД-8.
Рис. 49 - Ветродвигатель УТВ-5:
1 — ветроколесо велосипедного типа, 2 и 3 — верхний и нижний редукторы, 4 — приводной шкив,5 — плоскоременная передача, 6 — универсальная водоподъемная лебедка, 7 — хвост, 8 — башня, 9 — лебедка пуска и остановки двигателя, 10 — насосные трубы.
В чем же преимущества и недостатки ветродвигателя УТВ-5 по сравнению с рассмотренным раньше ветродвигателем ТВ-5?
Основное преимущество ветродвигателя УТВ-5 перед ТВ-5 заключается в том, что первый не требует обязательной установки его над колодцем или скважиной, т. е. не загромождает колодца, не усложняет монтаж двигателя. Кроме того, ветродвигатель ТВ-5 имел вместо вала штангу, движущуюся возвратно-поступательно и связанную непосредственно со штангой насоса. Поэтому для применения резервного привода требовалось дополнительное устройство в виде передач, тяг и т. д.
Однако, изменив конструкцию ветронасосного агрегата, авторы УТВ-5 неоправданно усложнили агрегат, снизили его к.п.д. Так, если верхний редуктор ветродвигателя повышает скорость вращения вертикального вала в 6 раз, а нижний редуктор эту скорость вращения понижает в два раза и приводной шкив нижнего редуктора имеет 120 оборотов в минуту, то в водоподъемной лебедке скорость вращения кривошипа снижается снова до 30—40 оборотов в минуту.
Если для универсального ветродвигателя, предназначенного для привода кормоперерабатывающих машин на фермах, требуется обычно около 400 оборотов в минуту вала трансмиссии и повышение оборотов выходного вала до 120 оборотов в минуту вполне оправдано, то в ветронасосном агрегате, приводящем в движение поршневой насос, это повышение числа оборотов нецелесообразно.
Ветродвигатель УТВ-5, который большую часть рабочего времени сможет развивать мощность 0,8—1 л. с, конечно, не следует считать универсальным двигателем, ибо он будет в большинстве случаев применяться только как ветронасосный агрегат. А в этом случае не требуется то повышение числа оборотов на выходном валу двигателя, которое было сделано конструкторами, рассчитывающими, что агрегат будет универсальным.
Универсальная водоподъемная лебедка:
1 — малые (ведущие) шестерни; 2 — большие (ведомые) шестерни, 3 — палец кривошипа, 4 — штанга насоса, 5 — направляющие стержни, 6 — направляющий ролик, 7 — нагнетательная труба, 8 — воздушный колпак, 9 — обратный клапан.
Что представляет собой универсальная водоподъемная лебедка?
Лебедка состоит из двух малых (ведущих) цилиндрических шестерен 1 и двух больших (ведомых) шестерен 2. Большие шестерни имеют пальцы кривошипа 3, с которыми соединена штанга насоса 4. Штанга совершает возвратно-поступательное движение. Для того чтобы предотвратить расшатывание сальниковых уплотнений и самого насоса, устанавливаются направляющие 5 и ролик 6.
Насос имеет основной поршень диаметром 95 мм, который обеспечивает подачу воды при ходе штанги насоса вверх, а также плунжер, который вытесняет воду из нагнетательной трубы и дает возможность подавать воду и при ходе штанги насоса вниз.
Рис. 51. Ветронасосный агрегат ДДК-4:
1 — ветровое колесо, 2 — головка ветродвигателя, 3 — штанга насоса, 4 — поршневой насос, 5 — башня, 6 — шахтный колодец, 7 — растяжки, 8 — хвост, 9 — боковая лопата.
Привод лебедки от шкива нижнего редуктора ветродвигателя через плоскоременную передачу и приводные шкивы дает возможность располагать ветродвигатель в стороне от колодца. Благодаря этому удается проводить работы по монтажу и установке ветродвигателя независимо от работ по сооружению колодца или скважины. Наличие же дифференциального насоса обеспечивает более равномерную подачу воды в несколько большем количестве.
Каждая водоподъемная лебедка снабжается воздушным колпаком 8 и обратным клапаном 9, назначение которых заключается в том, чтобы обеспечить равномерность подачи воды насосом и предохранить насос от гидравлических ударов, могущих возникнуть при остановках насоса.
Ветронасосный агрегат ДДК-4
Авторы агрегата Т. Г. Духов и И. А. Дацевич (авторская заявка № 12811). Агрегат мощностью около 1,6 л. с. (рис. 51) представляет собой ветродвигатель с семилопастным ветроколесом 1 диаметром 4 м, имеющим лопасти обтекаемого профиля. Головка ветродвигателя 2 имеет понижающий редуктор с кривошипно-шатунным механизмом, от которого приводится штанга 3 поршневого насоса одинарного действия 4 с цилиндром диаметром 150 мм.
Головка ветродвигателя соединена с ферменной призматической башней 5, которая устанавливается на оголовок шахтного колодца 6 и закрепляется четырьмя растяжками 7. Насосный агрегат автоматически устанавливается на ветер с помощью хвоста 8, а регулирование скорости вращения и мощности осуществляется выводом ветроколеса из-под ветра с помощью боковой лопаты 9. Пуск и остановка ветродвигателя производятся с земли посредством штанги, с помощью которой механик натягивает за кольцо трос остановки.
Государственные испытания серийного образца ветродвигателя ДДК-4, проведенные на Подольской МИС МСХ СССР, показали, что эта установка имеет простую конструкцию, хорошо работающую систему регулирования и малую скорость ветра, при которой агрегат начинает подачу воды. Наряду с этим, ветронасосный агрегат ДДК-4 не приспособлен для работы в зимнее время, когда наблюдается замерзание воды в верхней части напорной трубы, исключена возможность простого подсоединения резервного привода к насосу.
Ветроводоподъемник ВП-3
Этот агрегат мощностью до 1 л. с. предложен С. В. Назаровым и А. В. Кармишиным (авторское свидетельство № 97557).
Водоподъемник состоит из ветроколеса 1 велосипедного типа диаметром 3 м, от которого через верхний редуктор и нижний редуктор 10 приводится во вращение приводной, шкив ленточного водоподъемника 9 типа «нория». Нория представляет собой бесконечную ленту с карманами, которая огибает приводной шкив и нижний шкив. К последнему прикреплен контргруз, обеспечивающий непрерывное натяжение ленты.
Насосный агрегат предназначен для подъема воды из шахтных неглубоких колодцев в условиях отгонных пастбищ. Если использовать этот агрегат для подъема воды на фермах, то недостаток ветроподъемника ВП-3 заключается в том, что подъем воды осуществляется с помощью нории, которая обеспечивает подачу воды только на уровень нижнего редуктора. Поэтому исключается возможность подачи воды в водонапорные баки и требуется хорошее утепление колодца в зимних условиях.
Наличие двух редукторов, конструкция которых сложна, не только ухудшает эксплуатационную надежность агрегата, но и снижает и без того низкий к. п. д. установки.
В отличие от ранее рассмотренных ветронасосных агрегатов, ветроподъемник ВП-3 имеет устройство 5 для конного привода на случай подъема воды в период безветрия. Наличие конного привода еще более усложнило конструкцию нижнего редуктора.
Рис. 52 - Ветроводоподъемник ВП-3:
1 — ветроколесо велосипедного типа, 2 — хвост, 3 — мачта, 4 — оттяжки, 5 — водило, 6 — водопойное корыто, 7 — наливная труба, 8 — шахтный колодец, 9 — водоподъемная нория, 10 — редуктор.
Ветродвигатель УВД-8
Ветродвигатель УВД-8 мощностью до 6,5 л. с. представляет собой усовершенствованную модификацию тихоходного ветродвигателя ТВ-8. Этот ветродвигатель (рис. 53), в отличие от ТВ-8, который мы описали раньше, имеет ветроколесо велосипедного типа 1 диаметром 8 м, верхний 2 и нижний 3 закрытые редукторы. На выходном шкиве нижнего редуктора число оборотов равно 205 в минуту. У ТВ-8 привод поршневого насоса осуществляется от большой шестерни нижнего редуктора. При этом требуется установка ветродвигателя либо непосредственно над колодцем или скважиной, либо (при установке в стороне от колодца) необходимо устройство дополнительных приспособлений в виде качалок и пр. Ветродвигатель УВД-8 вращает через плоскоременную передачу 4 универсальную водоподъемную лебедку 5, а от нее приводится в движение насос. Регулирование УВД-8 осуществляется, как и у ТВ-5, с помощью эксцентриситета. В остальном, ветродвигатель УВД-8 подобен ветродвигателю ТВ-8, поэтому мы на его подробном описании не останавливаемся.
Рис. 53. Ветродвигатель УВД-8:
1 — ветроколесо, 2 — верхний редуктор, 3 — нижний редуктор, 4 — плоскоременная передача, 5 — универсальная водоподъемная лебедка.
Ветродвигатели на водонапорной башне
Так как большинство ветронасосных установок для обеспечения бесперебойного снабжения потребителей водой комплектуется водонапорными баками, то некоторые изобретатели и конструкторы предлагают использовать водонапорные башни в качестве опоры для ветродвигателей.
Впервые в Советском Союзе ветроустановка, в которой водонапорная башня используется как опора для ветродвигателя, была предложена изобретателем А. А. Рожновским, а шесть лет спустя повторена ленинградским изобретателем В. Ф. Баландиным.
Ветронасосные установки на металлических водонапорных башнях системы А. А. Рожновского (Авторское свидетельство № 76288)
Первый насосный агрегат на водонапорной башне был выполнен А. А. Рожновским с быстроходным ветродвигателем Д-12, который располагался на башне системы автора. От ветродвигателя Д-12 приводился в действие поршневой насос, а впоследствии пневмонасосная установка В. В. Савотина, которые подавали воду в бак, состоящий из трех резервуаров емкостью по 40 куб. м.
Как совмещаются в одном агрегате ветродвигатель, насос и водонапорная башня, поясним на примере ветронасосной установки Д-5 на металлической водонапорной башне системы того же автора (рис. 54).
Ветроустановка состоит из тихоходного многолопастного ветродвигателя с ветроколесом 1 диаметром 5 м. Ветродвигатель смонтирован на водонапорной металлической башне 2 с баком 3 емкостью 20 куб. м. Головка ветродвигателя 4 имеет кривошипно-шатунный механизм, который соединен непосредственно с ветроколесом и от которого посредством штанги 5 приводится в действие поршневой насос 6. Штанга насоса проходит через трубу, помещенную в центре водонапорного бака.
Регулирование скорости вращения ветроколеса и ограничение его мощности осуществляется выводом ветроколеса из-под ветра за счет эксцентриситета и боковой лопаты.
Преимущество ветронасосной установки на водонапорной башне перед насосными установками, в которых ветродвигатель н башня устанавливаются отдельно, заключается в том, что подобные установки представляют единый комплекс, состоящий из ветродвигателя, насоса и бака, и могут изготовляться индустриальными методами. Такие установки могут комплектоваться на заводе и поставляться в укрупненных узлах на место монтажа, где эти узлы легко и быстро монтируются.
Рис. 54 - Ветронасосная установка на металлической водонапорной башне А. А. Рожновского:
1 — ветроколесо, 2 — металлическая башня, 3 — водонапорный бак, 4 — головка ветродвигателя, 5—штанга насоса, 6 — поршневой насос «Бурвод III».
Однако такие установки не нашли до настоящего времени широкого распространения. Причиной этого является то, что ветродвигатель Д-5 имел ряд конструктивных недостатков и что весь агрегат имел большую металлоемкость. Наконец, сочетание в одном агрегате бака и ветродвигателя не во всех случаях является экономически целесообразным (например, по условиям рельефа). Наибольший интерес такие установки представляют для безлесных районов или районов, где отсутствуют местные строительные материалы для постройки опор под водонапорные баки. В тех же районах, где постройка водонапорной башни силами колхоза не встречает трудностей, следует отдать предпочтение установкам, в которых ставятся отдельно бак и ветродвигатель, ибо это - как правило, оказывается дешевле, чем применение рассмотренных установок. К тому же при раздельной установке ветродвигателя и бака на опоре из местных материалов значительно снижается расход металла, а сам ветродвигатель может быть установлен в более удобном по ветровым и рельефным условиям месте.
В чем же заключались недостатки самого ветродвигателя Д-5? Прежде всего в том, что ветродвигатель Д-5 имел непосредственное соединение кривошипно-шатунного механизма с ветроколесом. Без промежуточной понижающей передачи, как это сделано у ветродвигателя ТВ-5. Это приводило к тому, что при расчетной скорости ветра число качаний поршневого насоса превосходило допустимую величину и поэтому в насосе и передаче к нему возникали значительные удары. Удары наблюдались особенно при больших глубинах залегания воды, т. е. когда в движении находились большие массы воды и насосных штанг.
Для уменьшения скорости вращения ветроколеса и уменьшения числа качаний насоса в агрегате Д-5 было применено тихоходное многолопастное ветроколесо с малой быстроходностью (ZH =0,9). Такое колесо имело на 25—30% меньшее число оборотов, чем ветроколеса ТВ-5 и УТВ-5. Однако и это не помогло так же, как не улучшило условий работы насосного агрегата Д-5 и уравновешивание веса штанг с помощью балансиров.
Балансир или противовес обычно представляет собой коромысло, один конец которого соединен со штангой, а другой — с грузом или пружиной. Коромысло имеет возможность качаться относительно неподвижной оси. Груз или пружина подбираются так, чтобы уравновесить вес штанг насоса. Чтобы избежать ударов в насосе ветродвигателя Д-5, рекомендовалось устанавливать начало ограничения мощности при меньших скоростях ветра, иными словами, снижать возможное число оборотов ветроколеса. Но это приводило к неполному использованию мощности ветродвигателя. Конечно, такой путь улучшения работы насосного агрегата не может быть оправдан и принят.
Кроме того, отсутствие понижающей передачи от ветроколеса к кривошипу насоса привело к тому, что момент вращения на кривошипно-шатунном механизме был равен моменту вращения на ветроколесе. Таким образом, ветродвигатель Д-5 имел момент вращения на кривошипно-шатунном механизме насоса примерно в 3—4 раза меньший, чем у ветродвигателей ТВ-5 и УТВ-5.
Отсюда становится ясным, почему такой ветронасосный агрегат начинал работать при больших скоростях ветра. Скорость ветра, при которой агрегат Д-5 страгивался с места, составляла 6—7 м в секунду, в то время как насосные агрегаты ТВ-5 и УТВ-5 начинают работать уже при скорости ветра 3—3,5 м в секунду.
Изобретателем В.Ф.Баландиным (авторская Заявка № 14552) взамен металлических опор для баков и ветродвигателей предлагается использовать железобетонные (рис. 55).
Рис. 55 - Ветродвигатель на железобетонной водонапорной башие (предложение В. Ф. Баландина):
1 — ветроколесо, 2 — головка ветродвигателя. 3 — хвост, 4 — коробка передач, 5 — площадка поворотная, 6 — пружина регулирования, 7 — трап к ветроколесу, 8 — башня железобетонная, 9 — перила над баком, 10 — утеплитель бака, 11 — лестница, 12 — лестница; 13 — лестница винтовая, 14 — вал ветродвигатели, 15 — фундамент.
Если для устройства водонапорных башен бетон используется достаточно широко, так как бетон прекрасно выдерживает сжимающие нагрузки, то вопрос об использовании этих башен для установки ветродвигателей еще не получил практического разрешения. Большие ветровые нагрузки на ветроколесо будут вызывать значительные изгибающие напряжения в тонкостенном бетоне и это может потребовать упрочнения стенок башен, а следовательно, их утяжеления и удорожания. В этой части предстоит большая работа по созданию различных конструкций железобетонных и бетонных опор для ветронасосных агрегатов, их расчету и по обоснованию технико-экономических показателей их применения. Изобретатели и рационализаторы должны включиться в эту работу по замене металлоконструкций опор ветронасосных и ветросиловых установок железобетонными и бетонными.
Заканчивая рассмотрение серийных ветронасосных агрегатов, мы можем заключить, что они имеют целый ряд недостатков, а также то, что почти все они работают с поршневыми насосами, которые, в свою очередь, требуют внесения ряда конструктивных изменений.
Рационализаторские предложения по насосному оборудованию
Неудовлетворительная работа насосных агрегатов вызывает естественное стремление изобретателей и рационализаторов улучшить конструкции поршневых насосов, сделать их пригодными для работы с быстроходными ветродвигателями на всех режимах, наиболее полно загрузить ветродвигатель, а также создать такие новые способы подъема воды, которые дали бы возможность сделать работу ветронасосных агрегатов наиболее эффективной.
Многочисленные предложения по ветронасосным агрегатам и оборудованию к ним целесообразно классифицировать по трем группам:
- 1. Предложения шо улучшению конструкций поршневых насосов и повышению их эксплуатационной надежности.
- 2. Предложения по использованию быстроходных ветродвигателей для работы с поршневыми насосами и обеспечению на всех режимах полной загрузки ветродвигателей при работе с этими насосами.
- 3. Предложения по новым способам подъема воды, по использованию насосов с пневматическим, гидравлическим, электрическим и другими приводами.
Безманжетный васос М. И. Михайлова
К первой группе прежде всего следует отнести безманжетный поршневой насос М. И. Михайлова (рис. 56). Как следует из самого названия, этот насос отличается от обычного поршневого тем, что его поршень не имеет манжет — этой самой ненадежной, быстроизнашивающейся части насоса.
Рис. 56 - Безманжетный поршневой насос М. И. Михайлова:
1 — поршень, 2 — кольцевые проточки.
Поршень насоса 1 выполнен цилиндрическим и имеет кольцевые проточки 2. Наличие проточек создает как бы лабиринтное уплотнение. Вода, прежде чем пройти из пространства над поршнем в пространство под поршнем насоса, должна проделать длинный путь по проточкам со значительной потерей скорости перетекания.
Недостаток насоса Михайлова заключается в том, что при его изготовлении требуется более высокая точность обработки и большая чистота поверхностей поршня и цилиндра, чем для обычных поршневых насосов. Небольшой износ рабочей поверхности как поршня, так и цилиндра, что весьма возможно при подаче воды, несущей песок, может привести к значительному снижению производительности насоса. Ремонт такого насоса в случае износа цилиндра и поршня может быть произведен только в условиях специализированных мастерских, но не в условиях колхоза. Насос Михайлова заказан промышленности к выпуску большой серией, но в ветронасосных агрегатах пока не получил широкого распространения и не применяется.
Использование заменителей манжет
Замена в насосах кожаных манжет манжетами из кожезаменителей, резины, стали, а также компрессионными кольцами (аналогичных кольцам двигателей внутреннего сгорания - как это предлагалось многими изобретателями, не дала до сих пор положительного результата. Манжеты из кожезаменителей и резины быстро изнашиваются, а стальные манжеты и компрессионные кольца при небольшой скорости поршня насоса не дают необходимого уплотнения.
Ходоуменьшители
Ко второй группе предложений можно отнести многочисленные предложения по механизмам, обеспечивающим изменение производительности насоса таким образом, чтобы мощность, потребляемая им, соответствовала бы максимальной мощности, развиваемой ветродвигателем.
Для этого есть два пути:
- 1. Менять в зависимости от скорости ветра число качаний штанги насоса.
- 2. Изменять в зависимости от скорости ветра ход поршня.
Первый путь вынуждает изменять в процессе работы ветродвигателя передаточные отношения от ветроколеса к насосу, что может быть достигнуто, например, применением автоматически управляемых бесступенчатых передач. При этом число качаний должно изменяться пропорционально кубу изменения скорости ветра.
Поскольку включение передачи с автоматическим регулированием сильно усложняет агрегат, то основные усилия изобретателей для обеспечения полной загрузки ветродвигателя при всех скоростях ветра меньше расчетных направлены по второму пути.
Для этого предлагаются различные ходоуменьшители, т. е. устройства, дающие возможность автоматически изменять ход поршня пропорционально квадрату скорости ветра или, что то же самое, пропорционально квадрату числа оборотов.
Рассмотрим некоторые конструкции ходоуменьшителей.
Ходоуменьшитель И. Ф. Пулина (Авторская заявка № 12260)
Этот ходоуменьшитель (рис. 57) представляет собой кривошипный механизм специальной конструкции. Кривошипное колесо 1 имеет две взаимноперпендикулярные прорези, в одной из которых (в прорези 2) перемещается сухарь 3 с пальцем кривошипа 4. Сухарь соединен с винтом 5, имеющим нарезку с большим шагом, который входит в гайку-барабан 6. На гайке-барабане навиты в противоположные стороны два тросика регулятора 7, один из которых соединен с грузом регулятора 8, а второй — с пружиной регулятора 9. Груз регулятора имеет возможность перемещаться под действием центробежных сил вдоль прорези 10.
Рис - 57 - Ходоуменьшитель И. Ф. Пулина:
1 - кривошипное колесо, 2 — прорезь для перемещения сухаря, 3 — сухари, 4 - кривошип , 5 — винт, 6 — гайка-барабан. 7 — тросик регулятора, 8 — груз регулятора, 9 — пружина регулитора, 10 — прорезь дли груза.
Если ветродвигатель работает до вступления в действие регулятора мощности, то при увеличении скорости ветра возрастает число оборотов ветроколеса и кривошипного колеса. При этом груз 8 ходоуменьшителя под действием возросшей центробежной силы переместится по прорези 10 к ободу колеса 1 и повернет гайку - барабан 6. Винт 5 переместится относительно гайки-барабана, отведет палец кривошипа 4 на больший радиус, увеличит ход поршня и, следовательно, загрузку ветродвигателя.
Так как усилия, действующие на груз, пропорциональны его квадрату числа оборотов, то и перемещения его будут пропорциснальны также примерно квадрату числа оборотов ветродвигателя.
В этой конструкции, чтобы обеспечить значительные перемещения пальца, необходимо иметь большие перемещения груза регулятора, а следовательно, большой диаметр колеса кривошипа.
Рис. 58 - Автомат для изменения хода поршня насоса, приводимого от ветродвигателя (предложение В. А. Иельского):
1 — гайка с пальцем кривошипа, 2 — шестерня, 3 — вннт, 4 — гидравлический двигатель, 5, 6 — шестерни, 7,9 — вал, 8 — гидронасос, 10 — золотник, 11 — цилиндр, 12 — маслопровод, 13, 14 — труба, 15 — клапан.
Действительно, наличие гайки-барабана и винта требует для обеспечения значительного перемещения сухаря нескольких десятков оборотов гайки-барабана, т. е. требует больших перемещений груза, а, следовательно, и длинных прорезей.
Кроме того, поскольку кривошипное колесо имеет малое число оборотов, то, чтобы создать необходимые усилия для перемещения пальца кривошипа, приходится увеличивать груз регулятора. Ходоуменьшитель И. Ф. Пулина получается больших размеров и чрезвычайно тяжелым, что делает его применение в ветрона-сосных агрегатах малоцелесообразным.
Другим примером чрезвычайно сложного ходоуменьшителя может служить ходоуменьшитель, который был предложен В. А. Иельским.
Автомат для изменения хода поршня В. А. Иельского (Авторская заявка № 8273)
Гайка ходоуменьшителя (рис. 58, поз. 1) с пальцем кривошипа с помощью винта 3 перемещается в радиальном пазу шестерни 2. Винт 3 может вращаться от гидравлического двигателя 4 через посредство конических шестерен 5 к 6 и вала 7.
Масло для работы гидравлического двигателя подается гидронасосом 8, который приводится от вала ветродвигателя.
На валу 9 ветродвигателя находится центробежный регулятор, который воздействует на золотник 10, перемещаемый в цилиндре 11.
Когда скорость ветра мала и ветродвигатель запускается в работу, золотник 10 соединяет маслопровод 12 с насосом 8 и верхним маслопроводом цилиндра 11 — масло начинает подаваться в турбину 4. Турбина начинает вращать винт 3 и перемещает кривошип ближе к центру шестерни 2. Насос начинает работать с очень малым ходом и, следовательно, будет создавать малую нагрузку на ветродвигатель. С увеличением числа оборотов ветродвигателя центробежный регулятор переместит золотник вниз, который перекроет верхние маслопровод.
При среднем положении золотника масло будет поступать через отверстия в поршне в трубу 13, что обеспечит подвод масла ко «сем основным подшипникам ветродвигателя и возврат его по трубе 14 в цилиндр 11.
При дальнейшем увеличении числа оборотов золотник опустится в крайнее нижнее положение и соединит трубу 12 с нижним маслопроводом. Масло от цилиндра 11 будет теперь поступать в гидротурбину с другой стороны. Это обеспечит вращение винта 3 и перемещение кривошипа на больший радиус. Ветродвигатель будет загружен больше. При достижении пальцем кривошипа крайнего положения турбина 4 начнет медленно вращаться вместе с валом. Давление масла в турбине возрастет, откроется клапан 15, который перепустит масло в трубу 13.
Из описания и приводимого рисунка вполне понятна чрезвычайная сложность предлагаемого В. А. Иельским ходоуменьшителя. Несомненно, что такая конструкция не могла быть рекомендована в качестве дополнения к простейшему поршневому насосу.
Итак, мы рассмотрели приспособления, которые были предложены для улучшения работы поршневого насоса и наиболее полного использования мощности, развиваемой ветродвигателем.
Рис. 59 - Ветродвигатель 2 УНДИМ Д-10 с автоматической центробежной муфтой:
1 — лопасть ветроколеса, 2 — верхний редуктор, 3 — форточки регулировании, 4 — боковая лопасть, 5 — хвост, 6 — башня, 1 — вертикальный вал, 8 — автоматическая центробежная муфта С. Б. Перли.
Но они не устраняют всех препятствий к успешному использованию быстроходных ветродвигателей для привода поршневых насосов. Как уже указывалось, использование быстроходных ветродвигателей для привода поршневых насосов очень часто ограничивается наличием большого момента сопротивления насоса в начале его работы, что приводит к простоям ветронасосной установки при малых скоростях ветра.
Предлагаем посмотреть другие страницы сайта:
← Роль России в контроле изменений климата | Предложения по передаче мощности от ветроколеса к рабочим машинам →
