Ветряной насос — это ветряное устройство, используемое для перекачивания воды .
Ветряные насосы использовались для перекачивания воды по крайней мере с IX века на территории современных Афганистана , Ирана и Пакистана . [1] Использование ветряных насосов получило широкое распространение в мусульманском мире , а затем распространилось на Китай и Индию . [2] Ветряные мельницы позднее широко использовались в Европе, особенно в Нидерландах и Восточной Англии в Великобритании , начиная с позднего Средневековья , для осушения земель в сельскохозяйственных или строительных целях.
Работа Саймона Стевина в области водного хозяйства включала усовершенствования шлюзов и водосбросов для контроля за наводнениями . Ветряные мельницы уже использовались для откачки воды, но в работе Ван де Моленса ( О мельницах ) он предложил усовершенствования, включая идею о том, что колеса должны двигаться медленно, и лучшую систему зацепления зубьев шестерен . Эти усовершенствования увеличили эффективность ветряных мельниц, используемых для откачки воды из польдеров, в три раза. Он получил патент на свое изобретение в 1586 году. [3]
Ветряные мельницы с восемью-десятью лопастями использовались в регионе Мурсия , Испания , для подъема воды для орошения. [4] Привод от ротора ветряной мельницы вел вниз через башню и обратно через стену, чтобы вращать большое колесо, известное как нория . Нория поддерживала цепь ведра, которая свисала вниз в колодец. Ковши традиционно изготавливались из дерева или глины. Эти ветряные мельницы использовались до 1950-х годов, и многие из башен все еще стоят.
Первые иммигранты в Новый Свет привезли с собой технологию ветряных мельниц из Европы. [5] На фермах США, особенно на Великих равнинах , ветряные насосы использовались для перекачивания воды из фермерских колодцев для скота. В Калифорнии и некоторых других штатах ветряная мельница была частью автономной домашней системы водоснабжения, включающей вырытый вручную колодец и водонапорную башню из секвойи, поддерживающую резервуар из секвойи и обнесенную сайдингом из секвойи ( резервуар ). Саморегулирующийся фермерский ветряной насос был изобретен Дэниелом Халладеем в 1854 году. [5] [6] В конце концов, стальные лопасти и стальные башни заменили деревянные конструкции, и на пике своего развития в 1930 году использовалось, по оценкам, 600 000 единиц с мощностью, эквивалентной 150 мегаватт. [7] Очень большие и легкие ветряные насосы в Австралии напрямую приводят насос в действие ротором ветряной мельницы. Дополнительная обратная передача между малыми роторами для областей с сильным ветром и кривошипом насоса предотвращает попытки протолкнуть насосные штанги вниз при ходе вниз быстрее, чем они могут упасть под действием силы тяжести. В противном случае слишком быстрая перекачка приводит к изгибу насосных штанг, что приводит к утечке через уплотнение сальника и износу стенки подъемной магистрали (Великобритания) или опускной трубы (США), в результате чего теряется вся производительность.
Многолопастной ветряной насос или ветряная турбина на вершине решетчатой башни из дерева или стали, таким образом, на многие годы стали неотъемлемой частью пейзажа по всей сельской Америке. [8] Эти мельницы, изготовленные различными производителями, имели множество лопастей, так что они могли медленно вращаться со значительным крутящим моментом при умеренном ветре и быть саморегулирующимися при сильном ветре. Редуктор на вершине башни и коленчатый вал преобразовывали вращательное движение в возвратно-поступательные удары, переносимые вниз через шток к цилиндру насоса ниже. Сегодня растущие цены на электроэнергию и усовершенствованная насосная технология увеличивают интерес к использованию этой когда-то приходящей в упадок технологии.
Нидерланды хорошо известны своими ветряными мельницами. Большинство этих знаковых сооружений, расположенных вдоль края польдеров, на самом деле являются ветряными насосами, предназначенными для осушения земли. Они особенно важны, поскольку большая часть страны находится ниже уровня моря .
В Великобритании термин «ветряной насос» используется редко, и они более известны как дренажные ветряные мельницы . Многие из них были построены в Бродс и Фенс Восточной Англии для осушения земель, но большинство из них с тех пор были заменены дизельными или электрическими насосами. [9] Многие из оригинальных ветряных мельниц до сих пор стоят в заброшенном состоянии, хотя некоторые были восстановлены. [ требуется ссылка ]
Ветряные насосы широко используются в Южной Африке , Австралии, на фермах и ранчо в центральных равнинах и на юго-западе США. В Южной Африке и Намибии тысячи ветряных насосов все еще работают. Они в основном используются для обеспечения водой людей, а также для питья большого количества овец.
Кения также извлекла выгоду из африканского развития технологий ветряных насосов. В конце 1970-х годов британская НПО Intermediate Technology Development Group оказала инженерную поддержку кенийской компании Bobs Harries Engineering Ltd для разработки ветряных насосов Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd до сих пор производит ветряные насосы Kijito, и более 300 из них работают по всей Восточной Африке . [ требуется цитата ]
Во многих частях мира канатный насос используется в сочетании с ветряными турбинами. Этот простой в изготовлении насос работает, протягивая завязанную веревку через трубу (обычно простую трубу из ПВХ), заставляя воду подниматься в трубу. Этот тип насоса стал распространенным в Никарагуа и других местах. [ необходима цитата ]
Чтобы построить ветряной насос, лопастной ротор должен быть согласован с насосом. В неэлектрических ветряных насосах роторы высокой прочности лучше всего использовать в сочетании с насосами объемного вытеснения (поршневыми), поскольку поршневым насосам одностороннего действия требуется примерно в три раза больше крутящего момента для запуска, чем для поддержания их работы. Роторы низкой прочности, с другой стороны, лучше всего использовать с центробежными насосами , насосами с водяной лестницей и цепными и промывочными насосами, где крутящий момент, необходимый насосу для запуска, меньше, чем необходимый для работы на расчетной скорости. Роторы низкой прочности лучше всего использовать, если они предназначены для привода электрогенератора; который, в свою очередь, может приводить в действие насос. [10]
Многолопастные ветровые насосы можно найти по всему миру, они производятся в США, Аргентине, Китае, Новой Зеландии, Южной Африке и Австралии. Обычно известны в США и Канаде как «флюгер», потому что ведут себя во многом как традиционный флюгер, двигаясь в соответствии с направлением ветра (но также измеряя скорость ветра). Бренд Butler внес усовершенствования в технологию ветровых насосов в 1897, 1898 и 1905 годах [11] Ветровой насос диаметром 16 футов (4,8 м) может поднимать до 1600 галлонов США (около 6,4 метрических тонн) воды в час на высоту 100 футов при ветре со скоростью 15–20 миль в час (24–32 км/ч). [12] Однако для их запуска требуется сильный ветер, поэтому они проворачивают рукоятку поршневого насоса. Ветровые насосы требуют небольшого обслуживания — обычно только ежегодной замены масла в коробке передач. [13] По оценкам, в Соединенных Штатах все еще используется около 60 000 ветровых насосов. Они особенно привлекательны для использования в удаленных местах, где нет электроэнергии и сложно обеспечить техническое обслуживание. [14] Обычный многолопастной ветровый насос с пользой качает около 4–8% годовой энергии ветра, проходящей через площадь, которую он охватывает [15] [16] Это более низкое преобразование обусловлено плохим соответствием нагрузки между ветровыми роторами и поршневыми насосами с фиксированным ходом.
Главной конструктивной особенностью многолопастного ротора является «высокий пусковой крутящий момент», который необходим для запуска поршневого насоса. После запуска многолопастной ротор работает при слишком высоком коэффициенте концевой скорости при эффективности ниже 30%. [17] С другой стороны, современные ветровые роторы могут работать с аэродинамической эффективностью более 40% при более высоком коэффициенте концевой скорости для меньшего вихря, добавляемого и теряемого ветром. [17] Но им понадобится механизм с высокой степенью изменения хода, а не просто кривошипно-поршневой насос. [ требуется цитата ]
Многолопастная ветряная мельница — это механическое устройство с поршневым насосом. Поскольку поршневой насос имеет фиксированный ход, потребность в энергии этого типа насоса пропорциональна только скорости насоса. С другой стороны, подача энергии ветряным ротором пропорциональна кубу скорости ветра. Из-за этого ветряной ротор работает на повышенной скорости (большей скорости, чем необходимо), что приводит к потере аэродинамической эффективности.
Переменный ход будет соответствовать скорости ротора в зависимости от скорости ветра, функционируя как «генератор переменной скорости». Скорость потока переменного хода ветрового насоса может быть увеличена в два раза по сравнению с фиксированным ходом ветрового насоса при той же скорости ветра. [18]
Поршневой насос имеет очень легкую фазу всасывания, но подъем тяжелый и создает большой обратный момент на пусковом роторе, когда кривошип горизонтален и поднимается. Противовес на кривошипе вверху башни и рыскание в направлении ветра может, по крайней мере, распространить момент на спуск кривошипа. [ необходима цитата ]
Хотя многолопастные ветровые насосы основаны на проверенной технологии и широко используются, у них есть основные проблемы, упомянутые выше, и им необходим практичный механизм переменного хода. [ необходима цитата ]
Между 1988 и 1990 годами в Центре сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Техасе были испытаны ветряные насосы с переменным ходом, основанные на двух запатентованных конструкциях (патент Дона Э. Эвери № 4.392.785, 1983 г. и патент Элмо Г. Харриса № 617.877, 1899 г.). [18] Системы управления ветряными насосами с переменным ходом были механическими и гидравлическими; однако эти эксперименты не привлекли внимания ни одного производителя ветряных насосов. После экспериментов с этим ветряным насосом с переменным ходом исследования были сосредоточены на ветроэлектрических системах перекачки воды; коммерческих ветряных насосов с переменным ходом пока не существует. [ необходима ссылка ]
В Канаде были разработаны порхающие ветровые насосы с ходом насоса, сильно изменяющимся с амплитудой, чтобы поглощать всю переменную мощность ветра и не давать однолопастному движению слишком далеко выходить за пределы горизонтального положения от его вертикального среднего положения. Они намного легче и используют меньше материала, чем многолопастные ветровые насосы, и могут эффективно качать в более слабых ветровых режимах. [19] [20]
Турецкий инженер перепроектировал технологию ветрового насоса с переменным ходом, используя современное электронное контрольное оборудование. Исследования начались в 2004 году при поддержке правительственных НИОКР. Первые коммерческие ветровые насосы с переменным ходом нового поколения были разработаны после десяти лет НИОКР. Конструкция ветрового насоса с переменным ходом мощностью 30 кВт включает в себя современный ветровые ротор типа Дарье, противовес и технологию рекуперативного тормоза. [21]
Используя ветровую турбину с вертикальной осью, можно решить проблему перенаправления крутящего момента турбины с горизонтальной на вертикальную ось, тем самым создав базовое соединение вала между турбиной и насосом. [22] Прямое соединение может создать более эффективный ветряной насос. Например, объединение системы VAWP с системой капельного орошения высокого давления (HP-VAWP) может привести, при надлежащей оптимизации, к повышению эффективности в два-три раза по сравнению с традиционными ветряными насосами. [23]
В Нидерландах tjasker — это дренажная мельница с общими парусами, соединенными с архимедовым винтом . Она используется для перекачивания воды в районах, где требуется лишь небольшой подъем. Ветровой вал установлен на треноге, что позволяет ему вращаться. Архимедов винт поднимает воду в собирающее кольцо, откуда она отводится в канаву на более высоком уровне, таким образом осушая землю. [24]
В Таиланде ветряные насосы традиционно строятся по китайским образцам. Эти насосы изготавливаются из бамбуковых шестов, скрепленных проволокой, на которых закреплены паруса из ткани или бамбуковых матов; лопастной насос или насос для водяной лестницы крепится к тайскому лопастному ротору. Они в основном используются в соляных ваннах , где требуемый подъем воды обычно составляет менее одного метра. [25]
