ВЕТРОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА
WIND PUMP UNIT

Изобретение относится к средствам механизации и может быть использовано для водоснабжения отгонных пастбищ и садовых участков.
Известна ветронасосная установка [1], содержащая ветротурбину, кинематически связанную со штангой поршневого насоса через вал и кривошип. При этом плечо кривошипа с целью изменения хода поршня и согласования тем самым моментных характеристик турбины и насоса регулируется.
Недостатком данной ветронасосной установки является то, что регулирование осуществляется не по отклонению регулируемой величины от заданной, а по возмущению. Это не обеспечивает работу ветротурбины с максимальным коэффициентом использования энергии ветра при различных скоростях ветра и различных величинах момента сопротивления поршневого насоса. Кроме того, система регулирования кинематически сложна, имеет большое количество трущихся частей, громоздкую и ненадежную конструкцию.
Это снижает производительность и надежность ветронасосной установки в целом, и, как следствие, снижает эффективность использования ветронасосной установки.
Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности ветронасосной установки.
Технический результат достигается за счет того, что в ветронасосной установке, содержащей силовую ветротурбину, кинематически связанную через силовой вал и расположенный на нем кривошип переменного радиуса вращения со штангой поршневого насоса, шарнирно присоединенной к пальцу кривошипа, силовой вал имеет сквозное концентрическое отверстие, через которое пропущен вспомогательный вал, одним концом связанный со вспомогательной ветротурбиной, установленной с возможностью вращения на силовом валу, а другим концом - зубчатым зацеплением с шестерней, установленной на промежуточной оси кривошипа, при этом палец кривошипа закреплен на шестерне со смещением относительно ее оси, а синхронная быстроходность вспомогательной ветротурбины равна быстроходности, при которой коэффициент использования энергии ветра силовой ветротурбины имеет максимальное значение.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежом (Фиг. 1, 2 и 3).
Ветронасосная установка содержит силовую ветротурбину 1, кинематически связанную со штангой 2 поршневого насоса (на чертеже не показан) через силовой вал 3 и жестко закрепленный на нем кривошип 4. Силовой вал 3 имеет сквозное концентрическое отверстие, через которое пропущен вспомогательный вал 5. Одним концом вспомогательный вал через блок шестерен 6, 7 и 8 кинематически связан со вспомогательной ветротурбиной 9, а другим концом зубчатым зацеплением связан с шестерней 10, установленной с возможностью вращения на промежуточной оси 11 кривошипа 4 и являющейся составной его частью. Штанга 2 поршневого насоса шарнирно связана с закрепленным на шестерне 10 со смещением относительно ее оси пальцем 12 кривошипа 4. Углы заклинивания лопастей ветротурбин рассчитаны таким образом, что синхронная быстроходность вспомогательной ветротурбины равна быстроходности, при которой коэффициент использования энергии ветра силовой ветротурбины имеет максимальное значение. Для большинства ветротурбин эта быстроходность примерно в два раза меньше их синхронной быстроходности.
Работает ветронасосная установка следующим образом.
При слабом ветре силовая ветротурбина не в состоянии преодолеть момент трогания поршневого насоса и поэтому не вращается. В то же время вспомогательная ветротурбина при достаточно большом передаточном отношении от ее оси к шестерне 10 работает в режиме, близком к режиму холостого хода. Через зубчатое зацепление она приводит во вращение шестерню 10, по часовой стрелке, если смотреть по направлению А. При этом расстояние между осями пальца 12 и вспомогательного вала 5, являющееся плечом приложения силы к штанге 2 поршневого насоса, уменьшается. Уменьшается, следовательно, и момент сопротивления насоса на силовом валу 3 силовой ветротурбины 1.
Как только этот момент сопротивления станет меньше момента, развиваемого силовой ветротурбиной, она стронется с места и начнет увеличивать частоту вращения. Когда частоты вращения ветротурбин сравняются, уменьшение плеча приложения силы к штанге насоса прекратится, прекратится и нарастание частоты вращения силовой ветротурбины. Наступит установившийся для данной скорости ветра оптимальный режим, при котором силовая ветротурбина будет вращаться с быстроходностью, соответствующей для этой турбины максимальному коэффициенту использования энергии ветра. Поэтому силовая ветротурбина будет передавать на поршневой насос максимальную мощность при данной скорости ветра, обеспечивая максимальную производительность насоса.
Если произойдет увеличение скорости ветра, быстроходность силовой ветротурбины вследствие увеличения ее частоты вращения станет больше оптимальной. При этом коэффициент использования энергии ветра станет меньше его максимального для данной ветротурбины значения. Турбина будет передавать на поршневой насос меньшую мощность, чем она могла бы передавать ее при этой скорости ветра, работая в оптимальном режиме. В то же время вспомогательная ветротурбина будет иметь синхронную быстроходность согласно условию ее выбора, равную оптимальной быстроходности главной ветротурбины, т.е. ее частота вращения будет меньше частоты вращения главной ветротурбины. Таким образом, направление вращения вала 5 вспомогательной ветротурбины по отношению к валу 3 главной ветротурбины изменится по сравнению с первоначальным на противоположное. Шестерня 10 начнет вращаться против часовой стрелки, плечо приложения сил увеличиваться, момент сопротивления валу силовой ветротурбины также увеличиваться, а частота вращения постепенно уменьшаться в конечном итоге до оптимальной частоты вращения для этой увеличенной скорости ветра. При этом частоты вращения силового и вспомогательного валов опять сравняются, вращение шестерни и вследствие этого увеличение плеча приложения сил прекратится. Силовая ветротурбина перейдет в новый установившийся режим с максимальной для данной скорости ветра отдачей энергии.
В случае уменьшения скорости ветра все процессы перехода ветротурбины в новый установившийся режим с оптимальной для этой скорости ветра быстроходностью будут протекать в порядке, обратном описанному выше.
Таким образом, благодаря заявляемому техническому решению ветронасосная установка будет иметь при всех рабочих скоростях ветра максимально возможную для этих скоростей ветра производительность. А отсутствие в ее конструкции громоздких, скользящих друг относительно друга деталей предопределяет ее высокую эксплуатационную надежность. Все это в конечном итоге повышает эффективность использования такой ветронасосной установки.
Источники информации:
1. Я.И. Шефтер, И.В. Рождественский. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. Издательство министерства сельского хозяйства СССР. Москва - 1967. С.56.