Ветронасосная установка с регулируемой производительностью
WIND PUMP UNIT WITH ADJUSTABLE PRODUCTIVITY

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к  ветронасосным установкам.
Изобретение направлено на повышение эффективности ветронасосной установки.
Известна ветронасосная установка [1], содержащая поворотную опору с ветроколесом, кинематически связанный с валом последнего двуплечий рычаг, опирающийся на опору, шарнирно соединенную с плечом рычага, вертикальную тягу и насос, рабочий орган которого связан с нижним концом вертикальной тяги, причем кинематическая связь двуплечего рычага с валом ветроколеса выполнена в виде ролика, установленного на одном конце двуплечего рычага, и кулачка, закрепленного на валу и взаимодействующего с роликом.
Недостатком данной ветронасосной установки является то, что ход рабочего органа насоса и, соответственно, производительность насоса, не регулируется  в зависимости от скорости ветра.  При любых скоростях ветра, от минимума до максимума в пределах заданных конструкцией ветроколеса значений,  ход рабочего органа (поршня) насоса  имеет постоянное значение. Это приводит  к низкой эффективности ветронасосной установки по отношению к максимально возможной при больших скоростях ветра.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой ветронасосной установке является ветронасосная установка [2].  В ее конструкция предусматривается возможность изменения хода поршня в зависимости от скорости ветра. Для этого дополнительно используется вспомогательную ветротурбину (ветроколесо)  и множество зубчатых колес, которые,  в зависимости от скорости ветра,  изменяют плечо кривошипного  механизма, приводящего в движение поршень насоса.
Ветронасосная установка содержит 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. При увеличении скорости ветра вспомогательная турбина через зубчатые шестерни приводит к увеличению плеча кривошипа, следовательно, увеличивается ход  поршня  и производительность насоса. В случае уменьшения скорости ветра процесс изменения хода идет в обратную сторону.
Недостатки данной конструкции: чрезвычайная сложность конструкции, следовательно, низкая надежность и недолговечность устройства.
Цель предлагаемого изобретения – повышение надежности и эффективности ветронасосной установки, упрощение и удешевление конструкции. Изобретение направлено на достижение максимальной производительности,  возможной  при всех рабочих  скоростях  ветра.
Указанная цель достигается тем
что в заявляемой
дополнительно содержит
,  ветронасосной установке, содержащей мачту, ветроколесо, поворотную опору,  верхний двухплечий рычаг (который в середине опирается  на опору), у которого конец одного из плеч взаимодействует с кулачком на валу ветроколеса, второй конец рычага шарнирно соединен к верхнему концу вертикальной тяги,   нижний одноплечий рычаг, к середине которого шарнирно закреплен нижний конец вертикальной тяги,  цилиндрическую шестерню с продольными зубьями,     на которую опирается один конец   одноплечего рычага, на верхней поверхности которого имеются зубья, идентичные зубьям шестерни,  другой конец  рычага шарнирно соединен со штоком поршневого насоса, две зубчатые рейки, расположенные по бокам рычага параллельно ему и в одной с ним плоскости и находящиеся в жесткой связи с мачтой, шестерня имеет возможность перемещаться вдоль плеча рычага (и реек)   в горизонтальной плоскости, находясь одновременно в зацеплении с рычагом и рейками.
Цилиндрическая шестерня является точкой  опоры для   нижнего одноплечего рычага, установлена перпендикулярно рычагу, находится в зацеплении с зубьями рычага и обеих реек и имеет    возможность перемещаться в горизонтальной плоскости вдоль нижнего рычага. При перемещении шестерни, являющейся точкой опоры рычага, по отношению к точке приложения силы вертикальной тяги, происходит изменение соотношения плеч и, соответственно, изменение длины хода штока насоса.
одноплечий рычаг 8, к середине которого закреплен нижний конец вертикальной тяги, один конец опирается на   цилиндрическую  шестерню  9 с продольными зубьями, а другой конец нижнего рычага 8 шарнирно соединен со штоком поршневого насоса 10.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом  на фиг. 1, фиг.2, где показано устройство  ветронасосной установки. Ветронасосная установка с регулируемой производительностью содержит: ветроколесо 1, на валу 2 которого закреплен кулачок 3, двуплечий рычаг  4, один конец которого кинематически связан с кулачком 3, в середине опирающийся на опору 5, а другим концом с вертикальной тягой 7, мачту 6,     Шестерня находится в корпусе 13, в боковых стенках которого вырезаны сквозные пазы для оси шестерни, Корпус жестко  закреплен к мачте.   Верхняя поверхность  рычага 8 от его начала до точки крепления вертикальной тяги (левой на фиг. 1) имеет поперечные зубья того же размера, что у шестерни 9.    В корпусе 13, параллельно нижнему рычагу 8  и в одной плоскости с ним, установлены еще две зубчатые рейки 12,   имеющие такие же зубья, как на шестерне. Длина шестерни равна  ширине всех реек, поэтому рычаг и обе рейки одновременно  находятся в зацеплении с шестерней. Шестерня 9 является точкой опоры рычага 8, вокруг которого рычаг может совершать колебательные движения по отношению к шестерне. Шестерня имеет возможность перемещения вдоль реек от начала нижнего рычага до точки соединения с вертикальной тягой,  одновременно находясь в зацеплении с рычагом и зубчатыми рейками. Так как боковые зубчатые рейки жестко соединены в корпусе 13, который, в свою очередь, жестко закреплен к мачте, исключается возможность горизонтального перемещения рычага относительно мачты и, соответственно, относительно вертикальной тяги. Для фиксации шестерни в выбранном положении служит тормоз в виде подпружиненной зубчатой рейки 15,  шарнирно соединенный с корпусом 13 и установленный сверху шестерни таким образом, что ее зубья могут находиться в зацеплении с зубьями шестерни. Для перемещения шестерни рейка 15  приподнимается  и выходит из зацепления с шестерней. Постоянное прижатие плеча рычага к шестерне обеспечивается  возвратной пружиной 14 поршневого насоса 11.
Перемещение  шестерни, являющейся точкой опоры для нижнего одноплечего рычага,  вдоль  нижнего рычага, приводит к  изменению  расстояния от точки опоры до точки приложения силы тяги  при неизменном расстоянии от точки приложения силы тяги до точки крепления штока насоса к плечу рычага. При этом  происходит  изменение  длины перемещения конца рычага в точке крепления штока насоса, что   является изменением хода поршня и, соответственно, производительности ветронасосной установки.
Технический результат заключается в повышении производительности и эффективности ветронасосной  установки   за счет обеспечения оптимальной для различных скоростей ветра загрузки ветроколеса путем изменения хода поршня.
1
0
1
1
Принцип изменения длины хода поршня показан на фиг.3. Длина хода поршня определяется соотношением плеч (ОС) и (ОВ) рычага. Расстояние от точки (С) крепления тяги к рычагу до точки (В) крепления штока насоса к рычагу не меняется и является постоянным конструктивным параметром. Постоянным является и длина (СС) хода вертикальной тяги, которая определяется только размерами кулачка и верхнего рычага. Чем дальше  точка (О) опоры нижнего рычага располагается от точки (С) крепления тяги к рычагу (точка приложения силы тяги), тем меньше будет перемещение (В) конца  рычага в точке крепления штока поршня и его ход в вертикальной плоскости, на фиг.3 – расстояние (ВВ). Если же точка опоры (О) переместить ближе к точке (С) крепления тяги к рычагу и займет положение (О), ход поршня увеличится, на фиг.3 – расстояние (ВВ).
Ветронасосная установка работает следующим образом:
Вращение ветроколеса 1, посредством кулачка 3, фиг.1. и  фиг.2, приводит один конец верхнего двуплечего рычага 4 в возвратно-поступательное движение. При этом  вертикальная тяга 7, закрепленная своим верхним концом к другому концу  верхнего рычага, также совершает возвратно-поступательное движение.  Так как нижний конец вертикальной тяги закреплен к середине нижнего одноплечего рычага 8, а один конец нижнего рычага (на фиг.1 – левый) опирается на шестерню 9, которая служит точкой опоры, то другой конец нижнего рычага приводит шток 10 (и поршень11) насоса в возвратно поступательное движение.
Регулирование хода поршня (и производительности ветронасосной установки) осуществляется  перемещением шестерни, являющейся точкой опоры, влево или вправо в пределах от начала рычага до точки крепления тяги к рычагу. Выбранное положение шестерни фиксируется зубчатой тормозной планкой 15, фиг.1 и фиг. 2. которая своими зубьями входит  в зацепление с шестерней 9 и не дает ей перемещаться произвольно. Для перемещения шестерни необходимо приподнять рейку 15 и вывести ее из зацепления с шестерней.
При малых скоростях ветра, когда могут быть проблемы с запуском ветроколеса,  необходимо переместить  шестерню максимально дальше от точки приложения силы тяги, что  приводит к уменьшению хода поршня и увеличению силы, действующей на шток насоса.
При больших скоростях ветра (больше номинальных и до критических значений)  увеличение производительности ветронасоса происходит, частично, за счет увеличения частоты вращения ветроколеса, но при этом падает эффективность лопастей, рассчитанных под номинальные скорости вращения, т.е. происходит  уменьшение эффективности ветроколеса. Ветроколесо будет передавать на поршневой насос меньшую мощность, чем оно могло бы передавать при этой скорости ветра, работая в оптимальном режиме. Для более полного использования энергии ветра в таком случае необходимо увеличить ход поршня и, соответственно, производительность насоса. Для увеличения хода поршня необходимо переместить точку опоры (шестерню) ближе к точке приложения силы тяги.
Таким образом, благодаря заявляемому техническому решению ветронасосная установка будет иметь при всех рабочих скоростях ветра максимальную   производительность. Простота конструкции и отсутствие трущихся   деталей обеспечивает ее высокую эксплуатационную надежность.
Цитированные источники
1 Патент на полезную модель RU11 271U1, заявка № 99101740/20, 28.01.1999.
2.Патент RU2656768С1, заявка №2017106214, 22.02.2017.