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.

в 8 10 а /4 Число оборотов насосо

IB 13 го 22 п об/мин

О 6 12 15 2^ 30 36 42 4в ■ 54 60 66 72 поВ/мин Число оборотов ветроколесо

Рис. 47. Совмещенные характеристики мощности ветродвигателя ТВ-5 и поршневого иасоса;

/ — характеристика поршневого насоса. // — кривые мощностей ветродвигателя.

Наибольшее распространение получили поршневые насосы как самые простые. Но поршневые насосы, обладая свойством самовсасьшания, 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 стра-гивания 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 б м в секунду. Тогда число оборотов ветродвигателя будет возрастать до тех пор, пока мощность, потребляемая насосом, не станет равной мощности ветродвигателя при числе оборотов Hi (точка В). Как видим, при этой скорости ветра поршневой насос будет только частично загружать ветродвигатель. Число оборотов ветроколеса пропорционально скорости ветра, а мощность ветродвигателя изменяется пропорционально кубу скорости ветра. В то же время мощность, потребляемая насосом, пропорциональна первой степени числа ходов насоса, или числа оборотов ветродвигателя. Слег довательно, при увеличении числа ходов в два раза мощность, потребляемая насосом, также увеличится в два раза, мощность же ветродвигателя при этом возрастет в 8 раз.

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:

Na.лв. =УЮ25 „ KV3 - К, • П;(Л. с.)

где: \ — коэффициент использования энергии ветра, который при полной загрузке ветродвигателя равен постоянной величине,

D — диаметр ветроколеса в метрах, V — скорость ветра в м/сек., ■ n^jj — число оборотов ветроколеса,

К, Ki — коэффициенты, в которые входят все неизменные величины, характеризующие данный ветродвигатель. Это равенство определяет условия наилучшего использования ветронасосного агрегата.

В то же время выражение мощности, потребляемой поршневым насосом, может быть представлено следующей простой формулой:

N„,c. =

_ Q • Н ^ Рд • h • пв.к. • i • Н

75 • 1„ас.

60 ■ 75 • Ti^a,.

К, • h • п„

где: Q — производительность насоса /л/сек/, Н — напор, с которым работает насос /м/,

■"iHac. — к. п. д. насоса, рц — площадь поршня насоса (дц*), h ~ ход поршня /дц/, I — передаточное отношение передачи от насосу,

ветроколеса к

"в.к. "нас. — соответственно число оборотов ветроколеса и вала кривошипно-шатунного механизма.

Что касается требования малого числа ходов поршня насоса, то оно объясняется тем, что поршневой насос подает воду не непрерывно, а порциями, приводя при этом в движение не только столб воды, находящийся над поршнем, но и штанги. Вес штанг при этом может достигать большой величины, особенно если вода поднимается с больших глубин. Увеличение числа ходов поршня приводит к возникновению ударов в штангах, их разрыву, а также к возникновению гидравлических ударов в трубах, что приводит к порче насоса.

Чем же объясняется, что для поршневого насоса требуется большой начальный момент при пуске его в работу?

Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как меняется момент сопротивления на кривошипе насоса за один ход поршня (рис. 48).

За один ход поршня момент на кривошипе, т. е. момент нагрузки на валу двигателя, который приводит насос, изменяется пропорционально косинусу угла поворота кривошипа согласно формуле:

Мнас. =P-R-Cos<p*,

где: Р — усилие на штанге насоса (кг),

R —радиус кривошипа, равный половине хода поршня (м), ® — угол поворота кривошипа относительно вертикального положения, C0S9 — косинус угла поворота.

Когда кривошип находится в вертикальном (верхнем или нижнем) положении, то момент сопротивления насоса равен нулю. При движении поршня насоса из нижнего положения в верхнее момент сопротивления возрастает и становится в 3,14 раза больше некоторого среднего момента, который ветродвигатель преодолевает в процессе работы.

Средний же момент за один оборот кривошипа может быть определен делением заштрихованной площадки, огибаемой синусоидой, характеризующей изменение момента сопротивления на валу кривошипа за один оборот, на весь угол поворота кривошипа, т. е. на угол 2я, или 360°.

Таким образом, максимальный момент сопротивления на валу кривошипа более чем в 3 раза выше среднего момента сопротивления, с которым работает ветродвигатель. Если во время работы ветродвигателя этот максимальный момент преодолевается за счет использования кинетической энергии ветроколеса, то при трогании с места он должен быть преодолен за счет момента вращения, создаваемого ветроколесом. Отсюда становится понят-

* Это уравнение является приближенным, так как усилие Р на кривошипе непостоянно. Однако в связи с тем, что угол <f очень мал, можно принять, что усилие Р на штанге насоса приближенно равно усилию Р. 62

ным, что ветродвигатели, которые используются для приведения в действие поршневых насосов, должны обладать большим моментом при трогании с места с тем, чтобы иметь возможность начинать работу при относительно малых скоростях ветра.

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:

/ — ведущее колесо, 2 — ведомое колесо, 3 — шатун, 4—штанга насоса, S—насос.

Положение 1—3—5 — ход поршня BfBepx — 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 ветронасосным 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 насосамш

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 вьшолнено и на ветродвигателе ТВ-5.

Ветродвигатель УТВ-5 имеет ветроколесо велосипедного типа / 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:

/ — ветроколесо велосипедного типа, 2 и 3 — верхний н

нижний редукторы, 4 — приводной шкнв,

5— плоскоременная передача,

6— универсальная водоподъем-

ная лебедка, 7 — хвост, 8 — башня, 9 — лебедка пуска и остановки двигателя, W — насосные трубы.

64

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 заключаетсячВ 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 кормоперерабатыва-ющих 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 ветрона-сосном агрегате, ■приводящем в движение поршневой насос, это повышение числа оборотов нецелесообр азно.

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

5. 72!65

Рис. 50. Универсальная водоподъемная лебедка:

; — малые (ведущие) шестерни; 2 — большие (ведомые) шестерни, 3 — палец кривошипа, 4 — штанга насоса, 5 — направляющие стержни, 6 — направляйщий ролик, 7 — нагнетательная труба, 8 — воздушный колпак, 9 — обратный клапан.