Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Windpump представляет собой тип ветряной мельницы , которая используется для перекачивания воды.

Де Олифант в Бурдаарде , Фрисландия

Ветряные насосы использовались для перекачивания воды по крайней мере с 9 века на территории нынешних Афганистана , Ирана и Пакистана . [1] Использование ветряных насосов стало широко распространенным в мусульманском мире, а затем распространилось на Китай и Индию . [2] Позднее ветряные мельницы широко использовались в Европе, особенно в Нидерландах и районе Восточной Англии в Великобритании , начиная с позднего средневековья , для осушения земель в сельскохозяйственных или строительных целях.

Работа Саймона Стевина в гидросистеме включала усовершенствование шлюзов и водосбросов для борьбы с наводнениями . Ветряные мельницы уже использовались для откачки воды, но в Van de Molens (« На мельницах» ) он предложил улучшения, в том числе идею о том, что колеса должны двигаться медленно, и лучшую систему зацепления зубьев шестерен . Эти улучшения увеличили эффективность ветряных мельниц, используемых для откачки воды из польдеров , в три раза. [3] Он получил патент на свое изобретение в 1586 году. [4]

Ветряные мельницы от восьми до десяти лопастей использовались в регионе Мерсия , Испания , для подъема воды для целей орошения. [5] Привод от ротора ветряной мельницы был направлен вниз через башню и обратно через стену, чтобы вращать большое колесо, известное как нория . В нории поддерживается ведро цепи , которая свисала вниз в колодец. Ведра традиционно делались из дерева или глины. Эти ветряные мельницы использовались до 1950-х годов, и многие башни до сих пор стоят.

Ранние иммигранты в Новый Свет привезли из Европы технологию ветряных мельниц. [6] На фермах США, особенно на Великих равнинах , использовались ветряные насосы для откачки воды из сельскохозяйственных колодцев для скота. В Калифорнии и некоторых других штатах ветряная мельница была частью автономной внутренней системы водоснабжения, включая выкопанный вручную колодец и водонапорную башню из красного дерева, поддерживающую резервуар из красного дерева и окруженную сайдингом из красного дерева ( резервуар ). Саморегулирующийся ветряной насос для фермы был изобретен Дэниелом Халладеем в 1854 году. [6] [7] [8]В конце концов, стальные лопасти и стальные башни заменили деревянную конструкцию, и на пике своего развития в 1930 году в эксплуатации находилось около 600 000 единиц мощности, эквивалентной 150 мегаваттам. [9] Очень большие легкие ветряные насосы в Австралии напрямую запускают насос вместе с ротором ветряной мельницы. Дополнительная обратная передача между небольшими роторами для районов с сильным ветром и кривошипом насоса предотвращает попытки толкнуть штоки насоса вниз при ходе вниз быстрее, чем они могут упасть под действием силы тяжести. В противном случае слишком быстрое перекачивание приведет к изгибу насосных штоков, что приведет к утечке уплотнения сальника и износу стенки восходящей магистрали (Великобритания) или отводной трубы (США), что приведет к потере всей производительности.

Многолопастный ветряной насос или ветряная турбина на решетчатой ​​башне из дерева или стали, следовательно, на многие годы стали неотъемлемой частью ландшафта всей сельской Америки. Эти мельницы, изготовленные различными производителями, имели множество лопастей, поэтому они медленно вращались со значительным крутящим моментом при умеренном ветре и саморегулирулись при сильном ветре. Редуктор с верхней частью башни и коленчатый вал преобразовывали вращательное движение в возвратно-поступательные ходы, передаваемые вниз через шток к цилиндру насоса, расположенному ниже. Сегодня растущие затраты на электроэнергию и усовершенствованные насосные технологии увеличивают интерес к использованию этой, когда-то находящейся в упадке технологии.

Использование во всем мире [ править ]

Работающий деревянный Windpump на Болота в Кембриджшир , Великобритания

Нидерланды хорошо известны своими мельницы. Большинство этих знаковых построек, расположенных по краю польдеров , на самом деле являются ветряными насосами, предназначенными для осушения земли. Это особенно важно, поскольку большая часть страны находится ниже уровня моря .

В Великобритании термин « ветряные насосы» используется редко, и они более известны как дренажные ветряные мельницы . Многие из них были построены в бабах и болотами в Восточной Англии для слива земли, но большинство из них с тех пор были заменены на дизельное топливо или электрическим приводом насосов. Многие из оригинальных ветряных мельниц до сих пор находятся в заброшенном состоянии, хотя некоторые были восстановлены.

Ветряные насосы широко используются в Южной Африке , Австралии, а также на фермах и ранчо в центральных равнинах и на юго-западе США. В Южной Африке и Намибии до сих пор работают тысячи ветряных насосов. Они в основном используются для обеспечения водой людей, а также питьевой водой для крупных овец.

Кения также извлекла выгоду из развития технологий ветряных насосов в Африке. В конце 1970-х годов британская неправительственная организация Intermediate Technology Development Group оказала инженерную поддержку кенийской компании Bobs Harries Engineering Ltd в разработке ветряных насосов Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd до сих пор производит ветряные насосы Kijito, и более 300 из них работают по всей Восточной Африке .

Во многих частях мира канатный насос используется вместе с ветряными турбинами. Этот простой в сборке насос работает, протягивая веревку с узлами через трубу (обычно простую трубу из ПВХ), заставляя воду втягиваться в трубу. Этот тип насоса стал обычным явлением в Никарагуа и других местах.

Строительство [ править ]

Чтобы построить ветряной насос, необходимо согласовать лопастной ротор с насосом. В случае неэлектрических ветряных насосов роторы с высокой прочностью лучше всего использовать в сочетании с поршневыми насосами прямого вытеснения, поскольку поршневым насосам одностороннего действия для запуска требуется примерно в три раза больше крутящего момента, чем для поддержания их работы. С другой стороны, роторы с низкой прочностью лучше всего использовать с центробежными насосами , водяными насосами , цепными насосами и насосами для промывки , где крутящий момент, необходимый насосу для запуска, меньше необходимого для работы с расчетной скоростью. Роторы с низкой прочностью лучше всего использовать, если они предназначены для привода электрогенератора; который, в свою очередь, может приводить в действие насос. [10]

Многолопастные ветряные насосы [ править ]

Водяной насос с ветровым приводом на ферме Оук-Парк, Шедд, Орегон.

Многолопастные ветряные насосы можно найти по всему миру, они производятся в США, Аргентине, Китае, Новой Зеландии, Южной Африке и Австралии. Обычно известный в США и Канаде как «флюгер», потому что он ведет себя так же, как традиционный флюгер, движется вместе с направлением ветра (но также измеряет скорость ветра). Бренд Butler внес усовершенствования в технологию ветряных насосов в 1897 году. 1898 и 1905 [11] Ветровая помпа 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 скорости ветра от 15 до 20 миль в час (24–32 метрических тонны). км / ч). [12] Однако для запуска им нужен сильный ветер, поэтому они поворачивают кривошип поршневого насоса. Ветряные насосы не требуют особого обслуживания - обычно меняют только масло в коробке передач ежегодно. [13]Приблизительно 60 000 ветряных насосов все еще используются в Соединенных Штатах. Они особенно привлекательны для использования на удаленных объектах, где нет электричества и трудно обеспечить техническое обслуживание. [14] Обычный ветряной насос с несколькими лопастями обычно перекачивает около 4-8% годовой ветровой энергии, проходящей через область, которую он перемещает [15] [16] Это более низкое преобразование связано с плохим согласованием нагрузки между ветровыми роторами и фиксированным ходом. поршневые насосы.

Основные проблемы многолопастных ветряных насосов [ править ]

Неэффективный ротор [ править ]

Заброшенный резервуар для воды с ветряной мельницей на заднем плане

Основной конструктивной особенностью многолопастного ротора является «высокий пусковой момент», необходимый для запуска поршневого насоса. После пуска многолопастной ротор работает со слишком высоким передаточным числом, а его КПД меньше 30%. [17] С другой стороны, современные ветряные роторы могут работать с аэродинамической эффективностью более 40% при более высоком передаточном числе для меньшего завихрения, добавляемого и рассеиваемого ветром. [17] Но им потребуется механизм с очень регулируемым ходом, а не просто кривошипно-поршневой насос.

Плохое соответствие нагрузки [ править ]

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, запас энергии ветряного ротора пропорционален кубу скорости ветра. Из-за этого ветряной ротор работает с избыточной скоростью (больше, чем необходимо), что приводит к потере аэродинамической эффективности.

Переменный ход будет соответствовать скорости ротора в зависимости от скорости ветра, работая как «генератор с регулируемой скоростью». Скорость потока ветряных насосов с регулируемым ходом можно увеличить в два раза по сравнению с ветряными насосами с фиксированным ходом при той же скорости ветра. [18]

Циклическое изменение крутящего момента [ править ]

Поршневой насос имеет очень легкую фазу всасывания, но ход вверх тяжелый и создает большой обратный момент на пусковом роторе, когда кривошип находится в горизонтальном положении и поднимается. Противовес на кривошипе вверх в башне и рыскание с направлением ветра может, по крайней мере, распространить крутящий момент на спуск кривошипа.

Разработка улучшенных ветряных насосов [ править ]

Ветряная мельница-патент-рисунок-из-1889-винтаж-выдержка
Патент на ветряную мельницу Олдрича из 1889 г.

Хотя многолопастные ветряные насосы основаны на проверенной технологии и широко используются, они имеют фундаментальные проблемы, упомянутые выше, и нуждаются в практическом механизме переменного хода.

Эксперименты Министерства сельского хозяйства США в Техасе [ править ]

В период с 1988 по 1990 год ветряной насос с регулируемым ходом был испытан в Центре сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Техасе на основе двух запатентованных конструкций (Патент Дона Э. Эйвери № 4.392.785, 1983 г. и Патент Элмо Г. Харриса № 617.877, 1899 г.). [18] Системы управления ветровыми насосами с регулируемым ходом хода были механическими и гидравлическими; однако эти эксперименты не привлекли внимания ни одного производителя ветряных насосов. После экспериментов с этим ветряным насосом с регулируемым ходом, исследования были сосредоточены на ветроэлектрических системах водоснабжения; коммерческой ветряной помпы с регулируемым ходом еще не существует.

Трепетание ветряных насосов [ править ]

В Канаде были разработаны порхающие ветряные насосы, в которых ход насоса сильно меняется с амплитудой, чтобы поглощать всю переменную мощность ветра и не позволять лопасти раскачиваться слишком далеко за горизонтальное расстояние от его среднего вертикального положения. Они намного легче и потребляют меньше материала, чем многолопастные ветряные насосы, и могут эффективно перекачивать при более слабом ветровом режиме. [19] [20]

Винтовой насос с регулируемым ходом [ править ]

Турецкий инженер переработал технологию ветряных насосов с регулируемым ходом, используя современное электронное оборудование управления. Исследования начались в 2004 году при государственной поддержке НИОКР. Первые коммерческие ветряные насосы с регулируемым ходом нового поколения были разработаны после десяти лет исследований и разработок. Конструкция ветряного насоса с регулируемым ходом 30 кВт включает в себя современный ветряной ротор типа Дарье, противовес и технологию рекуперативного торможения. [21]

Ветряной насос с вертикальной осью (VAWP) [ править ]

Используя ветряную турбину с вертикальной осью, можно решить проблему перенаправления крутящего момента турбины с горизонтальной оси на вертикальную, тем самым создавая основное соединение вала между турбиной и насосом. [22] Прямое подключение может дать более эффективный ветряной насос. например, сочетание системы VAWP с системой капельного орошения высокого давления (HP-VAWP) может привести, при надлежащей оптимизации, к эффективности в два-три раза выше, чем у традиционных ветряных насосов. [23]

Комбинации [ править ]

Тяскер [ править ]

Основная статья: Тяскер
tjasker

В Нидерландах , то tjasker дренажная мельница с общими парусами , соединенными с винтом Архимеда . Он используется для откачки воды в областях, где требуется только небольшой подъемник. Маховик установлен на штатив, что позволяет ему поворачиваться. Архимедов винт поднимает воду в сборное кольцо, откуда она сбрасывается в канаву на более высоком уровне, осушая землю. [24]

Тайские ветряные насосы [ править ]

В Таиланде ветряные насосы традиционно строятся на основе китайских ветряных насосов. Эти насосы построены из бамбуковых шестов с проволочными скобами, несущих паруса из ткани или бамбуковых циновок; лопастной насос или водяной насос закреплен на тайском лопастном роторе . В основном они используются в солеварнях, где требуется подъем воды менее одного метра. [25]

См. Также [ править ]

  • Тяскер в голландской Википедии
  • Ветряная турбина
  • Прочность клинка
  • Змеевик , еще один часто используемый насос [26]
  • Лерисфонтейн, Северный Кейп , где находится музей водяных ветряных мельниц.
  • Aermotor Windmill Company , американский производитель ветряных насосов

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лукас, Адам (2006), Ветер, Вода, Работа: Древние и средневековые технологии фрезерования , издательство Brill Publishers, стр. 65, ISBN 90-04-14649-0
  2. ↑ Дональд Рутледж Хилл , «Машиностроение на Средневековом Ближнем Востоке», Scientific American , май 1991 г., стр. 64-69. (см. Дональд Рутледж Хилл , Машиностроение )
  3. ↑ История науки: сила, доказательство и страсть - EP4: Можем ли мы иметь неограниченную власть?
  4. ^ Сартон, Джордж (1934). "Симон Стевин Брюгге (1548-1620)". Исида . 21 (2): 241–303. DOI : 10.1086 / 346851 .
  5. ^ http://www.yachtmollymawk.com/2008/11/spanish-water-works/ Водоподъемные мельницы в регионе Мерсия , Испания
  6. ^ a b "Краткая история ветряных мельниц в Новом Свете"
  7. ^ americanheritage.com
  8. ^ fnal.gov
  9. ^ Пол Джайп, Энергия ветра достигает совершеннолетия , Джон Вили и сыновья, 1995 ISBN 0-471-10924-X , страницы 123-127 
  10. ^ Водоподъемные устройства; согласование лопастных роторов с насосами
  11. ^ http://www.vintagewindmillpartslist.com/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/butlerpictorial.pdf
  12. ^ Iron Man Ветряного Сайт насосного калькулятор мощности , извлекаться 15 января 2011
  13. ^ Aermotor веб - сайт часто задаваемые вопросы , извлекаемых 17 сентября 2008
  14. ^ http://www.windmill-parts.com/index.html
  15. ^ Аргав, Н., "Возобновляемые источники энергии для перекачки воды в сельских деревнях", 2003, Отчет NREL 30361, стр. 27
  16. ^ Брайан Вик, Нолан Кларк «Сравнение производительности и экономики механической ветряной мельницы с ветроэлектрической водонасосной системой», 1997, Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, см. Рисунок 2.
  17. ^ a b Hau, Эрих «Ветряные турбины», 2005, стр. 101, рис. 5-10
  18. ^ a b Кларк, Нолан «Насос с переменным ходом для механических ветряных мельниц», 1990, Труды AWEA
  19. ^ http://www.econologica.org
  20. ^ https://www.youtube.com/watch?v=6zIj7LCtX0U
  21. ^ ENA Yelkapan Technologies Ltd.
  22. ↑ Хаген, Л.Дж., и Шариф, М., 1981, «Характеристики ветряных турбин Дарье и насосов для перекачивания орошения при малой высоте подъема», Министерство сельского хозяйства США, Манхэттен, Канзас, Отчет № DOE / ARS-3707-20741 / 81 / 1.
  23. ^ Keisar Д., Эйлано, Б. и Гринблатты Д. (8 февраля 2021). «Ветряной насос с вертикальной осью высокого давления». КАК Я. J. Fluids Eng. Май 2021 г .; 143 (5): 051204. https://doi.org/10.1115/1.4049692
  24. ^ «Типы ветряных мельниц» . Odur . Проверено 24 мая 2008 .
  25. ^ Smulders, PT (январь 1996). «Ветровая перекачка воды: забытый вариант» (PDF) . Энергия для устойчивого развития . 11 (5).
  26. ^ Змеевиковый насос, часто используемый при строительстве ветряных насосов.

Внешние ссылки [ править ]

  • Подробная фотография восстановления ветряной помпы 8 'Stewarts & Lloyds в Южной Африке
  • История водяной ветряной мельницы в Америке.
  • Как работают водяные ветряные мельницы.