ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ ТВ-8

Ветроколесо имеет диаметр 8 м и состоит из 18 лопастей. Длина каждой лопасти 2450 мм. Лопасти, изготовленные из оцинкованной листовой стали толщиной 1,25 1мм, крепятся к трем ободам: внутреннему, среднему и наружному. Каждый обод состоит из шести секций, которые укрепляются на сварных спицах из углового железа 45х45 мм. Спицы закреплены на фланцах ступицы ветрового колеса четырьмя болтами каждая.

Лопасти крепятся к ободам под разными углами заклинения, т. е. углы между хордами профилей лопасти и плоскостью вращения ветроколеса у каждого обода различны. У внутреннего обода угол заклинения каждой лопасти составляет 47⁰, у среднего—33⁰, а у наружного обода — 22⁰. Вследствие такого заклинения лопасти по своей длине изгибаются по винтовой линии.

Собранное ветровое колесо вместе с большой конической шестерней устанавливается на роликовых подшипниках на оси, запрессованной в станину головки.

Головка, или верхний редуктор ветродвигателя (рис. 7), состоит из следующих основных узлов: чугунной станины, пары конических шестерен, верхнего отсека вертикального вала и опорной трубы.

Станина головки представляет собой удлиненную чугунную отливку, в которую впрессована ось под углом 6,5⁰ к горизонту. Этот наклон сделан для того, чтобы во время работы ветроколесо не задевало ног башни, а центр тяжести ветроколеса был возможно ближе к центру головки.

В картер головки снизу впрессована опорная труба, свободно поворачивающаяся с головкой в опарах. К картеру головки жестко крепятся уголки фермы боковой лопаты и шарнирно к лапкам — ферма хвоста ветродвигателя.

Ведущая коническая шестерня передачи, отлитая из чугуна, с числом зубьев 63, крепится к фланцу ступицы ветроколеса. Ступица в свою очередь монтируется на оси на двух роликовых конических подшипниках.

Ведомая коническая шестерня передачи, тоже чугунная, с числом зубьев 17, закреплена на верхнем конце вертикального вала.

Передаточное отношение верхнего редуктора составляет 63:17 = 3,71, отчего вертикальный вал делает в 3,71 раза оборотов больше, чем ветроколесо.

Вал монтируется в верхней части на коническом роликовом подшипнике и на шариковом подшипнике и проходит по оси опорной трубы через направляющий опорный стакан.

Опорная труба вместе с насаженной на нее головкой свободно поворачивается в двух опорах,- что происходит при самоустановке ветроколеса на ветер, пуске, остановке и регулировании ветродвигателя.

Рис. 6. Ветродвигатель ТВ-8:

1 – ветровое колесо; 2 – головка ветродвигателя; 3 – хвост; 4 – боковая лопата; 5 – башня с вертикальным валом; 6 – универсальная лебедка; 7 – муфта сцепления лебедки с валом; 8 – направляющий механизм насоса; 9 – лебедка останова; 10 – трос останова; 11 – вилка останова; 12 – муфта останова

Рис. 7. Головка ветродвигателя и механизм останова:

1 - станина; 2 - ось ветроколеса; 3 и 4 - подшипники ветроколеса; 6 - ведущая шестерня; 7 - ведомая шестерня (малая); 8 - отсек вертикального вала; 9 и 10 - подшипники вала; 11 - опорная труба; 12 - сферическая пята; 13 -упорный подшипник; 14 - верхняя опора головки; 15 - опорный стакан; 16 - нижняя опора; 17 - муфта останова; 18 - сектор; 19 – планка; 20 - направляющая тяга; 21 - направляющий ролик; 22 - тяги пружин регулирования; а - угольники фермы боковой лопаты.

Вес всей головки с ветровым колесом, хвостом и боковой лопатой воспринимается упорным шариковым подшипником, состоящим из двух стальных обойм с заложенными между ними стальными шариками. Подшипник установлен на сферической пяте, вставленной в верхнюю опору головки.

Хвост ветродвигателя служит для автоматического останова ветроколеса на ветер при изменениях его направления.

Хвост состоит из фермы и плоскости, называемой оперением хвоста. Ферма изготовлена из угловой и полосовой стали, а оперение хвоста — из оцинкованного листового железа. Ферма имеет на конце два уха, которыми хвост шарнирно крепится к головке ветродвигателя. На раме хвоста имеются регулирующие пружины. Поверхность (плоскость) хвоста имеет трапециевидную форму площадью 4,95 м². Длина оперения 3,09 м, длина фермы 4,17 м.

Боковая лопата, подобно хвосту ветродвигателя, состоит из фермы и поверхности, но меньшего размера. Площадь поверхности лопаты равна 1,95 м², а длина 1,89 м. Длина фермы составляет 3,9 м.

Ферма боковой лопаты оканчивается двумя нарезными пальцами, которыми она вставляется в отверстия головки и закрепляется на ней.

Вдоль фермы, по ее середине, в сторону ветроколеса, наклонно от оперения до головки прикреплена тяга горизонтальной жесткости, предохраняющая ферму от изгиба в горизонтальной плоскости. Через направляющий ролик пропускается трос останова, идущий от хвоста через муфту к основанию башни на лебедку останова.

Боковая лопата является основным элементом автоматического регулирования ветродвигателя. Под Действием сильного ветра лопата поворачивает головку вместе с ветроколесом, в то время как хвост ветродвигателя остается в своем положении, приблизительно параллельном направлению ветра.

Кроме перечисленных узлов, к головке ветродвигателя относятся тяги 22, на которые навешиваются пружины регулирования.

Пуск и остановка ветродвигателя производится вручную при помощи лебедки, останова, смонтированной на одной из ног башни, на расстоянии около метра от поверхности земли. Остановка происходит следующим образом: при вращении барабана лебедки на него наматывается трос, прикрепленный к вилке; По мере наматывания троса на барабан лебедки вилка увлекает за собой вниз муфту 17, скользящую по опорной трубе 11. Муфта в свою очередь увлекает за собой сектор 18, прикрепленный к планке 19, расположенной внутри опорной трубы.

Планка скользит внутри опорной трубы, для чего в последней имеется специальный продольный вырез.

Для обеспечения продольного движения муфты без поворотов относительно башни имеется специальная направляющая тяга 20, но которой скользит ушко муфты 17.

Таким образом, при наматывании троса на барабан муфта заставляет двигаться вниз сектор и планку. К планке прикреплен стальной трос, который, пройдя внутри опорной трубы, выходит из станины головки и, огибая направляющий ролик боковой лопаты, прикрепляется другим концом к ферме хвоста ветродвигателя. Вследствие этого при движении муфты вниз боковая лопата притягивается к хвосту, ветровое колесо становится ребром к ветру, и ветродвигатель останавливается.

При пуске ветродвигателя в работу надо освободить барабан лебедки. Боковая лопата под воздействием пружин регулирования начнет удаляться от хвоста, увлекая за собой ветроколесо, которое, поворачиваясь на ветер, становится в рабочее положение. Движение деталей механизма останова при пуске будет происходить в обратном направлении движению при остановке.

Пуск, а особенно останов ветродвигателя должны происходить относительно легко, без излишнего трения и заеданий в механизме. Здесь имеет большое значение частая смазка трущихся поверхностей сектора и муфты останова, где сопротивление трения возрастает с увеличением натяжения пружин, а необходимая масленка не предусмотрена.

Для ограничения раскладывания хвоста и лопаты при скоростях ветра ниже 8 м/сек имеется специальный трос с пружинным амортизатором, который одевается на крючки, приваренные к ферме хвоста и лопаты. Трос этот допускает установку хвоста и лопаты на угол до 90⁰. Регулирование числа оборотов ветродвигателя должно происходить, когда ветер превышает 8 м/сек. Осуществляется регулирование автоматически, путем вывода ветроколеса из-под ветра. Для этой цели служат боковая лопата и пружины регулирования.

Нормальное число оборотов ветроколеса при скорости ветра до 8 м/сек составляет 25—35 в мин. при полной нагрузке. При скорости ветра, превышающей 8 м/сек, число оборотов ветроколеса должно автоматически ограничиваться в пределах ±15—20% от нормального.

Схема автоматического регулирования ветродвигателя путем вывода ветроколеса из-под ветра показана на рис. 8.

Натяжение регулирующих, пружин таково, что при скорости ветра до 8 м/сек момент, создаваемый давлением ветра на боковую лопату, меньше момента, создаваемого силой натяжения пружин.

Благодаря шарнирному соединению хвоста с головкой, а также большей поверхности оперения хвоста, по сравнению с поверхностью боковой лопаты, хвост всегда стремится оставаться параллельным направлению ветра. Следовательно, при скорости ветра меньше 8 м/сек плоскость вращения ветрового колеса остается почти перпендикулярной направлению ветра, т. е. ветроколесо находится в рабочем положении.

Рис. 8. Схема регулирования числа оборотов ветроколеса при изменениях скорости ветра:

I — при скорости ветра нише 8 м/сек саморегулирование отсутствует; II — скорость ветра выше 8 м/сек. Ветроколесо поворачивается от давления ветра на боковую лопату; III — при скорости ветра выше 15 м/сек ветроколесо выходит из-под ветра и останавливается

При скорости ветра, превышающей 8 м/сек, боковая лопата преодолевает усилие пружины и поворачивает головку ветродвигателя вместе с ветровым колесом относительно оси башни. Ветровое колесо устанавливается под углом к направлению ветра. Сила пружин в этом положении такова, что момент, создаваемый давлением ветра на боковую лопату и ветроколесо, уравновешивается моментом, создаваемым усилием пружин.

При повороте ветрового колеса последнее, устанавливаясь под углом к потоку ветра, использовывает меньшую площадь воздушного потока и меньше отнимает от него энергии. Хотя с возрастанием скорости ветра мощность воздушного потока возрастет, число оборотов ветрового колеса и мощность ветродвигателя увеличатся незначительно. По мере, уменьшения скорости ветра давление его на боковую лопату уменьшается, под действием пружин головка ветродвигателя вместе с ветровым колесом возвращаются в положение «на ветер», и ветроколесо будет продолжать вращаться с нормальным числом оборотов.

Если скорость ветра превысит 15 м/сек, то ветровое колесо полностью выводится из-под ветра, и ветродвигатель временно останавливается.

Автоматический поворот на ветер происходит, когда меняется направление ветра, отчего на поверхности хвоста возникает роковая сила, которая поворачивает хвост вокруг вертикальной оси башни ветродвигателя вместе с головкой и ветровым колесом. Этот поворот продолжается до тех пор, пока хвост не станет параллельно направлению ветра, а плоскость вращения ветрового колеса не станет при этом перпендикулярно направлению ветра, т. е. станет «на ветер».

Башня ветродвигателя представляет собой металлическую ферменную конструкцию пирамидальной формы. Башня состоит из стальных отсеков ног из угловой стали, поясов и растяжек, соединяемых болтами.

Высота башни составляет 14,85 м, длина каждого отсека 5 м. Вся башня, сверху донизу делится на 10 поясков, в которых угловые отсеки ног, начиная со второго сверху пояса, связаны между собой растяжками из прутковой: стали. На высоте 9,5 м от земли на башне устанавливается балкон, служащий рабочим местом для осмотра и обслуживания в эксплуатации механизма головки и ветроколеса, а также при ремонте ветродвигателя. Башня снабжена лестницами, прикрепленными к ней хомутами. Нижняя лестница доходит до балкона. Две другие лестницы установлены на балконе и доходят до первого верхнего пояса башни.

По всей длине башни проходит вал, являющийся продолжением верхнего отсека вала головки ветродвигателя. Вертикальный вал состоит из отдельных валов, соединенных между собой муфтами. Участок вертикального вала, проходящий вдоль башни ветродвигателя, монтируется на трех подшипниках. Вращение вертикального вала передается отсеку вертикального вала универсальной лебедки, с которым он соединен кулачковой муфтой, включаемой рычагом вручную.

Универсальная лебедка (рис. 9) предназначена для передачи мощности от ветродвигателя к поршневому насосу, а также к отдельным машинам и станкам. На вертикальный вал лебедки насажена малая коническая шестерня 3, которая находится в зацеплении с большой конической шестерней 4, насаженной на верхний горизонтальный вал 5.

Рис. 9. Универсальная насосная лебедка:

1 - приводной вал лебедки; 2 - кулачковая муфта сцепления; 3 и 4 - малая и большая конические шестерни; 5 - верхний вал; 6 и 7 - шестерни привода шкива; 8 - средний вал; 9 - шкив; 10 и 11 — шестерни привода насоса; 12 - нижний вал;- 13 - палец шатуна; 14 - головка шатуна; 15 - шатун; 16 и 17 - стопорные болты.

С одной стороны на этот вал насажена большая цилиндрическая шестерня 6, находящаяся в зацеплении с малой цилиндрической шестерней 7, насаженной на средний горизонтальный вал 8. Кроме того, на валу 8 насажен шкив 9, от которого движение ветродвигателя через ременную передачу может быть передано к любой машине соответствующей мощности.

При работе ветродвигателя передача мощности на поршневой насос осуществляется следующим образом: на верхнем горизонтальном валу 5 с противоположной стороны шестерни 6 надета малая цилиндрическая шестерня 10, находящаяся в зацеплении с большой цилиндрической шестерней 11, насаженной на нижний горизонтальный вал 12 лебедки. На этой большой цилиндрической шестерне 11 закреплен палец 13, на который надевается головка 14 шатуна 15 насосного устройства. В зависимости от величины эксцентриситета, т. е. от того, на каком расстоянии от оси шестерни закреплен палец, ход поршня может равняться 250 или 450 мм.

При работе ветродвигателя только на насос передача от лебедки к шкиву должна быть выключена. Для этого малую шестерню 7, сидящую на среднем валу лебедки, сдвигают вдоль шпонки и выводят из зацепления со связанной с ней большой шестерней. В новом положении шестерню 7 закрепляют нажимным болтом 16.

При работе только на трансмиссию малую шестерню 10, сидящую на верхнем горизонтальном валу лебедки, выводят из зацепления с сопряженной с ней большой шестерней 11. В новом положении малую шестерню также закрепляют нажимным болтом 17.

При отсутствии ветра можно использовать лебедку для приведения в движение поршневого насоса от конного привода или от иного двигателя. В этом случае вертикальный вал ветродвигателя отключается от лебедки путем разъединения кулачковой муфты, а шкив лебедки соединяется ремнем со шкивом вспомогательного двигателя.

В универсальной лебедке шестерни выполнены со следующими передаточными отношениями:

·        первая пара конических шестерен 3 и 4 уменьшает обороты горизонтального вала 5 в сравнении с оборотами вертикального вала в два раза;

·        вторая пара цилиндрических шестерен 10 и 11 уменьшает обороты нижнего горизонтального вала 12 в сравнений с оборотами вала 5 в 2,67 раза;

·        третья пара цилиндрических шестерен 6 и 7 увеличивает обороты среднего вала 8 в сравнении с оборотами вала 5 в 3,46 раза.

Зная, что передаточное отношение конических шестерен головки ветродвигателя составляет 3,71, а нормальные обороты ветроколеса при полной нагрузке ветродвигателя равны 25 оборотам в минуту, можно определить число оборотов шкива универсальной лебедки:

Число качаний шатуна насосного оборудования составит:

При работе ветродвигателя только на поршневой насос при скорости ветра около 8 м/сек ветровое колесо из-за некоторой недогруженности делает около 35 оборотов в минуту. Следовательно, максимальное число качаний штанги насоса будет равно:

Направляющий механизм (рис. 10), обеспечивающий движение штанги насоса по вертикали, представляет собой раму, составленную из двух угольников 1, стянутых стяжными шпильками 2. Между угольниками помещается каретка, на оси 3 которой насажены два ролика, перемещающиеся по угольникам рамы. В вилку 4 ввернут нижним концом шатун.

Боковые усилия шатуна при его поступательно-возвратном движении воспринимаются направляющими роликами каретки и угольниками рамы.

На одной оси с роликами насажена скоба 5, к которой крепится верхний конец штока 6 поршневого насоса. Нижний конец штока проходит через распределительную коробку 18 и крепится к штанге поршня 7 насоса. Таким образом, при вращении шестерни универсальной лебедки поршень насоса получает возвратно-поступательное движение.

Ввиду того, что поршневой насос обычно находится на большой глубине, ветродвигателю приходится затрачивать значительную мощность (особенно при трогании) на преодоление веса штанг и столба воды при ходе поршня насоса вверх. Между тем при ходе поршня вниз ветродвигатель не нагружается. В целях уменьшения нагрузочного момента при ходе поршня насоса вверх в схему насосного устройства введен механизм-балансир.

Балансир представляет собой рычаг первого рода. Рычагом служит коромысло 8 (рис. 10), на одном конце которого крепится груз, а другим концом это коромысло давит на ролик 9, сидящий на оси каретки. Коромысло балансира свободно качается на оси, которая прикреплена к швеллерной балке, заделанной концами в стену шахты.

Груз балансира ветродвигателя ТВ-8 состоит из плит общим весом до 100 кг. Плиты могут быть заменены пустотелыми, чугунными коробками, которые на месте монтажа наполняются песком. Груз должен быть прочно закреплен на коромысле. Нормально груз балансира должен уравновешивать половину веса столба воды над поршнем насоса.

Балансир облегчает работу ветродвигателя и позволяет ветроколесу трогаться с места при гораздо меньших скоростях ветра. Установка балансира, целесообразна, когда насос работает при глубинах свыше 15 м.

Марка насоса, например НП-145, указывает, что насос поршневой, простого действия, с диаметром поршня 145 мм.

Устройство насоса. Внутри чугунного цилиндра 10 насоса движется поршень 7 с кожаными или резиновыми манжетами 11, которые создают необходимое уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра. Насос имеет два всасывающих (заборных) и один нагнетательный клапаны. Нижний всасывающий клапан 13 помещается в литой приемной сетке 12, имеющей прямоугольные щели для поступления воды в трубу при движении поршня вверх. Второй всасывающий клапан 14 помещается в стакане 15 переходной муфты 16, которая ввертывается в нижний конец насосного цилиндра. Нагнетательный клапан 17  помещается в поршне.

Наличие двух всасывающих клапанов обеспечивает работу насоса в случае недостаточной герметичности или отказа работать одного из этих клапанов. Устранение же дефектов всасывающих клапанов значительно труднее, чем нагнетательного, так как этот ремонт требует извлечения всей колонны труб из колодца.

Рис. 10. Направляющий механизм и насос: 1 - угольник рамы; 2 - стяжные шпильки; 3 - ось каретки; 4 - вилка шатуна; 5 - скоба; 6 - шток; 7 - поршень насоса; 8 - коромысло балансира; 9 - ролик; 10 - цилиндр насоса; 11 - манжеты поршня; 12 - приемная сетка; 13 - нижний всасывающий клапан; 14 – всасывающий клапан цилиндра насоса; 15 - стакан клапана; 16 - переходная муфта; 17 - нагнетательный клапан; 18 - распределительная коробка; 19 - сальник; 20 - опорная плита; 21 - муфта

Когда динамический уровень воды в скважине не ниже 7—8м от поверхности земли, а насос устанавливается в шахте, тогда верхний конец цилиндра 10 соединяется непосредственно с распределительной коробкой 18, без нагнетательных труб, а в нижний конец цилиндра через муфту 16 ввертывается всасывающий патрубок длиной в 5—6 м. На нижний конец этого патрубка навертывается сетка 12 с клапаном 13. При больших глубинах насос опускается на нагнетательных трубах до воды. Подробнее об установке насоса сказано при описании монтажа.

Работа поршневого насоса происходит следующим образом: при движении поршня вверх в цилиндре насоса под поршнем образуется разреженное пространство, которое заполняется водой, поступающей через всасывающую трубу и клапан. Нагнетательный клапан при этом закрыт. Вода, находящаяся в нагнетательной трубе над поршнем, выталкивается и поступает в распределительную коробку, а оттуда по отводной трубе (Д-76 мм) подается в напорный бак. При движении поршня вниз всасывающие клапаны закрываются, а нагнетательный клапан открывается, и вода поступает в надклапанное пространство цилиндра. Распределительная коробка монтируется на плите 20, которая устанавливается на твердом основании. Вся система трубопроводов (нагнетательного и всасывающего (удерживается в висячем положении распределительной коробкой. Вверху распределительной коробки имеется сальник 19, который не допускает просачивания воды из коробки при движении штока.

Техническая характеристика ветродвигателя ТВ-8

Диаметр ветрового колеса (в м)                                                                8

Число лопастей                                                                                           18

Ометаемая поверхность ветроколеса (в м)                                              50,3

Расстояние от земли до центра ветроколеса (в м)                                  15,4

Нормальное число оборотов ветроколеса при ветре 8 м/сек                 25—35

Нормальное число оборотов в минуту вертикального вала                  93—130

Нормальное число оборотов в мин. шкива лебедки                              160—225

Нормальное число качаний штанги насоса (в мин.)                              17—24

Диаметр шкива лебедки (в мм)                                                                 600

Ходы поршня насоса (в мм)                                                                      250 и 450

Механический коэффициент полезного действия ветродвигателя     0,80

Коэффициент полезного действия ветронасосной установки              0,55

Вес ветродвигателя с башней (в кг)                                                         3510

Вес насосного оборудования с трубами (в кг)                                        990

Примечание. В числе оборотов первые цифры относятся к работе ветродвигателя при полной нагрузке, а вторые — к работе только с поршневым насосом.

Таблица 15. Производственная характеристика ветродвигателя ТВ-8

Возможная годовая выработка ветродвигателя ТВ-8

Таблица 16. Часовая производительность ТВ-8 в литрах с насосом НП-145

Примечание. Места в таблице, где пропущены цифры, указывают на то, что при данных скоростях ветра, суммарных напорах и ходах поршня ветронасосная установка работать не может. Если ветродвигатель ТВ-8 укомплектован насосом НП-120, то показания производительности надо уменьшить на 20%, а при насосе НП-95 — на 40%.

Э. Р. ЗАКРЖЕВСКИЙ
ВЕТРОДВИГАТЕЛИ ДЛЯ МЕХАНИЗАЦИИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ФЕРМ
МИНСК 1959