利用风能将低处的水提升到高处的作业。利用风能进行提水作业的机械称风车或风力提水机。简史中国在1800年前东汉初期已有风力提水。1637年明代宋应星撰写的《天工开物》一书中有“扬郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止”的描述。风车的较早记载也见于9世纪阿拉伯人的著作,提到公元644年波斯、阿富汗边界地带有风车用以抽水和磨面。12~19世纪风车在欧洲广泛应用。
利用风能将低处的水提升到高处的作业。利用风能进行提水作业的机械称风车或风力提水机。
中国在1800年前东汉初期已有风力提水。1637年明代宋应星撰写的《天工开物》一书中有“扬郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止”的描述。风车的较早记载也见于9世纪阿拉伯人的著作,提到公元644年波斯、阿富汗边界地带有风车用以抽水和磨面。12~19世纪风车在欧洲广泛应用。14世纪以后,荷兰利用风力提水大规模围海造地。到19世纪中期,荷兰的风车数量已达到9000台。1854年以后,在风车的基础上,低速风力机又得到了大量发展。19世纪中期,美国曾建造了数百万台此类风力提水机。在大多数国家中,风力提水多用于农牧区人、畜的饮水和小片草地的浇灌。在平原湖网或沿海地区则用于农田排灌、水产养殖、提水晒盐以及滩涂冲刷加速盐碱地改良等。此外,风力提水还可用于蓄能,把水提升到水库中,用于水力发电。
风力提水机的主要部件是受风力作用而旋转的风轮。当风通过风轮时,它的动能转变为带动提水机具作业的机械能。风轮通常由2~24个叶片组成。在相同的风速下,叶片数少,风轮的转速高,反之转速低。叶片的材料有多种,早期通常是木质和帆布的,现代风力提水机多采用镀锌薄钢板或玻璃钢复合材料。风力提水机要充分利用低风速的能,带动起动阻力较大的机具作业,它的起动扭矩要大,所以一般风力提水机多采用多叶式的风轮。风轮从风中得到的功率有公式计算(见风力机)。
简单的斜杆式风车由6~8个布篷构成的风轮、传动装置、支架和提水机具几部分组成。风车的转速和功率可根据风力的大小,改变布篷的数目或受风面积加以调节。八帆风车是中国的独特创造(见图),其风轮由8个垂直放置的风帆构成。风帆分别偏侧安装在8个木质立杆上。每一风帆都可以立杆为中心转动,风帆在风力作用下绕垂直轴旋转,风轮通过装在风车下部的齿轮带动水车提水。这种风车不受风向的影响。风轮在风力作用下旋转时,能使帆面正面自动对风,当帆面背向风面时又与风向平行,以减少风帆阻力,因此它可以接受任何方向的风力作用,省略了一般风轮需要的对风装置,并通过绳索的作用,能调节风帆的迎风面积,控制风车的转速和功率,使风车得到保护。
八帆风车
曾广泛用于古代波斯、中东以及欧洲的传统风车,由4个长5~15米、宽1~3米的巨大木制叶片构成。叶片架上挂有亚麻布风帆,刮大风时可以卷起来保护风车。另一些风车在叶片上装有可活动的闸板,改变闸板的打开程度可以调节风轮的旋转速度。风轮的转速为10~40转/分。
现代低速风力提水机由风轮、机头、尾翼、塔架、调节系统、传动系统及提水机具等组成。风轮直径2~8米,这类多叶片风力提水机特别适宜在低风速状态下作业。它一般在2~3米/秒的风速下就能开始转动作业。高速风力提水机风轮的叶片数少(2~4片),转速高,在同样输出功率条件下,比低速风轮轻得多。不足之处是起动困难,如无特殊装置,至少需要5米/秒的风速才能转动作业。
风车的提水机具主要有龙骨水车、钢管水车、螺旋式水泵和拉杆式活塞泵,此外还可利用隔膜泵、螺杆泵、液力驱动泵、气力驱动泵、喷射泵等。与深井提水用低速风力机配套的活塞式水泵由一个活塞、两个阀门和吸水管等组成。其运行原理是:活塞下行时上阀打开,底阀关闭,水由活塞自由通过。当活塞上行时,上阀关闭,底阀打开,提水上升,形成正弦脉动水流。在低扬程下,螺旋式水泵与低速风力机配套能获得良好的效果,其适应风速范围低(3~7米/秒),提水量大,在设计风速下可达到50米3/时以上。高速风力提水机一般采用离心式或自吸式水泵,或先发电再通过电动水泵提水。
为保证风力提水机在各种复杂的自然条件下正常和安全地运行,在机上设有自动限速的调节机构,该机构在风速超过额定值时,能使风轮偏离风向或改变叶片的安装角,使风轮的转速和功率保持在额定范围内。
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