Желқұбырлы су сорғыш құрылғылар тарихы

Кіріспе

Желмен су сорғылауға арналған жел диірмені

Жел сорғысы – су сорғылау үшін жел күшімен жұмыс істейтін құрылғы. Жел сорғылары кем дегенде 9 ғасырдан бері қазіргі Ауғанстан, Иран және Пәкістан аумақтарында су сорғылау үшін қолданылып келген. Жел сорғыларын пайдалану мұсылман әлемінде кеңінен тарады, содан кейін Қытай мен Үндістанға жетті. Кейіннен Еуропада, әсіресе Нидерландыда және Ұлыбританияның Шығыс Англия аймағында орта ғасырдың соңынан бастап, ауыл шаруашылығы немесе құрылыс мақсатында жерді кептіру үшін жел диірмендері кеңінен қолданылды. Саймон Стивеннің су тасқынымен күресу жұмысы су тасқынын бақылау үшін шлюздер мен ағызу арналарын жақсартуды қамтыды. Жел диірмендері суды сорғылау үшін қолданылып келген, бірақ «Діірмендер туралы» еңбегінде ол жақсартулар ұсынды, соның ішінде дөңгелектердің баяу жылдамдықпен қозғалуы және тістің дұрыс тістесуі қажеттігі туралы идеяларды келтірді. Бұл жетістіктер суды полирден сорғылау үшін қолданылатын жел диірмендерінің тиімділігін үш есе арттырды. Ол 1586 жылы өз өнертабысына патент алды. Жел диірменінің роторынан алынған күш мұнара арқылы төмен қарай және қабырға арқылы сыртқа шығып, «нория» деп аталатын үлкен дөңгелекті айналдырды. Нория құдыққа түсетін шелек тізбегін ұстап тұрды. Шелектер дәстүрлі түрде ағаштан немесе саздан жасалған. Бұл жел диірмендері 1950 жылға дейін қолданыста болды, ал көптеген мұнаралары бүгінге дейін сақталған. Жаңа дүниеге алғашқы көшіп келгендер Еуропадан жел диірмендерінің технологиясын әкелді. АҚШ фермаларында, әсіресе Ұлы жазықта, малға су беру үшін жел сорғылары арқылы су құдықтарынан сорғыланды. Калифорнияда және басқа да штаттарда жел диірмені қолмен қазылған құдық және қызыл ағаштан жасалған су мұнарасы, резервуар және қызыл ағаштан жасалған қаптамасы бар (су сақтау үйі) бар өздігінен жұмыс істейтін шаруашылық су жүйесінің бөлігі болды. Өзін-өзі реттейтін шаруашылық жел сорғысын 1854 жылы Дэниел Халладей ойлап тапты. Соңында ағаш конструкцияларын темір жарақтарымен және темір мұнаралармен алмастырды. 1930 жылы олардың өндірісінің ең жоғары шағында шамамен 600 000 дана қолданыста болды, олардың қуаты 150 мегаватқа тең болды. Австралиядағы өте үлкен, жеңіл жел сорғылары жел диірменінің роторымен тікелей сорғыны қозғалтады. Желдің күшті аймақтарындағы кішкентай роторлар мен сорғының кранкі арасындағы қосымша артқы беріліс, сорғы таяқтарын төмен қарай жылдамдықпен итеруге тырысуды болдырмайды, олар ауырлық күшімен еркін түсе алады. Әйтпесе, тым жылдам сорғылау сорғы таяқтарының бүгілуіне, тығыздағыш қорабының мөрленуіне және жоғары көтерілетін құбырдың (Ұлыбритания) немесе төмен түсетін құбырдың (АҚШ) қабырғасының тозуына әкеледі, нәтижесінде барлық шығыс жоғалады. Көп қабатты жел сорғысы немесе жел турбинасы ағаштан немесе болаттан жасалған торлы мұнараның үстінде көптеген жылдар бойы Американың ауылдық аймақтарындағы ландшафттың бөлігі болды. Бұл диірмендер әртүрлі өндірушілермен жасалды, олардың көптеген қанаттары орташа желде айтарлықтай айналу моментімен баяу айналып, күшті желде өзін-өзі реттей алатын болды. Мұнарадағы беріліс қорабы мен краншафт айналу қозғалысын төменгі цилиндрдегі сорғы цилиндріне таяқша арқылы төмен қарай берілетін пульсациялық қозғалысқа айналдырды. Бүгінде энергия бағасының өсуі және сорғылау технологиясының жақсаруы бұл технологияға қызығушылықты қайта жандандыруда.

A windpump is a wind driven device which is used for pumping water. Windpumps were used to pump water since at least the 9th century in what is now Afghanistan, Iran and Pakistan. The use of wind pumps became widespread across the Muslim world and later spread to China and India. Windmills were later used extensively in Europe, particularly in the Netherlands and the East Anglia area of Great Britain, from the late Middle Ages onwards, to drain land for agricultural or building purposes. Simon Stevin's work in the waterstaet involved improvements to the sluices and spillways to control flooding. Windmills were already in use to pump the water out, but in Van de Molens (On mills), he suggested improvements, including the idea that the wheels should move slowly, and a better system for meshing of the gear teeth. These improvements increased the efficiency of the windmills used to pump water out of the polders by three times. He received a patent on his innovation in 1586. The drive from the windmill's rotor was led down through the tower and back out through the wall to turn a large wheel known as a noria. The noria supported a bucket chain which dangled down into the well. The buckets were traditionally made of wood or clay. These windmills remained in use until the 1950s, and many of the towers are still standing. Early immigrants to the New World brought with them the technology of windmills from Europe. On US farms, particularly on the Great Plains, wind pumps were used to pump water from farm wells for cattle. In California and some other states, the windmill was part of a self contained domestic water system, including a hand dug well and a redwood water tower supporting a redwood tank and enclosed by redwood siding (tankhouse). The self regulating farm wind pump was invented by Daniel Halladay in 1854. Eventually, steel blades and steel towers replaced wooden construction, and at their peak in 1930, an estimated 600,000 units were in use, with capacity equivalent to 150 megawatts. Very large lighter wind pumps in Australia directly crank the pump with the rotor of the windmill. Extra back gearing between small rotors for high wind areas and the pump crank prevents trying to push the pump rods down on the downstroke faster than they can fall by gravity. Otherwise pumping too fast leads to the pump rods buckling, making the seal of the stuffing box leak and wearing through the wall of the rising main (UK) or the drop pipe (US) so all output is lost. The multi bladed wind pump or wind turbine atop a lattice tower made of wood or steel hence became, for many years, a fixture of the landscape throughout rural America. These mills, made by a variety of manufacturers, featured many blades so that they would turn slowly with considerable torque in moderate winds and be self regulating in high winds. A tower top gearbox and crankshaft converted the rotary motion into reciprocating strokes carried downward through a rod to the pump cylinder below. Today, rising energy costs and improved pumping technology are increasing interest in the use of this once declining technology.

Дүниежүзілік қолданысы

Нидерланды жел диірмендерімен әйгілі. Полидерлердің жиегінде орналасқан осы ерекше құрылыстардың көпшілігі – жерді кептіруге арналған жел сорғылары. Елдің көп бөлігі теңіз деңгейінен төмен жатқандықтан, бұл өте маңызды. Ұлыбританияда «жел сорғысы» термині сирек қолданылады, олар көбінесе дренаждық жел диірмендері деп аталады. Олардың көпшілігі Шығыс Англияның Бродс және Фенс аймақтарында жерді кептіру үшін салынған, бірақ көптегендері дизельдік немесе электрлік сорғылармен алмастырылды. Көптеген ескі диірмендер бүгінде тоқырап тұр, бірақ кейбіреулері қалпына келтірілген. Жел сорғылары Оңтүстік Африкада, Австралияда, сондай-ақ АҚШ-тың орталық жазықтарында және оңтүстік-батысындағы шаруашылықтарда кеңінен қолданылады. Оңтүстік Африка және Намибияда мыңдаған жел сорғылары әлі де жұмыс істеп тұр. Олар негізінен адамдарды сумен қамтамасыз етуге, сондай-ақ ірі қой шаруашылықтарына су беруге пайдаланылады. Кения да Африкадағы жел сорғысы технологиясын дамытудан үлкен пайда көрді. 1970-ші жылдардың соңында Ұлыбританияның «Intermediate Technology Development Group» атты коммерциялық емес ұйымы кениялық «Bobs Harries Engineering Ltd» компаниясына «Kijito» жел сорғысын әзірлеуге инженерлік қолдау көрсетті. «Bobs Harries Engineering Ltd» компаниясы әлі де «Kijito» жел сорғысын өндіріп келеді, және олардың 300-ден астамы бүкіл Шығыс Африкада қолданылып жатыр. Әлемнің көптеген аймақтарында жел турбиналарымен бірге арқанды сорғы қолданылады. Бұл құрастыруы оңай сорғы, тоқылған арқанды құбыр ішінде (әдетте қарапайым ПВХ құбыр) тарту арқылы жұмыс істейді, соның нәтижесінде су құбырға тартылады. Бұл типтегі сорғы Никарагуа және басқа да елдерде кең таралған.

Құрылыс

Жел сорғысын құру үшін, қанатты ротор сорғыға сай келтірілуі керек. Электр қуаты қолданбайтын жел сорғылары үшін жоғары қаттылықтағы роторларды оң көлемді (поршеньді) сорғылармен бірге қолдану тиімді, себебі бір жақты поршеньді сорғыларды іске қосу үшін, оларды жұмыс істеу үшін қажетті күштен шамамен үш есе көп айналу моменті қажет. Ал төмен қаттылықтағы роторларды орталыққа ұмтылатын сорғылармен, су баспалдақ сорғыларымен және тізбекті-шайба сорғыларымен қолдану жақсы, себебі сорғыны іске қосу үшін қажетті айналу моменті, жобалық жылдамдықпен жұмыс істеу үшін қажетті күштен кем. Төмен қаттылықтағы роторларды электр генераторын іске қосу үшін қолданған абзал; ол өз кезегінде сорғыны іске қоса алады.

Көп қабыршақты жел сорғылары

Көп қабатты жел сорғылары бүкіл әлемде кездеседі және Америка Құрама Штаттарында, Аргентинада, Қытайда, Жаңа Зеландияда, Оңтүстік Африкада және Австралияда өндіріледі. АҚШ және Канадада "желқос" деп белгілі, себебі ол дәстүрлі желбағыт сияқты жел бағытымен қозғалады (бірақ сонымен қатар желдің жылдамдығын өлшейді). "Бетлер" компаниясы 1897, 1898 және 1905 жылдары жел сорғылары технологиясына жақсартулар енгізді. 16 фут (4,8 м) диаметрлі жел сорғысы 15-20 миль/сағ (24–32 км/сағ) жылдамдықтағы желмен сағатына 1600 АҚШ галлонына (шамамен 6,4 тонна) дейін суды 100 фут биіктікке көтере алады. Дегенмен, олар іске қосылу үшін күшті желді қажет етеді, сондықтан поршеньді сорғының механизмін айналдырады. Жел сорғыларына аз күтім қажет – әдетте, жыл сайын тек редуктор майын ауыстыру ғана керек. АҚШ-та шамамен 60 000 жел сорғысы әлі де қолданыста. Олар, әсіресе, электр қуаты жоқ және күтім жасау қиын шалғай орналасқан жерлерде пайдалануға ыңғайлы. Көп қабатты жел сорғысы, аумағы арқылы өтетін жылдық жел қуатының шамамен 4%–8% мөлшерін тиімді түрде сорып алады. Бұл төменгі көрсеткіш, жел роторлары мен тұрақты икемді поршеньді сорғылар арасындағы жүктеме сәйкессіздігіне байланысты.

Тиімділігі төмен ротор

Көп қабыршақты ротордың басты ерекшелігі – "жоғары бастапқы момент", ол поршеньді сорғыны іске қосу үшін қажет. Іске қосылғаннан кейін көп қабыршақты ротор өте жоғары қозғалыс жылдамдығымен жұмыс істейді, бірақ тиімділігі 30%-дан кем болады. Ал қазіргі заманғы жел роторлары жел ағынына аз бұрылыс қосып, оны ысырап етпей, жоғары қозғалыс жылдамдығында 40%-дан жоғары аэродинамикалық тиімділікпен жұмыс істей алады.

Циклдік айналым моментінің өзгеруі

Пістоналы сорғының сору фазасы өте жеңіл, бірақ көтерілу фазасы ауыр болып келеді және кранк горизонталь және жоғары қарай қозғалғанда старт роторына үлкен кері момент түсіреді. Мұнарадағы кранкқа орнатылған қарсы салмақ және жел бағытымен бұрылу, кем дегенде, кранк төмен түскендегі моменттің таралуын қамтамасыз етеді.

Жақсартылған жел сорғыларын әзірлеу

Көп қанатты жел сорғылары қалыптасқан технологияға негізделген және кеңінен қолданылса да, олар жоғарыда айтылған мәселелерге тап болады және практикалық айнымалы соққы механизміне мұқтаж.

Техастағы USDA тәжірибелері

1988 және 1990 жылдар аралығында АҚШ Ауыл шаруашылығы министрлігінің Техас штатындағы Ауыл шаруашылығы зерттеу орталығында екі патенттелген конструкцияға негізделген (Дон Э. Эверидің #4.392.785, 1983 жылғы және Эльмо Г. Харрисдің #617.877, 1899 жылғы патенттері) өзгермелі ұдарлы жел сорғысы сынақтан өтті.

Өзгермелі соққылы жел сорғысы

Түрік инженері қазіргі заманғы электрондық басқару құралдарын пайдалана отырып, өзгермелі ұдарлы жел сорғысы технологиясын қайта жобалады. Зерттеу 2004 жылы мемлекеттік ғылыми-зерттеу жұмыстарына (ҒЗЖ) қолдау көрсету арқылы басталды. Он жылдық ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жұмыстардан (ҒЗТКЖ) кейін, жаңа буынның алғашқы коммерциялық өзгермелі ұдарлы жел сорғылары жобаланды. 30 кВт өзгермелі ұдарлы жел сорғысының құрылымына Darrieus типіндегі заманауи жел роторы, қарсы салмақ және регенеративті тежегіш технологиясы кіреді.

Тік осьті жел сорғысы (VAWP)

Тік осьті жел турбинасын пайдалану арқылы турбинаның айналу моментын көлденең бағыттан тік бағытқа өзгерту мәселесі шешіледі, соның нәтижесінде турбина мен сорғы арасында тікелей вал байланысы құрылады. Мұндай тікелей байланыс жел сорғысын тиімдірек етеді. Мысалы, VAWP жүйесін жоғары қысымды (HP VAWP) тамшылатып суару жүйесімен үйлестіру, тиісті оптимизация жасалған жағдайда, дәстүрлі жел сорғыларына қарағанда екі-үш есе артық тиімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Жаскер

Нидерландыда тьяскер – Архимед бұрандасына жалғанған, әдеттегі желкендері бар су төгу диірмені. Ол көтерілуі аз қажетті аймақтарда суды сору үшін пайдаланылады. Жел білігі үш аяқты тіреуге орнатылған, ол оның бұрылуына мүмкіндік береді. Архимед бұрандасы суды жинақталған сақинаға көтереді, онда ол жоғарырақ орналасқан каналға тартылып, жерді кептіреді.

Тайландтық жел сорғылары

Тайландта жел сорғылары дәстүрлі түрде қытай жел сорғыларының үлгісімен салынған. Бұл сорғылар сыммен бекітілген бамбук бағаналардан тұрады, олар мата немесе бамбук төсеніштен жасалған желкендерді ұстайды; тайлық қанатты роторға қайырмалы сорғы немесе су көтергіш сорғы орнатылған. Олар негізінен тұз өндіріс алаптарында қолданылады, онда қажетті су көтеру көбінесе бір метрден кем болады.