CN111985063B - 一种机械式风力提水装置优化方法 - Google Patents

一种机械式风力提水装置优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力提水装置技术领域，具体涉及一种利用风力压缩空气的机械式风力提水装置优化方法。该优化方法是先结构形式确定，再空气压缩机‑隔膜泵匹配性设计，然后风轮‑空气压缩机匹配性设计；最后整机形成匹配，得到整机设计的性能曲线。本发明通过空气压缩机产生压缩空气驱动远程水泵扬水，可实现水泵与风力机分离、用水区域与水源地分离，作业时可将风力机置于风资源较好的地区，将隔膜泵置于水源处，进行提水作业。

Description

一种机械式风力提水装置优化方法
技术领域
本发明涉及风力提水装置技术领域，具体涉及一种利用风力压缩空气的机械式风力提水装置优化方法。
背景技术
风能的利用有两种形式：一种是风能转化为机械能，另一种是风能转化为机械能再转化为电能。风力提水机组属于风能直接转化为机械能，具有结构简单、应用灵活、维护方便等优点，提水作业对年平均风速和有效风速时数要求不高，可做到“零存整取，实时灌溉”。
我国地域辽阔，丘陵、山地、草原众多，很多地方存在用水困难，例如在丘陵地带，往往需要用水泵将水提至高位进行农田灌溉。由于需要用电，存在线路架设、电费较高及用电安全方面等问题。基于某些地区风力资源丰富，因而开发出各种利用风能来提水的风力提水装置。
现有的利用风力直接驱动水泵实现提水的形式，需要将风力机置于水源处，同时此种结构扬程较低，当水源与用水区域距离较远或扬程要求较高时，此种结构无法按照要求实现提水作业；现有对风力提水机组设计方法的研究在机械结构的优化上，旨在提高传动机构和风轮的效率；在风轮、气泵、水泵的匹配性上，通过选择合适的风轮、气泵、水泵提高系统工作效率。
发明内容
发明目的：
本发明旨在提出一种利用风力压缩空气的机械式风力提水装置优化方法，以解决现有技术中扬程较低的问题。本发明通过空气压缩机产生压缩空气驱动远程水泵扬水，可实现水泵与风力机分离、用水区域与水源地分离，作业时可将风力机置于风资源较好的地区，将隔膜泵置于水源处，进行提水作业。
技术方案：
一种机械式风力提水装置优化方法，该优化方法包括：
(1)结构形式确定：根据设计参数和设计要求确定总体结构形式；
(2)空气压缩机-隔膜泵匹配性设计：根据总体结构形式，确定隔膜泵参数、空气压缩机的选型，在空气压缩机型号确定后，进行匹配性设计，并验证空气压缩机参数是否满足要求；
(3)风轮-空气压缩机匹配性设计：在空气压缩机参数确定后，根据空气压缩机转速与所需驱动功率之间的关系，确定风轮参数；
(4)整机形成匹配：风轮参数确定之后，根据空气压缩机与风轮的曲线拟合与风速、风轮转速、以及空气压缩机转速与排气压力交叉点追踪确定空气压缩机与风轮的匹配性关系，风轮在额定转速下可正常驱动空压机，并保证空压机排气量与排气压力达到设计要求，则说明空气压缩机与风轮匹配性良好，得到整机设计的性能曲线。
进一步的，设计参数包括要求的扬程与流量、提水装置的应用场地以及水源地与用水区域之间的距离；设计要求包括根据风力机安装场地的风况确定风轮的形式以及相应的叶片数量，根据用水区域以及水源的可靠性确定水泵和气泵的组合形式。
进一步的，根据要求的扬程和流量以及提水装置的应用场地以及水源地与用水区域之间的距离，确定隔膜泵参数，得到隔膜泵的耗气量之后，再确定空气压缩机的选型；匹配性设计需要综合考虑排气量、功率、转速、排气压力，在排气量确定的情况下，流量与扬程之间为负相关，空气压缩机的排气量需大于匹配性设计的排气量，空气压缩机供气量满足隔膜泵提水需求，说明适配性良好，满足设计需求。
进一步的，风轮参数包括风轮与叶片的参数，风轮直径，风轮的额定转速；隔膜泵参数包括隔膜泵空气耗气量和耗气压力。
进一步的，隔膜泵的耗气量乘以1.2的富裕系数是空压机排气量的选型参数；
空气压缩机的排气量Q3：Q3＝1.2*水泵需气量。
进一步的，风轮直径D按下式估算：
式中，P为风力机输出功率；ρ为空气密度，取1.225kg/m3；v为设计风速；η为传动效率，取0.95；CP为风能利用系数，取0.40。
进一步的，风轮的额定转速按如下公式计算：
式中，v为设计风速，根据安装地点确定；λ为叶尖速比；R为风轮半径。
优点及效果：
本发明具有以下优点和有益效果：
1、通过风力直接驱动设备进行提水作业，可实现无人值守；
2、可实现水泵与风力机分离也可实现用水区域与水源地分离；
3、安装部分结构简单，稳定性强；
4、可实现连续提水的目的，利用率高，使用方便；
5、部件之间适配性较好，减少了提水装置的维护。
附图说明
图1是风力提水装置结构图；
图2是优化方法流程图；
图3是空气压缩机与隔膜泵适配曲线图；
图4是空气压缩机驱动功率曲线图；
图5是风轮与空气压缩机适配曲线图；
图6是风轮功率与排气量曲线图。
附图标记说明：
1、风轮，2、传动轴，3、机舱支撑部件，4、离心刹车部件，5、输气管，6、电气滑环，7、空压气泵，8、带传动部件，9、偏航导风板，10、偏航短接筒，11、偏航短轴，12、偏航轴承，13、塔架。
具体实施方式
本发明提供了一种风力提水装置优化方法，为使本发明的优化方法与系统效果更佳明确，以下对本发明进一步详细说明。
如图2所示，一种机械式风力提水装置优化方法，该优化方法包括：
(1)结构形式确定：根据设计参数和设计要求确定总体结构形式；
(2)空气压缩机-隔膜泵匹配性设计：根据总体结构形式，确定隔膜泵参数、空气压缩机的选型，在空气压缩机型号确定后，进行匹配性设计，并验证空气压缩机参数是否满足要求；
(3)风轮-空气压缩机匹配性设计：在空气压缩机参数确定后，根据空气压缩机转速与所需驱动功率之间的关系，确定风轮参数；
(4)整机形成匹配：风轮参数确定之后，根据空气压缩机与风轮的曲线拟合与风速、风轮转速、以及空气压缩机转速与排气压力交叉点追踪确定空气压缩机与风轮的匹配性关系，风轮在额定转速下可正常驱动空压机，并保证空压机排气量与排气压力达到设计要求，则说明空气压缩机与风轮匹配性良好，得到整机设计的性能曲线。
设计参数包括要求的扬程与流量、提水装置的应用场地以及水源地与用水区域之间的距离；设计要求包括根据风力机安装场地的风况确定风轮的形式以及相应的叶片数量，根据用水区域以及水源的可靠性确定水泵和气泵的组合形式。
根据要求的扬程和流量以及输水管路的长度，确定隔膜泵参数，得到隔膜泵的耗气量之后，再确定空气压缩机的选型；
匹配性设计需要综合考虑排气量、功率、转速、排气压力，在排气量确定的情况下，流量与扬程之间为负相关，空气压缩机的排气量需大于匹配性设计的排气量，空气压缩机供气量满足隔膜泵提水需求，说明适配性良好，满足设计需求。
风轮参数包括风轮与叶片的参数，风轮直径，风轮的额定转速；隔膜泵参数包括空气耗气量和耗气压力。
隔膜泵的耗气量乘以1.2的富裕系数是空压机排气量的选型参数；
空气压缩机的排气量Q3：Q3＝1.2*水泵需气量。
风轮直径D按下式估算：
式中，P为风力机输出功率；ρ为空气密度，取1.225kg/m3；v为设计风速；η为传动效率，取0.95；CP为风能利用系数，取0.40。
风轮的额定转速按如下公式计算：
式中，v为设计风速，根据安装地点确定；λ为叶尖速比；R为风轮半径。
如图1所示，机械式风力提水装置包括风力机、空气压缩机、密闭塔筒、隔膜泵、输气管以及输水管；风力机采用水平轴风力机，用以利用风力驱动所述风力机风轮转动，风轮通过风机轴与所述空气压缩机相连接，空气压缩机产生压缩空气，实现能量转换过程；压缩气体与所述密闭塔筒通过输气管路经由滑环连接，密闭塔筒既可作为风力机机架的支撑部件也可作为压缩气体的储气装置；在密闭塔筒底部设有出气口，出气口上安装有单向阀，压缩气体通过单向阀与隔膜泵相连，实现气路的连通与压缩气体的输送；隔膜泵置于水源处，气路连通之后，密闭塔筒的单向阀通过气管将气体输送至隔膜泵的进气口，隔膜泵进水口通过水管置于水源之内，隔膜泵出水口即可置于用水区域，实现气路到水路的转换；完成提水作业。
提水装置的风轮1通过传动轴2与带传动部件8连接，传动轴2上套有离心刹车部件4，传动轴2套在机舱支撑部件3内部，传动轴2的两端通过轴承与机舱支撑部件3转动连接，带传动部件8一端与传动轴2连接，另一端与空压气泵7连接，由传动轴2和带传动部件8带动空压气泵7运行工作，产生压缩空气，压缩空气通过经输气管5、电气滑环6和偏航短轴11输运到塔架13中，偏航短轴11为空心，内部有输气管；塔架13为中空密封，能储存气体，支撑整个装置。
空压气泵7安装在机舱支撑部件3上。偏航导风板9固定安装在机舱支架的下方，实现对风偏航功能。偏航短接筒10固定安装在机舱支撑部件3的下方，通过偏航轴承12和偏航短轴11连接塔架13，实现偏航动作。离心刹车部件4，安装在机舱支撑部件3内的，当风轮转速高于安全转速时，实现制动停机功能。
针对风轮、空气压缩机、隔膜泵以及导气管的设计，通过各部件的参数拟合出各部件运行曲线，通过曲线之间的工作点追踪确定风轮、空气压缩机以及隔膜泵之间的匹配性。该匹配性设计方法可普遍适用于机泵分离式风力提水机组，提高机组的寿命和运行效率；同时，本发明将密闭的塔筒设计为储气装置，降低了制造成本，通过风轮压缩空气进行提水作业，保证了风能的有效利用。
实施例1
风力提水装置包括风力机、空气压缩机、密闭塔筒、隔膜泵、输气管以及输水管。如图1所示，风力机采用水平轴风力机，用以利用风力驱动风力机风轮转动，风轮通过风机轴与空气压缩机相连接，空气压缩机产生压缩空气，实现能量转换过程；压缩气体与密闭塔筒通过输气管路经由滑环连接，密闭塔筒既可作为风力机机架的支撑部件也可作为压缩气体的储气装置；在密闭塔筒底部设有出气口，出气口上安装有单向阀，压缩气体通过单向阀与隔膜泵相连，实现气路的连通与压缩气体的输送；隔膜泵置于水源处，气路连通之后，密闭塔筒的单向阀通过气管将气体输送至隔膜泵的进气口，隔膜泵进水口通过水管置于水源之内，隔膜泵出水口即可置于用水区域，实现气路到水路的转换；完成提水作业。
如图2所示，风力提水装置优化方法，按照1、结构形式确定，2、空气压缩机-隔膜泵匹配性设计，3、风轮-空气压缩机匹配性设计，4、整机形成匹配。
首先根据给定提水装置的工况和相关设计要求，确定总体结构形式，不同的结构形式的启动力矩、结构、叶片数量风参数均有不同。确定总体结构形式之后进行空气压缩机以及隔膜泵的选型，首先根据相关要求确定隔膜泵参数，得到隔膜泵的耗气量之后，乘以1.2的富裕系数就是空压机排气量的选型参数。
空压机排气量Q3：
Q3＝1.2*水泵需气量
之后根据隔膜泵本的参数进行空气压缩机的选型；如图3所示，在型号确定之后进行匹配性设计，通过二者的数据进行曲线拟合，并进行工作点的追踪与确定，查找相关工作点并验证是否满足工作要求，验证空气压缩机与隔膜泵是否适配，若两者适配性不理想，则重新进行空气压缩机的设计；空气压缩机参数确定后，根据空气压缩机转速与所需驱动功率之间的关系，如图4所示，确定风轮与叶片的参数，风轮直径D可按下式估算：
式中，P为风力机输出功率；ρ为空气密度，取1.225kg/m3；v为设计风速；η为传动效率，取0.95；CP为风能利用系数，取0.40。
风轮的额定转速按如下公式计算：
式中，v为设计风速，可根据安装地点确定；λ为叶尖速比；R为风轮半径。
风轮参数确定之后，根据空气压缩机与风轮的曲线拟合与相关工作点追踪确定二者的匹配性关系，若二者匹配性良好则可得到整机设计的性能曲线，完成系统设计。
下面以1500W风力提水装置的设计过程对本发明的设计方法进行说明，设计参数如下表1。
表1设计参数列表
1、总体结构设计
本实施例采用“高速风力机+气泵+隔膜泵”的结构，启动性能良好，结构简单，造价低廉。
2、空压机-隔膜泵匹配性设计
根据相关标准，本实施例空气压缩机排气压力为0.7MPa。结合空压机设计参数，可得到扬程-流量-排气量匹配性曲线，如图5所示，在排气量一定的情况下，流量与扬程之间为负相关，扬程50m时，在设计点流量为0.5m3/h时，排气量为8m3/h，小于空压机设计点排气量，即空压机供气量可满足隔膜泵提水需求；当扬程为30m时，流量可接近1m3/h，说明其适配性良好，可以满足设计需求。
3、风轮-空压机匹配性设计
由图风轮功率曲线和压缩机功率曲线，可得到风轮与空气压缩机匹配性曲线，如图5所示。在风轮达到设计的启动风速时候，空压机即可工作，此时由于风速未达到额定风速，空压机出口压力无法达到额定值，随着风速增加，当风速达到额定风速8m/s时，此时风轮的功率为1500W，此时功率大于空压机功率，风轮可完全驱动空压机作业。
如图6所示，为风轮功率与排气量之间的曲线，随着压力的增加相同排气量所需的风轮功率也有所增加，本实施例中设计参数要求排气量达到10.2m3/h，由风轮的功率曲线可知，当风速在设计风速时8m/s，时候，风轮功率即可达到1500W，满足排气压力的同时有效保证了空压机排气量。
4、优化结果
根据本发明公开的机泵分离式风力提水机组的匹配性优化方法，采用“高速风力机+气泵+隔膜泵”的整体结构提高风轮效率，依照隔膜泵-空压机-风轮的匹配性设计流程，保证了空压机排气量与隔膜泵的适配以及风轮与空压机功率之间的适配性。在满足要求的前提下减少了机组的维护，对风力提水机组的改进设计有指导意义。

Claims (2)

1.一种机械式风力提水装置优化方法，其特征在于：该优化方法包括：
(1)结构形式确定：根据设计参数和设计要求确定总体结构形式；
(2)空气压缩机-隔膜泵匹配性设计：根据总体结构形式，确定隔膜泵参数、空气压缩机的选型，在空气压缩机型号确定后，进行匹配性设计，并验证空气压缩机参数是否满足要求；
(3)风轮-空气压缩机匹配性设计：在空气压缩机参数确定后，根据空气压缩机转速与所需驱动功率之间的关系，确定风轮参数；
(4)整机形成匹配：风轮参数确定之后，根据空气压缩机和风轮的曲线拟合与风速、风轮转速、以及空气压缩机转速和排气压力交叉点，追踪确定空气压缩机与风轮的匹配性关系，风轮在额定转速下可正常驱动空压机，并保证空压机排气量与排气压力达到设计要求，则说明空气压缩机与风轮匹配性良好，得到整机设计的性能曲线；
设计参数包括要求的扬程与流量、提水装置的应用场地以及水源地与用水区域之间的距离；设计要求包括根据风力机安装场地的风况确定风轮的形式以及相应的叶片数量，根据用水区域以及水源的可靠性确定水泵和气泵的组合形式；
根据要求的扬程和流量以及提水装置的应用场地以及水源地与用水区域之间的距离，确定隔膜泵参数，得到隔膜泵的耗气量之后，再确定空气压缩机的选型；
匹配性设计需要综合考虑排气量、功率、转速、排气压力，在排气量确定的情况下，流量与扬程之间为负相关，空气压缩机的排气量需大于匹配性设计的排气量，空气压缩机供气量满足隔膜泵提水需求，说明适配性良好，满足设计需求；
隔膜泵的耗气量乘以1.2的富裕系数是空压机排气量的选型参数；
空气压缩机的排气量Q3：Q3＝1.2*水泵需气量；
风轮直径D按下式估算：
式中，P为风力机输出功率；ρ为空气密度，取1.225kg/m3；v为设计风速；η为传动效率，取0.95；CP为风能利用系数，取0.40；
风轮的额定转速按如下公式计算：
式中，根据安装地点确定；λ为叶尖速比；R为风轮半径。
2.根据权利要求1所述的一种机械式风力提水装置优化方法，其特征在于：风轮参数包括风轮与叶片的参数，风轮直径，风轮的额定转速；隔膜泵参数包括隔膜泵空气耗气量和耗气压力。
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