Сельское хозяйство/2.Механизация сельского хозяйства

д.т.н. Сеитбеков Л.С. , к.т.н.Нурпеисова Г.Б., к.т.н. Абдикаиров А.

НПЦ механизации и электрификации сельского хозяйства, Казахстан

Закономерности изменения производительности ветроводоподъемной установки от высоты водоподъема

Казахстан является одним из ведущих государств Центральной Азии с ярко выраженным животноводческим направлением. В последние годы отгонно-кочевое животноводство стало практически оседлым или стационарным. Продуктивность пастбищ резко упала, исчезают съедобные виды растений, постепенно заменяясь сорными и ядовитыми. Недостаток кормов сдерживает рост поголовья животных. В этих условиях остро встает проблема организации пастбищеоборотов, государственной поддержки отгонного животноводства. Следовательно, важное значение имеет правильный подбор обводнительных сооружений и водоподъемных средств, зависящий от целого ряда факторов: дебита водоисточника, его расположения относительно пастбищного участка, наличия электроэнергии и т.д.

Несмотря на низкий коэффициент использования децентрализованная система водоснабжения получила широкое распространение в Казахстане, т.к. водопойные пункты, оборудованные различными приспособлениями, позволяют более гибко осуществлять организацию водопоя для одной или нескольких отар.

В свете этого актуальны работы по совершенствованию водоподъемных установок и рационализации эксплуатации водоподъемных средств, а также по использованию возобновляемых источников энергии ветра и солнца.

В нашем Центре в последние годы ведутся работы по созданию и модернизации ветроводоподъемных установок (ВВУ). Для обоснования оптимальных параметров ВВУ, используемых при водоподъеме на различную высоту, были проведены стендовые испытания привода и поршневого насоса на лабораторном стенде. Экспериментальный стенд (рисунок 1) включает в себя рычажный привод ветроводоподъемной установки, который соединен через редуктор с электродвигателем. Установка смонтирована над глухой скважиной с внутренним эксплуатационным диаметром 168 мм. Для измерения значения крутящего момента на валу привода ветроколеса используется тензометрический узел и контрольно-измерительная аппаратура. Производительность поршневого насоса определялась по показаниям счетчика воды, установленного на подающей трубе. Частота вращения привода изменялась в диапазоне 15…60 мин^-1, высота водоподъема – 5…25 м. Погружение насоса под рабочий уровень воды во время опыта контролировался электродными датчиками, закрепленными на водоподъемной трубе. Экспериментальные данные частоты вращения, крутящего момента на валу привода ветроколеса фиксировались самописцем.

По результатам стендовых испытаний получены кривые крутящего момента на приводе ветроколеса при различных значениях частоты вращения ВК и высоты водоподъема (рисунок 2).

Рисунок 1 – Стенд для испытания привода и поршневого насоса ВВУ

Рисунок 2 – Зависимости крутящего момента на приводе ветроколеса

от частоты вращения ВК и высоты водоподъема

Как видно из графиков, при частоте вращения 18 мин^-1 крутящий момент для высоты водоподъема 5 м и 10 м плавно растет при движении поршня до среднего положения и плавно уменьшается до достижения нижнего положения поршня. При увеличении высоты водоподъема крутящий момент меняется по колебательному закону с высокими пиковыми значениями при переходе от среднего положения поршня к верхнему положению и резким переходом (менее, чем за 1 с) к минимальным значениям при движении поршня вниз. При частоте вращения 29 мин^-1 крутящий момент для высоты водоподъема 10 м также имеет колебательную характеристику, а время переходного процесса для всех значений высоты водоподъема уменьшается почти в полтора раза. При частоте вращения 60 мин^-1 наблюдается рост пиковых значений крутящего момента более чем в два раза для всех значений водоподъема.

По результатам стендовых испытаний получены зависимости производительности (Q) экспериментального образца ВВУ от частоты вращения ВК (n), которые описываются степенной функцией Q = а_i·n³ с высокими коэффициентами корреляции функций. Значение коэффициента степенной функции а_i зависит от высоты водоподъема (h) и изменяется по степенному закону а_i = 0,0009·h^-0,95.

На рисунке 3 приведена номограмма, построенная по результатам стендового испытания экспериментального образца ВВУ и имитационного моделирования. Зависимости изменения частоты вращения и вырабатываемой мощности на валу ВК от скорости ветра получены в результате имитационного моделирования с использованием технических характеристик экспериментального образца ВВУ. Пользуясь данной номограммой можно определить производительность экспериментального образца при различных значениях скорости ветра и высоты водоподъема.

Рисунок 3 – Номограмма для определения производительности ВВУ

при различных значениях скорости ветра и высоты водоподъема

Для оценки адекватности полученных значений эксплуатационным показателям экспериментальной установки были проведены натурные эксперименты с ВВУ в крестьянском хозяйстве «Ар» Алматинской области. ВВУ была установлена на колодец диаметром 200 мм, высота водоподъема составила 5,4 м. В ходе наблюдений скорость ветра менялась от 0 до 7,6 м/с, суточный ход температуры воздуха был в пределах 12…48 ºС, атмосферное давление – 948…1001 гПа, частота вращения колеса изменялась от 0 до 63 мин^-1, производительность водоподъема – от 0 до 45 л/мин. Расхождения между данными натурных экспериментов и значениями производительности для высоты водоподъема 5 м на номограмме составили не более 10%, что соответствует допустимому отклонению с учетом климатических условий местности.