-
Windkraftanlage zum .Antrieb einer Kolbenpumpe Die Erfindung betrifft
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der aus einem Windrad und einer von diesem
angetriebenen Kolbenpumpe bestehenden Windkraftanlage gemäß Patent 837 379. In dem
Hauptpatent ist der Grundgedanke unter Schutz gestellt, die Leistungsaufnahme der
Kolbenpumpe mit der verfügbaren Leistung des Windrades in bessere Übereinstimmung
zu bringen und auf diese Weise besonders das Anlaufverhalten derartiger Anlagen
zu verbessern, indem bei einer solchen Windkraftanlage eine Einrichtung zur selbsttätigen
Veränderung des wirksamen Kolbenhubes in Abhängigkeit von der Arbeitsgeschwindigkeit
vorgesehen ist. Für die Ausgestaltung einer solchen Einrichtung ist im Hauptpatent
eine Reihe verschiedener Lösungen aufgezeigt. Unter diesen ist auch ein geschwindigkeitsabhängiges
Druckventil im Pumpenkolben beschrieben und dargestellt.
-
Ein erst bei größerer Kolbengeschwindigkeit plötzlich schließendes
Kolbenventil führt jedoch vor allem bei verhältnismäßig großen Pumpenabmessungen
infolge der dabei auftretenden Beschleunigungskräfte für die Wassersäule zu starken
stoßweisen Belastungen in der ganzen Windkraftanlage. Erfindungsgemäß lassen sich
diese. Stöße im Pumpensystem unter Inkaufnahme eines etwas verringerten volumetrischen
Wirkungsgrades in besonders einfacher Weise dadurch vermeiden, daß am Pumpenkolben
außer dem Kolbenventil eine oder
mehrere kalibrierte Durchlaßöffnungen
angeordnet werden. Eine solche »definierte Undichtheit« des Pumpenkolbens bewirkt,
daß sich die Drücke auf beulen Seiten des Kolbens bei ganz langsamen Kolbenbewegungen
ausgleichen können, ohne die Wassersäule im Steigrohr zu heben, wodurch ein nahezu
kraftloser Anlauf erreicht wird. Die Wasserförderung beginnt erst bei einer höheren,
durch das Größenverhältnis von Kolbenfläche zur Durchlaßöffnung bestimmten Geschwindigkeit
und steigt dann schneller an als die Arbeitsgeschwindigkeit.
-
Die Durchlaßöffnung kann grundsätzlich beliebig z. B. als ein kalibrierter
Ringspalt zwischen Kolben und Zylinderwand ausgebildet werden. Da aber bei der Bemessung
der Durchlaßöffnung sehr enge Toleranzen eingehalten werden müssen, besteht bei
Verwendung eines Kolbens mit Ringspalt die Gefahr, daß sich der nur wenige Zehntelmillimeter
breite Spalt im .Betrieb besonders mit verunreinigtem - sandhaltigem - Wasser schnell
vergrößert und dadurch. der Wirkungsgrad stark verschlechtert wird. Als besonders
zweckmäßig hat es sich daher im weiteren Ausbau der Erfindung gezeigt, die kalibrierte
Durchlaßöffnung oder deren mehrere im Kolbenventil anzubringen. Bei dieser Ausgestaltung
ist es möglich, jede handelsübliche Tiefbrunnenkolbenpumpe mit geringstem Arbeitsaufwand
für die Zwecke der Erfindung abzuändern. Ferner lassen sich eine oder mehrere Durchlaßöffnungen
im Kolbenventil auch mit einer der Berechnung besonders gut zugänglichen Blendenform
sehr genau herstellen.
-
Eine eingehende rechnerische Untersuchung der erforderlichen Antriebsleistungen
der Pumpe bei verschiedenen Hubzahlen im Vergleich mit den. bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten
verfügbaren Leistungen des Windrades mit dem Größenverhältnis »9p« zwischen der
Kolbenfläche und der (Gesamt-) Querschnittsfläche der Durchlaßöffnungen am Pumpenkolben
als Parameter hat schließlich ergeben, da.ß dieses Verhältnis »9p« zwischen den
Grenzen 70 und 2o, vorzugsweisse zwischen 5o und 30 zu wählen ist,
um eine bestmögliche Anpassung der Pumpencharakteristik ari die Windradleistungskurven
zu erhalten.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in drei
Abbildungen veranschaulicht. Von diesen zeigen im einzelnen Abb: 1 den Arbeitszylinder
einer Tiefbrunnenpumpe mit im Kolbenventil angeordneten kalibrierten Durchlaßöffnungen
im Teillängsschnitt, Abb. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der Abb. 1 und
Abb. 3 die Abhängigkeit des Pumpenleistungsbedarfs von der Arbeitsgeschwindigkeit
für verschiedene Größenverhältnisse »q9« der Kolbenfläche zur Querschnittsfläche
der Durchlaßöffnungen in einem gemeinsamen Diagramm mit der verfügbaren Windradleistung
als Funktion der Drehzahl bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten. Unter Verwendung
der gleichen Bezugszeichen wie im Hauptpatent besteht die in den Abb. 1 und 2 dargestellte
Tiefbrunnenkolbenpumpe aus einem Kolben 15, der in einem Zylinder 16 mit Hilfe eines
Gestänges 14 von einer Windkraftanlage auf und ab bewegbar geführt ist. Der Kölben
15 ist durch zwei Ledermanschetten 5o auf'seiner Mantelfläche gegenüber dem Zylinder
16' abgedichtet. Das Kolbenventil 51 ist auf seiner Sitzfläche in üblicher Weise
z. B. durch ,einen Gummiring 52 abgedichtet. Als Einrichtung zur Veränderung des
wirksamen Kolbenhubes in Abhängigkeit von der Arbeitsgeschwindigkeit sind in dem
Kolbenventil 51 zwei als kalibrierte Blenden ausgebildete Durchlaßöffnungen 53 angeordnet,
die dem Kolben eine genau berechenbare Durchlässigkeit verleihen.
-
In der Abb. 3 ist in einem Diagramm die verfügbare Leistung einer
speziellen Windkraftanlage in Abhängigkeit von der Windraddrehzahl für verschiedene
Windgeschwindigkeiten (2 bis 8 m/s) aufgetragen. In das gleiche Diagramm sind die
für verschiedene Größenverhältnisse »9p« von Kolbenfläche zur O_uerschnittsfläche,
der Durchlaßöffnungen errechneten erforderlichen Antriebsleistungen einer bestimmten
Kolbenpumpe eingetragen. Ein zweiter, rechts eingezeichneter Ordinatenmaßstab gibt
an, welcher größten Druckhöhe die Windradleistung mit den angenommenen Pumpenabmessungen
jeweils entspricht. Aus den beiden Grenzbedingungen, daß einerseits der volumetrische
Wirkungsgrad annehmbar bleiben und andererseits die benötigte Pumpenantriebsleistung
bei niedrigen Drehzahlen möglichst weit verringert werden soll, kann aus dem dargestellten
Diagramm entnommen werden, daß das Größenverhältnis »q9« höchstens zwischen 7o und
2o schwanken darf und zwischen 5o und 30 seinen Bestwert aufweist.