一种风能机械式深井取水装置及方法

技术领域

本实用新型涉及深井取水领域，尤其涉及一种风能机械式深井取水装置及方法。

背景技术

沙漠地带的地下水位往往可以达到十几米或几十米深，目前国内外深井取水装置基本靠电力驱动，还没有纯机械式深井取水装置出现，而在一些偏远的荒漠地区，电力很难稳定输送，导致这些缺水缺电的地区深井取水方面有很大的困难。中国专利CN201821925206.5公开的深井泵需要电机提供动力，且需要大型底座支撑深水泵，在缺乏电力的地区就很难应用；中国专利CN201410544403.2公开的深水泵采用双节轴，使每节轴的长度缩短，增强驱动电机与抽水泵之间的连接轴强度和效率，但还是没有根本性解决动力问题，该深水泵仍靠电力驱动，虽然效率照传统深水泵有所提高，但还是不适用于缺水缺电的地区；中国专利CN202110459184.8公开的太阳能抽水装置需要机架、蓄供电组件、光伏板组件和软轴泵等组件，虽然克服了缺电这一问题，但荒漠地区风沙较大，太阳能板易遮盖，且太阳能也不能保证稳定输送，另铺设太阳能板需要很大一部分的土地，对于农业为主的地区也会有一定的负担。以上三种深井取水装置都不能满足缺水缺电地区的取水需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种风能机械式深井取水装置及方法，通过风能提供动力，通过纯机械机构，采用多级活塞抽水泵取水，最终实现在无人的荒漠干旱缺水地区深井取水，持续为地面绿色植被提供必要的水源，绿色环保。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风能机械式深井取水装置，包括风力传动机构和若干组活塞抽水单元，分别为第1级活塞抽水单元、第2级活塞抽水单元.....第n级活塞抽水单元、终级活塞抽水单元；

所述第1～n级活塞抽水单元均包括活塞、第一单向阀、第二单向阀、抽水管道、储水槽；抽水管道的下部设有一储水弯，储水弯的底部伸入储水槽内，且储水弯的底部设有弹性磁力阀用于启闭储水弯向储水槽出水；其中，第1级活塞抽水单元的抽水管道的末端伸入水井内，第2～n级活塞抽水单元的抽水管道的末端伸入前一级活塞抽水单元的储水弯内；所述活塞设于抽水管道的顶部；所述第一单向阀设于抽水管道的上部，用于将抽水管道内下方的气体抽至抽水管道上方；所述第二单向阀设于抽水管道顶部且位于活塞侧下方，用于将抽水管道上方的气体向外排出；

所述终级活塞抽水单元包括活塞、第一单向阀、第二单向阀、抽水管道；抽水管道的末端伸入第n级活塞抽水单元的储水弯内，所述活塞设于抽水管道的顶部；所述第一单向阀设于抽水管道的上部，用于将抽水管道内下方的水抽至抽水管道上方；所述第二单向阀设于抽水管道顶部且位于活塞侧下方，用于将抽水管道上方的水向外排出；

所述风力传动机构连接活塞，用于传动活塞往复运动。

所述单向阀包括阀体座、及设于阀体座内的球体和弹簧，所述阀体座设有依次连通的上出口、弹簧容置腔、球体容置腔和下出口，所述球体的一端顶抵阀体座的下出口，球体的另一端顶抵弹簧的一端，弹簧的另一端顶抵阀体座的上出口。

所述弹性磁力阀包括从上到下依次设置的铁管、拉伸弹簧、磁力塞，所述铁管的底部套接在磁力塞的顶部，所述拉伸弹簧套设于铁管和磁力塞的外周。

所述铁管的顶部和磁力塞的底部均设有限位圈，所述拉伸弹簧的两端分别顶抵限位圈。

所述抽水管道的储水弯呈横向的T型设置。

所述风力传动机构包括依次连接的扇叶、锥齿、齿轮增速结构、曲轴和曲柄；所述扇叶平行于地面设置，扇叶的中心轴与锥齿固定，以将平行于地面的扇叶旋转运动转换为垂直于地面的旋转运动；所述齿轮增速结构将锥齿转换输出的旋转运动进行增速，并输出到曲轴；所述曲轴铰接曲柄，曲柄末端连接活塞，以在曲轴旋转的同时通过曲柄带动活塞上下运动。

所述曲轴铰接有一个或两个曲柄，每个曲柄分别铰接一个活塞。

所述曲轴设有多根，所述齿轮增速结构的组数对应曲轴所设置，多根曲轴在空间交错布置，以带动多个活塞运动。

所述一种风能机械式深井取水装置的取水方法如下：

所述风能机械式深井取水装置工作时，由风能提供到风力传动机构转换成活塞运动的动力；将第1级活塞抽水单元的抽水管道底部没入水中，当活塞向上运动时，管道内容积变大、压强变小，此时第一单向阀打开，抽水管道内的气体由抽水管道下方抽至抽水管道上方；当活塞向下运动时，管道内容积变小、压强变大，此时第一单向阀关闭，第二单向阀打开，将气体排出；通过多次活塞往复运动，抽水管道内气体基本被抽至接近真空状态，此时在大气压作用下，可将水压至抽水管道4近10米高处，并充满储水弯，通过控制弹性磁力阀将储水弯的水注入储水槽中；

第1级活塞抽水单元的活塞经过多次循环，将第1级活塞抽水单元的储水槽的水注满，此时第2级活塞抽水单元的活塞进入将水注满第2级活塞抽水单元的储水槽的抽水循环，以此类推，最后一个活塞可将水直接抽出地面；通过二级或多级的活塞抽水单元，最终实现将水从十几米或几十米的深井中抽出地面。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

本发明通过二级或多级活塞抽水单元的组合，通过活塞依次将水从深井中逐级抽取出来，可实现沙漠地区十几米或几十米深地下水的抽取。本发明的活塞抽水单元由活塞、单向阀、抽水管道和储水槽等构成，除最后一级将水直接抽出地面的抽水管道，其余多级抽水管道在离抽水口高度近10米处设一储水弯，储水弯底部出水处设一弹性磁力阀。缸体活塞运动的动力可由沙漠地区易获得的风能提供，实现在无人的荒漠干旱缺水地区深井取水，持续为地面绿色植被提供必要的水源。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为单向阀的结构示意图；

图3为弹性磁力阀的闭合状态示意图；

图4为弹性磁力阀的开启状态示意图；

图5为风力传动机构的结构示意图；

图6为两个抽水缸体的井口布置示意图；

图7为四个抽水缸体的井口布置示意图；

图8为六个抽水缸体的井口布置示意图。

附图标记：活塞1，第一单向阀2，第二单向阀3，抽水管道4，储水槽5，弹性磁力阀6，储水弯41；球体21，弹簧22，阀体座23；铁管61，拉伸弹簧62，磁力塞63；扇叶7，锥齿8，锥齿91，直齿92，直齿93，锥齿101，直齿102，直齿103，曲轴11，曲轴12。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例一种机械式深井取水装置，包括风力传动机构和若干组活塞抽水单元，分别为第1级活塞抽水单元、第2级活塞抽水单元、第3级活塞抽水单元、第4级活塞抽水单元(即终级活塞抽水单元)；

所述活塞抽水单元均包括活塞1、第一单向阀2、第二单向阀3、抽水管道4；所述活塞1设于抽水管道4的顶部，所述第一单向阀2设于抽水管道4的上部，所述第二单向阀3设于抽水管道4顶部且位于活塞1侧下方；

第1～3级活塞抽水单元还包括储水槽5；

第1～3级活塞抽水单元的抽水管道4的下部设有一储水弯41，第4级活塞抽水单元的抽水管道4则不设置储水弯41；所述储水弯41呈横向的T型设置，储水弯41的底部伸入储水槽5内，且储水弯41的底部设有弹性磁力阀6用于启闭储水弯41向储水槽5出水；其中，第1级活塞抽水单元的抽水管道4的末端伸入水井内，第2～3级活塞抽水单元的抽水管道4的末端伸入前一级活塞抽水单元的储水弯41内。

本实施例中，第1～3级活塞抽水单元的第一单向阀2用于将抽水管道4内下方的气体抽至抽水管道4上方；第一单向阀2用于将抽水管道4上方的气体向外排出；第4级活塞抽水单元的第一单向阀2用于将抽水管道4内下方的水抽至抽水管道4上方，第二单向阀3用于将抽水管道4上方的水向外排出。

如图2所示，本实施例单向阀包括阀体座23、及设于阀体座23内的球体21和弹簧22，所述阀体座23设有依次连通的上出口、弹2容置腔、球体容置腔和下出口，所述球体21的一端顶抵阀体座23的下出口，球体21的另一端顶抵弹簧22的一端，弹簧22的另一端顶抵阀体座23的上出口。

如图3～4所示，本实施例弹性磁力阀6包括从上到下依次设置的铁管61、拉伸弹簧62、磁力塞63，所述铁管61的底部套接在磁力塞63的顶部，所述拉伸弹簧62套设于铁管61和磁力塞63的外周；所述铁管61的顶部和磁力塞63的底部均设有限位圈，所述拉伸弹簧62的两端分别顶抵限位圈。

所述风力传动机构为抽水装置提供动力，其连接活塞，用于传动活塞往复运动。

所述风力传动机构包括依次连接的扇叶、锥齿、齿轮增速结构、曲轴和曲柄；

所述扇叶平行于地面设置，如此，可避免因扇叶半径过大，扇叶平面垂直地面安装时基座高度过高，在荒漠风沙大的地区容易发生倾倒；

所述扇叶的中心轴与锥齿固定，所述锥齿进行变向，将平行于地面的扇叶旋转运动转换为垂直于地面的旋转运动；所述齿轮增速结构，将锥齿转换输出的旋转运动进行增速，并输出到曲轴；所述曲轴铰接曲柄，曲柄末端连接活塞，以在曲轴旋转的同时通过曲柄带动活塞上下运动。

一根曲轴可以带动一个或一对缸体的活塞运动，本实施例中所述曲轴铰接有两个曲柄，每个曲柄分别铰接一个活塞。

所述曲轴设有多根，所述齿轮增速结构的组数对应曲轴所设置，多根曲轴在空间交错布置，以带动更多的活塞运动。

如图5～6所示，其中对于井口两个抽水缸体布置情况，扇叶7的中心轴与锥齿8固定，并与锥齿91啮合，锥齿91的中心轴同时固定直齿92，直齿92与固定在曲轴11上的直齿93形成一对增速齿轮，使扇叶7在风力驱动下曲轴11可快速旋转。曲轴11铰接两个曲柄，曲柄另一端与缸体活塞铰接，形成曲柄滑块机构，在曲轴旋转的同时通过曲柄带动活塞上下运动，完成抽水动作。

如图5和图7所示，对于井口四个抽水缸体布置情况，扇叶7的中心轴与锥齿8固定，并与锥齿91及锥齿101分别啮合，三个锥齿的中心轴成正交相交，锥齿8的齿数大于锥齿91及锥齿101齿数，使三个锥齿正交放置时锥齿91及锥齿101处于不接触状态，以保证三个锥齿传动时锥齿91及锥齿101不卡死。锥齿91的中心轴同时固定直齿92，直齿92与固定在曲轴11上的直齿93形成一对增速齿轮；锥齿101的中心轴同时固定直齿102，直齿102与固定在曲轴12上的直齿103形成一对增速齿轮。使扇叶7在风力驱动下曲轴12可快速旋转。曲轴11与曲轴12形成平行于地面的正交排列，同时为避免曲轴11与曲轴12在运动中曲轴位置的干涉，在垂直高度上曲轴11与曲轴12不处于同一高度。每个曲轴铰接两个曲柄，曲柄另一端与缸体活塞铰接，形成曲柄滑块机构，在曲轴旋转的同时通过曲柄带动活塞上下运动，完成抽水动作。

以此类推，对于井口多个抽水缸体布置情况，通过适当的空间位置布置，最终都可以实现多个抽水缸体在井口的均布排列，如图8所示，为井口六个抽水缸体的布置情况。

其中的齿轮增速，也可由多级增速齿轮实现。通过风力驱动机构传动活塞以一定频率在活塞缸体内往复运动，通过一个以上不同数量缸体的组合，从而实现对十几米深或是几十米深地下水的抽取。

本发明的工作原理如下：

本实施例中采用缸体活塞，缸体活塞运动的动力可由沙漠地区易获得的风能提供。使用时，将第1级活塞抽水单元的抽水管道4底部没入水中，当活塞1向上运动时，管道内容积变大、压强变小，此时第一单向阀2打开，抽水管道4内的气体由抽水管道4下方抽至抽水管道4上方；当活塞1向下运动时，管道内容积变小、压强变大，此时第一单向阀2关闭，第二单向阀3打开，将气体排出。通过多次活塞1往复运动，抽水管道4内气体基本被抽至接近真空状态，此时在大气压作用下，可将水压至抽水管道4近10米高处，并充满储水弯41。通过控制弹性磁力阀6的拉伸弹簧62弹力和磁铁吸力，保证水在注满储水弯41前，弹性磁力阀6处于闭合状态。当水注满储水弯41后，在水的重力和弹性磁力阀6内磁力塞63自身重力作用下，弹性磁力阀6的磁力塞63克服拉伸弹簧62的拉力和磁铁吸力，弹性磁力阀6瞬间打开，磁力塞63在水和自身的重力作用下惯性下落，拉伸弹簧62处于拉伸状态，此时储水弯41的水注入储水槽5中。卸载水的重量后，磁力塞63在拉伸弹簧62恢复作用下复位，并在自身磁力作用下吸合铁管61，弹性磁力阀6恢复闭合状态。活塞1并进入下一个将抽水管道4储水弯41注满水的抽水循环。

第1级活塞抽水单元的活塞1经过多次循环，将第1级活塞抽水单元的储水槽5的水注满，此时第2级活塞抽水单元的活塞1进入将水注满第2级活塞抽水单元的储水槽5的抽水循环，以此类推，最后一个活塞可将水直接抽出地面。通过二级或多级的活塞抽水单元，最终实现将水从十几米或几十米的深井中抽出地面。