При установке конструкции необходимо уделять особое внимание проемам окон и дверей. Крайне важно также правильно определить точку монтажа лопастей. Двери устанавливаются с использованием дополнительных креплений. Укреплять балки с лопастями можно с помощью бруса. Обшивка возможна любым материалом, который обеспечит герметичность конструкции, а наиболее выразительно будет выглядеть обивка деревом.
Все о ветряных мельницах
Знание о ветряных мельницах, их устройстве и принципах работы необходимо не только из-за интереса к этому вопросу. Устройство и описание лопастей – это лишь малая часть информации, которую следует усвоить. Важно также осознавать, для каких целей используются мельницы. В частности, стоит упомянуть о ветряных мельницах, которые строят для производства электричества, а также о других их сельскохозяйственных и промышленных применениях.
История возникновения
История мельниц началась с массового выращивания пшеницы и других злаков. Однако люди не сразу научились использовать силу ветра для вращения конструкций. В глубокие времена колеса приводили в движение рабы или тягловый скот. Позже появились водяные мельницы, и, в конце концов, ветряная конструкция смогла подтвердить свою эффективность.
Несмотря на то, что на первый взгляд устройство мельницы кажется простым, на самом деле это довольно сложное сооружение. Создание такой конструкции стало возможным лишь после учета нагрузки от ветра и правильного выбора длительности действия механизма на выполнение задач, которые варьировались — от колки дров до откачки воды. Самые ранние образцы мельниц — козловки — строились по принципам, аналогичным деревянным домам.
В дальнейшем появились так называемые шатровые мельницы, которые имели стационарный корпус, в то время как верхняя часть с валом могла вращаться.
Эти модели способны приводить в движение два жернова, что значительно увеличивает их производительность. Мельница не рассматривалась только как утилитарный инструмент. Она играла важную роль в мифах, легендах и сказках различных народов. Ни одна культура не обошлась без таких представлений. Существовало множество мифологических сюжетов, связанных с мельницами: замурованные в фундаментах во время строительства люди, духи, обитающие на мельнице, скрытые кладовые, таинственные подземные ходы и так далее.
Ветряные мельницы до XIX века
На протяжении многих веков люди использовали ветер для мореплавания, полагаясь на паруса для ловли воздушных потоков. Первые ветряные мельницы были задействованы в Египте в районе 2-1 веков до нашей эры, где были обнаружены каменные мельницы барабанного типа. Эти конструкции представляли собой колеса с широкими лопастями, установленные в специализированных барабанах так, чтобы половина их находилась снаружи. Когда ветер дул на лопасти, колесо вращалось, что приводило в движение жернов. Более современные ветряные мельницы с крыльчатой конструкцией начали использоваться персами на территории современного Ирана в VII веке нашей эры. С VIII-IX веков ветряные мельницы начали свое распространение по Европе и Руси. Первоначально они использовались исключительно для перемалывания зерна, но со временем их начали применять также для откачки воды и запуска различных механизмов. Особенно интересным было использование ветряных мельниц голландцами для осушения польдеров — земель, обнесенных дамбами.
До середины XVI века в Европе распространение получили мельницы на козлах (иногда называемые немецкими мельницами). Главные недостатки этих конструкций состояли в ненадежности (их могли опрокинуть сильные ветра) и ограниченной производительности, так как козловые мельницы требовали ручного управления и поворота в сторону ветра, что ограничивало их размеры. Однако в середине XVI века в Голландии была изобретена мельница, в которой только крыша с крыльями двигалась. Эти усовершенствованные конструкции стали известны как шатровые или голландские мельницы. Их строили очень высокими, чтобы можно было закрепить длинные крылья, тем самым увеличивая мощность. На сегодняшний день самыми высокими ветряными мельницами в мире являются голландские мельницы с названиями «Север» и «Свобода», высота которых превышает 33 метра.
В то время Голландия была лидером по количеству ветряных мельниц, которые использовались не только для помола зерен, но и для производства красок, масла и распиловки древесины. В частности, в Петербурге была построена ветряная мельница для деревообработки, конструкцию которой Петр I изучал у голландских мастеров. Даже бумагу производили с помощью ветряных мельниц; до сих пор в голландском местечке Заансе Сханс можно увидеть последнюю работающую мельницу для производства бумаги, известную под названием «Учитель». Неудивительно, что долгое время бумага, изготовленная в Голландии, считалась самой качественной, и именно на ней была напечатана американская «Декларация Независимости».
Новая жизнь ветряных мельниц
Развитие технологий начало угрожать традиционным ветряным мельницам, однако вскоре люди поняли, что с помощью этих «старинных» способов можно получать электрическую энергию. В июле 1887 года шотландский академик Джеймс Блит предпринял попытку создать устройство для генерации электричества с использованием ветра. В 1891 году он получил патент на свое изобретение. Его 10-метровый ветряк с тканевыми крыльями был установлен в шотландском городке Marykirk и использовался для освещения. Однако коммерческого успеха Блит не добился. Неизменно, в течение зимы 1887-1888 годов в Соединенных Штатах Чарльз Ф. Браш создал ветряную турбину, которая обеспечивала электричеством его дом и лабораторию до 1900 года.
В 1890 году датский ученый Поль ля Кур создал ветряную установку для производства водорода, которая стала первой электроветряной установкой современного типа. В первой половине XX века ветрогенераторы начали устанавливаться в отдаленных местах, куда обычным путем невозможно было провести электричество. С 20-х годов XX века ветрогенераторы начали появляться в США и Австралии. В России в 1918 году профессор В. Залевский заинтересовался использованием ветра для выработки электричества. Он разработал теорию ветряных мельниц и сформулировал принципы, которым должны соответствовать ветрогенераторы. В 1925 году профессор Н. Жуковский организовал отдел ветряных двигателей при Центральном аэрогидродинамическом институте. В 30-х годах XX века руководство Советского Союза начало серьезно изучать возможности использования ветра как источника энергии. В стране было налажено производство ветрогенераторов мощностью 3-4 кВт, и они выпускались сериями. Первая ветроэлектрическая станция в СССР была установлена в 1930 году в Курске с мощностью в 8 кВт. В 1931 году была запущена крупнейшая в мире Ялтинская ВЭС мощностью 100 кВт. Строительство и монтаж ветрогенераторов велись высокими темпами до начала 60-х. Например, с 1950 по 1955 годы в Советском Союзе производилось до 9000 ветрогенераторов ежегодно. Когда осваивалась целина в Казахстане, советские специалисты построили первую многоагрегатную ветроэлектрическую станцию, которая работала в тандеме с дизельным генератором и имела общую мощность 400 кВт. Эта установка стала одним из первых примеров современных ветро-дизельных систем. Однако к концу 60-х годов ветряная энергетика в СССР уступила место крупным тепловым, гидроэлектрическим и атомным электростанциям, и серийное производство «ветряков» было прекращено. Возвращение к использованию ветрогенераторов произошло в 90-х годах XX века, в отличие от США и Европы. Начало современной ветроэнергетики принято относить к 1979 году.
Мельничный постав
Ключевая часть мукомольной мельницы называется мельничный постав или снасть. Он состоит из двух жерновов: верхнего, или бегуна, A, и нижнего, или нижняка, B.
Жернова представляют собой каменные круги значительной толщины, имеющие в центре сквозное отверстие, называемое очком, а на мелящей поверхности находятся специальные насечки (подробности см. ниже). Нижний жернов устанавливается неподвижно; его очко закрыто деревянной втулкой, именуемой кружловиною g, через которую проходит веретено C; верхний конец веретена соединен с бегуном с помощью металлического стержня CC, который крепится горизонтально в очке бегуна и называется параплицей или порхлицей.
В верхней части параплицы и, следовательно, в центре жерна, на ее нижней стороне выполнено углубление, которое имеет форму пирамиды или конуса. Этот элемент принимает заостренный верхний конец веретена C.
При таком соединении бегун вращается вместе с веретеном и, в случае необходимости, его легко снять. Нижняя часть веретена вставляется на шип в подшипник, который закреплен на балке D. Балка может подниматься и опускаться, что позволяет увеличивать или уменьшать расстояние между жерновами. Веретено C вращается с помощью так называемой цевочной шестерни E; это состоящее из двух дисков соединение, которое надето на веретено и находится на небольшом расстоянии друг от друга, скреплено по окружности вертикальными палочками.
Цевочная шестерня приводится в движение лобовым колесом F, которое имеет на правой стороне своего обода зубья, захватывающие палочки цевочной шестерни и вращающие ее вместе с веретеном.
На ось Z установлено крыло, которое приводится в движение ветром; в водяной мельнице — водяным колесом, вращаемым водой. Зерно подается через ковш a и очко бегуна в промежуток между жерновами. Ковш состоит из воронки a и лотка b, который находится под очком бегуна.
Процесс размола зерна происходит в промежутке между верхней поверхностью нижника и нижней частью бегуна. Оба жернова одеты кожухом N, который предотвращает рассыпание зерен. По мере размола зерна новые порции зерна подвигаются центробежной силой и напором вновь поступающих зерен от центра нижняка к окружности, падая с нижника и проходя по наклонному желобу в пеклевальный рукав R для просеивания. Рукав E изготовлен из шерстяной или шелковой ткани и помещен в закрытом ящике Q, из которого выступает его нижний конец.
Сначала просеивается мелкая мука, которая падает в задней части ящика; более крупные частицы отсеиваются в конце рукава; отруби задерживаются на ситке S, а самую грубую муку собирают в ящик T.
Жернова
Поверхность жернова разделена глубокими бороздками, известными как борозды, на отдельные плоские участки, которые называются мелющими поверхностями. От борозд отходят более мелкие желобки, именуемые оперением. Борозды и плоские поверхности формируют повторяющийся рисунок, называемый гармошкой.
У типичного мукомольного жернова имеется шесть, восемь или десять таких гармошек. Система желобов не только образует режущую кромку, но и обеспечивает постепенное ссыпание готовой муки из-под жерновов. При постоянном использовании жернова требуют своевременного подтачивания, что подразумевает регулирование краев всех желобов для поддержания остроты режущей кромки.
Жернова применяются парами. Нижний жёрнов установлен неподвижно. Верхний жёрнов, называемый бегуном, — подвижный и производит непосредственно размол ингредиентов. Подвижный жёрнов приводится в движение крестообразным металлическим штифтом, установленным на головке главного стержня или ведущего вала, который вращается в результате работы основного механизма мельницы, использующего энергию ветра или воды. Рельефный рисунок повторяется на обоих жерновах, обеспечивая тем самым эффект ножниц при размалывании зерна.
Дважды важно, чтобы жернова были одинаково сбалансированными. Правильное взаимное расположение камней критически необходимо для получения качественной муки.
На трущихся поверхностях жерновов делают насечку, т.е. пробивают ряд углубленных бороздок, и промежутки между ними делают грубо-шероховатыми. В процессе размола зерно попадает между бороздками верхнего и нижнего жерновов и разрывается острыми кромками насечки на мелкие частицы, которые окончательно размоляют по выходу из бороздок.
Бороздки насечки также служат каналами, благодаря которым размалываемое зерно движется от очка к окружности жерновов. Поскольку жернова даже из качественного материала изнашиваются, насечка должна обновляться. Это нужно делать время от времени для поддержания производительности мельницы и качества муки.
Разновидности лопастей ветряков
Конструкции лопастей ветряков могут варьироваться не только с вертикальным, но и с горизонтальным вращением. Лопасти могут иметь винтовую конструкцию с изменяемой парусностью. Мельницы проектировались так, чтобы каждое строение имело свою уникальность. Современные конструкции также удивляют своим разнообразием.
На рубеже XIX века в России работало около 200 000 мукомольных мельниц. Средний ветряк вырабатывал мощность порядка 3,5 кВт, тогда как крупные модели с диаметром лопастей 24 метра могли давать до 15 кВт. Суммарная производимая ими мощность достигала 750 мВт. В текущий момент используются современные ветряные электрогенераторы, и лишь несколько мельниц остались в эксплуатации для других нужд. К сожалению, их общая мощность сегодня составляет лишь 15 мВт, что в 50 раз меньше, чем 100 лет назад. Однако планы по развитию ветряной энергетики существуют, ведь потенциал ветра в нашей стране составляет десятки миллиардов киловатт.
Пока эти планы не реализовались, можно переосмыслить известное выражение Владимира Маяковского и сказать: «Если мельницы строят – значит, это нужно кому-то? Значит, кто-то хочет, чтобы они существовали?» Завораживающая красота работающих мельниц вдохновляет создателей, создающих удивительные объекты на своих участках и в садах.
Ветряные насосы
Ветряные насосы использовались для перекачивания воды на территориях современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с IX века. Они получили широкое распространение по всему мусульманскому миру, а затем распространились в современные районы Китая и Индии. В Европе, особенно в Нидерландах и восточных областях Англии, ветряные насосы начали применять с Средневековья для осушения земель, используемых в сельском хозяйстве или строительстве.
Американский ветряной насос, или ветряной двигатель, был изобретен Даниэлем Халадеем в 1854 году. Он использовался главным образом для подъема воды из колодцев. Более крупные варианты ветряного насоса также находили применение при распиловке древесины, измельчении сена, шелушении и размоле зерна. В Калифорнии и некоторых других штатах ветряной насос стал основным компонентом автономной системы для извлечения хозяйственно-бытовой воды, которая включала ручной колодец и деревянную водонапорную башню. В конце XIX века стальные лопасти и башни заменили устаревшие деревянные конструкции. На пике своего развития в 1930 году количество вместительных ветряных насосов оценивалось около 600 000 единиц. Производством таких насосов занимались ряд американских компаний, таких как Pump Company, Feed Mill Company, Challenge Wind Mill, Appleton Manufacturing Company, Eclipse, Star, Aermotor и Fairbanks-Morse, которые со временем стали основными поставщиками ветряных насосов в Северной и Южной Америке.
Вертяные насосы продолжают активно использоваться на фермах и ранчо в Соединенных Штатах, Канаде, Южной Африке и Австралии сегодня. Они имеют множество лопастей, что позволяет им работать с большей скоростью при слабом ветре и замедляться при повышенном. Такие мельницы поднимают воду для хозяйственных нужд, включая потребности комбикормовых заводов, лесопильных и сельскохозяйственных машин.
Компания Griffiths Brothers в Австралии начала производить ветряные мельницы под названием Southern Cross Windmills с 1903 года. Сегодня они стали важной частью австралийского сельскохозяйственного сектора, обеспечивая доступ к воде из Большого артезианского бассейна.
Ветряные мельницы в разных странах
Ветряные мельницы Голландии
В 1738-1740 годах в голландском городке Киндердейк было построено 19 каменных ветряных мельниц, обеспечивающих защиту низменных земель от затопления. Эти мельницы перекачивали воду из участка, находящегося ниже уровня моря, в реку Лек, которая впадает в Северное море. Кроме того, ветряные мельницы использовались для генерации электричества. Благодаря этим мельницам Киндердейк в 1886 году стал первым электрифицированным городом в Нидерландах.
Сегодня современное насосное оборудование используется для перекачки воды с отметки ниже уровня моря в Киндердейке, тогда как ветряные мельницы в 1997 году были занесены в Список объектов всемирного наследия ЮНЕСКО.
