4.4. Типы ветряных мельниц

Технологические процессы производства с использованием ветряных мельниц крайне разнообразны. В соответствии с этим и мельницы подразделялись на различные типы.

Так, в мукомольном производстве были мельницы, работающие на один (см. рис. 4.3) или два (рис. 4.11) жерновых постава.

По конструктивным формам поворота на ветер существовало два основных типа ветряных мельниц – козловые и шатровые (рис. 4.12). Козловая ветряная мельница (рис. 4.12, а) целиком поворачивалась вокруг дубового столба. Столб устанавливался в центре тяжести, а не в центре симметрии, на фундаменте. Поворот на ветер требовал затраты больших усилий. Применялась одноступенчатая передача, вращающая короткий вал жернова. К козловому типу относится и мельница «Bock» (см. рис. 4.3). На рис. 4.13 представлен разрез более поздней конструкции козловой ветряной мельницы.

На рис. 4.12, б показан шатровый (голландский) тип. Неподвижное здание мельницы снабжалось сверху поворотной рамой, несущей ветроколесо и покрытой крышей в виде шатра. Поворот на ветер из-за меньшего веса поворачивающихся частей требовал значительно меньших усилий. Ветроколесо могло иметь увеличенный диаметр вследствие возможности его подъёма на большую высоту. Чаще всего применялась двухступенчатая передача (см. рис. 4.11). На рис. 4.14 представлена более совершенная конструкция шатровой мельницы.

Колчанный тип занимал промежуточное положение между шатровым и козловым типами. Поворотный круг располагался на половине высоты мельницы.

Дренажные мельницы, поворотная рама которых находились на уровне земли, относили к колчанному типу.

Быстроходность ветряных мельниц ограничивалась прочностью передачи с деревянными зубьями колёс и цевок шестерён. Поэтому повышение коэффициента использования энергии ветра за счёт увеличения быстроходности ветроколеса также было ограничено. Зубья и цевки (рис. 4.15) выполнялись по шаблону из сухого дерева (граб, акация, вяз, клён или берёза).

Рис. 4.11. Общий вид (а) и разрез (б) старинной европейской ветряной мельницы с двумя жерновами

 

Рис. 4.12. Схемы козловой (а) и шатровой (б) мельниц: 1 – ветроколесо; 2 – главный вал; 3 – одноступенчатая передача; 4 – вал жёрнова; 5 – засыпочный лоток; 6 – жёрнов; 7 – водило; 8 – центральный столб; 9 – двухступенчатая передача

Обод колеса на главном валу делался из досок берёзы или вяза, положенных в два слоя, с наружной стороны обрабатывался по окружности и притягивался болтами к спицам. Верхний и нижний диски цевочной шестерни вертикального вала связывались из досок толщиной 40 мм в два слоя. Диски также стягивались болтами. Колесо и шестерня крепились клиньями. Так как крылья являлись основной частью ветряных мельниц, то и развитие последних с момента их возникновения и до заката шло по пути совершенствования прежде всего конструкции крыльев.

В старых конструкциях решётка крыла покрывалась парусиной. Постепенно тёс вытеснил парус. Крылья начали обшивать тёсом (лучшим был еловый) толщиной в 6 мм, постоянной по длине (рис. 4.16). Обрывки полотна на парусном крыле, щели, грубо пригнанный тёс на дощатом крыле снижали в несколько раз подъёмную силу крыльев, а следовательно, во столько же раз и производительность ветряной мельницы.

У простейших мельниц крылья делали с постоянным углом заклинения лопасти (от 14 до 15°). Такие крылья были значительно проще в изготовлении, но коэффициент использования энергии ветра у них примерно в 1,5 раза меньше, чем у крыльев с винтовой лопастью. У некоторых шатровых мельниц крылья делали с переменным углом заклинения: на конце от 0 до 10° и у основания от 16 до 30°. Одна из последних конструкций крыльев с полуобтекаемыми профилями представлена на рис. 4.17.

Рис. 4.13. Разрез козловой ветряной мельницы

Рис. 4.14. Разрез шатровой ветряной мельницы

В Европе здания шатровых ветряных мельниц к моменту заката их эпохи строили из камня. Общий вид такой мельницы показан на рис. 4.18 (на заднем плане – современная ветровая электрическая установка).

У ветряной мельницы с приводом к водяному насосу для орошения земельных участков (рис. 4.19) наиболее старого типа, как и у зерновых мельниц, в случае ветра большой силы во избежание повреждений площадь крыльев уменьшалась вручную путем частичного снятия паруса (или открытия жалюзей). За счёт применения ветроколеса «Геркулес» диаметром 15 м (рис. 4.20), построенного Объединённым обществом ветряных турбин в Дрездене, был сделан очередной шаг к улучшению экономичности подобных установок.

Но все это тихоходные ветродвигатели, для которых характерны большое число лопастей или широкие крылья (см. рис. 4.3–4.5, 4.7–4.11, 4.13, 4.14, 4.18–4.20). Им присущ большой страгивающий момент.

Увеличить быстроходность ветронасосных установок удалось с использованием ветроколеса «Адлер» фирмы «Кестер» в Гольштинии (рис. 4.21, а) с малым числом лопастей и большим расстоянием между ними.

б Рис. 4.15. Передачи: а – одноступенчатая верхняя; б – двухступенчатая нижняя

Рис. 4.16. Обшивка крыла тёсом

Установка с этим колесом обладала средней быстроходностью. Ветроколесо быстроходного типа фирмы «Аэродинамо» (Берлин) на подсасывающей стороне крыльев уже имело клапаны (рис. 4.21, б) для автоматического регулирования. В рабочем состоянии клапаны удерживались пружиной и упором в горизонтальном положении так, что при движении крыла они не создавали значительного сопротивления.

При превышении определённой частоты вращения под действием центробежных сил клапаны поворачивались и создавали большое сопротивление, а также весьма значительно нарушали плавность потока на крыле, так что подъёмная сила крыльев делалась меньше, вследствие чего ветер использовался в меньшей степени.

Быстроходные ветродвигатели позволяли получать высокие значения коэффициента использования энергии ветра и большую мощность при тех же размерах, имели малый страгивающий момент.

Рис. 4.17. Конструкция крыльев с полуобтекаемыми профилями

На рис. 4.22 показана ветроустановка, которая накачивала воду с помощью подъёмного винта. Ветроколесо у нее такого же типа, как и на рис. 4.21, а, той же фирмы. Обращает на себя внимание форма профилей крыльев.

В XVIII–XIX веках ветряные мельницы сооружались практически по всему миру. Развитие машиностроения позволило перейти от кустарного производства деревянных мельниц к изготовлению в мастерских деревометаллических и к массовому производству в заводских условиях многолопастных ветродвигателей металлической конструкции. К концу XIX столетия они уже были снабжены системами автоматического регулирования скорости вращения и мощности, механизмами фиксации ветроколеса по направлению потока. Суммарный годовой выпуск в основных промышленно развитых странах составлял сотни тысяч двигателей. Ряд стран начал в значительных количествах выпускать на заводах также более совершенные по конструкции и экономичные быстроходные ветродвигатели, предназначенные в первую очередь для получения электрической энергии. Эти двигатели небольшой мощности (0,75–1 кВт) обычно выполнялись с двух(рис. 4.23, а) или трехлопастным (рис. 4.23, б) ветроколесом крыльчатого типа, соединённым через редуктор с генератором постоянного тока. Они снабжались системой аккумулирования энергии, чаще всего аккумуляторной батареей. Их использовали в быту для освещения небольших и удалённых объектов и зарядки аккумуляторных батарей.

Характерна установка на ветер ветроагрегата «Беркут-3» (см. рис. 4.23, а) с помощью двух виндроз в отличие от большинства аналогичных ветродвигателей, где эту функцию выполняет хвост (см. рис. 4.23, б, а также рис. 4.8–4.10, 4.20–4.22). Механизм виндроз представляет собой два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного колеса, работающих на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветроагрегата до тех пор, пока колёса не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра.

Рис. 4.19. Немецкая ветронасосная мельница для орошения земельных участков

Рис. 4.20. Ветронасосная установка с ветроколесом «Геркулес»

Рис. 4.18. Каменная ветряная мельница шатрового типа

Ограничение числа оборотов в ветроагрегате «Роралайт» производится поворотом лопасти с помощью центробежного регулятора, смонтированного на валу ветроколеса.

Значение ветряных мельниц и других ветроагрегатов в жизни людей и развитии человеческой цивилизации столь велико, что они заслуживают не только строгого – технического – сухого описания, но и поэзии.

Большой мастер лирической прозы К.Г. Паустовский (1892–1968) в очерке «Ильинский омут» оставил нам в наследство «оду» ветряной мельнице.

«Однажды летом я жил в степях за Воронежем. Все дни я проводил или в одичалом липовом парке, или на мельнице3ветряке, стоявшей на сухом кургане.

Вокруг ветряка росло много шершавого лилового бессмертника. Тесовая крыша ветряка была наполовину сорвана воздушной волной в те дни, когда к Воронежу подходили немцы.

В отверстие крыши было видно небо. Я ложился на глиняный тёплый пол мельницы и читал романы Эртеля или просто смотрел на небо в отверстие над моей головой.

а б

Рис. 4.21. Ветроколёса фирм «Адлер» (а) и «Аэродинамо» (б)

В нём непрерывно возникали всё новые очень белые и выпуклые облака и медленной чредой уплывали на север.

Тихое сияние этих облаков достигало земли, проходило по моему лицу, и я закрывал глаза, чтобы уберечь их от резкого света. Я растирал на ладони венчик чабреца и с наслаждением вдыхал его запах – сухой, целебный и южный. И мне чудилось, что рядом, за ветряком, уже открылось море, и что пах3 нут чабрецом не степи, а его наглаженные прибоями пески.

Рис. 4.22. Ветроустановка для накачивания воды с помощью подъёмного винта

Иногда я задремывал около жерновов. Вы3 сеченные из розового песчаника жернова переносили мою мысль ко временам Эллады.

Несколько лет спустя я увидел статую египетской царицы Нефертити, высеченную из такого же камня, как и жернова. Я был поражён женственностью и нежностью, какая заключалась в этом грубом песчанике. Гениальный ваятель извлёк из сердцевины камня дивную голову трепетной и ласковой молодой женщины и подарил её векам, подарил её нам, своим далёким потомкам, так же как и он, взыскующим нетленной красоты.

А два года спустя я увидел во Франции, в Провансе, знаменитую мельницу писателя Альфонса Доде. Когда-то он устроил в ней своё жилище.

Очевидно, жизнь на ветряной мельнице, пропахшей мукой и старыми травами, была удивительно хороша. Особенно на нашей воронежской мельнице, а не на мельнице Альфонса Доде. Потому что Доде жил в каменной мельнице, а наша была деревянная, полная ми3 лых запахов смолы, хлеба и повилики, полная степных поветрий, света облаков, перелива жаворонков и цвиканья каких3то маленьких птичек – не то овсянок, не то корольков.

Рис. 4.23. Ветроэлектрические быстроходные агрегаты: а – советский «Беркут33»; б – американский фирмы «Роралайт»