Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Мал. 4.11. Загальний вигляд (а) та розріз (б) старовинного європейського вітряного млина з двома жорнамиТехнологічні процеси виробництва з використанням вітряних млинів вкрай різноманітні. Відповідно до цього і млини поділялися на різні типи.

Так, у борошномельному виробництві були млини, що працюють на один (див. мал. 4.3) або два (мал. 4.11) жорнових посади.

За конструктивними формами повороту на вітер існували двоє основних типів вітряних млинів – козлові та шатрові (мал. 4.12). Козловий вітряний млин (мал. 4.12, а) цілком повертався навколо дубового стовпа. Стовп встановлювався в центрі ваги, а не в центрі симетрії, на фундаменті. Поворот на вітер вимагав витрати великих зусиль. Застосовувалась одноступінчата передача, що обертає короткий вал жорна. До козлового типу відноситься і млин «Bock» (див. мал. 4.3). На мал. 4.13 представлений розріз більш пізньої конструкції козлового вітряного млина.

На мал. 4.12, б показаний шатровий (голландський) тип. Нерухомий будинок млина забезпечувався зверху поворотною рамою, що несе вітроколесо покрите дахом у вигляді намету. Поворот на вітер через меншу вагу частин, що повертаються, вимагав значно менших зусиль. Вітроколесо могло мати збільшений діаметр внаслідок можливості його підйому на велику висоту. Найчастіше застосовувалася двоступінчата передача (див. мал. 4.11). На мал. 4.14 представлена більш досконала конструкція шатрового млина.

Сагайдачний тип займав проміжне положення між шатровим і козловим типами. Поворотне коло розташовувалося на половині висоти млина.

Дренажні млини, поворотна рама яких знаходилася на рівні землі, відносили до сагайдачного типу.

Швидкохідність вітряних млинів обмежувалася міцністю передачі з дерев'яними зубами коліс і цівок шестерень. Тому підвищення коефіцієнту використання енергії вітру за рахунок збільшення швидкохідності вітроколеса також було обмежене. Зуби і цівки (мал. 4.15) виконувалися по шаблону із сухого дерева (граб, акація, в'яз, клен або береза).

Мал. 4.12. Схеми козлового (а) і шатрового (б) млинів:
1 – вітроколесо; 2 – головний вал;
3 – одноступінчата передача; 4 – вал жорна;
5 – засипний лоток; 6 – жорно;
7 – водило; 8 – центральний стовп; 9 – двоступінчата передача Обід колеса на головному валу робився з дошок берези або в'яза, покладених у два шари, із зовнішньої сторони оброблявся по колу і притягався болтами до спиць. Верхній і нижній диски цівкової шестерні вертикального валу зв'язувалися з дошок товщиною 40 мм у два шари. Диски також стягувались болтами. Колесо і шестерня кріпилися клинами. Крила були основною частиною вітряних млинів, тому і розвиток останніх з моменту їх виникнення і до занепаду йшов шляхом удосконалення насамперед конструкції крил.

У старих конструкціях решітка крила покривалася парусиною. Поступово тес витиснув вітрило. Крила почали обшивати тесом (кращим був ялиновий) товщиною в 6 мм, постійною по довжині (мал. 4.16). Обривки полотнини на вітрильному крилі, щілини, грубо пригнаний тес на дощатому крилі знижували в кілька разів підйомну силу крил, а отже, у стільки ж разів і продуктивність вітряного млина.

У найпростіших млинів крила робили з постійним кутом заклинення лопаті (від 14 до 15°). Такі крила були значно простіші у виготовленні, але коефіцієнт використання енергії вітру в них приблизно в 1,5 рази менше, ніж у крил із гвинтовою лопаттю. У деяких шатрових млинів крила робили зі змінним кутом заклинення: на кінці від 0 до 10° і від 16 до 30° біля основи. Одна з останніх конструкцій крил з напівобтічними профілями представлена на мал. 4.17.

Мал. 4.13. Розріз козлового вітряного млина

 Мал. 4.14. Розріз шатрового вітряного млина

У Європі будівлі шатрових вітряних млинів до закінчення їх епохи споруджували з каменю. Загальний вигляд такого млина показано на мал. 4.18 (на задньому плані – сучасна вітрова електрична установка).

У вітряного млина з приводом до водяного насосу для зрошення земельних ділянок (мал. 4.19) найбільш старого типу, як і в зернових млинів, у випадку вітру великої сили, щоб уникнути пошкоджень, площа крил зменшувалася вручну шляхом часткового зняття вітрила (або відкриття жалюзі). За рахунок застосування вітроколеса «Геркулес» діаметром 15 м (мал. 4.20), побудованого Об'єднаним товариством вітряних турбін у Дрездені, був зроблений черговий крок до поліпшення економічності подібних установок.

Але все це тихохідні вітродвигуни, для яких характерне велике число лопатей або широкі крила (див. мал. 4.3–4.5, 4.7–4.11, 4.13, 4.14, 4.18–4.20). Їм властивий великий зрушувальний момент.

Збільшити швидкохідність вітронасосних установок вдалося з використанням вітроколеса «Адлер» фірми «Кестер» у Гольштинії (мал. 4.21, а) з малим числом лопатей і великою відстанню між ними.

Установка з цим колесом мала середню швидкохідність. Вітроколесо швидкохідного типу фірми «Аеродинамо» (Берлін) на підсмоктувальній стороні крил уже мало клапани (мал. 4.21, б) для автоматичного регулювання. У робочому стані клапани утримувалися пружиною й упором у горизонтальному положенні так, що при русі крила вони не створювали значного опору.

Мал. 4.15. Передачі:
а – одноступінчата верхня;
б – двоступінчата нижня

При перевищенні певної частоти обертання під дією відцентрових сил клапани поверталися і створювали великий опір, а також значно порушували плавність потоку на крилі, так що підйомна сила крил становилася меншою, внаслідок чого вітер використовувався в меншій мірі.

Швидкохідні вітродвигуни дозволяли одержувати високі коефіцієнти використання енергії вітру і велику потужність при тих самих розмірах, мали невеликий зрушувальний момент.

Мал. 4.16. Обшивка крила тесом

Мал. 4.17. Конструкція крил з напівобтічними профілями

На мал. 4.22 показана вітроустановка, яка накачувала воду за допомогою підйомного гвинта.

Вітроколесо в неї такого ж типу, як і на мал. 4.21. а, тієї ж фірми. Звертає на себе увагу форма профілів крил.

Мал. 4.18. Кам'яний вітряний млин шатрового типу

У XVIII–XIX століттях вітряні млини споруджувалися практично в усьому світі. Розвиток машинобудування дозволив перейти від кустарного виробництва дерев'яних млинів до виготовлення в майстернях деревометалевих і масового виробництва в заводських умовах багатолопатевих вітродвигунів металевої конструкції. До кінця XIX століття вони вже були обладнані системами автоматичного регулювання швидкості обертання і потужності, механізмами фіксації вітроколеса в напрямку потоку. Сумарний річний випуск в більшості промислово розвинутих країн складав сотні тисяч вітродвигунів. Ряд країн почав у значних кількостях випускати на заводах також більш досконалі й економічні швидкохідні вітродвигуни, призначені в першу чергу для одержання електричної енергії. Ці двигуни невеликої потужності (0,75–1 кВт) звичайно виконувалися з дво(мал. 4.23, а) або трилопатевим (мал. 4.23, б) вітроколесом крильчатого типу, з'єднаним через редуктор з генератором постійного струму. Вони забезпечувалися системою акумулювання енергії, найчастіше акумуляторною батареєю. Їх використовували в побуті для освітлення невеликих і віддалених об'єктів і для зарядки акумуляторних батарей.

Мал. 4.19. Німецький вітронасосний млин для зрошування земельних ділянок

Характерною є установка на вітру вітроагрегату «Беркут-3» (див. мал. 4.23, а) за допомогою двох віндроз на відміну від більшості аналогічних вітродвигунів, де ці функції виконує хвіст (див. мал. 4.23, б, а також мал. 4.8–4.10, 4.20–4.22). Механізм віндроз являє собою два невеликих вітроколеса, площина обертання яких перпендикулярна до площини обертання основного колеса, працюючих на привід черв'яка, що повертає платформу голівки вітроагрегату, поки колеса не будуть лежати в площині, паралельній напрямку вітру.

Мал. 4.20. Вітронасосна установка з вітроколесом «Геркулес»

Мал. 4.21. Вітроколеса фірм «Адлер» (а) і «Аеродинамо» (б)Обмеження числа оборотів у вітроагрегаті «Роралайт» здійснюється поворотом лопаті за допомогою відцентрового регулятора, змонтованого на валу вітроколеса.

Значення вітряних млинів та інших вітроагрегатів у житті людей й розвитку людської цивілізації настільки велике, що вони заслуговують не тільки точного – технічного – сухого опису, але і поезії.

Великий майстер ліричної прози К.Г. Паустовський (1892–1968) у нарисі «Іллінський вир» залишив нам у спадщину «оду» вітряному млинові.

«Одного разу влітку я жив у степах за Воронежем. Усі дні я проводив або в здичавілому липовому парку, або на млині-вітряку, що стояв на сухому кургані.

Навколо вітряка росло багато шорсткого лілового безсмертнику. Тесовий дах вітряка був наполовину зірваний повітряною хвилею в ті дні, коли до Воронежу підходили німці.

Через отвір даху було видно небо. Я лягав на глиняну теплу підлогу млина і читав романи Ертеля або просто дивився на небо в отвір над моєю головою.

У ньому безупинно виникали всі нові дуже білі й опуклі хмари і повільною чередою пливли на північ.

Мал. 4.22. Вітроустановка для накачування води за допомогою підйомного гвинтаТихе сяйво цих хмар досягало землі, проходило по моєму обличчю, і я закривав очі, щоб уберегти їх від різкого світла. Я розтирав на долоні віночок чебрецю і з насолодою вдихав його запах – сухий, цілющий і південний. І мені ввижалося, що поруч, за вітряком, уже відкрилося море, і що пахне чебрецем не степ, а його нагладжені прибоями піски.

Іноді я дрімав біля жорен. Висічені з рожевого піщанику жорна переносили мою думку до часів Еллади.

Кілька років поспіль я побачив статую єгипетської цариці Нефертіті, висічену з такого ж каменю, як і жорна. Я був уражений жіночістю і ніжністю, яка містилася в цьому грубому піщанику. Геніальний скульптор витяг із серцевини каменю чудову голову трепетної і ласкавої молодої жінки і подарував її століттям, подарував її нам, своїм далеким нащадкам, що так само як і він, шукають нетлінної краси.

А через два роки я побачив у Франції, в Провансі, знаменитий млин письменника Альфонса Доде. Колись він улаштував у ньому своє житло.

Очевидно, життя на вітряному млині, що пропахнув борошном і старими травами, було напрочуд гарним. Особливо на нашому воронезькому млині, а не на млині Альфонса Доде. Тому що Доде жив у кам'яному млині, а наш був дерев'яний, повний милих пахощів смоли, хліба і повитиці, повний степових повівів, світла хмар, переливу жайворонків і цвірінькання якихось маленьких пташок – чи то вівсянок, чи то корольків.

Але на Іллінському вирі не було, на жаль, ні вітряного, ні водяного млина. І це дуже шкода, тому що ніщо так не пасує російському пейзажу, як ці млини. Так само, як російській селянській дівчині дуже до лиця квітчаста шовкова шаль. Від неї очі стають темнішими, губи – яскравішими і навіть голос звучить вкрадливо і ніжно».

 

 

 Мал. 4.23. Вітроенергетичні швидкохідні агрегати:
а – радянський «Беркут/3»; б – американської фірми «Роралайт»