в какую сторону крутится мельница
Как работает ветровая мельница в ветряную погоду
Прародители ветровых мельниц появились почти четыре тысячи лет назад в Египте. Изначально ветряная мельница имела постоянное направление лопастей и ременной привод к оси каменного жернова. Позже в конструкции появились шестерни и подшипники, поворотные механизмы. Такое устройство без радикальных изменений успешно использовалось до начала прошлого века и сейчас тоже имеет применение.
Причины успеха энергии ветра
Характеристики ветровой энергии уникальны. Заслуживают отдельного упоминания свойства, ставшие причиной длительного успеха ветряных мельниц. Сравнение характеристик источников энергии позволяет понять столь продолжительное и географически широчайшее применение энергии ветра:
Но есть у ветра и недостатки. Например, вошедшее в поговорку непостоянство. Направление ветра меняется так часто, что пришлось даже создавать мельницы с вращающимся корпусом. А изменение силы ветра от ураганной до штиля не позволяет рассчитывать на стабильность поступления энергии. Другие природные источники энергии тоже нестабильны и со своими недостатками. Солнце не дает энергии по ночам, а днем может уйти за тучи. Реки есть не везде, а там, где есть, могут пересохнуть или замерзнуть на месяцы.
Но, тем не менее, почти четыре тысячи лет ветер был востребован, как источник энергии, на Европейском, Азиатском и Африканском континентах. И сейчас о нем не забывают.
Как ветер крутит лопасти
Так как воздух имеет массу, то движение воздуха имеет кинетическую энергию. Когда на пути ветра, дующего в определенном направлении, появляется предмет, их взаимодействие можно описать с помощью векторов силы. Ветер будет отталкивать препятствие и отталкиваться сам в противоположенном направлении. При этом лопасть, закрепленная на оси конструкции, будет изгибаться вдоль оси вращения и крутиться на ней. Графически это выглядит следующим образом:
Ветер после соприкосновения отражается от лопасти, оставляя ей часть энергии:
Зная, как работает мельница, можно попробовать изготовить ее самостоятельно. Хотя бы в декоративных целях.
Как рассчитать крылья мельницы
Фундамент нужен и невысоким, но тяжелым корпусам. Для дачных дел достаточно по периметру будущего строения уложить на глубину до 0,7 метра бетон или плотные ряды кирпичей. Для декоративных сооружений достаточно подмостить и утрамбовать один слой кирпича, изолирующего сооружение от влаги.
Теперь надо решить, для чего следует строить мельницу. Вариантов много:
Порядок вариантов представлен по снижению требований к мощности устройства, т.е. по упрощению механизма. Определение требований к дизайну остается правом и обязанностью владельца.
Сразу запомним, что реальная мощность бытового ветряка не превышает 500 Вт при скорости ветра 5-8 м/с. Однако электроэнергию можно накапливать, включая при необходимости мощные потребители на короткий срок. Например, насос для подъема воды.
Для расчета средней мощности конструкции потребуется знание силы обычных для местности строительства ветров. Кроме того, лопасти мельницы должны быть перпендикулярны преобладающим направлениям ветра. Эти сведения следует узнать в сети Интернет по запросам «статистика скорости ветра» и «роза ветров» для своего региона.
Коэффициент полезного действия можно посчитать, учитывая точные паспортные значения КПД генератора на оси, выпрямителя, стабилизатора, преобразователя постоянного тока в переменный напряжением 220 В. При расчете проценты потерь не суммируются, надо последовательно перемножить КПД каждого прибора, чтобы получить КПД системы преобразования вращения в электричество. Еще половина мощности ветра теряется на лопастях.
Для примера можно посчитать площадь проекции для 4 лопастей шириной 0,5 м, образовывающих при вращении круг диаметром 2 м, закрепленные под углом 60 градусов к плоскости вращения. Площадь по формуле d/2*sin(30)*0.5*4 равна 2/2*0,25*4=1 квадратному метру.
Такая конструкция, при наиболее распространенном в России среднем значении скорости ветра 5 м/с, получает от ветра энергию в количестве 1,29*125/2*1 = 80 Вт. Снять половину на преобразование во вращательное движение, убрать 25% на преобразование в электроэнергию и останется около 30 Вт для потребителей. Максимальная ветровая мощность при таком ветре на лопастях, полностью перекрывающих в проекции площадь круга, может вырасти в 3,14 раза. В итоге потребителю достанется максимум около 100 Вт. Не так уж и плохо.
Если в декоративных целях использовать светодиоды, размеры мельницы изменятся до смешных, был бы низкий ветер вдоль земли.
Без преобразования в электрическую используют энергию ветра для отпугивания мелких насекомых, живущих под землей. Достаточно опустить на 15 сантиметров в углубление деревянную ось, вращающуюся от ветряка, как вибрация почвы отпугнет их на несколько метров, не мешая хозяевам.
Разновидности лопастей ветряков
Конструкции лопастей бывают не только с вертикальным вращением, но и с горизонтальным. Лопасти могут иметь винтовую конструкцию, изменяемую парусность. Строились мельницы на века и так, чтобы в каждом строении была уникальность. Современные конструкции тоже поражают разнообразием.
Статистика и перспективы
Ликбез: Как устроена мельница
Вы никогда не думали как из зерна получается мука? Мне вот всегда было интересно как работали древние мельницы. В Суздале нам подробно все разъяснили.
Понятно, что ветер вращает эти лопасти. Каркас у них деревянный, а обтянуты они были материей, парусиной.
А знаете для чего вот эти палки сзаду мельницы? Думаете, чтобы она не попадала? 😉
А вот и фигушки. С их помощью всю мельницу ПОВОРАЧИВАЛИ, чтобы ловчей поймать ветер, ну не прикол? :-))
Механику работы мельницы нам объяснили на вот этой модели, которая находилась внутри мельницы настоящей и, в отличие от последней, была в рабочем состоянии ;-))
Ну, в общем ветер вращает лопасти, лопасти вращают вот это горизонтальное полено:
Горизонтальное полено, с помощью древних шестерёнок вращает уже полено вертикальное:
Вертикальное полено, в свою очередь, с помощью таких же шестеренок вращает эдакие каменные блины – жернова, вон там внизу, видите?:
А сверху в дырки жерновов сыпалось зерно из вот этих ящичков, похожих на перевёрнутые пирамидки. Готовая мука через дырки в деревяхе передней стенки валилась в специальный ящик, обзываемый «сусеком».
Помните сказку про колобка? 😉 «Бабка по амбару помела, по сусекам поскребла…» Я в детстве все время недоумевала, что за сусеки такие в которых можно муки намести на целый колобок? В нашей-то квартире мука по ящикам просто так не валялась. ;-)) Ну и вот, не прошло и сорока лет, как загадка была разгадана! 8-)))
Мельница — ветряная и водяная
Самые древние приспособления для перемалывания зерна в муку и обдирания его в крупу сохранялись как семейные мельницы до начала ХХ в. и представляли собой ручные жернова из двух круглых в сечении камней из твердого кварцевого песчаника диаметром 40—60 см. Древнейшим типом мельниц считаются сооружения, где жернова вращались с помощью домашних животных. Последняя мельница такого типа прекратила свое существование в России в середине ХIХ в.
Энергию падающей на колесо с лопастями воды россияне научились использовать в начале второго тысячелетия. Водяные мельницы всегда были окружены ореолом таинственности, овеяны поэтическими легендами, сказаниями и суевериями. Мельницы-колесухи с омутом и водоворотом сами по себе небезопасные конструкции, что отражено в русской пословице: «Со всякой новой мельницы водяной подать возьмет».
Письменные и графические источники свидетельствуют о широком распространении в средней полосе и на Севере ветряных мельниц. Нередко крупные села были окружены кольцом в 20—30 мельниц, стоявших на высоких, открытых ветрам местах. Ветряные мельницы за сутки размалывали на жерновах от 100 до 400 пудов зерна. В них имелись также ступы (крупорушки) для получения крупы. Для того чтобы мельницы работали, их крылья надо было поворачивать под менявший направление ветер — это обусловило сочетание в каждой мельнице неподвижной и подвижной частей.
Русскими плотниками создано много разнообразных и остроумных вариантов мельниц. Уже в наше время зафиксировано более двадцати разновидностей их конструктивных решений.
Из них можно выделить два принципиальных типа мельниц: «столбовки»
Первые были распространены на Севере, вторые — в средней полосе и Поволжье. Оба названия отражают также принцип их устройства.
В первом типе мельничный амбар вращался на врытом в землю столбе. Опорой служили либо дополнительные столбы, либо пирамидальная бревенчатая клеть, рубленная «в реж», либо рама.
Принцип мельниц-шатровок был иной
Все типы и варианты мельниц поражают точным конструктивным расчетом и логикой врубок, выдерживавших ветры большой силы. Народные зодчие уделяли также внимание внешнему облику этих единственных вертикальных хозяйственных сооружений, силуэт которых играл немалую роль в ансамбле селений. Это выражалось и в совершенстве пропорций, и в изяществе плотницких работ, и в резьбе на столбах и балконах.
Схема ветряной мельницы
Мельница на ослиной тяге
Мельничный постав
Жернова представляют каменные круги значительной толщины, имеющие в средине сквозное отверстие, называемое очком, а на мелющей поверхности т. н. насечку (см. ниже). Нижний жернов лежит неподвижно; его очко плотно закрыто деревянною втулкою, кружловиною g, сквозь отверстие в центре которой проходитъ веретено С; на вершине последнего насажен бегун посредством железного стержня CC, укрепленного концами в горизонтальном положении в очке бегуна и называемаго параплицею, или порхлицею.
В средине параплицы (и, следовательно, в центре жернова) с нижней ее стороны проделано пирамидальное или коническое углубление, в которое и входитъ соответственно заостренный верхний конец веретена С.
Цевочная шестерня вращается помощью лобового колеса F, имеющего на правой стороне своего обода зубья, захватывающие за палочки цевочной шестерни и таким образом вращающие ее вместе с веретеном.
Размол зерна происходит в промежутке между верхнею поверхностью нижняка и нижнею бегуна. Оба жернова одеты кожухомъ N, который препятствует разбрасыванию зерен. По мере размола, зерна подвигаются действием центробежной силы и напором вновь прибывающихъ зерен) от центра нижняка к окружности, падают с нижняка и идут по наклонному желобу, в пеклевальный рукав R — для просеивания. Рукав Е сделан из шерстяной или шелковой ситяной ткани и помещен в закрытом ящике Q, из которого выставляется его нижележащий конец.
Сначала просеивается тонкая мука и падает в задней части ящика; более грубая высевается в конце рукава; отруби задерживаются на ситке S, а самая грубая мука собирается в ящик T.
Жернова
Поверхность жёрнова разделена глубокими желобами, называемыми бороздами, на отдельные плоские участки, называемые мелющими поверхностями. От борозд, расширяясь, отходят более мелкие желобки, называемые оперением. Борозды и плоские поверхности распределяются в виде повторяющегося рисунка, называемого гармошкой.
У типичного мукомольного жёрнова имеется шесть, восемь или десять таких гармошек. Система желобов и желобков, во-первых, образует режущую кромку, а во-вторых, обеспечивает постепенное ссыпание готовой муки из-под жерновов. При постоянном использовании жернова? требуют своевременного подтачивания, то есть подравнивание краев всех желобов для поддерживания остроты режущей кромки.
Жернова используются парно. Нижний жёрнов устанавливается стационарно. Верхний жёрнов, он же бегун, — подвижный, и именно он производит непосредственное перемалывание. Подвижный жернов приводится в движение крестообразным металлическим «штифтом», установленным на головке главного стержня или ведущего вала, вращающегося под действием основного механизма мельницы (использующего энергию ветра или воды). Рельефный рисунок повторяется на каждом из двух жерновов, таким образом обеспечивая эффект «ножниц» при размалывании зерен.
Жернова должны быть одинаково сбалансированными. Правильное взаимное расположение камней критически важно для обеспечения помола муки высокого качества.
На трущихся поверхностяхъ жернов делают насечку, т. е. пробивают ряд углубленных бороздок, и промежутки между этими бороздками приводят в грубо-шероховатое состояние. Зерно попадает во время размола между бороздками верхнего и нижнего жернов и разрывается и разрезывается острыми режущими краями бороздок насечки на более или менее крупные частицы, которые размалываются окончательно по выходе из бороздок.
Бороздки насечки служат также какъ бы путями, по которым размалываемое зерно подвигается от очка к окружности и сходить с жернова. Так как жернова, даже из лучшего материала, стираются, то насечка должна быть возобновляема время от времени.
Описание конструкций и принципа действия мельниц
Столбовками мельницы названы за то, что их амбар покоится на столбе, вкопанном в землю и обложенном снаружи срубом-ряжем. В нем заделаны балки, удерживающие столб от смещения по вертикали. Конечно, амбар покоится не только на столбе, но на срубе-ряже (от слова режь, бревна, врубленные не плотно, а с прозорами). Поверх такого ряжа делается ровное круглое кольцо из пластин или досок. На него и опирается нижняя рама собственно мельницы.
Ряжи у столбовок могут быть разной формы и высоты, но не выше 4 метров. Они с земли могут подниматься сразу в виде четырехгранной пирамиды или сначала вертикально, а с какой-то высоты переходить в усеченную пирамиду. Встречались, правда очень редко, мельницы на невысокой раме.
Основание шатровок тоже может быть по форме и конструкциям различным. Например, пирамида может начаться с уровня земли, а конструкция быть не срубной, а каркасной. Пирамида может опираться на срубный четверик, а к нему могут быть пристроены подсобные помещения, тамбур, помещение для мельника и т.д.
Главное в мельницах их механизмы.
В шатровках внутреннее пространство разделено перекрытиями на несколько ярусов. Сообщение с ними идет по крутым лестницам чердачного типа через люки, оставленные в перекрытиях. Части механизма могут располагаться на всех ярусах. А их может быть от четырех до пяти. Стержнем шатровки служит могучий вертикальный вал, пронизывающий мельницу насквозь до «шапки». Он опирается через металлический подпятник, закрепленный в балке, которая лежит на брусчатой раме. Балка с помощью клиньев может перемещаться в разные стороны. Это позволяет придать валу строго вертикальное положение. Тоже самое можно проделать и при помощи верхнего бруса, где штырь вала заделан в металлическую петлю.
В нижнем ярусе на вал надета большая шестерня с кулачками-зубьями, закрепленными по наружному контуру круглой основы шестерни. При работе движение большой шестерни, умноженное в несколько раз, передается на малую шестерню или цевку другого вертикального, уже металлического обычно вала. Этот вал прошивает неподвижный нижний жернов и упирается в металлическую планку, на которой через вал подвешен верхний подвижный (вращающийся) жернов. Оба жернова одеты деревянным кожухом с боков и сверху. Жернова устанавливаются на втором ярусе мельницы. Балка в первом ярусе, на которую опирается малый вертикальный вал с малой шестерней, подвешена на металлическом нарезном штыре и с помощью нарезной же шайбы с рукоятками может быть слегка поднята или опущена. С нею поднимается или опускается верхний жернов. Так регулируется тонкость помола зерна.
От кожуха жерновов вниз наклонно пропущен глухой дощатый желоб с доской задвижкой на конце и двумя металлическими крючками, на которые подвешивается мешок, наполняемый мукой.
Рядом с блоком жерновов устанавливается кран-укосина с металлическими дугами-захватами. С его помощью жернова могут сниматься со своих мест для отковки.
Над кожухом жерновов с третьего яруса спускается жестко закрепленный к перекрытию подающий зерно бункер. Он имеет задвижку, с помощью которой можно перекрыть подачу зерна. Он имеет форму опрокинутой усеченной пирамиды. Снизу к нему подвешен качающийся лоток. Он для пружинистости имеет можжевеловую планку и штырь, опущенный в отверстие верхнего жернова. В отверстии эксцентрично устанавливается металлическое кольцо. Кольцо может быть и с двумя-тремя косыми перьями. Тогда устанавливается симметрично. Штырь с кольцом называются обечайкой. Пробегая по внутренней поверхности кольца, штырь все время меняет положение и раскачивает косо подвешенный лоток. Это движение ссыпает зерно в зевло жернова. Оттуда оно попадает в зазор между камнями, размалывается в муку, та поступает в кожух, из него в закрытый лоток и мешок.
Зерно засыпается в бункер, врезанный в пол третьего яруса. Мешки с зерном подаются сюда с помощью во’рота и веревки с крюком. Ворот может подключаться и отключаться от шкива, насаженного на вертикальный вал. Делается это снизу с помощью веревки и рычага. В досках перекрытия прорезан люк, перекрытый наклонно поставленными двухпольными створками. Мешки, проходя через люк, открывают створки, которые потом произвольно захлопываются. Мельник отключает ворот, и мешок оказывается на крышках люка. Операция повторяется.
В последнем ярусе, находящемся в «шапке», на вертикальном валу установлена и закреплена другая, малая шестерня со скошенными кулачками-зубьями. Она заставляет вращаться вертикальный вал и запускает весь механизм. Но ее заставляет работать большая шестерня на «горизонтальном» валу. Слово в кавычки заключено потому, что фактически вал лежит с некоторым уклоном внутреннего конца вниз. Штырем этого конца он заключен в металлическом башмаке деревянной рамы, основы шапки. Приподнятый конец вала, выходящий наружу, спокойно лежит на камне-«подшипнике», слегка скругленном сверху. На валу в этом месте врезаны металлические пластины, предохраняющие вал от быстрого стирания.
Шестерня «горизонтального» вала снабжена зубьями, врезанными в боковую сторону круга. Сверху ее обнимает тормозная деревянная колодка, которая с помощью рычага может быть освобождена или сильно затянута. Резкое торможение при сильном и порывистом ветре вызовет высокую температуру при трении дерева о дерево, и даже тление. Этого лучше избегать.
Вокруг мельницы вкапывали небольшие столбики количеством не менее 8 штук. К ним «водило» и крепилось цепью или толстой веревкой. Силою 4-5 человек, даже если верхнее кольцо шатра и части рамы хорошо смазаны солидолом или чем-то подобным (ранее смазывали свиным салом), провернуть «шапку» мельницы очень трудно, почти невозможно. «Лошадиная сила» тут тоже не годится. Поэтому пользовались небольшим переносным воротом, который попеременно одевали на столбики его трапециевидной рамой, служившей основанием всей конструкции.
Ветряная мельница
Ветряная мельница — аэродинамический механизм, который выполняет механическую работу за счет энергии ветра, улавливаемой крыльями мельницы. Наиболее известным применением ветряных мельниц является их использование для помола муки.
На протяжении долгого времени ветряные мельницы, наряду с водяными мельницами, были единственными машинами, которые использовало человечество. Поэтому применение этих механизмов было различным: в качестве мукомольной мельницы, для обработки материалов (лесопилка) и в качестве насосной или водоподъемной станции.
С развитием в XIX в. паровых машин использование мельниц постепенно стало сокращаться.
«Классическая» ветряная мельница с горизонтальным ротором и удлиненными четырехугольными крыльями является широко распространенным элементом пейзажа в Европе, в ветреных равнинных северных регионах, а также на побережье Средиземного моря. Для Азии характерны другие конструкции с вертикальным размещением ротора.
Содержание
История
Античность
Предположительно древнейшие мельницы были распространены в Вавилоне, о чем свидетельствует кодекс царя Хаммурапи (около 1750 до н. э.). Описание орга́на, приводившегося в действие ветряной мельницей, — первое документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие. Оно принадлежит греческому изобретателю Герону Александрийскому, I век н. э. Персидские мельницы описываются в сообщениях мусульманских географов в IX в., отличаются от западных конструкцией с вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями, лопатками или парусами. [1] Персидская мельница имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, так как паруса жестко связаны с осью, мельница не будет вращаться.
Еще один вид мельниц с вертикальной осью вращения известен как китайская мельница или китайский ветряк. Конструкция китайской мельницы значительно отличается от персидской использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.
Средневековье
Ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора известны с 1180 г. во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. [2] В XIII веке в Священной Римской империи появились конструкции мельниц, в которых всё здание поворачивалось навстречу ветру.
Такое положение дел было в Европе вплоть до появления двигателей внутреннего сгорания и электрических двигателей в XIX веке. Водяные мельницы были распространены в основном в горных районах с быстрыми реками, а ветряные — в равнинных ветреных местностях.
Мельницы принадлежали феодалам, на чьей земле они располагались. Население было вынуждено искать так называемые принудительные мельницы для помола зерна, которое было выращено на этой земле. В совокупности с плохой дорожной сетью это вело к локальным экономическим циклам, в которые были вовлечены мельницы. С отменой запрета, население стало в состоянии выбирать мельницу по своему усмотрению, таким образом стимулируя технический прогресс и конкуренцию.
Новое время
В конце XVI века в Нидерландах появились мельницы, у которых навстречу ветру поворачивалась только башня. До конца XVIII века ветряные мельницы были в огромном количестве распространены по всей Европе — там, где ветер был достаточно силен. Средневековая иконография ясно показывает их распространенность. В основном они были распространены в ветреных северных областях Европы, в значительной части Франции, Нижних Землях, где в прибрежных районах некогда имелось 10 000 ветряных мельниц, Великобритании, Польше, Прибалтике, Северной России и Скандинавии. В других европейских регионах было всего несколько ветряных мельниц. В странах Южной Европы (Испания, Португалия, Франция, Италия, Балканы, Греция), строились типичные мельницы-башни, с ровной конической крышей и, как правило, фиксированной ориентацией.
Когда в XIX веке произошел общеевропейский экономический скачок, наблюдался и серьёзный рост мельничной промышленности. С появлением множества независимых мастеров произошел единовременный рост числа мельниц.
В России ветряные мельницы традиционно использовалась для помола зерна или подъёма воды. Современные ветряные электростанции обеспечивают электроэнергией небольшие хозяйства и предприятия.