Ветряная мельница: устройство типы особенности

Ветряная мельница устройство типы особенности 01_54

Ветряная мельница – всё об её устройстве в сегодняшнее наше непростое время очень даже необходимо знать, например для обустройства электрогенератора. Или для иного хозяйственного назначения. Более подробно в этой статье.

Ветряная мельница устройство типы особенности 02_53
Ветряная мельница устройство типы особенности 03_52


История возникновения ветряных мельниц

Мельницы были созданы в тот момент, когда началось массовое выращивание пшеницы и других злаков. Но использовать силу ветра для вращения конструкции смогли не сразу. В глубокой древности колеса вращали рабы либо тягловый скот. Позже начали создавать водяные мельницы. И наконец, после всех появилась уже и ветряная конструкция.

Ветряная мельница устройство типы особенности 04_51
Ветряная мельница устройство типы особенности 05_50

Несмотря на кажущуюся простоту, на деле она, наоборот, очень сложна. Создать такое изделие стало возможным только при учете нагрузки от ветра и при правильном подборе длительности действия механизма для конкретной задачи. А задачи эти были весьма разнообразны — и колка дров, и откачка воды. Самые ранние модели – «козловки» –строились по той же схеме, что и деревянный дом.

Ветряная мельница устройство типы особенности 06_49


Потом появились так называемые шатровые мельницы, которые имеют неподвижный корпус, вращение совершает лишь верхушка с главным валом.

Ветряная мельница устройство типы особенности 07_48

Подобные модели способны приводить в движение 2 жернова и потому отличаются повышенной производительностью. Мельница считалась, что характерно, не просто утилитарным инструментом. Ей уделялось крупное значение в мифах, легендах и сказках. Не было стран, где бы отсутствовали такие представления. Существовали различные мотивы мифов: замурованные при строительстве фундамента люди, обитающие на мельнице духи, спрятанные клады, таинственные подземные ходы и так далее.

Ветряная мельница устройство типы особенности 08_47
Ветряная мельница устройство типы особенности 09_46


Устройство и принцип работы ветряных мельниц

Ветряная мельница работает потому, что воздушные потоки воздействуют на лопасти и приводят их в движение. Этот импульс поступает на передаточное устройство, а через него — на собственно рабочую часть мельницы. В старых моделях лопасти увеличивали до нескольких метров. Только таким путем удавалось повысить площадь контакта с воздушными потоками. Величина подбирается сообразно основной функции и необходимой мощности.

Ветряная мельница устройство типы особенности 10_45
Ветряная мельница устройство типы особенности 11_44


Если мельница устроена с самыми крупными лопастями, то она может молоть муку. Только такое решение обеспечивает эффективное кручение тяжеловесных жерновов. Совершенствование конструкции стало возможным благодаря развитию аэродинамических представлений. Современная технологическая проработка позволяет обеспечить неплохой результат даже при относительно скромной площади ветрового контакта.

Ветряная мельница устройство типы особенности 12_43
Ветряная мельница устройство типы особенности 13_42

Сразу за лопастями в схеме находится редуктор либо иной передаточный механизм. В некоторых моделях это оказывался вал, на который и монтировали лопасти. Другой конец вала оснащался инструментом (узлом), совершавшим работу. Однако постепенно от такой конструкции, несмотря на простоту, отказались.


Обнаружилось, что она очень опасна и ненадежна, а остановить работу мельницы даже в самом серьезном случае нереально.

Ветряная мельница устройство типы особенности 14_41

Редукторное исполнение оказалось куда эффективнее и изящнее. Редукторы преобразуют импульс от крутящихся лопастей в полезную работу. А стоит разъединить части редуктора, можно быстро остановить работу. Потому механизм не крутится впустую, и даже резкое усиление ветра не так страшно. Важно: сейчас мельницы применяются исключительно для электричества.

Ветряная мельница устройство типы особенности 15_40
Ветряная мельница устройство типы особенности 16_39


Но даже появление первых мельниц стало настоящей революцией в технологии. Безусловно, сегодня 5 — 10 л. с. на крыло кажутся совершенно «детской» величиной. Однако в эпоху, когда не было не то что мотороллеров, но и до паровозов оставалось несколько веков, это оказалось грандиозным достижением. В XI – XIII веках человек получил в свое распоряжение мощь, которая была недоступна в прежнюю эпоху. Энерговооруженность хозяйства сразу значительно возросла, и именно поэтому во многом стал возможен резкий взлет европейской экономики в тот период.

Ветряная мельница устройство типы особенности 17_38
Ветряная мельница устройство типы особенности 18_37

Плюсы и минусы ветряных мельниц

Сравнивать ветряную мельницу удобнее всего с водяным аналогом. Водяная конструкция насчитывает более давнюю историю и независима от перемены ветра. Водные течения гораздо более стабильны. Можно также использовать силу прилива и отлива, что для ветряного аппарата совершенно недоступно. Эти обстоятельства обусловили тот факт, что распространенность водяных мельниц была во много раз выше в любых государствах средневековья.

Ветряная мельница устройство типы особенности 19_36
Ветряная мельница устройство типы особенности 20_35

Сила ветра для размола зерна, как уже говорилось, начала применяться позже. Такое решение вдобавок влекло существенные дополнительные расходы. Однако в Голландии в XV веке, а особенно с начала XVII столетия оценили другие достоинства ветряных мельниц. Они толкали цепи с черпаками, удалявшими грунтовые воды. Без этого нововведения было бы невозможно освоить значительную часть территории современных Нидерландов.

Кроме того, ветряная мельница может стоять даже на сухом месте и не быть привязанной к водоему.

Ветряная мельница устройство типы особенности 21_34


В Голландии ветряные мельницы стали популярны и по другой причине — там почти беспрерывно дуют западные ветры, переносящие воздух от Атлантического океана в сторону Балтийского моря. Потому особых проблем как с ориентированием лопастей, так и с использованием техники не возникало. В наши дни сравнивать ветряные мельницы уместнее всего с водяными не по качеству и возможностям размола зерна, а по пригодности для электрогенерации. Стабильность электропитания падает, стоимость сетевой энергии растет, и потому так важно выбрать подходящий для себя тип.

Ветряная мельница устройство типы особенности 22_33
Ветряная мельница устройство типы особенности 23_32

Ветряные электростанции работают фактически от бесконечного ресурса. До тех пор, пока на Земле сохраняется атмосфера и планету освещает Солнце, ветры не прекратятся. Такие устройства не засоряют окружающую среду, потому что в отличие от дизельных и бензиновых систем они не выбрасывают токсичных веществ. Однако назвать ветряную электроустановку совсем экологичной нельзя, потому что она создает сильный шум, и в ряде стран на него даже устанавливают законодательные ограничения. Наконец, ветряная мельница не может нормально работать в сезоны пролета птиц.

Ветряная мельница устройство типы особенности 24_31

В России ни шумовых, ни календарных ограничений пока нет. Но они могут появиться в любой момент. И в любом случае ветряная электростанция — как современный ветряк, так и классическая мельница — не может находиться в непосредственной близости от жилья. Кроме того, реальная эффективность определяется сезоном, временем суток, погодой, рельефом местности; все это прямо влияет на скорость потока воздуха и на эффективность его применения.

Ветряная мельница устройство типы особенности 25_30
Ветряная мельница устройство типы особенности 26_29


Еще одним минусом ветроэлектростанции является уже отмеченная нестабильность ветра. Использование аккумуляторов частично решает эту проблему, но одновременно усложняет систему и делает ее более дорогой. Иногда приходится также дополнительно применять другие источники энергии. Зато ветряная мельница монтируется быстро — с учетом подготовки площадки понадобится не более 10-14 суток. Под такую установку требуется довольно много места, особенно если учитывать размах лопастей и пространство, которое должно быть свободно по соображениям безопасности.

Ветряная мельница устройство типы особенности 27_28

Обзор типов ветряных мельниц

Ветряные мельницы мукомольного производства работали с 1 либо 2 жерновыми поставами. Поворот на ветер происходит двумя способами — по козловой и по шатровой схеме. Козловая методика означает, что вся мельница полностью проворачивалась вокруг столба из дубовой древесины. Этот столб монтировали в центре тяжести, а не симметрично по отношению к корпусу. Поворот к ветру расходовал много энергии и потому был сильно усложнен.

Ветряная мельница устройство типы особенности 28_27

Традиционно козловые мельницы оснащались одноступенчатой механической передачей. Она эффективно крутила укороченный вал. По козловой методике выполнена еще и мельница Bock. Более совершенный вариант — шатровая (она же голландская) схема. В верхней части здание оснащалось поворотной рамой, которая поддерживала колесо и увенчивалась шатрообразной кровлей.


Ветряная мельница устройство типы особенности 29_26
Ветряная мельница устройство типы особенности 30_25

Поворот к ветру благодаря облегченной конструкции происходит с куда меньшими усилиями. Ветровое колесо могло быть очень большого сечения, поскольку его поднимали на большую высоту. В большинстве случаев шатровая мельница оснащалась двухступенчатой передачей. Промежуточное строение имеет колчанный тип мельницы. В нем круг поворота размещался на высоте 0,5 корпуса, важный подвид — дренажная мельничная установка.

Ветряная мельница устройство типы особенности 31_24


Быстродействие ветряной мельницы в прошлом было лимитировано прочностью передающего устройства. Ограничения были связаны с деревянными зубцами колес и цевками. В результате нарастить коэффициент применения ветровой энергии (КПД) невозможно. Сами зубья и цевки для них делались по шаблону из качественной сухой древесины. Для этой цели подходили:


  • акация;
  • береза;
  • граб;
  • вяз;
  • клен.

Колесный обод главного вала изготавливали из березы либо вяза. Доски выкладывали в два пласта. Снаружи обод по кругу тщательно отделывали; чтобы держались спицы, использовали болты. Те же болты помогали подтянуть диски. Основное внимание при совершенствовании конструкции уделялось исполнению крыльев.

Ветряная мельница устройство типы особенности 32_23

В достаточно старых мельницах решетки крыльев накрывали парусиной. Но позднее ту же функцию успешно исполняли тесовые доски. Обнаружилось также, что еловый тес подходит лучше. Изначально крылья создавали с неизменным углом заклинивания лопасти, варьировавшимся от 14 до 15 градусов. Изготовить их довольно просто, однако слишком много ветровой энергии растрачивалось впустую.

Ветряная мельница устройство типы особенности 33_22

Применение винтовой лопасти позволило нарастить КПД до 50% по сравнению с более старым вариантом. Сменный угол заклинивания в наконечнике колебался в пределах 1 — 10, а в основании от 16 до 30 градусов. Один из наиболее современных вариантов — с полуобтекаемым профилем. Ближе к концу периода шатровых мельниц их строили уже почти исключительно из камня. В некоторых случаях, конечно, ветряная система подключалась к водяному насосу, что позволяло орошать земельные участки.


Ветряная мельница устройство типы особенности 34_21

В самом раннем типе таких конструкций, как и на мукомольных предприятиях, можно было уменьшать площадь крыльев, частично снимая парус либо открывая жалюзи. Это решение позволяло предотвращать повреждения даже при усилении ветра. Но все равно оставалась проблема тихоходности ветродвигателя с большим количеством лопастей либо с большой шириной крыльев. Причина вполне очевидна — очень серьезный страгивающий момент. Решение нашла немецкая компания «Кестер», которая выпускала ветроколесо «Адлер» с минимумом лопастей и значительной дистанцией между ними; такая конструкция уже имела среднюю быстроходность.

Ветряная мельница устройство типы особенности 35_20

Еще более продвинутые конструкции на крыльях со стороны подсоса оснащались особыми клапанами. Потому регулировка происходила автоматически, что обеспечивало максимально высокое быстродействие. В рабочем состоянии удержание клапанов обеспечивала пружина. Все конструировали так, что из-за этих клапанов даже при активном движении не возникало сильного сопротивления. Если заданная частота кручения из-за центробежной силы была превышена, происходил поворот клапанов.

Ветряная мельница устройство типы особенности 36_19


При этом сопротивление воздушному потоку нарастало, он использовался куда менее плавно и не так эффективно, как обычно. Зато в норме удавалось снизить страгивающий момент. В течение XVIII и XIX столетий ветряными мельницами пользовались уже на всей планете. Их перестали делать полукустарными способами, начали выпускать на заводах многолопастные ветровые двигатели из металла. К концу XIX века лишь немногие модели были лишены функций автоматической регулировки темпа кручения и жесткой фиксации колеса в направлении мотора.

Ветряная мельница устройство типы особенности 37_18

В индустриально развитых странах делали тогда уже сотни тысяч комплектов для мельниц в год. Начался также выпуск усовершенствованных экономичных моделей, призванных, прежде всего, вырабатывать электричество. Мощность таких систем сравнительно невелика, обычно не превышала 1 кВт, чаще всего предусматривалось оснащение колесами с 2-3 лопастями крыльчатого формата. Подключение к генератору происходит через редуктор. Для накопления энергии в таких системах применялись аккумуляторы малой и средней емкости.

Ветряная мельница устройство типы особенности 38_17
Ветряная мельница устройство типы особенности 39_16

Особенности строительства ветряных мельниц

Чтобы построить мельницу, нужно учесть ряд нюансов.

Выбор места ветряной мельницы

Важно учитывать вращение лопастей. Потому поблизости не должно быть никаких посторонних строений и конструкций. Желательно выбирать ровную площадку, иначе постройка может быть перекошена. Участок очищают от всей растительности и иных мешающих вещей. Еще учитывают, как все будет смотреться внешне.

Ветряная мельница устройство типы особенности 40_15

Инструменты и материалы ветряной мельницы

Построить ветряную мельницу можно даже из фанеры, прочного пластика или металла. Никто не запрещает также комбинировать их. Но все же классическому подходу оптимально соответствует использование деревянной доски, бруса, фанеры. Для гидроизоляции принимают полиэтилен, а для крыши — рубероид. Потому нужны еще молотки и гвозди, дрели, пилы и другой инструментарий для деревянного строительства: рубанки, УШМ, ведра и кисти.

Ветряная мельница устройство типы особенности 41_14


Фундамент ветряной мельницы

Несмотря на декоративность большинства ветряных мельниц, схема строительства все равно подразумевает подготовку основания. Рытье ямы и заливка раствора не обязательны. Вполне достаточно использовать выкладку бруса или бревен. Обычно конструкция по форме близка к трапеции. Внутренний и наружный каркасы связывают при помощи вертикальных стоек, размещаемых под заданным углом.

Ветряная мельница устройство типы особенности 42_13
Ветряная мельница устройство типы особенности 43_12

Стены и кровля ветряной мельницы

При обшивке конструкции обращают внимание на проемы окон и дверей. Критически важна также точка монтажа лопастей. Двери ставят со вспомогательными креплениями. Подкреплять балки с лопастями можно брусом. Обивка возможна любым материалом, обеспечивающим герметично закрытую поверхность, наиболее колоритно покрытие деревом.

Форму крыши выбирают индивидуально. Ровное и прямое покрытие ничуть не хуже устанавливаемого под углом. Достаточную гидроизоляцию обеспечит слой рубероида. Лицевая крыша получается при помощи досок либо фанеры. Необходимости использовать более декоративные варианты отделки нет.

Ветряная мельница устройство типы особенности 44_11
Ветряная мельница устройство типы особенности 45_10
Ветряная мельница устройство типы особенности 46_9


Установка ветрогенератора ветряной мельницы

Ставить мельницу нужно на сухую приготовленную площадку. По мере надобности используют анкеры, чтобы гарантировать жесткость крепления. Обязательно стоит свериться с законодательными и нормативными актами, чтобы не иметь проблем. В любом случае также соблюдают рекомендации по электробезопасности и заземлению. Необходимо подключать генератор через провода определенного сечения и в «уличной» изоляции.

Ветряная мельница устройство типы особенности 47_8
Ветряная мельница устройство типы особенности 48_7

Наиболее известные старые ветряные мельницы

Родосские мельницы, находящиеся около порта Мандрнаки, дробили очень долго зерно, которое доставляли прямо в гавань по морю. Изначально их было 13, по другим данным — 14. Но лишь 3 дошли до нашего времени и сохранены как памятники. На острове Эланд примерно та же ситуация — вместо 2000 мельниц сохранилось только 355. Их демонтировали в начале прошлого века, потому что необходимость отпала, к счастью, самые красивые постройки уцелели.

Ветряная мельница устройство типы особенности 49_6

Также стоит отметить:

  • Zaanse Schans (север Амстердама);

Ветряная мельница устройство типы особенности 50_5

  • мельницы островов Миконос;

Ветряная мельница устройство типы особенности 51_4


  • город Консуэгра;

Ветряная мельница устройство типы особенности 52_3

  • мельничную сеть Киндердейк;

Ветряная мельница устройство типы особенности 53_2

  • ветряные мельницы иранского Наштифана.

Ветряная мельница устройство типы особенности 54_1