История использования энергии ветра человеком относится к глубокой древности. Первые упоминания об этом появились примерно за 1000 лет до нашей эры. Принято считать, что история западных ветряных мельниц начинается с первого документального появления европейской (или датской) ветряной мельницы в Нормандии в 1180 году. Вероятнее всего, что в Европу ветряные мельницы попали из Персии через средиземноморские страны.
Наиболее известным ранним типом ветряной машины является персидская мельница, представляющая собой простейшее устройство с ротором, расположенным вертикально (рис. 1.1). При этом в Западной Европе персидская мельница была быстро усовершенствована до более эффектного типа ветряной мельницы с горизонтальной осью вращения ветротурбины. Исследователи истории ветроэнергетики отмечают, что за короткий промежуток времени ветряные мельницы с горизонтальной осью практически полностью вытеснили из Европы установки с вертикальной осью.
Усложнение конструкции мельницы с горизонтальной осью оправдалась большей эффективностью работы. Британская мачтовая , показанная на рис. 1.2, является триумфом инженерной мысли и наиболее сложным механизмом на период начала Индустриальной революции.
Интенсивно развиваясь с XII no XIX век, ветряные мельницы достигли определенного совершенства. Мощность этих мельниц была эквивалента 25. ..35 кВт.
Индустриальная революция, обусловленная созданием паровых машин, и удешевление угля привели к постепенному вытеснению агрегатов, использующих энергию ветра. Одним из очень интересных исторических феноменов ветроэнергетики, о котором упоминают многие авторы являются американские насосные ветроустановки. Особенностями таких установок являются много лопастный ротор, простая система ориентирования на ветер и возможность автономной автоматической работы. На рис. З.а показана установка Halladay Standard, которая впервые имела настоящий коммерческий успех. Вторым наиболее популярным типом ветронасосных установок были агрегаты с жестким ротором Eclipse (рис. 1.3, б). Третий шаг в развитии американских встронасосных установок был сделан в 1888 году компанией The Aermotor.
Ветроустановки Aermolor (рис. 1.4) были выполнены полностью из металла, а массовое производство позволило значительно уменьшить их стоимость. Революционным новшеством спала идея штамповать лопасти из жести. Штампованные лопасти имели определенную геометрию и устанавливались под необходимым углом. При больших скоростях ветра ротор, расположенный за стойкой, «всплывал» за счет шарнирного соединения. Следует отметить, что это были полностью металлические установки, выполненные оптимально с точки зрения конструкции, эффективности и
экономики производства.
Несмотря на широкую электрификацию сельской местности, данные ветряные мельницы
остаются достаточно распространенным во многих странах.
Статистика по имеющимся на сегодняшний день ветронасосным установкам приведена в табл. 1.1. Общее их количество составляет больше миллиона ветряных мельниц (в основном многолопастные установки с диаметром колеса около 2,5 м), а суммарная мощность около 250 МВт.
Интересно сравнить параметры наиболее распространенных старых ветряных мельниц с современными агрегатами, имеющими те же размеры ветротурбины(табл. 1.2).
Как видно, за последние 50 лет ветроэнергетическая технология совершила мощный технологический скачок, увеличивший ветряных мельниц приблизительно в 10 раз.
От ветряной мельницы к ветроэнергетической установке
В конце девятнадцатого столетия появилась идея использовать энергию ветра для генерирования постоянного электрического тока. Потребность в таких установках была велика, поэтому в различных странах проводился целый ряд экспериментальных работ. В литературе встречаются описания двух очень разных ветроустановок, которые стали одними из первых в электрогенерированин. Первая из них, изображенная на рис. 1.5, это ветроустановка Браша мощностью 12 кВт, генерировавшая постоянный ток для зарядки аккумуляторных батарей. Система в целом работала
автоматически в течение 20 лет и требовала минимального ухода.
Ветряная мельница Браша стала важным этапом в истории развития ветроэнергетики.
Во-первых, она была достаточно крупной. Во вторых, в ней была использована повышающая двухступенчатая ременная трансмиссия с передаточным числом 50:1, при этом генератор вращался со скоростью 500 об/мин. И, наконец, это была первая попытка соединить хорошо развитую систему ветряной мельницы
с новой электрической технологией. В то
же установка показала, что многолопастные ветротурбины слишком медленные и малоэффективные для электрогенерирования.
Следующий важный шаг перехода от ветряных мельниц к ветроэнергетическим установкам сделал Пол Лакур (Poul Ia-Cour) в Дании в начале прошлого века. Он был первым, кто создал аэродинамическую трубу и применил аэродинамический профиль в своих ветроустановках (рис. 1.6).
К 1910 году около сотни таких ветроустановок мощностью от 5 до 25 кВт работали в сельской местности Дании. В 20 — 30-е годы и появились коммерческие экземпляры маленьких для зарядки аккумуляторных батарей, которые стали очень популярными.
Ни рис. 1.7 показана установка Jacobs Wind Electric. Скоростная трехлопастная ветротурбина, имеющая лопасти с аэродинамическим профилем вращала генератор мощностью 3 кВт при напряжении 110 В. Интересно отметить, что именно на этапе развития маленьких ветроустановок для заряда аккумуляторов встала проблема оптимального количества лопастей для ветротурбины. Двухлопастные ветротурбины испытывали значительные вибрации при изменении направления ветра, в то время как трехлопастные не имели этого недостатка.
Необходимо отметить, что этот тип перешел к современным конструкциям практически без изменений.
В 1925 году был создан новый вид ротора — , названный в честь ею создателя финскою инженера С.Савониуса. Преимуществами такою типа роторов являются высокий стартовый момент и способность воспринимать ветер с любой стороны, а недостатками — низкие быстроходность и коэффициент использования энергии вегра, а также значительная масса конструкции.
Другим новым типом ветротурбины, появившейся н 30-х годах прошлого столетия, была вертикальная ветротурбина, предложенная Ф. .
Ротор имеет две или три изогнутые лопасти, закрепленные сверху и снизу центральной колонны, и может воспринимать ветер со всех сторон. Данный тип ветротурбины практически не использовался до начала 1970-х
годов, когда в Канаде, а потом и в других странах начались исследования крупных ветроагрегатов с таким ротором Дарье.
Эволюция современных ветряных мельниц. От ветряных мельниц к ветроэлектрогенераторам
В ряде стран научно-исследовательские работы в области развития ветроэнергетики
усиленно развивались с конца 1940-х до начала 1960-х годов. Однако к тому времени цены на ископаемое топливо заметно снизились и с точки зрения стоимости электроэнергии ветроэлектрические установки не могли уже конкурировать с тепловыми электростанциями. В этот период коммерческая практически не развивалась. Были созданы различные экспериментальные образцы, в том числе ВЭС в Курске.
В начале 1970-х годов произошел новый взлет ветроэнергетики, обусловленный прежде всего известным энергетическим кризисом. В этот период правительства многих стран развернули широкомасштабные программы по созданию ветряных мельниц. Согласно этим программам разработка технологий, конструкторские рабогы и экспериментальные исследования должны были проводиться в постоянном взаимодействии. Планы предусматри-
вали создание трех поколений экспериментальных агрегатов. Первое поколение позволяло получить базовые наработки и данные, чтобы создать четкую концепцию ветроэнергетики. Второе поколение было необходимо для наработки практического опыта создания ветряных мельниц
. И, наконец, третье поколение
молжно было довести уровень надежности и эффективности ветроустановок до коммерческого использования. Эти серии ВЭУ должны были усовершенствовать ветротехнологии до той отметки, когда технический риск
мал настолько, что может привлечь значительные коммерческие капиталы.
Исследования были разделены на два направления — ВЭУ с горизонтальной осью и ВЭУ с вертикальной осью вращения.Например, в в 1974 году была разработана Федеральная Программа по развитию ветроэнергетике
, согласно которой были созданы экспериментальные прототипы MOD-O, MOD-OA, MOD-1, MOD-2, MOD-3. В Европе наиболее интересными и крупными проектами были Growian мощностью
3МВт и Германии (1983), KaMeWe 2,5 МВт в Швеции, LS-1 3 МВт в Великобритании(1987) и др. Необходимо отметить, что немецкий проект Growian был наиболее крупным из когда-либо построенных ВЭУ: диаметр турбины 100 м, высота башни 100 м. Эта ВЭУ была первой, которая работала с переменной скоростью вращения ветротурбины и имела асинхронизированный синхронный генератор. Слишком большое количество новинок вызвало огромное количество непредвиденных проблем в работе ветряной мельницы, но эта ВЭУ внесла значительный вклад в понимание проблем
иных агрегатов.
Ветряные мельницы - одни из самых распространенных декоративных элементов дачного ландшафтного дизайна. Я готов рассказать вам, как можно самостоятельно сделать красивую мельницу даже новичку, а пошаговая инструкция наглядно подтвердит мои слова.
Немного истории
Настоящая ветряная мельница представляет собой аэродинамический механизм, который преобразовывает энергию ветра. За счет этой энергии она выполняет механическую работу - помол зерна.
Упоминания ветровых конструкциях начинаются еще с античных времен. Поэтому можно предположить, что длительное время ветровые и водяные мельницы были единственными машинами, которые использовало человечество.
Историки считают, что древние мельницы были распространены в Вавилоне. Об этом свидетельствует кодекс царя Хаммурапи, который датируется примерно 1750 годом до нашей эры.
Задокументированное же свидетельство применения ветровых машин для помола зерен датируется первым веком нашей эры, и принадлежит оно греческому изобретателю Герону Александрийскому. Также известно, что в девятом веке существовали персидские мельницы, о чем писали в своих сообщениях мусульманские географы.
Персидские мельницы отличались от привычных нам европейских конструкций с вертикальной осью вращения и перпендикулярно установленными лопастями. Они имели лопасти на роторе, и с одной стороны закрывались оболочкой. Без этой оболочки давление ветра на все лопасти было бы одинаковым.
Вертикальную ось вращения имела и китайская мельница. От персидских она отличались свободно поворачивающимися парусами, в то время, как у персидских мельниц парус был жестко зафиксирован на оси.
Таким образом, для Азии характерны конструкции с вертикальным расположением ротора вращения. А вот ветряная мельница с горизонтальным ротором привычна для Европы.
Особенно широкое распространение классические мельницы получили в ветреных равнинных регионах. Кроме того, их строили на побережье Средиземного моря.
В нашей стране в основном они были распространены до начала XX века, однако, уже в XIX веке, с появлением паровых машин, их количество стало сокращаться. Правда, полностью от этих мельниц не отказались и по сей день.
Ну а для нас, дачников, ветряные мельницы - это просто красивый элемент ландшафтного дизайна, который, к тому же, символизирует достаток и благополучие в семье.
Изготовление мельницы
Теперь рассмотрим, как сделать мельницу своими руками. Эту процедуру можно условно разбить на несколько этапов:
Как вы видите, один из этапов работы - изготовление подвижных вертикальных элементов. Далее мы рассмотрим, как сделать конструкцию, чтобы крыша и ось вращения поворачивались по направлению ветра.
При желании можно сделать и так, чтобы все строение поворачивалось навстречу ветру по принципу флюгера. Но, если вы хотите наоборот упростить изделие - сделайте его неподвижным.
Подготовка чертежей
Так как мельница в нашем случае - это декоративный элемент, каких-то строгих правил по ее проектированию не существует. Главное - определиться для себя какой вы хотите видеть конструкцию, и каких она будет размеров.
Чтобы упростить задачу, вы можете использовать готовые чертежи, и при необходимости их лишь подкорректировать. Причем, необязательно точно вычерчивать конструкцию в масштабе. Главное изобразить основные ее элементы и указать размеры, что в дальнейшем упростит работу.
Изготовление основание
В проекте ветряной мельницы, который я вам предлагаю, имеется основание на ножках в виде тумбы. Изготавливается оно следующим образом:
| Иллюстрации | Описание действий |
 | Материалы
:
|
 | Изготовление основы (юбки):
|
 | Изготовление ножек:
Если вы умеете работать с металлом, можно использовать в качестве ножек металлические уголки или профилированные трубы. |
 | Монтаж ножек. Закрепите ножки на юбке при помощи болтов или саморезов. |
 | Обшивка основания. Обшейте верхнюю часть основания досками, фанерой или другим материалом. |
 | Установка перил:
|
Изготовление каркаса средней и верхней части конструкции
| Иллюстрации | Описание |
 | Материалы:
|
 | Изготовление каркаса средней части:
|
 | Изготовление каркаса крыши.
Ветряные мельницы на Руси обычно имели двухскатную крышу. В нашем случае она должна быть поворотной, поэтому выполняем ее следующим образом:
|
 | Установка подшипников в доски.
Чтобы наша ветровая мельница имела поворотную крышу, нужно закрепить ось на подшипниках. Для этого надо предварительно закрепить подшипники в досках:
Точно также нужно вставить подшипник в доску, которая будет фиксировать ось в нижней части каркаса. |
 | Крепление крыши:
Теперь крыша может свободно вращаться вокруг своей оси. |
 | Изготовление хвостовика.
Чтобы наша деревянная мельница, а точнее ее крыша, поворачивалась как флюгер на встречу ветру, нужно сделать хвостовик следующим образом:
Хвостовик сразу можно обшить любым листовым материалом. |
Изготовление лопастей и горизонтальной подвижной части
Теперь нужно сделать горизонтальную подвижную часть и лопасти:
| Иллюстрации | Описание |
 | Материалы. На этом этапе нам понадобятся те же материалы, что и при изготовлении крыши. |
 | Монтаж горизонтальной подвижной части:
|
 | Изготовление крестовины.
В основе лопастей используется крестовина. Ее легко сделать из четырех брусков. По центру крестовины сделайте отверстие под ось. |
 | Изготовление лопастей:
|
На этом наиболее сложная часть работ завершена.
Отделка
Теперь остался завершающий этап - отделка. От него зависит как будет выглядеть декоративная мельница. Суть этой работы заключается в обшивке каркаса вагонкой.
При этом вы можете украсить конструкцию окошками, дверями и другими элементами, которые подскажет вам фантазия. Обшитую мельницу можно раскрасить и вскрыть лаком.
Зачастую ветряные мельницы расписывают в народном стиле. Если вы хотите, чтобы конструкция выглядела в традиционном русском стиле, ее лучше обшить блок-хаусом, а не вагонкой. Особенно красиво смотрится мельница, украшенная резьбой.
Внутрь мельницы можно встроить диоды и датчик освещения. В результате с наступлением темноты в окошках мельницы будет загораться свет. Цена датчика в среднем около 300 рублей.
Вот, собственно, и вся информация о том, как сделать ветряную мельницу своими руками.
Вывод
Теперь вы знаете, как изготавливаются декоративные ветряные мельницы своими руками. Дополнительно просмотрите видео в этой статье. Если какие-то моменты вам непонятны - задавайте вопросы в комментариях, и я с радостью отвечу.
2. История
3. Ветряная мельница в искусстве
Античность
Китайская мельница
Предположительно древнейшие мельницы были распространены в Вавилоне, о чем свидетельствует кодекс царя Хаммурапи. Описание органа, 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. 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 связан 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. В XIII веке в Священной Римской империи появились конструкции мельниц, в которых всё здание поворачивалось навстречу ветру.
Мельница-башня с фиксированной крышей, Испания
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, строились типичные мельницы-башни, с ровной конической крышей и, как правило, фиксированной ориентацией.
Лесопильный завод-музей под открытым небом, Нидерланды
Когда в XIX веке произошел общеевропейский экономический скачок, наблюдался и серьезный 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.
| Взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости |
Мельницы
Ветряные мельницы
Ветряные мельницы видны из далека и часто являются на ряду с церковью или часовней доминантой деревни. Ставили их на виду у всех, на высоком открытом месте, чуть на отшибе. У небольших сел стояли одна или две мельницы, у крупных до трех десятков (село Азополье, деревня Щелково).
Мельницы у деревни Щелково в окрестностях Ферапонова. Вологодская область
Ветряные мельницы используя даровую силу ветра, 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.
Несмотря на большую разновидность ветряных мельниц, по общности устойчивых признаков их можно объединить в несколько типологических подразделений.
Самая крупная градация, это деление мельниц на «столбовки» и «шатровки». Различаются они принципом своего конструктивного устройства.
Столбовки характеризуются наличием центрального неподвижного столба, вкопанного в землю, вокруг которого на специальной опоре из пирамидальной клетки («ряжа») бревен вращался четырехугольный амбарчик с мельничным оборудованием.
Мельницы-столбовки на стойках и ряжах
Шатровки не имели стержневой оси, мельничный амбар был прочно поставлен на грунт, ветер ловили поворотом верхней части с валом и крыльями - воробиной.
Фасад и разрез мельницы-шатровки
Название «шатровка» произошло не от формы кровли, она могла быть любой, а от наклона стен от основания к вершине, напоминавшее шатер. Шатровки значительно крупнее и выше столбовок их силуэт более спокоен и статичен.
Мельницы-столбовки
Мельницы-столбовки имеют оригинальную, самобытную архитектурную форму. Они состоят из нижней части опорного ряжа выполненного тем или иным способом, который сужается в верхней части, и нависающего над ним мельничного амбара с крыльями. Подобный фантастический образ очень живописен, такие мельницы подчас напоминают сказочную избушку Бабы Яги, они тоже могут вращаться в разные стороны.
Мельницы столбовки делятся на три основных подтипа: мельницы на стойках, на ряжах, на рамах.
1. Мельницы на стойках строились в селениях расположенных в бассейне реки Онеги, от Каргаполья до Беломорского побережья, а также в селах Вологодской и Костромской области.
Мельничный амбар стоит на наклонных столбах-стойках. В верхней части стоек устроен небольшой сужающийся сруб в 3-4 венца. С боковой стороны амбара, на выпусках нижних бревен, устроен балкон с длинной висячей лестницей. Для подъема мешков с зерном, на балконе сделано специальное приспособление в виде горизонтального барабана со штырями для ручного вращения. Небольшой четырехугольный сруб мельницы имел двухскатную кровлю состоящею из слег с укрепленными на них курицами, потоками, поддерживающими тес, и охлупня который прикрывал верхний стык крыши.
Мельница-столбовка на стойках. Солигалический район. Костомская область. Начало ХХ в.
Перевезена в архитектурно-этнографический музей в городе Костроме
Как разновидность таких мельниц можно выделить вологодские мельницы с увеличенным бревенчатым ряжом, который опирается на опорные стойки в 50-100 см от земли.
Ряж мельницы в селе Булкино. Вологодская область
2. Мельница на ряже (костре). Ряж представляет собой пирамиду из бревен рубленную в «в реж», в которой закреплена стержневая ось. Распространены такие мельницы были в бассейне реки Мезень и в Вологодской области.
Мельница-столбовка на ряже из села Азополья. Мезенский район. Архангельская область.
Конец ХIХ в.
Форма бревенчатого ряжа в разных районах отличалась друг от друга. В Архангельской области ряж имел обычно прямоугольную форму и начинался сужаться только в верхней части сруба. В Вологодской области ряж имел пирамидальную форму, сужения сруба шло сразу от земли.
Мельница-столбовка из деревни Щелково. Вологодская область
Оборудование мельниц столбовок на стойках и ряжах состояло обычно из одного жернова для размола зерен в муку или из толчеи специального устройства с подвижными пестами для получения круп. В мельницах толчеях на всем протяжении вала сделаны массивные зубья, поднимающие и сбрасывающие в заданном порядке тяжелые песты толчеи. Осью крыльев служит огромное толстое бревно, закрепленное в стенах и вращающие в врубленных в них березовых капах. На валу крепится и ведущая зубчатая шестерня с которой вращение передается на зубчатый барабан и вертикальный шкворень, а от него к верхнему жернову.
Разрез мельницы-столбовки с жерновом из деревни Юксозеро. Архангельская область
Разрезы мельницы - толчеи в селе Булкино. Вологодская область
3. Мельница на раме, основанием такой мельницы служит невысокий сруб высотой около метра. Мельничные амбары у них значительно выше и крупнее, чем у предыдущих мельниц.
Мельницы на «раме»
Это несколько обедняет их художественный образ, но позволяет добавить к одному поставу крупорушку с пестами или толчею, а то и второй постав.
Разрез мельницы толчеи с жерновами из деревни Волкостров. Карелия
Мельница-столбовка на раме из деревни Калгачиха. Онежский район. Архангельская область. Начало ХIХ в.
Перевезена в архитектурно-этнографический музей «Малые Карелы»
Подобный тип мельницы имел широкое распространение на Русском Севере, в центральных районах и на юге России.
Мельницы шатровки.
Мельницы - шатровки, называемые также «голландками» на Русском Севере встречаются достаточно редко, они вошли в жизнь крестьян с развитием капитализма, и уже не являются атрибутом натурального хозяйства, высокопроизводительным, промысловым предприятием.
Архитектура шатровой мельницы представляет собой переход от крестьянской постройки в фабричную по форме, облику и художественному образу. По характеру своей архитектуры шатровые мельницы походят на пожарные каланчи или водонапорные башни у железнодорожных станций. Но несмотря на это их облик также завораживает неискушенный взгляд. Шатровые мельницы играют важную градостроительную роль в пространственной организации сельских пейзажей.
Центральный стержень здания в этих мельницах вращается по всей длине. Он принимает движение от горизонтального вала в верхней части и передает его жерновам, расположенным в нижних этажах мельницы. Первоначально мельницы шатровки представляли собой сужающийся восьмерик, в последствии для увеличения вместительности нижний этаж стали расширять.
Мельницы-шатровки
Появился новый тип мельниц восьмерик на четверике. Кровля, а иногда и вся башня шатровой мельницы покрывалась дранкой (тонкими рейками) или тесом.
Рис. 7. Мельницы-шатровки
Распространены мельницы шатровки были в центральной России и на Урале.
Основание шатровок 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.
Разрез мельницы - шатровки. Село Веснино. Котельнический район. Кировская область
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 ворота 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.
В наружную головку вала врезаются два взаимно перпендикулярных бруса-кронштейна, к которым крепятся хомутами и болтами другие балки - основа решетчатых крыльев. Крылья могут принимать ветер и вращать вал лишь тогда, когда на них будет расправлена парусина, обычно свернутая в жгуты в покойное, не рабочее время. Поверхность крыльев будет зависеть от силы и скорости ветра.
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.
Макет мельницы из села Мошок. Владимирская область.
До работы крылья мельницы следует повернуть навстречу ветру. Для этого имеется рычаг с подкосами - "водило".
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.
Блок жерновов с кожухом со всеми частями и деталями, расположенными выше и ниже его, назывался одним словом - постав. Обычно небольшой и средней величины ветряки делались "об одном поставе". Большие ветряки могли строиться с двумя поставами. Были ветряные мельницы и с "толчеями", на которых отжималось льняное или конопляное семя для получения соответственного масла. Отходы - жмых, - тоже использовали в домашнем хозяйстве.
Самая существенная часть мукомольной мельницы — мельничный постав или снасть - состоит из двух жерновов: верхнего, или бегуна, и - нижнего, или нижняка. Жернова представляют каменные круги значительной толщины, имеющие в средине сквозное отверстие, называемое очком, а на мелющей поверхности насечку (см. ниже). Нижний жернов лежит неподвижно; его очко плотно закрыто деревянною втулкою, кружловиною, сквозь отверстие в центре которой проходит веретено связанное с верхним жерновом и вращающееся шестеренкой.
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 жернова́ 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.
Лучшим материалом для жерновов служит особенная каменная порода - вязкий, твердый и неспособный полироваться песчаник, называемый жерновым камнем. Так как каменные породы, в которых все эти свойства развиты достаточно и при том равномерно, встречаются редко, то хорошие жернова весьма дороги.
«Плохой камень разорит, хороший обогатит», - говорили в народе. Поэтому для изготовления жерновов искали твердые кварцевые породы. Жернова могли быть естественные и искусственные. Их размеры характеризовались диаметром и до сих пор измеряются четвертями аршина. Их называют трехчетвертными, четвериками, шестериками. Например, шестерик в диаметре составляет один метр, ширина верхнего жернова - бегуна -40 см, нижнего - лежняка -25 см, вес от 600 до800 кг. Для большей прочности жернова оковывались железными обручами, рабочую поверхность время от времени наращивали. Скорость вращения жернова зависела от силы ветра и составляла 10-12 метровв секунду. Благодаря центробежной силе зерно через горловину, глаз верхнего жернова поступало на рабочую поверхность лежняка, разбрасывалось, размалывалось и в виде муки ссыпалось по деревянному желобу в ларь или прямо в мешки. Качество помола зависело от расстояния между жерновами, которое регулировалось болтами.
На трущихся поверхностях 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.
Расположение бороздок в процессе размола зерен
Бороздки насечки служат также как 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.
Водяные мельницы
Кроме силы ветра для размола зерна очень часто использовали водяные мельницы. Ставили их на берегу реки или ручья, в укромном, приветливом месте, рядом с тенистыми зарослями и темными омутами. Водяные мельницы по сравнению с ветряными имеют весьма скромную архитектуру, но и их образ овеян легендами и тайнами.
Водяная мельница в селе Старая Минуса. Иркутская область
Они представляют собой двухэтажную клеть крытую двухскатной или четырехскатной кровлей, одна сторона мельницы стоит на берегу другая в воде на сваях. Вращение жерновов происходит от падающей воды на водяное колесо, для дозирования поступающей на колесо воды рядом с мельницами делали плотину.
В зависимости от особенностей местности и возможностей организовать запруду мельницы делались с нижним боем, т.е. с подачей воды на колесо снизу или сверху.
Наиболее ответственный элемент водяной мельницы — колесо, достигавшее в диаметре 4 м. К мощному горизонтальному валу спицами прикрепляли два деревянных обода, расстояние между которыми примерно 50 см. Внутри их обшивали досками, а снаружи между ободьями вставляли перегородки ("лопатки”). Получались своеобразные ковши, расположенные один за другим вдоль колеса. Когда вода попадала в ковш, она приводила в движение колесо, а вместе с ним и горизонтальный вал.
Схема водяной мельницы
Внутри мельницы на валу крепили колесо, которое специальными зубьями соединялось с горизонтальной шестерней. Вертикальная ось от шестерни проходила через отверстие в центре нижнего камня и наглухо крепилась к верхнему (верхний камень вращался, а нижний оставался неподвижным).
Колесо и шестерня водяной мельнице на Левусозере
Зазор между камнями определял тонкость помола муки. Важной для качества помола была и равномерная подача зерна на жернова: снизу к бункеру с зерном подвешивали качающийся ящичек — дозатор. Причем расположение этого ящичка позволяло отделить муку одного хозяина от следующего, который уже засыпал свое зерно в бункер и приготовился молоть. Четкость взаимодействия механизмов определялась мастерством мельника.
Падая сверху на колесо, вода придавала ему больший крутящий момент, однако такие мельницы требовали затопления значительных территорий. Напор воды регулировался специальными заслонками на запруде. При подаче воды снизу (кстати, колесо имело в этом случае иную конструкцию — вместо ковшей на оси укрепляли лопасти) запруды могло и не быть. Плотина перегораживала только часть реки, благодаря чему поток воды получал большую скорость. Колесо тогда вращалось быстрее.
Кроме жерновов водяные мельницы могли оборудоваться толчеями, для этого добавлялся еще один водоток с колесом который приводил в движение вал с зубьями поднимающий песты толчеи.
Постав толчеи водяной мельнице на Левусозере
Механизм, который выполняет механическую работу за счёт 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 четырёхугольными 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.
История
Античность
Предположительно древнейшие мельницы были распространены в Вавилоне, о чём свидетельствует кодекс царя Хаммурапи (около 1750 г. 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. 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.
Ещё 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. 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 силён. Средневековая иконография ясно показывает их распространённость. 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 произошёл общеевропейский экономический скачок, наблюдался и серьёзный рост мельничной промышленности. С появлением множества независимых мастеров произошёл 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.
