Ветряная мельница

<час />

Фон

Ветряная мельница - это конструкция или машина, которая преобразует ветер в полезную энергию посредством вращения колеса, состоящего из регулируемых лопастей. Традиционно энергия, вырабатываемая ветряной мельницей, использовалась для измельчения зерна в муку. Ветряные мельницы спроектированы опытными мастерами и могут быть построены на месте с использованием ручных инструментов. Ветряные мельницы неуклонно развивались на протяжении веков и достигли наибольшего распространения в Европе в восемнадцатом веке. Они были в значительной степени заменены в качестве энергогенерирующих структур, когда в девятнадцатом веке использовалась энергия пара. Сегодня ветряные мельницы переживают возрождение, и ветряные турбины обещают стать важной альтернативой ископаемым видам топлива в будущем.

История

На протяжении веков человек использовал ветер для привода машин. Самое раннее использование, скорее всего, было источником энергии для парусных лодок, перемещая их по воде. Точная дата, когда люди построили ветряные мельницы специально для работы, неизвестна, но первая зарегистрированная конструкция ветряной мельницы возникла в Персии около нашей эры . 500-900. Изначально эта машина использовалась для перекачивания воды, затем была адаптирована для измельчения зерна. У него были вертикальные паруса из связок лёгкого дерева, прикрепленные к вертикальному валу с помощью горизонтальных подкосов. Конструкция, известная как панемон, является одной из наименее эффективных из изобретенных конструкций ветряных мельниц. Следует отметить, что ветряные мельницы, возможно, использовались в Китае более 2000 лет назад, что делает его фактическим местом рождения ветряных мельниц с вертикальной осью. Однако самое раннее зарегистрированное использование, обнаруженное археологами в Китае, относится к н.э. 1219.

Идея ветряной мельницы распространилась в Европе после крестовых походов. Самые ранние европейские образцы, задокументированные в AD 1270, имели горизонтальные оси вместо вертикальных. Причина такого несоответствия неизвестна, но, скорее всего, это результат двух факторов. Во-первых, европейские ветряные мельницы могли быть созданы по образцу водяных колес с горизонтальной осью. Водяное колесо было известно в Европе задолго до этого. Во-вторых, конструкция с горизонтальной осью была более эффективной и работала лучше. Как правило, эти мельницы имели четыре лезвия, установленных на центральной стойке. У них был зубчатый венец и зубчатый венец, которые переводили горизонтальное движение центрального вала в вертикальное движение точильного камня или круга, которые затем использовались для перекачивания воды или измельчения зерна.

Европейские слесари на протяжении веков значительно улучшали технологию ветряных мельниц. Большинство нововведений пришло от голландцев и англичан. Одним из наиболее важных улучшений стало внедрение башенной мельницы. Такая конструкция позволяла перемещать лопасти мельницы против ветра по мере необходимости, а основной корпус постоянно фиксировать на месте. Голландцы создали многоэтажные башни, где могли работать и жить операторы мельниц. Англичане представили ряд автоматических средств управления, которые сделали ветряные мельницы более эффективными.

В доиндустриальном мире ветряные мельницы были электрическими двигателями Европы. Помимо перекачки воды и измельчения зерна, они использовались для питания лесопильных заводов и обработки специй, красителей и табака. Однако развитие паровой энергии в девятнадцатом веке и неопределенный характер энергии ветряных мельниц привели к неуклонному сокращению использования больших конструкций ветряных мельниц. Сегодня сохранилась лишь небольшая часть ветряных мельниц, которые использовались для производства энергии в мире.

Даже когда большие ветряные мельницы были заброшены, меньшие ветряные мельницы веерного типа процветали. Эти ветряные мельницы использовались в основном для перекачки воды на фермах. В Америке эти конструкции были усовершенствованы в девятнадцатом веке. Ветряная мельница Halladay была представлена ​​в 1854 году, вслед за ней последовали разработки Aermotor и Dempster. Два последних дизайна используются и сегодня. Фактически, с 1850 по 1970 год в Соединенных Штатах было построено более шести миллионов.

Дизайн

Есть два класса ветряных мельниц:горизонтальная ось и вертикальная ось. Конструкция с вертикальной осью была популярна на ранних этапах развития ветряной мельницы. Однако его неэффективность работы привела к развитию многочисленных конструкций с горизонтальной осью.

Существует множество версий с горизонтальной осью, в том числе столбовая мельница, шатровая мельница, башенная мельница и вентиляторная мельница. Самая ранняя конструкция - почтовая мельница. Он назван в честь большой вертикальной стойки, к которой крепится корпус мельницы. Такая конструкция обеспечивает гибкость оператора мельницы, поскольку мельница может быть повернута для улавливания наибольшего количества ветра в зависимости от направления, в котором она дует. Чтобы столб был устойчивым, вокруг него построена поддерживающая конструкция. Обычно эта конструкция возвышается над землей с помощью кирпича или камня, чтобы предотвратить гниение.

Столбовая мельница имеет четыре ножа, установленных на центральной стойке. Горизонтальный вал лопастей соединен с большим тормозным колесом. Тормозное колесо взаимодействует с зубчатой ​​передачей, называемой валкователем, которая вращает центральный вертикальный вал. Затем это движение можно использовать для перекачки воды или измельчения зерна.

Шатровая фабрика похожа на почтовую мельницу, но в нее были внесены некоторые существенные улучшения. Название происходит от того факта, что тело отдаленно похоже на платье или халат, как их называли. Одним из преимуществ является то, что перемещается только верхняя часть мельницы. Это позволяет сделать основную конструкцию корпуса более постоянной, в то время как остальную часть можно отрегулировать для сбора ветра независимо от того, в каком направлении он дует. Поскольку он не движется, основной корпус можно делать больше и выше. Это означает, что на мельнице можно разместить больше оборудования, а более высокие паруса можно использовать для сбора еще большего количества ветра. Большинство шатровых фабрик восьмисторонние, хотя их количество может варьироваться от шести до 12.

Башенные мельницы являются дальнейшим усовершенствованием дымовых мельниц. У них есть вращающийся колпачок и прочный корпус, но этот корпус сделан из кирпича или камня. Это делает возможным округление башен. Круглая конструкция позволяет строить башни еще больше и выше. Кроме того, кирпич и камень делают башенные ветряные мельницы самой устойчивой к атмосферным воздействиям конструкцией.

В то время как предыдущие конструкции ветряных мельниц предназначались для более крупных сооружений, которые могли бы обслуживать целые города, ветряные мельницы вентиляторного типа созданы специально для частных лиц. Он намного меньше по размеру и используется в основном для перекачивания воды. Он состоит из неподвижной башни (мачты), рулевой колонки (вентилятора), головной части и насоса. Мачты могут достигать 10-15 футов (3-15 м) в высоту. Количество лопастей может варьироваться от четырех до 20 и иметь диаметр от 6 до 16 футов (1,8–4,9 м).

Сырье

Ветряные мельницы могут быть изготовлены из самых разных материалов. Почтовые фрезы почти полностью изготавливаются из дерева. Легкая древесина, такая как проба, используется для лопастей вентилятора, а более прочная и тяжелая древесина используется для остальной части конструкции. Древесину покрывают краской или смолой для защиты от внешней среды. В шатровых и башенных мельницах, построенных голландцами и британцами до двадцатого века, используются многие из тех же материалов, которые использовались для строительства домов, включая дерево, кирпич и камень.

Основной корпус вентиляторных мельниц изготовлен из оцинкованной стали. Этот процесс обработки стали делает ее устойчивой к атмосферным воздействиям и прочностью. Лопасти вентилятора изготавливаются из легкой оцинкованной стали или алюминия. Насос изготовлен из бронзы и латуни, препятствующей замерзанию. Кожаные или синтетические полимеры используются для шайб и уплотнительных колец.

Производственный
процесс

Ветряные мельницы всегда возводятся на месте из готовых деталей. Следующее описание относится к ветряной мельнице вентиляторного типа. Базовый Пример ветряной мельницы, построенной в 1797 году. Этапы включают изготовление деталей, а затем сборку конструкции.

Изготовление деталей башни

• 1 Детали башни изготовлены из оцинкованной стали. Этот процесс начинается с рулона свернутого в рулон листового металла. Бухты надеваются на разматывающее устройство и подаются на производственную линию. Они проходят под выпрямителем, чтобы убрать изгибы и скручивания. Кусочки нарезаются подходящего размера и формы. В некоторых случаях детали могут быть помещены на станок, который их скатывает и сваривает шов. Концы пропускаются под обжимной станок, и детали перемещаются на станцию ​​чистовой обработки.
• 2 На отделочной станции в металлических деталях просверливаются отверстия в определенных местах в соответствии с требованиями конструкции ветряной мельницы. Детали также могут быть окрашены или покрыты до того, как они будут помещены в окончательный комплект ветряной мельницы.

Изготовление коробки передач

• 3 Коробка передач представляет собой сложную конструкцию, состоящую из различных шестерен, осей, роторов и колес. Детали отлиты под давлением и собираются вручную. Они помещены в стойкий к атмосферным воздействиям кожух, предназначенный для размещения деталей коробки передач и прикрепленных колес и хвостового оперения.

Делаем веер

• 4 Вентилятор представляет собой металлический обод со слегка изогнутыми лопастями. Обод изготавливается на машине, которая наматывает стальные полосы в круглые пяльцы. На обоих концах просверливается отверстие, и они соединяются с помощью небольшого зажима и винта после прикрепления лопастей вентилятора. Затем центральная ось соединяется с ободом и прикрепляется небольшими стальными спицами. Типичный дизайн будет иметь пять пар спиц, прикрепленных через равные промежутки вдоль обода.
• 5 Лопасти и хвост вентилятора вырезаны из кусков листового металла. Затем лезвия проходят через машину, которая слегка изгибает их. Они крепятся к металлическому ободу с помощью небольших болтов и металлических хомутов. Они прикреплены таким образом, что их можно поднимать или опускать в зависимости от ветровых условий.

  Современная стальная ветряная мельница.

Подготовка сайта

• 6 Поиск и подготовка строительной площадки - важный шаг в создании функциональной ветряной мельницы. Во-первых, необходима зона с преобладающим ветром не менее 15 миль в час (24 км / час). Затем территорию нужно очистить от деревьев и других построек, которые могут блокировать ветер. В некоторых случаях возводится насыпь из грязи или бетонное основание, чтобы поднять ветряную мельницу с поверхности, чтобы поймать больше ветра.

Окончательная сборка

• 7 Сначала соединяются части основного корпуса. Они скрепляются болтами на земле, а затем поднимаются вертикально. Наружные полюса соединяются с шатунами. Хомуты закреплены на каждом шарнире для устойчивости. После поднятия башни ее неплотно прикручивают к прочному основанию. Следующие проволоки нанизаны от рамы к земле и прикреплены к натяжителям и заземляющим анкерам. Когда конструкция выровнена, болты затягиваются и проверяется целостность конструкции. В некоторых случаях в конструкцию рамы встроена лестница, обеспечивающая доступ к верхнему вентилятору, что упрощает очистку и техническое обслуживание.
• 8 Затем прикрепляются крыльчатка вентилятора, редуктор и главный вал. Коробка передач сначала зажимается и прикручивается к верхней части башни. Затем главный вал вставляется в нижнюю часть коробки передач. Далее к редуктору подключают вентилятор и прикрепленную к нему ось. Наконец, к коробке передач крепится хвостовая часть. Затем насос подключается к главному валу, и ветряная мельница работает.

Контроль качества

Могут проводиться различные испытания, чтобы убедиться, что каждая часть ветряной мельницы соответствует спецификациям, изложенным на этапе проектирования. Самый простой из них - это простой визуальный осмотр. Это позволит выявить большинство очевидных производственных недостатков. Поскольку ветряки собираются вручную, качество каждой детали проходит дополнительный визуальный контроль. Качество изготовления ветряной мельницы будет в первую очередь зависеть от качества конечного продукта. Чтобы гарантировать его эффективность во время работы, необходимы регулярные профилактические осмотры.

Будущее

Ветряные мельницы мало изменились за последние сто лет. Фактически, один базовый дизайн, разработанный в 1870-х годах, продается и сегодня. Основные улучшения коснулись типов материалов, используемых в строительстве. Эта тенденция, вероятно, сохранится и в будущих ветряных мельницах. Однако будущее использования энергии ветра вовсе не в традиционных ветряных мельницах. Правительство Соединенных Штатов потратило миллионы долларов на исследования и разработку ветряных турбин для производства электроэнергии. В Калифорнии уже действуют многочисленные ветряные электростанции. В различных других штатах и ​​городах есть планы по созданию подобных ветряных электростанций. В будущем энергия ветра обещает стать экологически чистой заменой ископаемого топлива.

Где узнать больше

Книги

Бейкер, Т. Линдси. Литература производителей ветряных мельниц Северной Америки. University of Oklahoma Press, 1998.

Клегг, Алан Джон. Ветряные мельницы. Horseshoe Publications, 1995.

Холмы, Ричард Л. Сила ветра:История технологии ветряных мельниц. Издательство Кембриджского университета, 1994.

Проститутка, Джереми. В честь ветряных мельниц. Circle Press Pubns, 1990.

Уоттс, Мартин. Вода и энергия ветра. Публикации Shire, 2000.

Перри Романовский