ВОДЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Вода льется—и мелет, толчет, пилит, кует и откачивает воду

ВОДЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

текст Владимир Алтунин, кандидат технических наук, доцент МАДИ-ГТУ

Валерий Волшаник, доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет природообустройства

Сергей Пьявкин, руководитель сектора проектирования НКС “Волга”

Ольга Черных, кандидат технических наук, профессор, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева

Использование энергии речных потоков началось в России еще в глубокой древности. В весьма ранних памятниках русской письменности встречаются такие термины, как “мельник”, “мельница”.

Водяные мельницы в России строили сначала для переработки продуктов сельского хозяйства, прежде всего для привода мукомольных поставов, а затем крупорушек и сукновален.

В не столь давние времена практически весь урожай зерновых в России перерабатывался в муку исключительно на водяных и ветряных мельницах; одна мельница строилась на 15-20 сельских домов, а то и чаще.

Но уже в XVI в. водяной двигатель в России используется не только для переработки сельскохозяйственной продукции, но и в металлургии, добыче полезных ископаемых, обработке камня. Примерный перечень технологических операций, выполнявшихся в России в XVIII веке с помощью водяных двигателей, приведен в таблице 01 .

Наибольшее распространение получили именно мельницы. Внешний вид здания мельницы существенно зависел от места ее постройки и от компоновки основного оборудования и назначения мельницы, а также от строительных конструкций сооружения.

Так, для северных земель, Карелии характерна простая деревянная конструкция, без каких-либо архитектурных изысков. Мельницы европейской части России имеют отличия в архитектуре от своих северных аналогов.

Здание мельницы, построенное в черте города, могло быть выполнено из кирпича или камня, что свидетельствовало о состоятельности владельца.

Принципиальная схема работы водяной мельницы с верхней подачей воды показана на рисунке 01. Вода, поступающая из лотка, падает на большое колесо [01], состоящее из двух ободов одинакового диаметра, соединенных перегородками “лопатками”, образующими ковши.

Вода, попавшая в верхний ковш, под действием силы тяжести толкает колесо и выливается по мере движения вниз.

Отметим, что верхний способ подачи воды обеспечивает большую мощность на вале колеса, но требует строительства гидротехнических сооружений (плотина, запруда) для накопления и подъема воды на высоту колеса.

Вместе с колесом [01]на горизонтальном валу закреплено зубчатое колесо [02]меньшего диаметра, приводящее в движение шестерню [03]на вертикальном валу.

На нижнем конце вертикального вала жестко крепился верхний, подвижный жернов (бегун), в то время как нижний (лежняк) оставался неподвижным. Зерно, попадая между камнями, перемалывалось в муку, а тонкость помола определялась зазором между камнями.

Жерновые камни изготавливались из особых пород мелкозернистого кварцевого камня или песчаника или же из искусственной смеси.

На соприкасающихся поверхностях бегуна и лежняка создавались достаточно сложные по конфигурации системы бороздок, обеспечивавших перемещение зерна и муки от центра жернова к его периферии, а также вентиляцию и охлаждение жернова. Расстояние между камнями регулировалось специальным механизмом. Размеры камней и частота вращения бегуна выбирались в зависимости от требуемой производительности мельницы и вида размалываемого материала.

Работы по толчению органических и минеральных материалов на мельницах выполняются с помощью толчеи — измельчающей или шелушильной машины ударного действия.

Рабочий орган толчеи — пест, совершающий прямолинейное возвратно-поступательное движение в ступе или, чаще на мельницах, системе ступ (как правило, бревен), линейно укрепленных на горизонтальном поворачивающемся валу и оканчивающихся внизу над деревянным слабо наклоненным лотком.

Устройство песта более жесткого и с большей скоростью удара позволяет создавать механизм для обработки металла ударным воздействием. Конструирование механизмов с формой движения рабочего органа, обеспечиваемой исполнительными органами водяной мельницы, — вращательной или возвратно-поступательной, позволяет обеспечить выполнение разнообразных операций.

На рисунке 02 показана простейшая схема преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Такое преобразование требовалось, например, в пилорамах.

Общим для перечисленных в таблице 01 операций является наличие только механической энергии, которая и вырабатывается водяными колесами путем использования вечно возобновляющейся экологически чистой энергии водных потоков.

Использование энергии воды для совершения повторяющихся механических операций получило в России новое развитие во время промышленного подъема на Урале в начале XVIII века. Водяные двигатели на металлургических заводах, построенных по указу Петра I общим числом более двухсот, приводили в движение меха, подающие воздух в печь, и молоты.

Для достижения требуемой мощности таких двигателей, существенно превосходящей мощность мельничного колеса, возникала необходимость в строительстве гидротехнических сооружений для повышения уровня воды, некоторые из которых — пруды, каналы, тоннели, каменные плотины — сохранились до сих пор и в настоящее время являются памятниками культуры, охраняемыми государством.

Вторая половина XVII века и XVIII век — золотое время водяных двигателей, в России и в мире. На Сене построили грандиозную установку для питания водой фонтанов Версаля, состоявшую из 14 колес диаметром 12 метров. От колес приводились в действие поршневые насосы, поднимавшие 3000 тонн воды в сутки на высоту около 200 метров.

В Шотландии на бумагопрядильной фабрике работало колесо диаметром около 20 метров и шириной 4 метра. В России в конце XVIII века действовало несколько тысяч гидросиловых установок, главным образом на горных заводах. Самая известная из них — машина для откачки воды из шахт, построенная русским механиком Козьмой Фроловым в 1785 г.

на Змеиногорском руднике на Алтае.

Поступление воды в шахты было одной из главных проблем, мешающей работе рудокопов. Без использования машин воду приходилось поднимать вручную; этим непрерывно занимались водоносы, передающие друг другу вверх полные ведра, вниз — пустые. Это была тяжелая и опасная работа, не связанная к тому же непосредственно с добычей руды.

Кроме того, постоянно поступающая вода ограничивала глубину шахт. Необходимость в машине для откачки воды на Змеиногорском руднике возникла после истощения верхних слоев земли, ранее богатых золотой и серебряной рудой.

Рудник был собственностью царской семьи, так что уменьшение притока в казну драгоценных металлов представляло собой государственную проблему.

Гидросиловая установка Фролова — одна из самых больших, когда-либо созданных в мире. Вода откачивалась отсасывающими насосами, каждый из которых мог поднимать воду не более чем на 10 метров — столб воды такой высоты создает давление, равное атмосферному.

Соответственно, для откачки со дна шахты требовался целый каскад насосов — нижний насос откачивал воду в большое корыто, из которого верхний поднимал ее в корыто на следующем уровне. Поршни насосов приводились в движение водяными колесами, самое большое из которых достигало в диаметре 15 метров.

Чтобы обеспечить необходимую мощность водяного потока для вращения колес, речку Змеевку перегородили плотиной длиной больше 100 метров и высотой около 25 метров. Образовался пруд площадью несколько квадратных километров.

С запуском машины Фролова рудник в Змеиногорске получил вторую жизнь, добыча драгоценных металлов на нем велась еще около ста лет. Энергия падающей воды использовалась не только для осушения шахт, но и для подъема руды на поверхность и ее обогащения: такую машину Фролов построил на Преображенском руднике.

В XIX веке гидросиловые установки постепенно вытесняются паровыми двигателями.

Их преимущества — отсутствие привязки к рекам, возможность обеспечить высокую скорость на валу двигателя, компактность, мобильность и более высокая мощность при сравнимых массе и размерах — оказались решающими.

Однако и в начале XX века энергия воды еще использовалась достаточно широко: анкета русского технического общества, проведенная в 1912 г., зарегистрировала 45449 гидросиловых установок общей установленной мощностью 686856 л.с., из них 470962 л.с. вырабатывались водяными колесами.

В конце XIX века водяные двигатели неожиданно получили шанс на возрождение. 30 сентября 1882 г. в США заработала первая в мире гидроэлектростанция. Водяное колесо приводило в движение динамо-машину.

Вырабатываемая ею электроэнергия использовалась для освещения жилых домов и производственных помещений на местной фабрике.

Со временем водяные колеса заменили турбинами, обладающими более высоким коэффициентом полезного действия и позволяющими использовать не только потенциальную энергию воды, падающей с некоторой высоты, но и кинетическую энергию ее движения.

Примечательно, что гидротурбины начали создавать задолго до первых электростанций. В России первые турбины строил в 30-40-х годах XIX века уральский крепостной мастер Игнатий Сафонов, их использовали на заводах. В настоящее время гидротурбины, имеющие размер, сравнимый с размером водяных колес, превосходят их по мощности в сотни раз.

Сегодня новую жизнь гидросиловым установкам дает малая гидроэнергетика. Микро- и мини-ГЭС постепенно получают распространение, особенно в труднодоступных районах, где затруднено централизованное электроснабжение.

Конечно, энергию падающей воды используют уже не для помола зерна, а для выработки электричества. На смену деревянным водяным колесам пришли металлические турбины, гидросиловые установки стали более компактными, надежными и менее шумными.

С учетом того, что альтернативная энергетика во многих странах поддерживается на государственном уровне, малая гидроэнергетика имеет неплохие перспективы.

Технологическая операцияМеханический агрегат
РазмолМельничный постав (мука, солод)
Пороховая мельница
Размолотка материалов для стекольного
производства
ТолчениеКрупноподерка
Маслобойня
Сукновальня
Толчея для пеньки
Толчея для тряпок и бумажный рол
Мусерная толчея в металлургии
Толчея для руды на похверках
Толчейный постав для стекольного
производства
Первичная обработка металлаМолот
Обработка металла дляПлющильный стан
получения готовой продукции
Железорезный стан
Проволочно-волочильный стан
Проволочно-мотальный стан
Сверлильный или расточный стан
Токарный станок для обточки валов
плющильных
и режущих дисков железорезных станов
Станки для производства монет
Первичная обработка дереваПильная мельница
резанием
Подача дутья дляВоздуховный мех
металлургических печей
Подъемно-транспортныеРудоподъемник
операции
Водоподъемник на рудниках
Водяной насос для водоснабжения
Операции в текстильномКрутильно-мотальные станы в шелковом
производствепроизводстве
Агрегаты ситценабивного производства
Прядильная машина
Мотальня
Шлифовально-точильныеТочильные круги для обработки металла
операции
Гранильные станки
Шлифовальный стан

Самое большое в мире действующее водяное колесо находится на одном из островов Ирландского моря в деревне Лакси. Его диаметр — 22 метра, а высота — 18 метров.

Колесо было построено в середине XIX века для откачки грунтовых вод из рудников, где добывали свинец, цинк и другие металлы. К тому времени паровые двигатели уже потеснили водяные, однако на острове не было угля, а его доставка стоила довольно дорого.

Необходимую энергию для работы насосов, откачивающих воду, могли дать многочисленные горные речки острова. Идею построить водяной двигатель осуществил местный инженер Роберт Кэйсмент.

Большие размеры колеса обусловлены тем, что из шахт требовалось поднимать около тонны воды за минуту с глубины в полтора километра. Мощность, развиваемая колесом, должна была составлять порядка мегаватта, или немногим больше тысячи лошадиных сил.

Сейчас колесо для откачки воды уже не используют, его запускают время от времени только для туристов.

Источник: https://www.kommersant.ru/doc/2718291

Какие бывают двигатели?

ВОДЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Самым первым двигателем было простое водяное колесо. На колесе крепились лопатки, оно опускалось в реку, и течение воды приводило его в движение. Прикрепив к колесу различные механизмы, люди выполняли всевозможные работы: орошали поля, мололи зерно, ковали металл.

В истории не указано, кто первым применил гидравлический двигатель. В Индии еще за тысячу лет до нашей эры существовали водосиловые установки. О водяных мельницах на Руси упоминается в документах, относящихся к XI веку. Первые гидравлические двигатели представляли собой деревянные колеса с лопатками. Нижняя часть колеса опускалась в водяной поток. Такие водяные колеса назвали нижнебойными.

А если направить поток воды сверху на колесо, вода будет давить почти на половину его лопаток и мощность двигателя увеличится еще больше! К этому очевидному выводу пришли не сразу. Такое водяное колесо назвали верхненаливным.

Нижнебойное водяное колесо Верхненаливное водяное колесо

Позднее были придуманы ветряные двигатели. К небольшому колесу крепились огромные деревянные крылья. Они вращались под действием ветра и приводили в движение мельничные жернова. Ветряные мельницы строились на открытых местах, холмах. Их можно встретить и в наше время.

В наше время научились преобразовывать энергию ветра в электрическую энергию с помощью специальных установок – ветрогенераторов.

Ветряные мельницы Ветрогенераторы (“ветряки”)

Ветряным и водяным двигателям не требуется топливо. Они очень экономичные. Их приводят в действие силы природы, от которых они и зависят. В этом их недостаток.

Паровой двигатель более независим. В паровой машине имеются печь и котел. Печь топится дровами и углем и нагревает котел с водой. Вода закипает и превращается в пар. Он и приводит в движение механизмы. Изобретение парового двигателя способствовало развитию промышленности. Заработали паровые станки, паровозы, пароходы.

Схема паровой машины Д. Уатта (1775 г.)Паровоз

Однако паровая машина тоже имеет недостаток: она слишком велика и прожорлива и требует много топлива.

Изобретатели сконструировали новый двигатель. Топливо в нем сгорает не в печи, а внутри самого двигателя. Его так и назвали – двигатель внутреннего сгорания.

Он экономичнее и сильнее, так как в нем используется более качественное топливо (бензин и керосин), меньше и легче паровой машины, потому что не имеет котла.

Двигатели внутреннего сгорания сейчас используются в автомобилях, самолетах, тепловозах, теплоходах и других машинах.

Честь изобретения двигателя внутреннего сгорания следует отдать французу Филиппу Лебону. В 1801 г. он взял патент на конструкцию газового двигателя, основанного на воспламенении смеси открытого им светильного газа (смесь водорода (50%), метана (34%), окиси углерода (8%) и других горючих газов) с воздухом, при котором выделялось большое количество теплоты.

К сожалению, Лебон не успел воплотить свои идеи в жизнь – он погиб в 1804 г. Ее реализовал бельгийский механик Жан Этьен Ленуар в 1864 г. Однако, разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и она была вытеснена более совершенным двигателем Августа Отто. В 1877 году он изобрел четырехтактный газовый двигатель.

Цикл Отто по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Рядный четырёхцилиндровый двигатель внутреннего сгорания
Схема работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания(цикл Отто)

Газовые двигатели были несовершенны, и поэтому не прекращались попытки поиска нового горючего.

Первый работоспособный двигатель, работающий на бензине, изобрел немецкий инженер Готлиб Даймлер вместе с Вильгельмом Майбахом в 1885 году.

Впоследствии они изобрели еще несколько типов бензиновых двигателей внутреннего сгорания, придумали карбюратор, разработали первый мотоцикл, один из первых автомобилей, лодочный мотор…

Как ни пытались усовершенствовать двигатель внутреннего сгорания, его так и не удалось использовать для вывода искусственных спутников на земную орбиту. Новый, реактивный двигатель решил эту проблему.

Дрова, уголь, бензин и керосин горят потому, что воздух поддерживает огонь. Космическая ракета летит там, где воздуха нет. Его нужно искусственно подавать. Но воздух состоит из трех частей: кислорода, углекислого газа, азота. Из всех этих газов только кислород поддерживает горение.

Решили «брать» в космос только его, причем в жидком виде: так экономичнее и удобнее. В ракете керосин и жидкий кислород хранятся в отдельных баках. Затем насосом они подаются в камеру сгорания, где перемешиваются и поджигаются электрической искрой.

Сгорая, кислород и керосин образуют раскаленные газы, которые через узкое горлышко вырываются наружу. Они и толкают ввысь ракету.

Устройство реактивного двигателя
Классический реактивный двигатель самолета F-15

Турбореактивный авиационный двигатель изобрели выдающиеся инженеры-конструкторы – Ганс фон Охайн (Hans von Ohain) из Германии, и Фрэнк Уиттл (Frank Whittle) из Великобритании.

Первый патент на работающий газотурбинный двигатель был получен в 1930 году Фрэнком Уиттлом, однако первую рабочую модель создал именно Охайн.

Он же является отцом первого турбореактивного самолета, который поднялся в небо 2 августа 1939 года.

Источник: https://allforchildren.ru/why/what48.php

Блог «Умные мелочи»

ВОДЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Первым двигателем в истории человечества был ветряной двигатель. Чуть позже появилось водяное колесо. События эти датируются 2 и 1 столетиями до нашей эры. Но не следует забывать, что самым первым двигателем был все-таки корабельный парус. И сказать точно, когда появился первый парус, невозможно. История создания паруса уходит в глубину тысячелетий.

Ветряной двигатель и парус близкие «родственники». Лопасти ветряка – это и есть узкие жесткие паруса. Они располагаются под углом к дующему на них ветру. Ветер скользит по поверхности лопасти от передней кромки к задней, возникает сила, сдвигающая закрепленную на оси лопасть.

И ветряное колесо приводится во вращение. Чтобы ветряной двигатель работал, необходимо соблюсти ряд условий. Во-первых, площадь лопастей ветряка должна быть такова, что возникающая сила смогла преодолеть силы трения в подшипниках колеса.

На практике движущая сила многократно превышает силу трения, поскольку ветряной двигатель приводит в действие тяжелые каменные жернова мельницы (или, добавим, выполняет другую полезную работу, например, выкачивает воду).

Во-вторых, ветряное колесо должно быть хорошо уравновешено, чтобы при его вращении не возникали силы, стремящиеся разрушить колесо. В-третьих, необходим какой-нибудь механизм улавливания направления ветра.

Небольшие по размерам ветряки устанавливали на поворотное основание, снабженное длинным рычагом. Когда ветер менял направление, мельницу попросту разворачивали при помощи этого рычага, располагая лопасти колеса перпендикулярно набегающему воздушному потоку.

При сооружении водяного колеса необходимо соблюдение, практически, тех же самых условий. Разве что упраздняется механизм ориентации колеса, поскольку водяной поток имеет постоянное направление. Простые, остроумные устройства, но как же непросто было правильно рассчитать и изготовить первые ветряные и водяные двигатели, не имея перед глазами каких-либо прототипов.

Ветряные мельницы не сразу стали такими, какими мы их видим на полях Эстонии, Голландии и других стран. Первые египетские мельницы снабжались не крыльчатым, а барабанным колесом. Лопасти устанавливались вертикально на плоскости колеса. Этот двигатель работал при любом направлении ветра, но был не так эффективен, как двигатель с крыльчатым колесом.

Поверхность лопастей ветряного колеса, расположение оси которого совпадает с направлением ветра, полностью обдувается потоком воздуха, поэтому сила вращения колеса значительно больше. Крыльчатое колесо начинает работать при ветре небольшой силы, а барабанное колесо работает только при сильном ветре.

И все же ветряные мельницы с крыльчатыми колесами появились только в 7 веке нашей эры в Персии.

Что касается водяного двигателя, то его конструкция оставалась неизменной на протяжении тысяч лет.

Для приведения во вращение водяному колесу необходим водяной поток постоянной силы, поэтому при строительстве водяной мельницы перегораживалось русло небольшой реки или ручья и устраивалась запруда.

Накопившуюся в запруде воду отводили при помощи лотка – поток воды падал на горизонтально расположенные лопасти колеса и приводил колесо в движение. Недостатком водяного двигателя была его зависимость от воды. Построить водяную мельницу можно было только у реки.

Мы постоянно говорим о мельницах. Действительно, первые ветряные и водяные двигатели применялись именно на мельницах. Измельчение зерна в муку, да еще в больших количествах, дело трудоемкое.

Много ли зерна можно смолоть в ступе или при помощи ручного жернова? С укрупнением сельскохозяйственного производства, то есть с появлением больших плантаций пшеницы, ячменя и других зерновых культур, возникла потребность в механизированных мельницах.

Приводимая водяным или ветряным колесом мельница могла работать круглосуточно и не нуждалась в большом количестве рабочей силы.

Перемолотое в муку зерно удобней было хранить и перевозить на большие расстояния – мука занимала меньше места в мешках и кувшинах, лучше сохранялась и воспринималась покупателями не как сырье, а как готовый продукт. Стоимость муки была выше стоимости зерна, торговать мукой было выгодно.

Рабочими элементами ветряной или водяной мельницы «классического» (или барабанного) типа были каменные колеса-жернова. Нижний камень оставался неподвижным, верхний вращался ветряным или водяным колесом.

Зерно подавалось по желобу в зазор между камнями и растиралось жерновами в муку.

Есть и другие типы мельниц – роликовые, вибрационные, молотковые, струйные, но все они были изобретены гораздо позднее (к примеру, струйные мельницы, в которых зерно измельчается потоком воздуха, изобретение нашего времени).

Водяные и ветряные мельницы просуществовали вплоть до начала 20 века, когда их окончательно вытеснили мельницы с электроприводом. Впрочем, в Голландии, где ветряных мельниц огромное количество, они служат до сих пор в качестве… жилья. Да, ветряные колеса голландских мельниц не производят никакой работы.

А в аккуратных деревянных башенках живут люди. Эти своеобразные дома выглядят как классические мельницы, но обставлены и оборудованы по последнему слову техники и очень комфортабельны. Чтобы получить право пожить в такой мельнице несколько лет, нужно заплатить немалые деньги и выстоять длинную очередь.

И все равно количество желающих поселиться в старинных мельницах с каждым голом растет.

Любопытная подробность – голландские ветряные мельницы на самом деле никакие не мельницы и никогда ими не были. Ветряные колеса приводили в движение насосы, откачивающие избыток воды.

Голландия – страна многочисленных каналов и отвоеванной у моря земли. Чтобы предотвратить наводнения, воду откачивают и направляют в водоотводные каналы.

Хотя само понятие «ветряная мельница» у нас ассоциируется с образом голландского ветряка, верно?

Вот вам и еще одно применение ветряного двигателя – откачивание воды. В ирригационной системе Нила подобные устройства — ветряки, приводившие водяные насосы с винтом Архимеда – применялись достаточно широко. При помощи этих насосов осушались болота, вода подавалась по оросительным каналам на поля и по акведукам для всеобщего потребления в города.

Водяное колесо было использовано для привода генератора самой первой гидроэлектростанции. Правда, само колесо при этом претерпело серьезные изменения.

Оно превратилось в турбину – колесо, лопасти которого заключены в специальную трубу, повышающие коэффициент полезного действия. Так что мы можем сказать – водяное колесо применяется до сих пор и весьма успешно.

Любая гидроэлектростанция, основной источник электроэнергии в современном мире, приводится в действие гидротурбиной, потомком классического водяного колеса.

И водяное, и ветряное колесо можно считать едва ли ни самыми практичными двигателями, поскольку они не требуют никаких эксплуатационных затрат.

К примеру, двигатель внутреннего сгорания, установленный на автомобиле, тепловозе, на морском или речном судне требует постоянной заправки жидким топливом. Газотурбинный двигатель самолета и турбины теплоэлектростанций работают на керосине или мазуте.

Паровые двигатели нуждаются в твердом топливе – в дровах или угле. А двигателям, использующим природные силы – водяному и ветряному – топливо не требуется вообще.

Использовать водяной двигатель на транспорте невозможно в принципе. Но для выработки ограниченного количества электроэнергии для частных нужд – почему бы и нет? Некоторые компании, специализирующиеся на выпуске средств малой механизации, садовой и дачной техники, производят миниатюрные гидротурбины.

Если такую турбину опустить на дно ручья или реки, она будет вырабатывать электроэнергию, подзаряжающую аккумуляторы, от которых, в свою очередь, получают питание осветительные приборы и бытовая техника.

Производительность мини-турбин невысока, но вполне достаточна, чтобы обеспечить электроэнергией небольшой дом, исследовательскую метеостанцию или геологическую базу.

Гораздо более широкое применение получили ветряные генераторы. Более того, именно с ветряными двигателями связывают будущее мировой энергетики – как с самым безопасным и самым экологически чистым источником электроэнергии.

Для ветряного двигателя не нужны запруды, водохранилища, плотины и какое-либо изменение природного русла реки вообще. Ветряной двигатель не нуждается в топливе и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ.

Он может применяться и на транспорте – для зарядки аккумуляторов электромобилей, устранив угрозу глобального загрязнения атмосферы выхлопными газами.

Современный ветряной электрогенератор – это высокая металлическая мачта с трехлопастным винтом (хотя лопастей может быть и больше), установленным в поворотный корпус. Корпус винта снабжен простым флюгерным механизмом, который улавливает направление ветра и соответствующим образом поворачивает винт.

Ось винта через угловой редуктор соединена с осью электрогенератора. При вращении винта вращается и ось генератора, в обмотках которого индуцируется электрический ток, заряжающий аккумуляторы ветряной электростанции.

Аккумуляторы нужны для выравнивания напряжения в электрической сети, так как напряжение на выводах генератора может изменяться и зависит от частоты вращения ветряного винта, то есть от скорости ветра.

Недостатком ветряного электрогенератора является низкий коэффициент полезного действия. Для того чтобы получить большое количество энергии, сравнимое с энергией гидроэлектростанции средней мощности, необходимо установить тысячи ветряков.

А увеличивать размер лопастей и, соответственно, мощность генератора, можно лишь до определенного предела, после которого сооружение ветряка становится непомерно дорогим.

Поэтому ветряные электрогенераторы применяются пока только в экспериментальных целях и для электроснабжения небольших населенных пунктов в горной местности, где достаточно сильные ветры дуют круглый год.

Источник: http://elcode-blog.ru/?tag=%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B5-%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D1%81%D0%BE

Водяные двигатели, ветряные двигатели: в xi, xii и xiii вв. запад узнал свою первую революцию в механике

ВОДЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В XI, XII и XIII вв. Запад узнал свою первую революцию в механике. Что означает эта революция? Будем понимать под нею совокупность изменений, какие повлекло за собой умноже ние числа водяных и ветряных мельниц.

Эти «первичные двигатели», несомненно, весьма скромны по мощности : от 2 до 5 лошадиных сил на водяное колесо72, иногда 5 и самое большее 10 лошадиных сил для крыльев ветряной мельницы.

Но в экономике, плохо обеспеченной энергией, они представляли значительный прирост мощности и сыграли определенную роль в первом экономическом подъеме Европы.

Водяная мельница, более древняя, имела намного большее значение, чем ветряная. Она не зависит от непостоянства ветра, а использует воду, в общем менее капризную.

Она была более широко распространена в силу своей древности, большого числа рек и речек, водохранилищ, отводных каналов, водоводов, которые могли заставить вращаться колесо с лопастями или плицами.

Не будем забывать и прямое использование течения судами-мельницами – на Сене в Париже, на Гаронне в Тулузе и т. д. Не стоит забывать также и о силе прилива и отлива, которую нередко использовали как в мусульманских странах так и в странах Запада, даже там, где приливы и отливы незначительны.

В венецианской лагуне у французского путешественника в 1533 г. вызвала восторг единственная водяная мельница, увиденная на острове Мурано, которую приводил в движение «напор морской воды, когда море прибывает или убывает»73.

Первая водяная мельница была с горизонтальным колесом, своего рода простейшей турбиной; иногда ее называли греческой (ибо она появилась в античной Греции) или скандинавской (так как она долго сохранялась в Скандинавии).

С тем же успехом можно было говорить о китайской, корсиканской, бразильской, японской, фарерской или среднеазиатской, потому что в них водяное колесо вращалось иной раз до XVIII, а то и до XX в. в горизонтальной плоскости, развивая при этом минимальную мощность, которая позволяет медленно вращать мельничный жернов.

Ничего нет удивительного, что такие примитивные колеса встречались в Чехии еще в XV в. или около 1850 г.-в Румынии. Возле Берхтесгадена мельницы этого типа с горизонтальным колесом с лопастями функционировали почти до 1920 г.

«Гениальным» решением стал поворот колеса в вертикальную плоскость, осуществленный римскими инженерами в I в. до н. э.

Движение, передаваемое зубчатой передачей, затем становится горизонтальным при окончательном вращении жернова, который к тому же будет вращаться впятеро быстрее приводного колеса; бывали и передачи с понижением числа оборотов. Такие первые двигатели отнюдь не всегда бывали примитивными.

В Барбегале, около Арля, археологи обнаружили великолепное римское сооружение: акведук с «искусственным напором воды» длиной более 10 км, а в конце его – 18 поставленных одно за другим колес, настоящие последовательно включенные двигатели.

Тем не менее применение таких позднеримских устройств было ограничено несколькими пунктами Империи, и использовались они единственно для размола хлеба. Зато революция XII-XIII вв. не только умножила число водяных колес, она распространила их применение на другие области.

Цистерцианцы распространили эти колеса одновременно со своими кузницами Любопытное изображение мельницы с горизонтальным водяным колесом, относящееся к сравнительно позднему времени (1430 г.). Но речь идет о мельнице в Чехии, где долго удерживалась горизонтальная схема. См.

иллюстрацию к французской библии, воспроизведенную в томе III настоящей работы (глава 5), где колесо уже вертикальное.

по Франции, Англии, Дании. Прошли века-и в Европе от Атлантики до Московского государства уже не было деревни, которая не имела бы собственного мельника и водяного колеса, вращаемого потоком, а то и наливного.

Применение водяного колеса сделалось многообразным; оно приводило в движение толчеи для руд, тяжелые качающиеся молоты, которыми ковали железо, огромные била сукновален, мехи металлургических печей, а также насосы, точила, дубильные мельницы и, наконец, последнее новшество – мельницы бумажные. Прибавим к этому механические пилы, которые появляются с XIII в., как доказывает это сделанный около 1235 г. чертеж такого любопытного «инженера», каким был Виллар де Оннекур. С необычайным расцветом горного дела в XV в. самые лучшие мельницы стали работать на рудниках: лебедки с реверсом для подъема бадей с рудой, мощные машины для вен- Механизм водяной мельницы (1607 г.): превосходное изображение превращения движения колеса в вертикальной плоскости в горизонтальное вращение жернова (к этому времени такое открытие насчитывало уже несколько столетий).

Из книги: Zonca V.

Novo teatro di machine.

(Фото Национальной библиотеки.)

тиляции штолен или для откачки воды нориями (непрерывной цепью с черпаками) и даже всасывающими и нагнетательными насосами, установки для забивки свай, где рычаги давали возможность приводить в движение уже сложные механизмы, которые почти такими же сохранятся до XVIII в., даже позднее.

Эти великолепные механизмы (их огромные приводные колеса порой достигали 10 м в диаметре) можно видеть на очень хороших иллюстрациях к [трактату] «О горном деле и металлургии, в 12 книгах» («De re metallica») Георга Агриколы (Базель, 1556 г.

), который обобщает предшествующие труды, представляя их читателю.

В пильных станах, в билах сукновален, в молотах и мехах металлургических печей проблема заключалась в том, чтобы преобразовать движение вращательное в прямолинейное, переменное по направлению; это делалось возможным благодаря применению кулачковых валов.

По поводу необходимых зубчатых передач можно написать целую книгу (и она пишется). Удивительно в наших глазах то, что дерево позволяло осуществлять самые сложные решения. Это, однако, отнюдь не означает, что такие шедевры механики были привычным зрелищем для современников.

Если им приходилось с ними встречаться, они поражались и восхищались, даже в позднейшие времена.

Когда в 1603 г.

Бартелеми Жоли, направляясь в Женеву, пересекал Юру, он заметил у истока Силанского озера в долине Ней- роль такие мельницы, которые обрабатывали «сосновую и еловую древесину, каковую спускают сверху, с крутых гор; славное устройство, при котором от одного колеса, вращаемого водою, происходит множество движений снизу вверх, и наоборот [это движение пилы], а бревно продвигается под пилу по мере того, как она работает… и следующее дерево сменяет его с такой упорядоченностью, как если бы все сие делалось человеческими руками»74. Вполне очевидно, что зрелище было все же необычное, заслуживавшее упоминания в путевых записках.

Мельница, однако, сделалась универсальным устройством, так что сила рек, использовалась она полностью или нет, была необходима повсеместно и настоятельно.

«Промышленные» города (а какой город в те времена не был таким?) приспосабливались к течению рек, приближались к ним, обуздывали текущую воду, принимая вид городов наполовину венецианских, во всяком случае на протяжении трех или четырех характерных улиц.

Таков типичный случай Труа; в Бар-ле-Дюке все еще существует его улица Дубильщиков на отведенном рукаве реки.

«Сукновал» Шалон сделал то же самое с Марной (на которой есть мост, называемый мостом Пяти мельниц), а Реймс-с рекой Вель, Коль- мар-с Илем, Тулуза-с Гаронной, на которой уже очень давно и очень долго существовала флотилия «плавучих мельниц», читай: лодок с водяными колесами, вращаемыми течением.

Так же поступала Прага, расположенная на нескольких излучинах Влтавы. Нюрнберг усилиями Пегница вращал свои многочисленные колеса внутри городских стен и по всем прилегающим деревням (из них 180 еще работали в 1900 г.).

В Париже и вокруг Парижа подспорьем служили десятка два ветряных мельниц; но даже предположив, что они ни на один-единственный день в году не останавливались бы из-за безветрия, все они, вместе взятые, не дали бы и двадцатой доли той муки, которую потребляли парижские булочники. Вдоль Сены, Уазы, Марны и малых рек, вроде Ивет и Бьевр (на которой в 1667 г. обосновалась королевская гобеленовая мануфактура), работало 1200 водяных мельниц, большая часть которых предназначалась для помола зерна. Действительно, у малых рек, вытекающих из источника, есть то преимущество, что зимой их очень редко сковывает лед.

Был ли такой «захват» мельниц городами в целом вторым этапом в их использовании? В своей еще не изданной диссертации Робер Филипп показал предшествующую фазу-первоначальное распространение мельниц, располагавшихся (сообразно законам, диктуемым используемой водой) в сельской местности, возле деревень, где таким образом утвердился, и на века, источник энергии. Мельница, предназначенная прежде всего для размола зерна, была тогда важнейшим орудием домениального хозяйства. Именно сеньер решал ее построить, покупал жернова, предоставлял дерево и камень; вклад крестьян заключался в труде. Домениальное хозяйство представляло ряд самодовлеющих базовых единиц. Но товарное хозяйство, концентрировавшее и перераспределявшее товары, работало на город и заканчивалось городом, и именно оно навяжет свою систему, наложив ее на предшествовавшую, и создаст новую плотность размещения мельниц, отвечающую его многочисленным потребностям 75.

Наконец, мельница была своего рода стандартной мерой энергетической оснащенности доиндустриальной Европы. Оцените мимоходом замечание вестфальца Кемпфера, врача-путе- шественника, который, пристав в 1690 г. к маленькому острову в Сиамском заливе и желая дать представление о стоке реки, говорит: она достаточно полноводна чтобы вращать три мельницы76. В конце XVIII в.

в Галиции, ставшей австрийской, статистика дает на 2 тыс. кв. лье и на 2 млн. жителей цифру 5243 водяных мельницы (и лишь 12 ветряных). Цифра, на первый взгляд, чрезмерная, но в 1086 г. «Книга Страшного суда» («Domesday Book») отмечала и 5624 мельницы всего на 3 тыс. общин к югу от рек Северн и Трент77.

И достаточно присмотреться внимательно к бесчисленным небольшим колесам, видимым на стольких картинках, рисунках, планах городов, чтобы понять, сколь они были всеобщим явлением.

Во всяком случае, если в других местностях соотношение между водяными мельницами и численностью населения было такое же, как в Польше, их должно было бы насчитываться накануне промышленного переворота 60 тыс. во Франции 78 и примерно 500-600 тыс. в Европе.

Ласло Маккаи в детальной и, на мой взгляд, такой же блестящей статье, как и классическая работа Марка Блока о водяной мельнице, примерно подтверждает эти цифры: «…от 500 до 600 тыс. мельниц, что равно 1,5-3 млн. лошадиных сил (HP)».

Эти подсчеты делались на основе арендных договоров с учетом размеров колес (от 2 до 3 м в диаметре), количества лопастей и плиц на них (в среднем около 20), количества получаемой в час муки (порядка 20 кг на постав), числа колес на каждой мельнице (одно-два или более) и путем сравнения восточно- и западноевропейских мельниц, в общем аналогичных, по крайней мере что касается зерновых мельниц; причем принимается почти постоянное соотношение между водяными мельницами и численностью населения (в среднем на основании точно известных случаев 1 к 29). Так как число мельниц или величина приводных колес возрастали в таком же темпе, в каком росло население, между XII и XVIII вв. энергетическая оснащенность должна была бы возрасти вдвое. В принципе каждая деревня имела собственную мельницу. Там, где такая мельница не могла быть повсеместной из-за отсутствия ветра и достаточно мощных водяных потоков (как на Венгерской равнине), подспорьем служила мельница с конным и даже с ручным приводом 79.

Ветряная мельница появилась намного позже водяного колеса. До недавнего времени ее считали «уроженкой» Китая; более вероятно, что она пришла с нагорий Ирана или из Тибета.)

В Иране, по-видимому, с VII в. н. э. и уж наверняка в IX в. мельницы вращались, приводимые в движение парусами, установленными вертикально на колесе, которое само двигалось в горизонтальной плоскости. Движение этого колеса, передаваемое на центральную ось, приводило во вращение жернов для размола зерна. Что могло быть проще: не было нужды ориен-

тировать мельницу, она всегда находилась в воздушном потоке. И еще одно преимущество: связь между движением ветряка и вращением жернова не требовала никаких зубчатых передаточных устройств.

В самом деле, в случае мельницы для зерна проблема всегда заключалась в том, чтобы привести в движение жернов, вращающийся в горизонтальной плоскости-то1а уег- 8а1Ш8 – и раздавливающий зерно на расположенном под ним неподвижном (лежачем) жернове. По-видимому, от мусульман такие мельницы распространились в Китае и в Средиземноморье.

Ветряные мельницы как будто имелись в Таррагоне, на северной границе мусульманской Испании, с X в.80 Мы, однако, не знаем, как они вращались.

Ибо, в отличие от того, что произошло в Китае, где мельница на протяжении столетий будет вращаться в горизонтальной плоскости, великим событием на Западе стало превращение ветряка в колесо, установленное вертикально, наподобие того, как случилось это с водяными мельницами. Инженеры утверждают, что модификация была гениальной, так как мощность резко увеличилась. Именно такая мельница нового образца, сама по себе крупное изобретение, распространилась в христианском мире.

Арльские статуты фиксируют ее наличие в XII в. В это же самое время она встречается в Англии и во Фландрии. В XIII в.

Машины и зубчатые передачи из дерева.

Это огромное колесо горизонтального ворота было клеткой, которую приводили в движение помещавшиеся внутри нее три человека.

Мюнхен. Немецкий музей, собрание фотоматериалов.

ее приняла вся Франция. В XIV в. ветряная мельница уже есть в Польше и даже в Московском государстве, попав туда через Германию. Небольшая деталь: как утверждают, крестоносцы не обнаружили в Сирии ветряных мельниц, они принесли их туда81. Случаев разрыва во времени много, но в целом Северная Европа в этом отношении опередила Южную.

Так, скажем, в определенные области Испании, в частности в Ламанчу, ветряная мельница придет поздно, так что, как убеждает нас историк, испуг Дон Кихота был вполне естественным: для него эти большие чудовища были чем-то небывалым. В Италии было не так: в Дантовом «Аде» (1319 г.

) Сатана простирает свои огромные руки, «как мельница вдали крылами бьет» («соте ип molin che il vent о gira»)82.

Ветряная мельница, более дорогая в эксплуатации, чем ее родственница, требовала больших расходов при равной работе, в частности на помол зерна. Но ее использовали и по-иному. Огромная роль этих мельниц (Wipmolen) в Нидерландах с XV в. (и еще более-после 1600 г.

) заключалась в приведении в движение бесконечных цепей с черпаками, которые собирали грунтовые воды и сбрасывали их в каналы83.

Таким образом, они станут одним из орудий терпеливого отвоевывания нидерландских земель под защитой дамб, прикрывающих от моря и от тех озер, что образовались на слишком долго разрабатываемых в прошлом торфяниках.

И еще одна причина того, чтобы Голлан- дии стать родиной ветряной мельницы: страна лежит в центре обширного пространства с постоянными западными ветрами, дующими с Атлантики в направлении Балтийского моря.

Первоначально всю мельницу поворачивали вокруг ее оси, чтобы сориентировать крылья по ветру, как, скажем, бретонские мельницы с характерным названием «подсвечники» 84. Вся мельница монтировалась на центральной мачте, и поворотный брус позволял поворачивать весь комплекс.

Так как крылья выгодно располагать сколь возможно выше над землей, дабы они ловили самый сильный ветер, механизм передачи и жернова располагались высоко (отсюда потребность в подъемнике для мешков).

Маленькая подробность: ось крыльев никогда не бывала строго горизонтальной, ее наклон регулировали эмпирическим путем. Схемы еще существующих мельниц (вроде схем Раме лли, относящихся к 1588 г.

) позволяют понять эти простые механизмы: передачу движения, системы торможения, возможность установить вместо единственной пары центральных жерновов две пары боковых…

Едва ли более сложно было бы объяснить действие Wipmolen, которая получала движение наверху и передавала его вниз, туда, где работала цепь с черпаками, игравшая роль насоса. Движение передавалось валом через полую центральную опору. Отсюда возникали некоторые затруднения, впрочем не непреодолимые, когда при случае Wipmolen вновь переделывали для помола зерна.

Довольно рано, по достоверным данным-в XVI в., благодаря голландским инженерам распространилась башенная мельница: для перемещения крыльев достаточно было передвигать только подвижный верх постройки. В таких мельницах, иногда Ветряная мельница с весьма своеобразными крыльями,

вращавшимися вокруг вертикальной оси и, следовательно, не нуждавшимися в ориентации их по ветру.

Преобразование движения было здесь обратным тому, какое имело место в водяной мельнице: поначалу горизонтальное, оно в конечном счете приводило в движение вертикальное колесо с черпаками, поднимавшее воду (речь идет об осушительных устройствах, разработанных в 1652 г. для осушения болот вокруг Линкольна и Кембриджа в Англии).

В голландских мельницах преобразование движения происходило дважды: сначала оно вертикальное (в соответствии с вращением крыльев), затем горизонтальное при вращении главного

вала и снова _ ,

вертикальное у называемых «мельницами в блузах» (потому что издалека они

водоотливного колеса, напоминали крестьянина, одетого в рабочую рубаху), сложность была в том, чтобы облегчить движение «шапки» по неподвижной части мельницы, используя деревянные полозья или же подшипники разных конструкций.

Внутри мельницы требовавшие решения проблемы оставались теми же : управлять – останавливать движение крыльев, изменять положение их лопастей, обеспечить медленное оседание из бункера зерна, которое через «окно» («lumi?re») проходит сквозь верхний вращающийся жернов, а главное-изменять посредством зубчатой передачи направление движения, которое должно преобразовываться из вертикального движения крыльев в горизонтальное вращение жерновов.

В более общем смысле великим прогрессом было открытие, что один-единственный двигатель, одно-единственное колесо, будь то водяная или ветряная мельница, могло передавать свое движение нескольким орудиям: не одному жернову, но двум или трем; не одной только пиле, но пиле и молоту; не одной толчее, но целому ряду, как в той занятной модели (в Тироле), что «толкла» зерно, вместо того чтобы его молоть (в этом случае грубо измельченное зерно используют для изготовления отрубного хлеба, напоминающего более сухарь, чем хлеб)85.

Источник: https://bookucheba.com/evropyi-ameriki-istoriya/vodyanyie-dvigateli-vetryanyie-32203.html

3. ВОДЯНЫЕ И ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ – ОСНОВА ЭНЕРГЕТИКИ [1979 Шухардин С.В., Ламан Н.К., Федоров А.С. – Техника в ее историческом развитии]

ВОДЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Водяные и ветряные мельницы представляли механизмы, использовавшие силы природы и являвшиеся источником энергии, сообщаемой рабочему органу или устройству (жернова, ковочные молоты и т. д.).

Водяные мельницы появились за много веков до нашей эры в Китае, Индии. В 536 г. в Риме была изобретена судовая мельница, в которой вращение водяного колеса передавалось посредством зубчатых колес к жерновам. Первые водяные мельницы, правда, в незначительном числе, появляются в Западной Европе в VI-X вв. Основой их примитивного устройства были верхнебойные колеса большого диаметра.

Широкое использование мельниц было возможно лишь в условиях общего подъема техники, определенного уровня развития производительных сил феодального общества. Введение этой передовой техники в странах Западной Европы началось с X в. На Руси мельницы появились в конце XV – середине XVII в.

Объясняется этот временной сдвиг тем, что с середины XIII в. народы Восточной Европы подверглись нашествию татаро-монголов. Русь, находившаяся до этого на таком же уровне технико-экономического развития, что и страны Западной Европы, была задержана в своем поступательном развитии.

Соответственно было отодвинуто и начало технической революции в России.

Техническая революция характеризуется широким распространением водяных и ветряных мельниц, а также механических часов. В X-XIII вв. в мельницах были применены устройства, позволяющие изменять направление вращения водяных колес в зависимости от уровня воды.

Улучшились конструкции жерновов мукомольных мельниц.

Поскольку первые мельницы в основном были мукомольными, то усовершенствования коснулись и этой части: для более мелкого помола стали употреблять вращающиеся совместно с пестом специальные ящики, для сбора размолотого зерна – мукосейки, снабженные ситами.

Валяльная машина XVI в. с приводом от водяного колеса

Ветряные мельницы появились в конце X – начале XI в. во Франции и Англии, а затем в Голландии, в которой с тех времен они становятся неотъемлемой частью ландшафта. Многие усовершенствования к ветряным мельницам были сделаны именно в Голландии.

Так, здесь появляются своеобразные тормозные устройства, при помощи которых можно было очень быстро остановить вращающиеся жернова.

По тем временам это приспособление было технически сложным и представляло собой механический привод, включавший в себя несколько пар зубчатых колес и тормозное устройство.

То, что ветряные мельницы появились в Голландии, где извечным врагом голландцев была вода и где приходилось откачивать воду, чтобы отвоевать клочок земли, объясняет их применение для приведения в действие водоотливных установок.

Водяное колесо с конца XI в. использовали, кроме того, для приведения в действие водоподъемных устройств и бурильных установок, а также в текстильном производстве.

Тяжелые молоты, приводимые в действие водяным колесом, давили на загруженное в яму сукно (сукновальные и валяльные мельницы). В конце XII в.

в Нюрнберге были широко распространены шерстобойни, в которых для трепания шерсти все металлические инструменты приводились в движение водяным колесом.

С середины XIV в. водяные мельницы начинают распространяться в металлообрабатывающем производстве. К 1351 г. относится изобретение первого вододействующего стана для изготовления железной проволоки (Германия), положившего начало использованию энергии воды в прово-лочно-волочильном производстве.

Изобретение заключалось в передаче энергии воды посредством гидравлического колеса на рычажно-клеще-вой механизм волочильного устройства через систему массивных кулаков, насаженных на деревянном валу.

Характерно, что, несмотря на явные преимущества вододействующих станков, их использование, в силу уже известных нам особенностей феодального способа производства, даже в самой Германии – родине нового способа – шло крайне медленно. Лишь к XV в. эта прогрессивная техника стала заметно распространяться.

В 1532 г. Эобаннус Гессус еще описывает проволочную мельницу как чудо. Представляет интерес описание изобретения устройства с водяным колесом для протяжки проволоки, данное в 1540 г. в «Пиротехнике» итальянским инженером В. Бирингуччо.

Внедрение водяного колеса в проволочное производство внесло коренные изменения в технологию, освободило человека от тяжелого и утомительного труда, резко повысило эффективность производства.

Водяные мельницы употреблялись также при изготовлении бумаги, для размола сырья, в производстве пороха – для толчения и во многих других отраслях. Гидравлическое колесо оказало на развитие техники мощное революционизирующее воздействие [6].

Появление механического двигателя – водяного колеса – привело к повышению производительности труда; было достигнуто более точное сочленение деталей в самих мельницах и в различных станках.

Таким образом, применение водяного колеса позволило создать механизмы, передающие движение от двигателя к рабочему инструменту: механический рычажный молот, толчейное устройство, где вращательное движение преобразовывалось в прерывно-поступательное; пороховые мельницы с кулачковым валом (преобразование непрерывного вращательного движения в возвратно-поступательное); сверлильные и расточные станки и другие устройства. В этот же период появляются зубчатые передачи между вращающимися осями, в том числе пересекающимися между собой, что позволяло передавать движение рабочему механизму.

Разработке и совершенствованию технических устройств с вращательным движением механизма много способствовали механические часы. К.

Маркс, рассматривая роль Мукомольных мельниц в истории машины, обратил особое внимание на часы, которые, развивая механику, способствовали созданию передаточных и других более сложных механизмов, необходимых для рабочих машин. Часы навели на мысль применить в производстве автоматы () [7].

Источник: http://nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000055/st036.shtml

Энергетика средневековья: водяные и ветряные мельницы

ВОДЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В XI, XII и XIII вв. Запад узнал свою первую революцию в механике. Что означает эта революция? Будем понимать под нею совокупность изменений, какие повлекло за собой умножение числа водяных и ветряных мельниц.

Эти «первичные двигатели», несомненно, весьма скромны по мощности : от 2 до 5 лошадиных сил на водяное колесо, иногда 5 и самое большее 10 лошадиных сил для крыльев ветряной мельницы.

Но в экономике, плохо обеспеченной энергией, они представляли значительный прирост мощности и сыграли определенную роль в первом экономическом подъеме Европы.

Водяная мельница, более древняя, имела намного большее значение, чем ветряная. Она не зависит от непостоянства ветра, а использует воду, в общем менее капризную.

Она была более широко распространена в силу своей древности, большого числа рек и речек, водохранилищ, отводных каналов, водоводов, которые могли заставить вращаться колесо с лопастями или плицами.

Не будем забывать и прямое использование течения судами-мельницами – на Сене в Париже, на Гаронне в Тулузе и т. д. Не стоит забывать также и о силе прилива и отлива, которую нередко использовали как в мусульманских странах так и в странах Запада, даже там, где приливы и отливы незначительны.

В венецианской лагуне у французского путешественника в 1533 г. вызвала восторг единственная водяная мельница, увиденная на острове Мурано, которую приводил в движение «напор морской воды, когда море прибывает или убывает»

Первая водяная мельница была с горизонтальным колесом, своего рода простейшей турбиной; иногда ее называли греческой (ибо она появилась в античной Греции) или скандинавской (так как она долго сохранялась в Скандинавии).

С тем же успехом можно было говорить о китайской, корсиканской, бразильской, японской, фарерской или среднеазиатской, потому что в них водяное колесо вращалось иной раз до XVIII, а то и до XX в. в горизонтальной плоскости, развивая при этом минимальную мощность, которая позволяет медленно вращать мельничный жернов.

Ничего нет удивительного, что такие примитивные колеса встречались в Чехии еще в XV в. или около 1850 г.-в Румынии.

«Гениальным» решением стал поворот колеса в вертикальную плоскость, осуществленный римскими инженерами в I в. до н. э.

Движение, передаваемое зубчатой передачей, затем становится горизонтальным при окончательном вращении жернова, который к тому же будет вращаться впятеро быстрее приводного колеса; бывали и передачи с понижением числа оборотов. Такие первые двигатели отнюдь не всегда бывали примитивными.

В Барбегале, около Арля, археологи обнаружили великолепное римское сооружение: акведук с «искусственным напором воды» длиной более 10 км, а в конце его – 18 поставленных одно за другим колес, настоящие последовательно включенные двигатели.

Тем не менее применение таких позднеримских устройств было ограничено несколькими пунктами Империи, и использовались они единственно для размола хлеба. Зато революция 12-13 вв. не только умножила число водяных колес, она распространила их применение на другие области.

Применение водяного колеса сделалось многообразным; оно приводило в движение для толчеи руд, тяжелые качающиеся молоты, которыми ковали железо, огромные била сукновален, мехи металлургических печей, а также насосы, точила, дубильные мельницы и, наконец, последнее новшество – мельницы бумажные. Прибавим к этому механические пилы, которые появляются с XIII в.

, как доказывает это сделанный около 1235 г. чертеж такого любопытного «инженера», каким был Виллар де Оннекур. С необычайным расцветом горного дела в XV в.

самые лучшие мельницы стали работать на рудниках: лебедки с реверсом для подъема бадей с рудой, мощные машины для вентиляции штолен или для откачки воды нориями (непрерывной цепью с черпаками) и даже всасывающими и нагнетательными насосами, установки для забивки свай, где рычаги давали возможность приводить в движение уже сложные механизмы, которые почти такими же сохранятся до XVIII в., даже позднее.

В пильных станах, в билах сукновален, в молотах и мехах металлургических печей проблема заключалась в том, чтобы преобразовать движение вращательное в прямолинейное, переменное по направлению; это делалось возможным благодаря применению кулачковых валов. Удивительно в наших глазах то, что дерево позволяло осуществлять самые сложные решения.

Мельница, однако, сделалась универсальным устройством, так что сила рек, использовалась она полностью или нет, была необходима повсеместно и настоятельно.

«Промышленные» города  приспосабливались к течению рек, приближались к ним, обуздывали текущую воду, принимая вид городов наполовину венецианских, во всяком случае на протяжении трех или четырех характерных улиц.

Нюрнберг усилиями Пегница вращал свои многочисленные колеса внутри городских стен и по всем прилегающим деревням (из них 180 еще работали в 1900 г.).

В Париже и вокруг Парижа подспорьем служили десятка два ветряных мельниц; но даже предположив, что они ни на один-единственный день в году не останавливались бы из-за безветрия, все они, вместе взятые, не дали бы и двадцатой доли той муки, которую потребляли парижские булочники. Вдоль Сены, Уазы, Марны и малых рек, вроде Ивет и Бьевр (на которой в 1667 г. обосновалась королевская гобеленовая мануфактура), работало 1200 водяных мельниц, большая часть которых предназначалась для помола зерна.

В конце XVIII в. в Галиции, ставшей австрийской, статистика дает на 2 млн. жителей цифру 5243 водяных мельницы (и лишь 12 ветряных). И достаточно присмотреться внимательно к бесчисленным небольшим колесам, видимым на стольких картинках, рисунках, планах городов, чтобы понять, сколь они были всеобщим явлением.

Во всяком случае, если в других местностях соотношение между водяными мельницами и численностью населения было такое же, как в Польше, их должно было бы насчитываться накануне промышленного переворота 60 тыс. во Франции и примерно 500-600 тыс. в Европе. Ласло Маккаи в детальной статье о водяной мельнице, примерно подтверждает эти цифры: «…от 500 до 600 тыс.

мельниц, что равно 1,5-3 млн. лошадиных сил ».

Ветряная мельница появилась намного позже водяного колеса. До недавнего времени ее считали «уроженкой» Китая; более вероятно, что она пришла с нагорий Ирана или из Тибета.)

В Иране, по-видимому, с VII в. н. э. и уж наверняка в IX в. мельницы вращались, приводимые в движение парусами, установленными вертикально на колесе, которое само двигалось в горизонтальной плоскости.

Движение этого колеса, передаваемое на центральную ось, приводило во вращение жернов для размола зерна. И еще одно преимущество: связь между движением ветряка и вращением жернова не требовала никаких зубчатых передаточных устройств.

По-видимому, от мусульман такие мельницы распространились в Китае и в Средиземноморье.

Ветряная мельница, более дорогая в эксплуатации, чем ее родственница, требовала больших расходов при равной работе, в частности на помол зерна. Но ее использовали и по-иному. Огромная роль этих мельниц в Нидерландах с XV в. (и еще более-после 1600 г.

) заключалась в приведении в движение бесконечных цепей с черпаками, которые собирали грунтовые воды и сбрасывали их в каналы.

Таким образом, они станут одним из орудий терпеливого отвоевывания нидерландских земель под защитой дамб, прикрывающих от моря и от тех озер, что образовались на слишком долго разрабатываемых в прошлом торфяниках.

И еще одна причина того, чтобы Голландии стать родиной ветряной мельницы: страна лежит в центре обширного пространства с постоянными западными ветрами, дующими с Атлантики в направлении Балтийского моря.

Первоначально всю мельницу поворачивали вокруг ее оси, чтобы сориентировать крылья по ветру, как, скажем, бретонские мельницы с характерным названием «подсвечники» . Вся мельница монтировалась на центральной мачте, и поворотный брус позволял поворачивать весь комплекс.

Так как крылья выгодно располагать сколь возможно выше над землей, дабы они ловили самый сильный ветер, механизм передачи и жернова располагались высоко (отсюда потребность в подъемнике для мешков).

Маленькая подробность: ось крыльев никогда не бывала строго горизонтальной, ее наклон регулировали эмпирическим путем.

Довольно рано, по достоверным данным-в XVI в., благодаря голландским инженерам распространилась башенная мельница: для перемещения крыльев достаточно было передвигать только подвижный верх постройки.

В таких мельницах сложность была в том, чтобы облегчить движение «шапки» по неподвижной части мельницы, используя деревянные полозья или же подшипники разных конструкций.

Внутри мельницы требовавшие решения проблемы оставались теми же: управлять – останавливать движение крыльев, изменять положение их лопастей, обеспечить медленное оседание из бункера зерна, которое через «окно» проходит сквозь верхний вращающийся жернов, а главное-изменять посредством зубчатой передачи направление движения, которое должно преобразовываться из вертикального движения крыльев в горизонтальное вращение жерновов.

В более общем смысле великим прогрессом было открытие, что один-единственный двигатель, одно-единственное колесо, будь то водяная или ветряная мельница, могло передавать свое движение нескольким орудиям: не одному жернову, но двум или трем; не одной только пиле, но пиле и молоту; не одной толчее, но целому ряду, как в той занятной модели (в Тироле), что «толкла» зерно, вместо того чтобы его молоть (в этом случае грубо измельченное зерно используют для изготовления отрубного хлеба, напоминающего более сухарь, чем хлеб).

Из книги Ф. Броделя “Материальная цивилизация, экономика и капитализм XV-XVIII вв.”

Бродель Ветряная мельница Водяная мельница Средневековье Длиннопост

Источник: https://pikabu.ru/story/yenergetika_srednevekovya_vodyanyie_i_vetryanyie_melnitsyi_5970124

Book for ucheba
Добавить комментарий