Ветряные двигатели

Ветряные двигатели являются приемниками энергии ветра, т. е. массы воздуха, движущегося приблизительно параллельно земной поверхности в данном месте. Во всяком ветряном двигателе часть этой движущейся массы воздуха заставляют, так или иначе, действовать на лопатки или крылья колеса, сидящего на валу; колесо получает вращательное движение. Свойства ветряного двигателя обусловливаются свойствами ветра. Ветер меняет постоянно и свое направление, и свою силу. Если мы желаем, чтобы ветряной двигатель давал всегда наибольшую возможную работу, то мы должны постоянно устанавливать его наивыгоднейшим относительно направления ветра образом: следовательно, ветряной двигатель должен быть снабжен приспособлением для его ориентирования. При изменении же силы ветра будет изменяться и работа двигателя, и для того, чтобы иметь возможность получать от ветряного двигателя всякий раз лишь столько работы, сколько требуется, и поддерживать равномерный ход двигателя, а также защитить его от разрушения при слишком сильном ветре, двигатель должен быть снабжен приспособлением для его регулирования.

Изменение направления ветра происходит  не случайно, а согласно известному закону; именно в северном полушарии ветер изменяет свое направление в большинстве случаев в порядке румбов компаса, обегаемого по часовой стрелке, а в южном полушарии - в обратном направлении.

Закона изменения силы ветра, которая зависит от его скорости, метеорология пока точно не выяснила (об измерении силы ветра см. ветер и анемометр). Ветряной  двигатель, снабженный приспособлениями для ориентирования и регулирования, может работать при всяком направлении ветра, но не при всякой силе ветра. Если скорость ветра менее 3 метров в секунду, то ветряной двигатель полезной работы почти не дает. С другой стороны, когда скорость ветра начинает превосходить 10 метров, то ветряной двигатель рискует быть изломанным, и при таком ветре регулирующий прибор заставляет двигатель подставлять ветру меньшую поверхность. Наиболее подходящим для работы является ветер со средней скоростью, в 6-7 метров.

Вследствие непостоянства силы ветра ветряные двигатели являются неудобными, а иногда даже и неприменимыми в тех случаях, когда требуется постоянная работа, или когда от двигателя приходится требовать работы во всякое время. Вследствие этого область применения ветряного двигателя ограничена. По преимуществу они употребляются для приведения в движение мукомольных мельниц, лесопилок, для движения насосов, поднимающих воду, для приведения в движение мелких машин в сельском хозяйстве и проч. В последнее время профессор Лакур (в Дании) изобрел весьма простой и удобный аккумулятор, который позволяет пользоваться ветряным двигателем для электрического освещения (в небольших размерах). Другим неудобством ветряного двигателя, кроме непостоянства работы, является его громоздкость, обусловленная тем, что давление ветра на единицу площади, вообще говоря, слишком мало по сравнению, например, с давлением пара или воды, падающей с большой высоты. Поэтому, для получения большой мощности приходится ветряной двигатель снабжать крыльями, имеющими огромную площадь, и ветряные двигатели обыкновенно не строят более, чем в 40 лошадиных сил, да и при такой мощности диаметр колеса выходит около 20 метров.

Выгодами ветряного двигателя являются: во-первых - простота устройства, а во-вторых - бесплатность движущей силы. По расположению вала ветряные двигатели можно разделить на два класса, именно - двигатели с горизонтальным (или слегка наклонным) валом и двигатели с вертикальным валом. В практике почти исключительным распространением пользуются двигатели первого класса. Двигатели с вертикальным валом и горизонтальным колесом в употребление не вошли. Далее будем говорить только о двигателях с горизонтальным валом. Такие двигатели, в свою очередь, можно разделить на два вида. К первому виду принадлежат двигатели, у которых колесо имеет малое число крыльев (четыре, шесть, восемь). Эти двигатели являются первыми по времени. Они были известны народам Азии более чем тысячу лет тому назад и в XII веке появились в Европе. Почти все ветряные мельницы строились и теперь строятся по этому типу.

В 70-х г. XIX ст. появились в Америке и затем распространились и в Европе двигатели второго вида, где колесо имеет значительное число крыльев (иногда 40 и более), так что получается, действительно, подобие колеса, состоящего из многих узких лопаток или крыльев. С момента появления этих двигателей конструкторы их уверяли (а большинство публики им верило), что такое устройство выгоднее и более полно утилизирует энергию ветра. Однако, только в 90-х годах датский профессор Лакур впервые произвел сравнительные опыты над колесами обоих видов и пришел к тому заключению, что освященная веками старая ветрянка с четырьмя крыльями есть самая лучшая. Результат этот для многих явился полной неожиданностью.

Лопатки или крылья двигателей делаются из дерева, парусины или железа. В Европейских двигателях, с малым числом крыльев, обыкновенно натягивают на деревянный остов парусину или же делают все крыло из дерева; в американских же заполняют окружность колеса небольшой ширины лопатками из дерева или листового железа. Крыло или лопатка бывает и плоским, и слегка изогнутым. Форма лопатки имеет большое значение, но подробности об ней можно изложить лишь в специальных сочинениях. Вообще говоря, всякая лопатка устраивается так, что она не лежит в плоскости вращения колеса, а наклонена к ней всей своей плоскостью, если она прямая, или всеми своими элементами, если она изогнутая, так что, по сути работы, ветряное колесо напоминает пароходный или воздухоплавательный винт (см. гребной винт). Скорость вращения колеса должна быть в известном наивыгоднейшем отношении к скорости ветра.

В европейских двигателях ориентирование обыкновенно производится от руки; машинист поворачивает или весь двигатель с домом, в котором он помещается (немецкая мельница), или только верхнюю часть его с колесом, валом и первым зубчатым колесом (голландская мельница) до тех пор, пока ветер не будет дуть прямо на лопасти крыльев, т. е. пока ось вала не станет в плоскости ветра. Регулирование здесь производят тоже от руки, во время остановки двигателя, уменьшая площадь парусины или деревянных лопастей. В американских двигателях и ориентирование, и регулирование производятся автоматически. Ориентирование, производится или посредством руля, или посредством розы. Руль есть большая плоская лопата, приделанная к той раме, в которой лежит вал колеса, и прикрепленная к ней так, что плоскость руля перпендикулярна к плоскости вращения колеса. Такой руль давлением ветра всегда устанавливается так, что руль лежит в той плоскости, в которой идет ветер, а плоскость вращения всегда будет к ней перпендикулярна, что и требуется. Роза есть маленькое ветряное колесо, лежащее в рамке, приделанной к главной раме двигателя так, что плоскость вращения розы перпендикулярна к плоскости вращения главного колеса; от вала розы идет зубчатая передача к механизму, который поворачивает раму главного колеса. Если ветер изменяется и начинает дуть не перпендикулярно к плоскости главного колеса, то он начинает тогда задувать и на розу, вращает ее, и механизм повертывает раму главного колеса до тех пор, пока роза не станет опять в плоскости ветра, а главное колесо - перпендикулярно к плоскости ветра.

Регулирование в американских двигателях тоже состоит в уменьшении площади, подставляемой под ветер, и делается двумя способами. По одному способу (прототип - колесо Eklipse) все колесо по мере возрастания силы ветра становится все менее наклонно к плоскости ветра (регулирование делает нечто обратное ориентированию); это происходит от давления ветра на особую лопату (рис. 2) или же просто на эксцентрично помещенное колесо (рис. 1).

По другому способу (прототип - колесо Halladay) - лопатки соединяются в группы, и группы эти по мере возрастания силы ветра наклоняются все более, приближаясь к параллельности с валом колеса (рис 3).

Для того, чтобы каждый раз колесо или лопатки останавливались в положении, соответствующем силе ветра, устраивают при обоих способах так, что отклонению противодействует пружина или груз на рычаге с постоянно увеличивающимся плечом. Иногда ставят регулирование в зависимость не от силы ветра, а от скорости вращения двигателя, и тогда регулирование производится обыкновенным центробежным регулятором. Американские двигатели устанавливают на особо высокой башне, сделанной из дерева или из железа (рис. 4).

Главным преимуществом американских двигателей, по исследованиям профессора Лакура, является то, что они лучше выдерживают перегрузку при малой скорости вращения и могут свободно работать тогда, когда простая ветрянка уже останавливается. Из оригинальных русских конструкций саморегулирующихся двигателей заслуживают внимания двигатели инженер-механика Давыдова (в Москве).

А. Сидоров.