Декоративная мельница: варианты изготовления ветряных и водяных, конструкция, чертежи

Мельница, пожалуй, древнейший из известных механизмов. Мукомольные мельницы точно применялись в Нововавилонском царстве (это конец II – начало I тысячелетия до н.э.), а немного позже оригинальные ветряные мельницы были изобретены в Китае (см. далее). Мельница способна оживить и украсить самый унылый пейзаж, а ее декоративная модель придаст особую прелесть и совсем маленькому приусадебному участку, см. рис. ниже. Делается декоративная мельница своими руками без серьезных затруднений, но ее эстетический эффект часто оказывается много меньше ожидаемого. И дело тут не в качестве работы мастера – это как раз тот случай, когда эстетика почти полностью определяется видом технической реализации. О чем и написана эта статья.

В чем загвоздка?

Декоративная мельница дает эстетический эффект по след. причинам (в порядке возрастания его величины и убывания очевидности):

• Память тысячелетий. Это не метафора. За свою историю мельница обросла толстой культурной оболочкой, вызывающей у мало-мальски подготовленного зрителя многочисленные ассоциации. Один Дон Кихот чего стоит. Заставил бы его Сервантес воевать с курятником – и мы увидели бы в нем неизъяснимую романтику.
• Мельница технически может быть реализована только в монументальном архитектурном сооружении, причем для технически совершенной мельницы оно должно быть изысканной формы, диктуемой аэродинамикой.
• Главный секрет эстетики мельницы кроется в динамике, во вращении ротора. Вода краса природы потому, что по естеству своему подвижна. Мельница оживит и украсит самые, простите, похабные задворки потому что машет крыльями.

Примечание: китайская вертикальная ветряная мельница (см. рис. справа) не требует для противодействия напору ветра капитальной опоры. К подобной конструкции приходили и другие народы древности, но у них не было такого незаменимого в те времена материала как бамбук. В Японии бамбука предостаточно, но в избытке и мелких быстрых водных потоков, пригодных для устройства более простой, долговечной и постоянно действующей водяной мельницы нижнего боя (см. далее и, возможно, «Семь самураев» Куросавы). Поэтому безбашенные вертикальные ветряные мельницы применялись только в Древнем Китае и отчасти в Индокитае.

Техника производственная и декоративная

Для производственной мельницы определяющее значение имеет ее коэффициент использования ветра (КИВ), аналог КПД. Параметра чувствительности к ветру (ЧВ) или потоку (ЧП) в спецификациях «настоящих больших» мельниц не ищите – он там просто не нужен. ЧП/ЧВ это минимальная скорость потока, набегающего на ротор (колесо) мельницы, при котором он начинает вращаться без нагрузки, свободно, сам по себе. Но ведь промышленная мельница должна приводить в движение производственное оборудование. К примеру, ротор ветряной мельницы диаметром 12 м на ветру 8 м/с развивает мощность на валу ок. 10 кВт. Если скорость ветра упадет вдвое, до 4 м/с, мощность на валу упадет вдесятеро, до прим. 1 кВт, и зависит это от свойств потока воздуха. Чуть ветер ослаб еще – и колесо просто не провернет жернов, не толкнет пилу или поршень насоса. И к чему тогда ЧП/ЧВ? Нужно добиваться наибольшего КИВ.

Декоративная мельница для сада, дачи, приусадебного участка – пример противоположности. У ее ротора нет механической нагрузки, кроме трения в узле вращения (см. далее), и КИВ для мельницы – забавы и украшения – параметр третьестепенный. Зато, если легкий ветерок приятно холодит лицо, листва под ним трепещет и скатерть стола под навесом колышется, а мельница стоит, ее эстетический эффект умаляется или даже обращается в отрицательный. Поэтому для декоративной мельницы главный параметр – ЧВ/ЧП; ее колесо должно хорошо крутиться при ветре 2-2,5 м/с или скорости потока воды от 0,25-0,3 м/с. Вариант мельницы с микромотором, вращающим колесо, определенно неэстетичен: ветряная мельница должна крутиться сообразно скорости и направлению ветра, а у водяной должна быть видна естественная причина вращения колеса.

Примечание: если водяная декоративная мельница верхнего боя (см. далее), ее колесо должно вращаться, когда вода буквально сочится по каплям из желоба.

При постройке декоративной мельницы дело упрощается тем, что отбора мощности в вала ротора нет, а минимизировать трение в его узле вращения современным техническими средствами несложно и недорого. Но для ветряной мельницы много усложняется тем, что с пропорциональным (линейным) уменьшением размеров ротора ометаемая им площадь падает по квадрату. А еще более осложняется тем, что у самой земли (подстилающей поверхности) поток воздуха сильно скошен и турбулизирован, в результате чего величина несомой единицей его объема энергии падает в десятки раз; тут может выручить только использование начал аэродинамики. Для водяной мельницы эти закономерности выражены слабее, но все же имеют место, так что и гидродинамикой нельзя пренебрегать.

Какую делать?

Декоративная ветряная мельница по эстетике и в статике превосходит водяную (см. рис.), а в динамике превосходит ее многократно просто потому, что зримого движения в ней больше. Построить декоративную модель ветряной мельницы в общем проще, чем водяной, но действовать она будет только при ветре; мельница-вентилятор с моторчиком по эстетике не вариант, см. выше.

Водяная мельница – украшение участка – будет энергонезависимой только если его зона отдыха на уклоне (что уже неудобно) и там есть естественный источник или поток воды (ключ, родник, ручей, слева на рис.), что вообще маловероятно. В противном случае вам придется самому сделать уклон, соорудить искусственный водоем с ручейком (каскадом, фонтаном) и расходовать электричество на перекачку воды; об украшении водяной мельницей альпийской горки с ручейком см. ролик:

Видео: пример декоративной водяной мельницы

Зато, во-первых, эстетический эффект декоративной водяной мельницы почти не зависит от погоды, лишь бы температура была плюсовая, а в жару мельница будет освежать воздух; правда, при этом возрастет расход воды на испарение. В целом же эстетика водного потока с мельницей может существенно превосходить таковую ветряной мельницы, но и трудов/расходов это будет стоить много больших.

Ветряная

По указанным причинам для украшения зон отдыха личных хозяйств используют чаще всего ветряные мельницы, готовые покупные (недешево, кстати) или самодельные, см. след. рис. Но в том и другом случае оказывается, что эстетический эффект мельницы на своей земле много меньше ожидаемого или видимого в рекламном проспекте. Причина указана выше – низкая ЧВ/ЧП мельницы. Чтобы ее повысить, придется вначале обратиться к вещам сугубо прозаическим.

Примечание: примеры украшения сада ветряными мельницами см. в сюжете ниже:

Видео: 30 примеров декора сада ветряными мельницами

Аэродинамика

Из сказанного выше ясно также, что главная причина, мешающая повысить ЧВ декоративной ветряной мельницы, кроется в свойствах приземного потока воздуха. Изменить их не в состоянии, но использовать в полной мере можем.

Способ до некоторой степени компенсировать скос набегающего потока строители «настоящих больших» ветряных мельниц изобрели давно – это обратный ему скос оси вращения ротора, поз. 1 и 2 на рис.:

В больших мельницах его берут в пределах 2-12 градусов в зависимости от условий местности. Для малой декоративной мельницы, тем более что стоять она будет не на гладком голом камне, лучше придерживаться пределов 8-12 градусов. Меньшее значение – для мельницы высотой 1,5-1,7 м; большее – для ее высоты 40-50 см; промежуточные вычисляются линейной интерполяцией (пропорциональным делением). Углу скоса 12 градусов соответствует наклон оси ротора прим. на 1/4 ее длины; 8 градусам – прим. на 1/7. Точно несложно просчитать по тангенсу. Т.е., если, напр., длина оси ротора 50 см, а необходимый угол его скоса 10 градусов, то берем: tg10 grad = 0,176. 1/0,176 = 5,6. 50/5,6 = 8,9, т.е. передний (встречный потоку) конец оси ротора нужно приподнять на 9 см и соотв. образом сделать узел его вращения, см. далее.

Набегающий поток воздуха скошен не только по направлению, но и по скорости (см. опять поз. 1 на рис.); собственно, вторым и обусловлено первое. Устранить скоростной скос потока мы не можем, но его усугубляет отражение ветра от строения (корпуса, башни) мельницы. Поэтому башни ветряных мельниц издавна делают гранеными (см. рис. справа) или круглыми, т.е. обтекаемыми в горизонтальной плоскости; пренебрегать этим условием для малых декоративных мельниц не следует, т.к. отражение потока ЧВ снижает еще больше, чем КИВ.

Затем, колесо ветряной мельницы ни в коем случае не пропеллер самолета или ротор быстроходного ветроагрегата. Ветряная мельница – тихоходный ветряк, т.е. линейная скорость концов лопастей ее ротора сопоставима или меньше скорости набегающего потока. Поэтому их аэродинамика проста и тяга лопасти определяется почти нацело разностью давлений на ее лобовой (передней, наветренной) и задней (теневой) сторонах (плоскостях), поз. 3 на пред. рис.

Примечание: кто знаком с аэродинамикой не понаслышке – в расчетах ротора ветряной мельницы за характерный физический размер в числе Рейнольдса Re берется поперечник (ширина) лопасти.

Отсюда следует благоприятное для строителей ветряных мельниц обстоятельство: тщательно сглаживать и профилировать лопасти тихоходного ветряка нет нужды. Во-первых, гладкая обшивка лопастей необходима только на их лобовой плоскости (поз. 4), а теневая может быть какой угодно, это упрощает конструкцию (набор) лопастей и изготовление ротора. Во-вторых, лопасти желательно изогнуть навстречу потоку, но мельницу это лишит значительной части эстетики – настоящие-то мельницы с корытообразными лопастями не строились. С поперечно изогнутыми лопастями можно, не заботясь об эстетике, соорудить из бутылок ветряк-трещотку от крота на участке, см. видео:

Видео: изготовление лопастей из пластиковой бутылки

Примечание: мах на поз. 4 это не физик Эрнст Мах и не число его имени, а лонжерон (главный несущий стержень) лопасти. Иглицы – нервюры, ну, а кромки, передняя и задняя, они так и есть кромки.

Полуобтекание

Лопасти старинных ветряных мельниц делались с постоянным по размаху зауголиванием на 14-15 градусов (равнозначный, но неоднозначный термин – заклинение), но «почти нацело» выше также можно использовать для повышения ЧВ мельницы (и КИВ производственной), т.к. зачаточная круговая циркуляция есть и у самого тихоходного ветряка. А именно: придать лопасти некоторую винтовую крутку по размаху, т.е. различные углы установки у корня и на конце, и несколько заузить крыло лопасти у корня, чего требует то самое вредное Re.

Однако результатом бездумного пропорционального уменьшения лопастей ротора совершенной шатровой мельницы (см. далее), вроде тех, что на рис. справа, оказывается мельница, очень плохо чувствующая ветер. Аэродинамика тонкая штука. К примеру, первые опытные экземпляры легендарного МИГ-25 разбились, погибли опытные летчики-испытатели – о катапультировании на скорости 2,5М тогда никто и помыслить не смел. Если бы эта машина не опережала тогдашнюю авиацию на эпоху, ее бы не пустили в серию. Но – довели все-таки, полетела как надо. А пришлось всего-то сдвинуть на 140 мм ось вращения стабилизатора.

Но вернемся в тему. Развертка крыла полуобтекаемой лопасти ветряной мини-мельницы, работающей в сильно скошенном и турбулизированном приземном потоке, и установочные углы для нее даны на рис.:

Указанные линейные размеры минимальные; их можно пропорционально увеличить втрое, а недостающие брать с чертежа, он в масштабе. Т. е., с таким ротором можно делать мельницы от мини-настольной (см. далее) до большой, почти в рост человека. В шатер можно и встроить мини-генератор со стабилизатором напряжения для подзарядки мобильника – избыток мощности на валу будет 20-30 Вт. Старины мельницы от этого не убудет, т.к. электроника внутри и не видна. Махи лопастей – из круглого стержня (лучше деревянного) диаметром 12-40 мм; иглицы крепятся и фиксируются на углы установки растяжками из жесткой проволоки. Обшивка – любая; «для старины» лучше реечная либо из драни или шпона.

Примечание: мельничные ветроколеса с полуобтекаемыми лопастями имеют достоинство и для производства, и для эстетики – с повышением скорости ветра возрастает роль круговой циркуляции воздуха в плоскости вращения ротора и скорость его вращения стабилизируется, т.е. ротор не станет крутиться как бешеный, что некрасиво, а для большой мельницы и опасно.

Мини-мельницы с закрылками

Декоративная ветряная мини-мельница уместна на даче по совсем неэстетичной причине – чтобы ее, простите, не стырили в отсутствие хозяев. Лопасти роторов мини-мельниц делают чаще всего цельнодеревянными, см. рис., разве что мастер – опытный авиамоделист.

Но сделать круглую или граненую башню мельницы «под старину» сложновато будет и ему, а хорошая ЧВ необходима и здесь. Выход из положения нашли также еще мастера старого времени по большим мельницам из мест, бедных стабильными ветрами достаточной силы: сделать в лопастях ближе к их задней (сбегающей) кромке продольные прорези, поз. 2 на рис. Уже когда самолеты хорошо полетели, оказалось, что эти щели работают как закрылки. Если вы не поленитесь и придадите цельным лопастям мини-мельницы хотя бы примитивную профилировку (поз. 3; плоская сторона теневая), то мельничка высотой 30 см и с колесом диаметром 20-25 см на хорошем узле вращения (см. далее) закрутится и при ветре в 2-2,5 м/с, а более слабый уже и не чувствуется.

Примечание: минимальные размеры настольной декоративной мини-мельницы даны на рис.:

 

 

 

 

 

Чего не надо

В технике есть общий принцип, нашедший отражение и в законах Мэрфи: прежде чем что-то улучшать, подумай, как бы там чего не напортить. Итак, по итогам вводно-теоретической части посмотрим, как не надо делать декоративную ветряную мельницу. Имея при этом в виду и эстетическую сторону дела.

Изделие на поз. 1 рис. – сборище всех недочетов: грубая поделка, а те три рогульки, что торчат из нее, назвать лопастями никак невозможно. Автор(ы) мельницы на поз. 2, вероятно, взяли за прототип мельницу с парусным ротором (см. далее), не зная о ее непригодности в данном качестве для малой декоративной. Кроме того, в парусном роторе должно быть не менее 8-ми лопастей, иначе он будет вовсе неэффективным.

Прототип мельницы на поз. 3, скорее всего, музейная на поз. 4. Но набор ее лопастей обнажен, дабы уберечь экспонат от поломки сильным ветром. Обшивка лопастей совершенных шатровых мельниц была съемной; набор лопастей покрывался ею частично или полностью сообразно силе ветра и потребности в мощности на валу, см. рис. справа.

Имея в виду необходимость для декоративной мельницы максимальной ЧВ, лопасти не мешало бы зашить полностью тканью, чтобы набор просвечивал. Это только придало бы мельнице респекта и зрелищности, т.к. лопасти лучших мельниц прошлого обтягивались парусиной, сквозь которую набор тоже проглядывал.

В мельнице на поз. 5 обшивка на лопасти наложена не с той стороны: она будет с наветра только если ротор окажется в ветровой тени башни. Что, разумеется, ни в коем случае не улучшит чувствительности ротора к ветру. И, наконец, изделие на поз. 6 с ротором то ли из крыльчатки комнатного вентилятора, то ли из гребного винта от электромотора надувной лодки, мельницей просто не выглядит – вместо эстетики в данном случае получился абсурд.

Выбираем прототип

Теперь определимся, какого типа настоящую мельницу нужно взять за прототип. Учитывая также эстетическое значение и условия работы декоративной.

Монументальное строение, в котором размещаются механизмы и служебные помещения, однозначно необходимо только для мельницы с горизонтальным ротором (горизонтальной осью его вращения) – раз. Плоскость вращения горизонтального ротора ортогональна его оси, т.е. вертикальна, а наибольший эстетический эффект и количество неосознанных ассоциаций дает плавное движение вверх-вниз, напр. взмахи крыльев птицы – два. Поэтому «вертикалки» наподобие показанной выше китайской бамбуковой с крыльями из циновок, отметаем.

Неповоротные башенные мельницы (поз. 1 на рис.) распространены в местах с абсолютно доминирующими ветрами одного направления, напр. на равнинах центральной Испании. Посмотрите внимательно: теперь понимаете, почему Дон Кихот набросился на мельницу, а не на курятник, что было бы гораздо смешнее? Такую мельницу можно взять за прототип для дачной и/или настольной.

Строение козловой мельницы (поз. 2) вращается на козле (или на чем-то козлином, по местной неформальной терминологии) – врытом в землю толстом бревне. Козловая мельница может быть построена без единого гвоздя, но ее поворот на ветер требует огромных усилий, а при ветре сильнее свежего – непомерных. Поэтому козловые мельницы были распространены в тихих лесистых местах, удаленных от источников железных изделий. Как прототип для декоративной козловая мельница мало пригодна – прижата к земле, и добиться от нее хорошей ЧВ очень трудно.

В Сибири леса и сильные ветра держатся вместе, распространена вечная мерзлота, а мужики живут крепкие, поэтому там прижились колчанные мельницы, поз. 3. Ее вертикальная ось вращения (тоже бревно, но уже не козел, а шкворень) не врыто в землю, а закреплено в срубе-колчане. Одновременно колчан позволил приподнять ротор и увеличить его размах, отчего возросли и КИВ, и ЧВ; для поворота мельницы на свежий ветер уже хватало силы мельника, привезшего зерно на помол крестьянина и, возможно, их взрослых сыновей. Колчанная мельница хорошо подойдет как прототип декоративной на участке, оформленном в стиле рустикальном или кантри.

Самые совершенные горизонтальные ветряные мельницы – шатровые, поз. 4. Шкворень в них железный и вращается только шатер на поворотным круге; кроме того, усложняется механизм передачи усилия с ротора на жернов. Повернуть шатер с ротором на ветер способны 1-2 средне развитых человека или вовсе простейшая автоматика. Шатровая мельница годится в прототипы для любой декоративной, поэтому рассмотрим ее строение подробнее (поз. 4а):

• А – камора (цоколь, мельничная изба). Капитальное строение на капитальном же фундаменте, в котором размещаются закрома для зерна, сусеки для муки, конюшня и, чаще всего, жилье мельника.
• Б – башня (тулово). Надстройка над каморой для технологического оборудования. Каркасное, как правило, сооружение. Обшивка зачастую дощатая разборная, чтобы проще было менять жернова.
• В – шатер. Легкое навершие на поворотном кругу. В шатре располагается 1-я (или единственная) ступень зубчатой угловой передачи с ротора на жернов. В позднейших шатровых мельницах к шатру приспосабливали и виндрозу – энергонезависимый механизм автоматического разворота ротора на ветер, см. рис. справа и по тексту далее.

  

  Шатровая ветряная мельница с виндрозой в Норфолке (Англия)

• Г – ротор (вертушок, колесо, крыльчатка); назначение понятно.

О парусных роторах

В Европу ветряные мельницы пришли поздно – их впервые увидели крестоносцы у арабов. Новинка сразу пришлась по вкусу рыцарям, которым, между прочим, хозяйствовать приходилось не меньше, чем воевать. Тогдашняя Европа была отсталым краем света, разделенным на множество мелких и мельчайших полунезависимых феодальных владений, и счастливые обладатели текучих вод, пригодных для устройства водяных мельниц, драли с соседей за помол почище, чем те с купцов на большой дороге.

Арабские ветряные мельницы строились с парусным ротором (см. рис.): своего строевого лесу у арабов считай что не было (пальмовая древесина непрочная и нестойкая), зато ровных сильных ветров в степях и пустынях было вдосталь. Но в Европе парусные мельницы не прижились, кроме как в сходной по условиям с Аравией Испании и в Греции, изобилующей созданными горами «ветровыми коридорами».

Парусная мельница работает только при ветре достаточной силы (более 6-7 м/с): пока лопасти-паруса не надуются до нужного профиля, ротор не завертится. Т.е., у и КИВ, и ЧВ парусной мельницы низки, и в прототип декоративной она непригодна несмотря на романтическую зрелищность. Тем не менее, парусный ротор-вертушка, действующий по иному принципу, может найти полезное и эффектное применение в механизме шатровой мельницы, см. далее.

Узлы и механизмы

Наверное, нет нужды повторять, что ЧВ декоративной мельницы определяется техническим совершенством ее узлов вращения, а в передаче мощности с ротора нет никакой необходимости. Зато весьма и весьма желательна автоматическая ориентация на ветер: если к мельнице надо подходить, чтобы повернуть всю ее или шатер, то эстетика оборачивается раздражением и утомлением. Определенное значение имеет также общая конструктивная схема ротора.

Узлы вращения

В декоративной мельнице от одного до 4-х узлов вращения, см. далее. Обязательный для любой и самый строгий к качеству исполнения – узел вращения ротора: он должен иметь минимальные механические потери и держать довольно сильные нерегулярные знакопеременные боковые нагрузки, поэтому выполняется этот узел на самоустанавливающихся шарикоподшипниках, см. рис. справа. Обычные однорядные опорные подшипники если и не будут заедать, то существенно снизят ЧВ мельницы. Но не надейтесь только на подшипники: если ротор аэродинамически и/или конструктивно «неправильный», он не завертится, т.к. его лопасти не дадут тяги.

Для узла вращения ротора нужны 2 подшипника, расположенных на оси вращения на расстоянии не менее 50 мм друг от друга (в настольной мини-мельнице – не ближе 15-20 мм друг к другу). Фиксируются подшипники любым удобным способом: в деревянных обоймах (слева на рис.), хомутами и т.п.

Самая ось – отрезок резьбового прутка М4 – М16 в зависимости от размеров мельницы. В подшипниках ось фиксируется парами гаек с шайбами, а после затягивания гаек – каплями масляной, глифталевой или пентафталевой краски, подпущенными в резьбу. К работе узел будет готов спустя 2-3 суток. Вязкий силикон не просочится глубоко в резьбу, а быстросохнущие краски и клеи не эластичны высохшие, от вибрации и рывков ротора связующее из них скоро потрескается и узел разболтается. Контргайки не повредят, но без дополнительной фиксации эластичным связующим тоже скоро ослабнут. О любительском опыте изготовления ротора на подшипниках для декоративной ветряной мельницы см. видео:

Видео: изготовление лопастей для мельница на подшипнике

Если ротор мельницы разворачивается на ветер флюгаркой (что не естественно, настоящие мельницы так не строились), то узел вращения шатра выполняется аналогично, на подшипниках. Если же ротор разворачивается на ветер вручную или виндрозой (см. далее), то узел вращения шатра можно сделать проще, как показано в центре на рис. Собирается такой узел в деревянном (фанерном) коробе, справа на рис. Стальные накладки – толщиной от 2 мм (не менее 2-х шагов резьбы оси вращения). Горизонтальный люфт оси 0,5-1 мм; вертикальный (гайки затягиваются не натуго!) ок. 0,5 мм. Гайки фиксируются также краской, а после ее высыхания под шайбы подпускают по 2-3 капли веретенки или др. невысыхающего жидкого машинного масла.

Виндроза

Энергонезависимое механическое устройство автоматики, разворачивающее ротор мельницы на ветер, изобрели голландцы. Новинка оказалась настолько удобной, экономичной и надежной, что мельницы с виндрозой действуют в развитых странах до сих пор (см. напр. рис. выше с мельницей в Норфолке).

Виндроза – разновидность активного флюгера: небольшая ветрочувствительная дополнительная крыльчатка устанавливается перпендикулярно (ортогонально) ротору в горизонтальной плоскости. Когда ротор стоит точно по ветру, крыльчатка виндрозы неподвижна. Чуть ветер уходит в сторону, крыльчатка вращается и через механическую передачу поворачивает шатер с ротором снова на ветер.

Ротор декоративной мельницы механически не нагружен, и усилие для его поворота требуется на порядки меньшее, чем для ротора производственной мельницы. Поэтому некоторые готовые декоративные ветряные мельницы дополняются флюгаркой, имитирующей виндрозу (врезка слева вверху на рис.). Шатер с ротором становится простым (пассивным) флюгером, что для мельницы ненатурально.

Виндроза производственной мельницы достаточно сложный механизм (слева на рис.), вряд ли повторимый в домашних условиях. Но по указанной выше причине (ненагруженный ротор) виндрозу декоративной ветряной мельницы можно сделать гораздо проще из подручных материалов (центр и справа на рис.).

Конструкция вертушки в точности скопирована с первых голландских виндроз с тряпичными лопастями. Внешне она похожа на парусный ротор, но благодаря некоторому начальному углу установки полотнищ и иной конфигурации щелей между ними действует не как кливера и стакселя парусников, а скорее как решетчатое крыло, применяемое в системах спасения космических аппаратов при аварии на старте; это выяснилось уже в наше время. Аэродинамическое качество решетчатого крыла низкое, т.е. оно дает небольшую подъемную силу, но при самых малых скоростях и в широком диапазоне углов атаки. Так и матерчатая вертушка виндрозы дает ничтожную мощность на валу, но при легчайшем дуновении сильнейшим образом скошенного ветра.

Размах махов вертушки 3-15 см в зависимости от размеров мельницы; полотнища из скользкой синтетической ткани или пленки (по эстетике – хуже) натягиваются туго. Ведущий шкив можно стянуть с вала мотора старого кассетного магнитофона. Оттуда же берутся маховик с тонваломи и подшипником скольжения для ведомого шкива и горизонтальной оси; скорее всего подойдет штатный резиновый пасик. Магнитофон лучше курочить советский – их маховики больше и массивнее, отчего заявленный в ТД коэффициент детонации соответствовал реальному. Ось вертушки и ведущего шкива из велосипедной спицы; к ней нужно подобрать или сделать бронзографитовый или фторопластовый подшипник скольжения.

Количество зубьев трибы (диаметр цевки ок. 10 мм) – 6-8. Шаг зубьев на поворотном кругу должен быть точно таким же, а их количество не менее 60-ти. Исходя из этого рассчитывают радиус венца для размещения зубьев на кругу; возможно, придется подкорректировать его диаметр. Зубья в лунках цевки и круга фиксируются силиконовым клеем; любой другой от вибрации и толчков скоро потрескается и зубья начнут выпадать.

Примечание: если виндроза поворачивает ротор тылом к ветру, петлю пасика на ведущем шкиве нужно перевернуть на 180 градусов.

Ротор

Об аэродинамике ротора выше сказано достаточно, осталось уточнить некоторые конструктивные особенности. Лопасти ротора выполнялись обычно с передним/задним или средним расположением маха, см. рис. (висячие и полнонаборные лопасти).

Первые давали больший КИВ и лучшую ЧВ, т.к. исключались аэродинамические потери на соотв. кромке, но чаще ломались на сильном ветру, а крутка лопасти по размаху более чем на 5-7 градусов еще более уменьшала их прочность. Ветровое давление на единицу площади лобовой проекции декоративной мельницы многократно меньше, чем большой, поэтому для нее предпочтительны висячие лопасти. Исключение – ротор с полуобтекаемыми лопастями (см. выше), т.к. при угле крутки более 10-12 градусов он будет работать надлежащим образом только если закручены и передняя, и задняя кромки, а незакрученный мах (лонжерон) расположен по ширине лопасти согласно аэродинамическому расчету.

Сколько надо лопастей?

В местах, ветрами небогатых, строились мельницы с 6-ти и даже 8-ми лопастными роторами – это повышало мощность на их валу при слабом ветре, хотя КИВ при сильном падал. Но если подойти с точки зрения максимальной ЧВ, то оптимальным оказывается… однолопастный ротор с противовесом; это объясняется трением лопастей о воздух. Однако тихоходные ветряки с числом лопастей меньше 4-х почти никогда не строятся: мощность на валу оказывается слишком мала, т.к. без развитой круговой циркуляции энергия ветра, «проскакивающего» между медленно движущимися лопастями, пропадает даром. Соответственно и декоративная мельница менее чем с 4-мя лопастями выглядеть будет ненатурально, так что 4 лопасти для нее следует принять за оптимум.

Строение мельницы

Построить имитацию мельничной избы и тулова квадратными в горизонтальном сечении (см. рис. справа) несложно, но хорошей ЧВ такой мельницы ожидать не приходится. Значение обтекаемости строения мельницы было понято еще в старину, и строения производственных мельниц выполнялись многогранными или круглыми.

Чертежи основных узлов (ротора в сборе, башни и вертушка) простой декоративной ветряной мельницы даны на рис. ниже. Предельная в данном случае (но не максимально возможная) ЧВ достигается увеличенным зауголиванием простых лопастей на 16,7 градуса. Обратите внимание, в какую сторону свешены крылья лопастей: поскольку продажные резьбовые прутки с правой резьбой, то и ротор должен вращаться вправо (по часовой стрелке, если смотреть спереди); иначе он отвинтится и слетит, т.к. крепится запрессованной в перекрестье махов гайкой. В целом такая мельница удобна для дачи выходного дня: для хранения разбирается, а собранную ее легко переносит один взрослый любого пола или двое детишек.

Сделать своими руками граненую башню декоративной ветряной мельницы из фанеры на клею возможно (см. след. рис.), и похвалы вашему мастерству будут вполне заслуженными. Но, во-первых, материал требуется дорогой (поинтересуйтесь в ближайшем строймаге, сколько стоит лист фанеры-двадцатки). Во-вторых, с увеличением числа граней башни и/или уменьшением ее размеров резко растет трудоемкость работы вместе с требованиями к точности разметки и распиловки деталей, а последняя имеет предел, равный толщине пилки или пильного диска.

Можно собрать все строение комбинированным способом (см. рис.), но это тоже работа не из простых, и ее сложность также растет с увеличением числа граней. Между тем многогранные вплоть до почти круглых избу и башню граненой декоративной ветряной мельницы вполне возможно сделать зеленому новичку в столярке буквально из обрезков. Дело в том, что тангенсы углов 30 и 60 градусов с достаточной для работ по дереву точностью равны 0,58 и 1,73.

Как подрезается брус 40х40 для сборки частей строения 12-ти и 6-ти гранной декоративной ветряной мельницы, показано на рис.:

Самая сборка – на клею без металлического крепежа и столярных соединений. Чтобы изделие было прочнее, используется прием, аналогичный перевязке кладочных швов в строительстве: венцы имитации сруба (зрительно весьма убедительной) собираются в зеркальном отражении поочередно. На рис. видно также, что при перпендикулярной подрезке не скошенного торца бруса поперечник венца меняется пропорционально. Это дает возможность собрать башню мельницы в виде усеченной пирамиды, а если она 12-гранная, то и ошкурить ее до круглой.

А если посовременнее?

Находятся, хотя и немногие, любители украшать участок моделями тихоходных ветросиловых установок (ВСУ; попросту – ветряков) уже из индустриальной эпохи, см. рис. справа. Что ж, промышленным сооружениям присуща своя эстетика, порой довольно тонкая и многозначная. Но в таком, довольно-таки трудоемком, случае не мешало бы сделать своими руками настоящий ветросиловой агрегат: декоративный эффект он даст не меньший, и к тому же выполнит некоторую полезную работу – подкачает воды из колодца в напорный бак, подзарядит аккумулятор дежурного освещения и т.п.

Пробуем водяную

Условия для установки декоративной водяной мельницы на своем участке складываются реже и создаются гораздо труднее, чем для ветряной, так что и строят их не так уж часто. Однако водяная мини-мельница в зоне отдыха может быть даже зрелищнее ветряной, см. видео:

Видео: водяная мельница для сада своими руками

Определяющим для эстетики водяной мельницы является такой чисто технический фактор, как бой ее рабочего колеса. Наиболее зрелищны (и лучше освежают воздух) мельницы верхнего боя (слева на рис.), но и сделать такую сложнее всего.

Мельничное колесо нижнего боя с заплеском (в центре на рис.) по декоративности уступает верхнему, но конструктивно и технологически много проще. Простое колесо нижнего боя (подливное), справа на рис., смотрится вообще-то неважно. Колеса полунижнего и среднего боя (см. ниже) требуют особых природных условий для их установки, а по эстетике сами по себе ничуть не лучше нижнего и поэтому для декоративных целей мало пригодны.

Типы рабочих колес

Простое подливное рабочее колесо (см. рис. ниже) использует только кинетическую энергию набегающей воды. Наименее эффективно, но проще всего конструктивно. Устанавливается просто в поток достаточной мощности; декоративное – практически в любой ручей естественный или искусственный. Эстетический эффект обусловлен фактически только вращением колеса. Воздух почти не освежает, но и расход воды на испарение минимален.

Колеса производственных мельниц полунижнего и среднего боя ставят в местах с большим перепадом воды: на перекате, за водопадом. Для колеса среднего боя нужно доработать естественную преграду (или соорудить погруженную запруду) и поставить над ней загородку-шандору, частично перекрывающую поток воды сверху. В колесах полунижнего и среднего боя частично используется и потенциальная энергия поднятой воды, поэтому они эффективнее простого подливного, но их лопасти должны быть профилированы.

Наиболее эффективное колесо верхнего боя работает большей частью от потенциальной энергии воды, которая должна быть поднята достаточно высоко: высокой запрудой или, для декоративного колеса, перекачкой. Профилировка лопастей простая или они вовсе прямые наклонные. Эстетический эффект великолепен – вращение колеса дополняют каскады воды – но ее расход на испарение в жаркую погоду может достигать десятков литров в сутки.

Примечание: вертикальные (мутовчатое и прямолопастное) рабочие водяные колеса (см. рис. справа) – прообразы соотв. реактивной и активной водяных турбин. Брызгаются очень красиво, но напор и расход воды для них нужны вряд ли возможные в личном хозяйстве.

 

 

 

Как сделать колесо…

Изготовители декоративных водяных колес на заказ проектируют из чаще всего по образцам старых производственных. Скорее всего, по желанию заказчиков: кто способен оплатить такое изделие, наверняка захочет, чтобы оно было «как настоящее». Однако эффекта «взаправдашней старины» можно добиться гораздо проще, наложив на фанерную основу планки из драни или шпона на жидких гвоздях и дополнительно закрепив их бронзовыми т. наз. финишными гвоздями (их широко применяют, напр., столяры-дверники для крепления наличников).

Но делать основу колеса так, как показано на поз. А рис. , не надо:

Во-первых, снова слишком сложно. А главное – в барабан колеса непременно проникнет вода, застоится там и колесо загниет. По способу, показанному на поз. Б, сделать колесо для декоративной водяной мельницы можно из отходов и обрезков, причем профиль лопастей сразу получится ломаным, что хорошо, см. ниже.

…и как пустить в него воду

Запитка рабочего колеса декоративной водяной мельницы задача куда посложнее его сооружения. Не говоря уже о соотв. гидротехнических сооружениях, насос для фонтана дорог, а его производительность и напор в данном случае явно излишни. Для мельницы с колесом диаметром до 1 м лучше подойдет аквариумная помпа; штатный фильтр снимать не надо, он все равно нужен.

Насосы в аквариумных помпах высокопроизводительные безнапорные – они качают из воды в воду. Но какой-то остаточный напор есть у любого безнапорного насоса. У мини-помп для маленьких аквариумов он не превышает 10-20 см, у помп для аквариумов от 100 до 200 л составляет ок. 60 см, а у помп для больших аквариумов может доходить до 80-100 см. При напоре в половину остаточного производительность насоса падает втрое-вчетверо, но для декоративного водяного колеса этого оказывается достаточно.

Проще всего запитать декоративную водяную мельницу нижнего боя, слева на рис. Колесо нижнего боя можно делать без внутренней обечайки но, как сказано выше, его зрелищность минимальна. Не намного выше она у колеса полунижнего и среднего боя (в центре), да еще им нужны профилированные лопасти, внутренняя обечайка и гидросооружения, возни с которыми будет предостаточно. Единственное упрощение сравнительно с производственным колесом – не нужна шандора, т.к. отбора мощности с колеса нет и кинетическая энергия бьющей в колесо струи воды не имеет значения.

Наиболее зрелищное (и хорошо освежающее воздух) колесо верхнего боя (справа на рис.) также должно быть с внутренней обечайкой, но профиль его лопастей технологически проще – ломаный, или лопасти прямые скошенные. Последнее в общем нежелательно, т.к. сильно увеличивается расход воды на испарение: для колеса диаметром 1 м с 16-ю лопастями при наружной температуре +30 до прим. 2 куб. м в месяц против 0,3-0,5 куб. м, если лопасти ломаные. В последнем случае вместо водяных каскадов с колеса падает частая капель, которая смотрится не хуже.

Однако для запитки колеса верхнего боя понадобятся две помпы разной производительности. Ту, что послабее, ставят в верхний бак, который с избытком подпитывается мощной нижней помпой. Дело в том, что, если аквариумная помпа оказывается на осушке, ее мотор сгорает, поэтому верхний бак должен быть постоянно заполнен водой. Передвигая в нем помпу вверх-вниз, регулируют скорость вращения колеса и его декоративный эффект.

Примечание: колесо, питаемое аквариумными помпами, раскручивается медленно, пока не нальются 3-4 лотка в лопастях. Но потом крутится хорошо, т.к. приток воды расходуется только на компенсацию трения в узле(ах) вращения колеса.

Будьте осторожны!

Нет, речь пойдет не о травмоопасности декоративных мельниц и не об их вреде для здоровья – таковых не имеется. Но, если вы живете не в РФ, то, прежде чем строить декоративную ветряную мельницу, или водяную на естественном потоке, проконсультируйтесь с юристом. В ряде стан, в т.ч. бывшего СССР, использование возобновляемых природных энергоресурсов облагается налогом, а самовольное сооружение и/или установка соотв. устройств карается большим штрафом. Подпадает ли под этот закон декоративная мельница – решают местные компетентные органы, наделенные на то всеми необходимыми полномочиями. А если дух закона не в согласовании интересов, а в запрете всего, неугодного надуманным и вредным самим же себе «ценностям», то простому человеку, желающему просто украсить свой участок и приятно отдохнуть на нем, ничего хорошего для себя ожидать не приходится.