Windräder [1]

Windräder, Schaufel- oder Flügelräder, dienen dazu, den natürlichen Luftströmungen oder Winden einen Teil ihrer lebendigen Kraft zu entziehen und zur Verrichtung mechanischer Arbeiten nutzbar zu machen.

Schaufelräder. Wird ein gewöhnliches Schaufelrad dem Winde, d.h. einem Luftstrome ausgesetzt, der es ganz umgibt, so drückt dieser zu beiden Seiten der Radachse gleich stark auf die Schaufeln und verursacht keine Umdrehung des Rades. Um diese zu veranlassen, muß entweder das Rad auf der einen Seite der Achse durch einen Schirm oder Mantel vor dem Winde geschützt werden (vgl. D.R.P. Nr. 82212) oder man muß die Schaufeln so einrichten, daß sie auf der einen Seite der Radachse dem Winde ihre Breite, auf der andern Seite aber nur ihre geringe Dicke zukehren, indem man sie entweder zu selbsttätigen Klappenventilen ausgestaltet oder zwangläufig um eine in der Radebene liegende Achse dreht. Man kann auch den Wind durch ein das Windrad umschließendes Leitschaufelrad so von seiner natürlichen Richtung ablenken, wie dies mit dem Aufschlagwasser einer partial von außen beaufschlagten Radialturbine durch den Leitschaufelapparat geschieht, und auch die Schaufeln des Windrades dementsprechend krümmen. Man erhält alsdann eine sogenannte Windturbine ([1], S. 467). Da der Windstoß gegen eine hohle Fläche größer ist als gegen eine gleich große erhabene Fläche, so dreht sich ein Rad mit Schaufeln, die Hohlkegel oder hohle Halbkugeln bilden, ohne weiteres im Winde, indem die Schaufeln auf der einen Seite der Radachse dem Winde ihre hohle, auf der andern Seite ihre erhabene Fläche zukehren. Wenn es sich nur um geringe Leitungen handelt, sieht man solche Räder, die man Panemoren nennt, manchmal angewendet ([1], S. 467). Um Schaufelräder nicht nach der Windrichtung verstellen zu müssen, ordnet man ihre Achse senkrecht an, so daß sie in einer Horizontalebene umlaufen (horizontale Windräder). Bei den auf einer Seite durch einen Schirm vor dem Winde geschützten Rädern kann alsdann die Verstellung des Schirmes leicht durch eine Windfahne geschehen (D.R.P. Nr. 82212); vgl. a. D.R.P. Nr. 1229, 2571, 5939, 6753, 7280, 7358, 8158, 8475, 9659, 9690, 11864, 12278, 12316, 12667, 13114, 13774, 14971, 15746, 16232, 17753, 19869, 20610, 42027, 42680, 45134, 45913, 46239, 90607.

Flügelräder. Horizontale Windräder haben sich den nach dem gleichen Prinzip wie die Schiffsschraube konstruierten Flügelrädern gegenüber wenig bewährt, weil sie dem Winde eine verhältnismäßig viel kleinere wirksame Stoßfläche darbieten und daher nur etwa den vierten Teil soviel leisten, als gleichgroße Flügelräder. Die Flügelräder älterer Konstruktion haben nur vier, seltener fünf oder sechs Flügel an einer um etwa 10° gegen den Horizont geneigten hölzernen oder besser eisernen Welle. Man gibt ihr diese Neigung, damit die Flügel unterhalb in der nötigen Entfernung von dem Gebäude, worauf die Welle gelagert ist, umlaufen und sie sicherer in ihren beiden Lagern ruht, wovon das eine, welches das Rad hauptsächlich trägt, den bei hölzernen Wellen 0,5–0,6 m, bei eisernen 0,15–0,25 m dicken, abgedrehten Hals hinter dem Wellenköpfe, das andre einen Stützzapfen am Wellenende umschließt. Die Windflügel bestehen aus den durch den Wellenkopf gedeckten oder durch eine Rosette daran[932] befestigten Windruten, die etwa 10 m lange Arme bilden, wovon jeder einen Flügel trägt. Zunächst der Welle haben sie einen Querschnitt von etwa 0,30 auf 0,24 m, an den Enden aber nur 0,15 auf 0,12. Zur Bildung des Flügels werden hölzerne Sprossen so durch die Rute gefleckt, daß die innerste um 1 : 7 bis 1 : 6 der Armlänge von der Radmitte und die Sprossen unter sich je 0,4–0,5 m voneinander abstehen. Sie erhalten eine Neigung zur Umdrehungsebene, die am besten bei den innersten Sprossen etwa 28° beträgt und nach außen allmählich bis zu etwa 7° abnimmt, so daß der Flügel einer Schraubenfläche ähnlich gewunden erscheint. Ebenen Flügeln gibt man eine Neigung von 12–18°. Die Länge der äußeren Sprossen beträgt 1 : 5 bis 1 : 4, die der innersten 1 : 7 bis 1 : 6 der Armlänge. Die gesamte Flügelfläche beträgt bei vier Flügeln etwa 1 : 4, bei fünf Flügeln etwa 1 : 3 der Radfläche. Auf der dem Winde zugekehrten Seite läßt man die Sprossen um ein bis zwei Fünftel der ganzen Flügelbreite aus der Rute ragen. Diese kürzeren Enden werden mit dem Windbrette, die gegenüberliegenden, durch eine Saumlatte miteinander verbunden, mit Windtüren oder Segeltuch bedeckt. Soll das Rad dem Winde einen möglichst großen Teil seiner lebendigen Kraft entziehen, so muß seine Welle in die Windrichtung, also die Radebene möglichst senkrecht dazu gestellt werden. Trifft der Wind schräger auf diese, so ist seine Leistung geringer, und wenn die Radebene in die Windrichtung fällt, hört seine drehende Wirkung auf. Wegen der Veränderlichkeit der Windrichtung muß daher das Flügelrad um eine vertikale Achse drehbar sein. Die unter den Namen Bockwindmühlen und holländische Windmühlen bekannten Konstruktionen s. [1], S. 470, 472, 479; [2], S. 632, 634, 636 und D.R.P. Nr. 9750, 37497, 82558. – Eine Vorrichtung, die bewirkt, daß dem Winde stets ein möglichst großer Teil seiner Kraft entzogen wird, wie man sie bei den holländischen Windmühlen angewendet findet, ist, wenn nicht noch andre Vorrichtungen zur Kraftregulierung vorhanden sind, bei übermäßigem Winde unzweckmäßig, weil eine übermäßige Umdrehungsgeschwindigkeit des Windrades alsdann nur durch Bremsen hintangehalten werden kann, was starke Abnutzung, Erhitzung durch Reibung und bei Holzkonstruktion Feuersgefahr zur Folge hat. – Außer durch Bremsen und Drehen der Hauptwelle aus der Windrichtung von Hand erfolgt die Kraftregulierung bei Flügelrädern älterer Art durch Veränderung der Flügelbedeckung. Bei der Bedeckung mit Segeltuch läßt sich diese durch Aufwickeln desselben auf eine Walze P P (Fig. 1) bewirken, die über den kurzen Enden der Sprossen vor dem Flügel gelagert ist, während der gegenüberliegende Saum des Segeltuches durch Schnüre gehalten wird, die über die Saumlatte nach einer hinter dem Flügel gelagerten Walze R R laufen, woran sie befestigt sind. Beide Walzen sind an ihren der Hauptwelle zugekehrten Enden mit konischen Getrieben versehen. Das an der Walze R R befestigte greift in einen konischen Zahnkranz c, der sich um einen an der Hauptwelle befestigten Ring e drehen läßt. An den Armen dieses Ringes ist ein zweiter, kleinerer Ring i befestigt, um den sich ein Stirnradkranz n drehen läßt. In diesen greift ein Getriebe, das vermitteln seiner der Hauptwelle parallelen Achse und eines darauf sitzenden konischen Getriebes die Walze P P umdreht. Während des regelmäßigen Ganges dreht sich dieser ganze Mechanismus mit der Hauptwelle um; wird aber der konische Zahnkranz c angehalten, so dreht sich die Walze R R in ihren Lagern, wickelt die Schnüre auf und zieht das Segeltuch mehr über die Flügel. Wird dagegen das Stirnrad n angehalten, so dreht sich die Walze P P, wickelt mehr Segeltuch auf und zieht es daher von dem Flügel zurück. – Eine selbsttätige Kraftregulierung mit Windtüren zeigt Fig. 2. Durch die hohle Hauptwelle a geht ein Eisenstab c, der bei d so mit einer Zahnstange e verkuppelt ist, daß beide sich gleichzeitig der Länge nach verschieben müssen, die Drehung von c aber nicht auf e übertragen wird. Das Gewicht g strebt beide nach links zu schieben und vermittelt! der Hebelwerke i k l die Windtüren m m zu schließen, während der Wind sie aufzudrücken strebt. Wird die Windgeschwindigkeit größer als die normale, so öffnen sich die Windtüren je nach dem Uebermaße des Windes mehr oder weniger, so daß die Wirkung des Windes auf das Rad nahezu die gleiche bleibt; mit dem vom Rade zu überwindenden Widerstande aber ändert sich seine Geschwindigkeit. – Die in neuerer Zeit von Kirchweger ganz aus Eisen konstruierten Windräder (Fig. 3) haben fünf ebene, um radial zur Hauptwelle gestellte Achsen b drehbare Flügel c. Die Hauptwelle ist in einer Kuppel d gelagert, die wie eine Drehscheibe mit Rollen auf einer hohlen Säule e umläuft und durch eine dem Windrade gegenüberstehende Windfahne f so gedreht wird, daß die Hauptwelle immer wieder in die Windrichtung zu liegen kommt. Jeder Flügel ist an seinem der Hauptwelle zugekehrten Ende mit einem Hebelarme g versehen, der durch eine Schubstange i mit der Rosette k verbunden ist, die auf einer durch die hohle Hauptwelle gehenden Stange sitzt. Diese dreht sich in dem an ihrem andern Ende durch zwei Bundringe gehaltenen Gleitstück n, woran eine über eine feste Rolle gehende Kette befestigt ist, die das Gewicht p trägt. Das Gewicht p strebt die Rosette k nach der Hauptwelle[933] hinzuziehen, bis der Stellring o auf der Stange m an die Hauptwelle flößt und die Windflügel den für die Kraftaufnahme vorteilhaftesten Winkel von etwa 75° mit der Windrichtung bilden. Wird jedoch vermitteln der Zugstange s, des Hebels t und des Winkelhebels r das Gleitstück n und damit die Stange m nach links geschoben, so wird der Stoßwinkel und folglich auch die Wirkung des Windes auf das Rad kleiner, und wenn die Zugstange s so weit herabgezogen wird, daß die Flügel dadurch in die Windrichtung gestellt werden, wirkt der Wind nicht mehr drehend auf das Rad; vgl. [1], S. 469, 481; [2], S. 638, 639. – Die amerikanischen Windräder, die man vorzugsweise Windmotoren nennt, unterscheiden sich von den bisher besprochenen durch eine bedeutend größere Zahl entsprechend kleinerer Flügel, die in einer mit der Hauptwelle konzentrischen Ringfläche radial nach Art von Jalousien angeordnet sind. Der innere Durchmesser dieser Ringfläche ist etwa 1 : 3 des Raddurchmessers, die gesamte Flügelfläche etwa 4 : 5 der Radfläche. Infolgedessen werden die Raddurchmesser nur 1 : 2 bis 2 : 3 mal so groß als bei ebenso leistungsfähigen Rädern älterer Art. Die Flügel bestehen nur aus dünnen Brettchen, und dementsprechend können auch alle andern Teile der Maschine viel leichter konstruiert werden, was bedeutend geringere Kraftverluste durch Reibung zur Folge hat, so daß amerikanische Windräder noch bei schwächerem Winde funktionieren, als solche älterer Art. Die Einstellung und die Kraftregulierung erfolgen bei den amerikanischen Windrädern stets selbsttätig, letztere aber nach drei verschiedenen Systemen. Bei dem Eklipsesystem bildet das Rad ein in sich festes Ganzes, das bei übermäßiger Windstärke mehr und mehr aus der Stellung senkrecht zu der Windrichtung herausgedreht wird. Die selbsttätige Regulierungsvorrichtung der Eklipse-Räder bezweckt also, wie die früher beschriebenen älterer Art, konstante Leistung, nicht aber konstante Umdrehungszahl derselben; vgl. [6], S. 720; [9] D.R.P. Nr. 40672 und 80642. Bei dem Ultra-Standard-System (Fig. 4) sind die Flügel um je zwei in einer radialen Achse liegende Stifte nach Art von Jalousien drehbar. Diese Stifte sind auf zwei konzentrischen Ringen gelagert. Die Stellung der Flügel gegen die Radfläche wird durch ein System von Gewichten g geregelt, die vermittelt der einarmigen Hebel a, der dreiarmigen Hebel b und der Verbindungsstangen c an den Radarmen aufgehangen sind. Die gegenüberliegenden Arme der Hebel b sind durch Zugstangen d, Winkelhebel und eine auf der Hauptwelle verschiebbare Muffe so miteinander verbunden, daß die Gewichte g im ruhenden Zustande einander das Gleichgewicht halten. Die dritten Arme der Hebel b bewegen vermittelst Gelenkstangen e eine über den Mitten der Flügel liegende und durch Scharniere mit deren vorderen Kanten verbundene gebogene Stange i. Solange die Umdrehungszahl des Windrades die normale nicht übersteigt, wird die auf der Hauptwelle verschiebbare Muffe durch ein vermittelst eines Winkelhebels auf sie wirkendes Gegengewicht in solcher Stellung gehalten, daß die auf die beschriebene Weise mit ihr verbundenen Flügel die für die Kraftaufnahme vorteilhafteste Neigung zur Radebene haben. Wird aber die Umdrehungszahl infolge stärkeren Windes oder geringeren Widerstandes größer, so überwindet die Zentrifugalkraft der Gewichte g das Gegengewicht, erstere bewegen sich und die Hebel a und b nach dem Radumfange hin und drehen die Windflügel mehr in die Windrichtung. Diese Vorrichtung ist also ein Zentrifugalregulator zur Erhaltung konstanter Geschwindigkeit und ist daher den seither beschriebenen Reguliervorrichtungen vorzuziehen. Dem Eklipsesystem gegenüber bietet sie aber auch noch den Vorteil, daß sie bei der Regulierung viel geringere Massen zu bewegen und viel geringere Reibungswiderstände zu überwinden hat, weshalb sie pünktlicher und weniger stoßweise funktioniert; vgl. [6], S. 723 (D.R.P. Nr. 10617). – Das System Haladay (Fig. 5) hat wohl deshalb die größte Verbreitung gefunden, weil es mit den soeben genannten Vorteilen des Ultra-Standard-Systems noch den verbindet, daß das Windrad weniger Scharniere enthält und daher dauerhafter ist als bei diesem. Hier sind nämlich die zwischen je zwei benachbarten Radspeichen a liegenden Flügel f durch eine Achse c und Querleisten l fest miteinander verbunden. Jedes der so gebildeten Radsegmente ist um die Achse c drehbar, die den vom Radmittelpunkte aus beschriebenen, durch den Schwerpunkt des Segmentes gehenden Kreis tangiert. Die Achsen sind auf den Radarmen gelagert und bilden zusammen ein regelmäßiges Vieleck. In der Mitte jeder dieser Achsen c, wo die Flügel einen entsprechenden Zwischenraum freilassen, ist ein Hebel an ihr befestigt. Dieser ist durch eine Stange e, die ein Gewicht g trägt, mit dem einen Arme eines an der Radnabe gelagerten Winkelhebels d verbunden, dessen andrer Arm vermittelst einer Schubstange eine auf der Hauptwelle verschiebbare Muffe m erfaßt. Solange die Umdrehungszahl des Windrades die normale nicht übersteigt, erhält ein auf einem Winkelhebel h sitzendes Gegengewicht q diese Muffe in einer solchen Lage, daß die Radsegmente zur Hauptwelle senkrecht stehen; bei größerer Umdrehungszahl aber erlangt die Zentrifugalkraft der Gewichte g die Oberhand, zieht die Stangen e[934] nach außen und dreht vermitteln des Hebels b die Radsegmente um die Achse c in die Windrichtung. Durch Ziehen an der Stange s kann man auch das Gewicht q jederzeit von Hand heben und die Radsegmente in die Windrichtung drehen, um die Maschine abzustellen. Damit der Wind, wenn er umschlägt, die Hauptwelle in seine neue Richtung dreht, ist die Drehscheibe o, worauf die Hauptwelle gelagert ist, dem Windrade gegenüber mit einer Windfahne w versehen, die diesem das Gleichgewicht hält. Die Zugstange s und der obere Teil des Pumpengestänges, welches hier von dem Windrade betrieben wird, drehen sich mit der Drehscheibe. Sie gehen beide durch eine Randscheibe, die sich mit ihnen in einem festen Lager t dreht. Unterhalb desselben ist die Zugstange in einer sich mitdrehenden, auf dem Pumpengestänge verschiebbaren Muffe u befestigt, die durch einen Gabelhebel v und die zum Arbeiterstande herabgehende Stange z niedergezogen werden kann. Berechnung: Bezeichnet N die Leistung des Windrades in Pferdekraft, F die gesamte Flügelfläche in Quadratmeter und v die Windgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde, so kann für Windräder älterer Konstruktion nach Coulomb gesetzt werden: N = 0,0004 F v³ und für amerikanische Windräder der geringeren Reibung wegen nach Preß: N = 0,0005 Fv³, oder, da hier F = 0,8 der Radfläche d² π : 4, also gleich 0,63 d³ angenommen werden kann, N = 0,0005 0,63 d² · v³ = 0,000315 d²v³. – Bei den in amerikanischen Preislisten angegebenen Leitungen der Windräder ist die für den Betrieb günstigste Windgeschwindigkeit von 7 m vorausgesetzt, woraus sich ergibt: N = 0,000315 343 d² = 0,108 d² und d = 3,04 √N. Für Deutschland kann aber die mittlere Windgeschwindigkeit nur zu 4 m angenommen werden, wofür man erhält: N = 0,000315 · 64 d² = 0,020 d² und d = 7,07 √N. Ein solches Windrad ergibt also in unsrer Gegend durchschnittlich nur den fünften Teil der Leistung, die man in amerikanischen Preislisten angegeben findet. Bei dem Bau eines Windmotors für das Schiff »Gauß« der deutschen Südpolarexpedition hat sich die Firma Th. Reuter & Schumann in Kiel wieder mehr der älteren Konstruktionsweise genähert. Da der dänische Mühlenbauer Soerensen an einem zehnflügeligen Windmotor die Erfahrung gemacht hatte, daß er, nachdem ein Sturm vier Flügel herausgebrochen hatte, besser arbeitete als zuvor, erhielt auch der Windmotor für das Schiff »Gauß« nur sechs einzelne Flügel. Eine ebenfalls von Soerensen herrührende Eigentümlichkeit besteht darin, daß die Flügel in eine Kegelfläche gestellt und gegen die Enden hin etwas gegen den Wind gebogen sind (Fig. 6, A). Daß durch diese Anordnung und Form der Flügel ein besonders günstiger Wirkungsgrad erreicht wird, ist durch Versuche des dänischen Professors La Cour nachgewiesen. Die Flügel bestehen wie bei der älteren Konstruktion (Fig. 2) aus einzelnen Klappen, die um peripherisch gelagerte Achsen drehbar und durch eine vor dem Flügel liegende Schubstange verstellbar sind; doch liegen die Achsen hier nicht in, sondern hinter den Klappen. Fig. 6, B zeigt einen Querschnitt durch einen Flügel, Fig. 6, C die relative Lage von Achse, Klappe, Schubstange und ihren Verbindungsteilen bei eingerückten Klappen, Fig. 6, D deren relative Lage bei ausgerückten Klappen. Hierbei ist das äußere Ende des Flügels links von der Figur angenommen. Die Geschwindigkeit des Windrades regelt sich selbsttätig, weil beim Ueberschreiten der zulässigen Umlaufszahl die Fliehkraft der Klappen und Zugstangen den Widerstand eines durch Hebel und Stangen damit verbundenen Gegengewichts überwindet und die Klappen aufrichtet. Die Einstellung des Rades in den Wind wird durch eine Windfahne bewirkt. Das Rad hat 5,5 m Durchmesser und soll bei einer Windgeschwindigkeit von 7 m/sec 13/4 PS. leisten. – Außer den bereits genannten vgl. D.R.P. Nr. 1834, 3918, 8191, 8195, 8990, 9079, 10898, 13901, 16375, 17 763, 33911, 33914, 40009, 40972, 44562, 45814, 46528, 46575, 47161, 49264, 50121, 56239, 73781, 79138, 85766, 86991, 89168, 91544, 93426, 94556, 113356, 152387.

Literatur: [1] Rühlmann, M., Allgemeine Maschinenlehre, Braunschweig 1875, Bd. 1. – [2] Weisbach-Herrmann, Ingenieur- und Maschinenmechanik, Braunschweig 1883–87, Teil 2, Abt. 2. – [3] Perels, E., Die neuesten amerikanischen Windräder für landwirtschaftl. Zwecke, Wien 1877. – [4] Neumann, F.R., Die Windmotoren, Weimar 1881. – [5] Hollenberg, A., Die neuen Windräder, sogenannte amerikanische Windräder, Leipzig 1885. – [6] Ders., Windmotoren in Karmarsch und Heerens Technischem Wörterbuch, herausg. von Kick und Gintl, Prag 1889, Bd. 10. – [7] Wolff, A., The Windmill as a prime mover, New York. – Zeitschriften: [8] Rühlmann, Ueber Wind als Motor und die Windmühlen sonst und jetzt, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1891, S. 1245. – [9] Mast, Foos & Co., The Columbian steel windmill, Iron Age, Bd. 49, S. 975. – [10] Pelissier, G., L'utilisation des forces matérielles, Moulin à vent, Lum. électr., Bd. 44, S. 65. – [11] Blyth, J., A new form of windmill, Iron, Bd. 40, S. 139, Electr. Rev., Bd. 31, S. 184. – [12] Müller, Ed., Sicherheitsjalousien an Windmühlen, Uhlands techn. Rundschau, Bd. 6, S. 342. – [13] Erörterungen über Windmotoren, Zeitschr. d. Oesterr. Ing.-Ver. 1892, S. 638–658. – [14] Dandys Windrad der Challenge Windmill Co., Uhlands techn. Rundschau 1893, S. 407. – [15] L'utilisation de la force du vent. Génie civ., Bd. 24, S. 373; Organ d. Eisenbahnverw. 1894, S. 234; Glasers Ann., Bd. 35, S. 196. – [16] v. Horn, Windmühlen im Dienste der Industrie, Glasers Ann., Bd. 25, S. 114; Uhlands techn. Rundschau 1894, S. 387. – [17] Touzelin, Moulin à vent à quatres roues, Génie civ., Bd. 25, S. 277. –[935] [18] Griffith, J.A., Windmills for raising water, Proc. Inst. Civ. Eng. 1895, S. 119, 321. – [19] Elektr. Anlage mit Windradbetrieb, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1895, S. 275. – [20] Neuerungen an Windrädern, Uhlands techn. Rundschau 1895, S. 343. – [21] Titt, J.W., Simplex wind engine, Eng., Bd. 81, S. 133. – [22] Gehrhardt, Zur Berechnung der Windräder, Zentralblatt der Bauverwaltung 1896, S. 211. – [23] Halladays Windmotor, Eng., Bd. 82, S. 212. – [24] Moulin à vent à axe vertical, Génie civ., Bd. 29, S. 173. – [25] Fontaine, L., Les moteurs à vent employés en agriculture, Paris 1902.

Th. Beck.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.