Neuartiges Konzept einer Windmühle (Bulletin 30/1993)

von Marcel a. Bally, AMS
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Gottes Mühlen mahlen langsam, meine auch

 

Einleitung

Ich nahm an einer Gesprächsrunde teil, an der ein Professor der Universität Perpignan erzählte, dass einer seiner Studenten ein Windmühlen-Konzept entwickelt habe, das auf einer vertikalen, anstelle einer horizontalen, Rotor-Achse basiert und mit dem theoretisch hohe Wirkungsgrade erzielt werden können. Ich werde im Folgenden das Prinzip erklären, muss hier aber vorwegnehmen, dass der Professor im gleichen Atemzug erwähnte, dass diese Windmühle nicht habe brauchbar gemacht werden können, da sie auf Wind von nur einer Richtung her angewiesen war. Wechselnde Windrichtungen konnte die Maschine nicht verkraften. Dies fand ich eine Herausforderung und die Idee bleib bei mir hängen. Ich glaubte, die Lösung gefunden zu haben. Mit einem Metallbaukasten fand ich das ideale Instrumentarium um diese Lösung zu testen. Dies war der erste Teil der Einleitung. Der zweite:

Als kleiner Bub fand ich, dass mein Stokys mit seinen Teilen aus Aluminium und Nickel und Räder sowie Beigemüse aus Messing auch nach Jahren intensiven Gebrauchs einen "frischen" Eindruck machte. Meine Konstruktionen aus dem Stokys sahen nie alt und gebraucht aus. Dies im Gegensatz zu den Meccano und Märklin Baukästen meiner damaligen Freunde. Dieser Eindruck ist natürlich sehr, sehr subjektiv, blieb mir aber bis heute, und jetzt da mein kleiner Sohn sich langsam dem Alter der Metallbaukästen annähert, war es für mich eine gegebene Entscheidung, ihm ein Stokys zu geben. Die Ausführung dieser Entscheidung beschleunigte ich etwas (mein Sohn ist erst sechs), um eben endlich meine Windmühle, die ich nun schon vier Jahre im Geiste mit mir herum trage, basteln zu können. Vielleicht sollte ich dieser Einleitung noch einen dritten Teil anfügen:

Meine Expertise, in meinem heutigen Alter, in der Anwendung von Metallbaukästen ist sehr beschränkt. Mit meiner Konstruktion will und kann ich nicht glänzen, wenigstens nicht was Ausführungsdetails anbelangt. Wichtig war mir den Beweis zu liefern, dass das Konzept "richtig" und funktionstüchtig ist. Also, gerichtet an die Perfektionisten unter Ihnen: bitte allfällige Konstruktionsmängel Übersehen und nicht auf mich schiessen, ich tat mein Möglichstes!

DasPrinzip

Die Grundidee ist, zwei Flügel oder Blätter, die sich um eine vertikale Achse drehen, an den Enden eines sich ebenfalls um eine vertikale Achse drehenden Querbalkens zu lagern, wobei die Rotation der Flügel gekoppelt ist und sich die Flügel nur halb mal so viel drehen wie der Querbalken. Der rotierende Querbalken gibt die Energie auf eine zentrale, vertikale Antriebswelle. Die Flügel sind in der Drehrichtung um 90 Grad versetzt, dies erlaubt dem Wind vollen Angriff auf einen Flügel, während der andere am gegenüberliegenden Ende des Querbalkens dem Wind keinen Widerstand leistet. Der "angegriffene" Flügel wird nach hinten gedrückt, während der andere nach vorne kommt. Da sich die Flügel nur ein halb mal so viel drehen wie der rotierende Querbalken, bietet der vordere Flügel dem Wind nun langsam eine Angriffsfläche, während der hintere durch den Wind "schneidet". Hier nun kommt das Sprichwort vom Bild und den tausend Worten:
Abb. 1 zeigt das Prinzip im Grundriss.


Abb. 1

Die Konstruktion

Diese 1 : 2 Übersetzung ist einfach zu lösen. Hingegen, wie eingangs erwähnt, wechselt die Windrichtung manchmal und die ganze Sache muss frei beweglich gelagert sein und zudem so, dass sich die Flügel immer und automatisch in die korrekte Angriffsstellung drehen. Dazu brauchte ich eine Windfahne, die ihrerseits mit der Rotation der Flügel gekoppelt ist und die Flügel in die richtige Stellung bringt. Mit dem zur Verfügung stehenden Material fand ich die Lösung wie aus dieser Detailaufnahme ersichtlich (Abb. 2 bis 4).

DieWindfahne ist fest mit dem Kronenzahnrad verbunden, die vertikale Verbindungswelle dreht sich frei im "Deckel".

Der "Querbalken" besteht aus je zwei Wellen, die unteren dienen zur Distanzhaltung, die oberen sind sowohl in der Kupplung im Zentrum wie auch in den Kupplungen aussen frei gelagert, und dienen der Koordination der Rotation der Flügel. Der Querbalken ist mit der Antriebswelle nicht direkt verbunden.

Die eigentlichen Flügel sind je an einer kurzen vertikalen Welle befestigt, die in der Kupplung der Distanzhaltewelle wie auch in derjenigen der oberen Welle frei gelagert ist.

Die Verkupplung oder Koordination der Drehrichtung der Flügel geschieht über die Kronenzahnräder der Flügelwellen an die obere Welle des Querbalkens. Die 1 : 2 Übersetzung wird erreicht in dem alle drei Kronenzahnräder identisch sind. d.h. die Gleiche Anzahl Zähne haben (44), während Die Zahnräder auf der oberen Welle aussen lediglich die halbe Anzahl Zähne aufweisen, wie die Zahnräder im Zentrum (aussen: 19, innen: 38).


Abb. 2


Abb. 4


Abb.3

Das Kronenzahnrad der Windfahne überträgt die Rotation des einen Flügels auf den anderen, und zwingt gleichzeitig jederzeit eine korrekte Flügelstellung.

Die Übertragung der Rotationsenergie erfolgt über eine vertikale Antriebswelle, die fest mit der oberen Schale des Kugellagers (nicht dem "Deckel") verbunden ist. Beim Anlaufen dreht sich der Querbalken frei, auf den Wind reagierend, und stösst dann auf die vertikalen Profilschienen, die die obere Kugellagerschale mit dem Deckel verbinden. Bei weiterem Drehen schleppt der Querbalken diese Profilschienen, und damit den "Käfig", mit und · dreht die Antriebswelle. Diese etwas "lose" Konstruktion wurde gewählt, damit bei schwachem Wind der Querbalken zuerst etwas Momentum in der Drehrichtung aufbauen kann, bevor die Arbeit beginnt, Das Anlaufen ist somit in den meisten Fällen unbelastet und erfolgt deshalb früher, d.h. bereits bei schwächerem Wind.

Das Ganze hätte natürlich auch mit Ketten gelöst werden können, so wie ich es an einem früheren Modell versuchte.

Doch erwies sich dies als Misserfolg, die Drahtkette hatte die Tendenz vom Kettenzahnrad zufalle~, und die von Stokys bezogene Gelenkkette war unbrauchbar, da die Elemente nicht miteinander verbunden werden konnten, d.h. es war unmöglich eine unendliche Kette einer bestimmten Länge herzustellen.

Am Schluss stellte sich die Windmühle aus verschiedenen Blickwinkeln so zur Schau: Abb. 5 - 9. Im unteren Bereich ist ein Velo-Dynamo mit Lampe ersichtlich, die bei genügendem Wind aufleuchtet: Abb. 3 und 4.


Abb. 5


Abb. 7


Abb. 6


Abb. 8

 
Abb. 9