Windrad

Unter Windrädern (Windmotoren), zu denen auch die Windmühlen gehören, versteht man mechanische Apparate zur Nutzbarmachung des Druckes der bewegten Luft (Wind).

1. Windrad mit festen Flächen.

Der arbeitende Teil des Windrades sind die Windflügel, d.h. radial zu einer wagerechten oder geneigten Achse aufgesetzte Flächen, die derartig schief gegen die Windrichtung gestellt werden, daß bei hinlänglich starkem Druck des Windes eine Drehung der Achse erfolgt. Man unterscheidet die sogen. Windmühlen und die amerikanischen Windräder. Bei den ersten werden 4–6 Flügel auf der Achse angebracht; sie bestehen entweder aus Brettern oder aus segelartig ausgespannten Leinenstreifen. Die deutschen Windmühlen sind mit dem zugehörigen Gebäude um einen senkrechten Ständer, den Hausbaum, drehbar und lassen sich so in die passendste Windrichtung einstellen, während die holländischen (Holländermühlen, Holländer) ein unbewegliches Gebäude und drehbares Dach (Haube) aufweisen. Erstere heißen auch Bockwindmühlen (Bockmühlen) wegen der bockartigen Absteifung des Hausbaums mittels starker Streben. Die Ausbildung dieser Systeme datiert vornehmlich aus dem 18. Jahrh., in dem sich außer den praktischen Mühlenbauern viele hervorragende Gelehrte, wie Smeaton, Euler und Coulomb, mit der Theorie der Windräder beschäftigten. Mit der Einführung der Dampfmaschine und der Ausbildung der Wasserräder und Turbinen verloren die Windräder an Bedeutung, weil die namentlich im Binnenland beschränkte Zahl der Windtage (ca. 150 im Jahr) und die Unregelmäßigkeit des Betriebes ihre Verwendung nur da gestatteten, wo eine kürzere oder längere Ruhepause keine erheblichen Nachteile mit sich führte. Ihre hauptsächlichste Verwendung fanden demnach die Windräder zum Betriebe der Mahlmühlen und der Pumpwerke für die Trockenlegung versumpfter oder überschwemmter Ländereien. Bei 4–6flügeligen Windmühlen wird nicht nur die Energie des auf die vordere Seite der Windflügel auftreffenden Windstrahles ausgenutzt, sondern auch der an den Flügeln vorbeistreichende Wind. Dieser übt auf Kosten seiner Geschwindigkeit (hinter der Mühle ist es windstill) eine Saugwirkung auf die Hinterseite der Flügel aus, und dadurch steigert sich die tatsächliche Arbeitsleistung der Windmühlen im Verhältnis zu der Fläche der Flügel um ein Bedeutendes.

Da die einzelnen Teile der Flügel bei ihrer Drehung die Luft mit verschiedenen Geschwindigkeiten durchschneiden und sich für jede derselben eine ganz bestimmte Schrägstellung der Flügelfläche als zweckmäßig erwiesen hat, so muß man die Flügel an der Spitze anders formen als an dem innern Ende. Hieraus ergibt sich nach La Cour als idealer Windfang die vierflügelige Mühle mit gebogenen Flügeln, wie sie etwa dem Soerensenschen Kegelwindmotor entspricht.

Um die Flügelebene stets selbsttätig senkrecht zu der herrschenden Windrichtung einzustellen, benutzt man bei Windmühlen und Windrädern (bei kleinern Ausführungen) eine Windfahne (Fig. 1 u. 4) oder Windrosen (Fig. 2), die sich bewegen, sobald der Wind nicht mehr senkrecht zum großen Rade auftrifft.

Die Drehung dieser Windrosen bringt durch ein Schneckengetriebe den obern Teil des Turmes wieder in die richtige Stellung.

2. Windrad mit beweglichen Flügeln von Reinsch.

Bei den amerikanischen Windrädern ist im Gegensatz zu den Windmühlen die dem Winde dargebotene Fläche der Flügel im Verhältnis zum Kreise, den sie durchlaufen, sehr groß. Die Flügel stehen so dicht, daß die günstige Saugwirkung des Windes nicht eintritt. Deswegen ergeben die Windräder auch eine geringere Arbeit im Verhältnis zur Flügelfläche als die Windmühlen. Die Windräder haben aber trotzdem eine große Verbreitung gefunden, und zwar hauptsächlich deswegen, weil sie erst bei einer erheblich geringern Windgeschwindigkeit anfangen unsicher zu gehen und eine Überlastung viel eher vertragen als die Windmühlen. Während die letztern bei geringer Überlastung oder bei Nachlassen des Windes leicht stehen bleiben und dann schwer wieder in Gang zu setzen sind, sind die Windräder noch bei so geringen Windstärken zu verwenden, bei denen man mit der vierflügeligen Mühle nicht mehr arbeiten kann. Ferner gestatten die Windräder eine Fortsetzung des Betriebes bei stärkerer Windgeschwindigkeit, weil sie mittels verhältnismäßig einfacher Einrichtungen selbsttätig die dem Winde dargebotene Fläche derart verringern, daß ihre Umdrehungszahl für verschiedene Windgeschwindigkeiten dieselbe bleibt, während die hierzu bei den Mühlen notwendigen Apparate komplizierterer Art sind und deshalb nur vereinzelt Anwendung gefunden haben.

Bei den Windrädern unterscheidet man hauptsächlich die mit festen und die mit beweglichen Schaufeln. Fig. 1 zeigt in dem sogen. Eklipserad eine Ausführung der erstern Art. Dieses besteht aus einer kreisrunden Scheibenfläche, die aus dicht nebeneinander in schräger Richtung gestellten hölzernen Brettchen gebildet wird. In der Mitte verbleibt ein freier Raum von etwa ¹/₃ des Raddurchmessers, der dem Wind einen freien Abzug gestattet. Durch eine in sehr großen Abmessungen ausgeführte Windfahne stellt sich die Scheibe mit ihrer Fläche stets derart, daß der Wind direkt auf die Scheibe trifft.

3 u. 4. Windrad mit beweglichen Sektoren.

Die Windfahne selbst ist nach einer Seite hin derart drehbar, daß sie bei zu starkem Wind und zu raschem Gang des Motors das ganze Windrad mehr oder weniger aus der Windrichtung dreht. Zur Außerbetriebsetzung wird die Windfahne mittels einer Kette von unten so weit seitlich umgelegt, daß sich die Radfläche in die Richtung des Windes einstellt.

Bei den Windrädern mit beweglichen Schaufeln geschieht die Einstellung entweder durch Drehen um die

oder senkrecht zur Schaufelachse. Fig. 2 zeigt eine Ausführung der erstern Anordnung von Karl Reinsch in Dresden. Das Rad besteht aus einem Gerippe von Armen und Reifen, zwischen denen die Flügel beweglich angeordnet sind. Durch Vorschiebung des äußern Reifens werden die Flügel jalousieartig geöffnet oder geschlossen. Dies geschieht durch einen Hebelmechanismus, der von unten aus bedient werden kann.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ein Halladaysches Windrad. Bei diesem besteht die Scheibe aus sechs oder mehr Sektoren, die um je eine in der Ebene des Rades liegende und in seinem Gerippe gelagerte Achse drehbar sind. Die Drehung der Sektoren hat zur Folge, daß das Rad die Stellung in Fig. 4 annimmt, wodurch dem Winde die Arbeitsfläche genommen wird. Die Brettchen, die in ihrer ursprünglichen Stellung den Wind auffangen, stehen jetzt in der Richtung des Windes, so daß keine Drehung des Rades erfolgen kann. Nach Fig. 3 und 4 ist in der Mitte eines jeden Sektors eine kleine eiserne, radial zum Rad angeordnete Stange ersichtlich, auf der sich je ein kleines, also in radialer Richtung verstellbares Gewicht befindet. Bei der Umdrehung des Rades üben diese Gewichte infolge der Zentrifugalkraft eine derartige Pressung aus, daß die Sektoren das Bestreben erhalten, in die Stellung Fig. 4 überzugehen. Zunächst werden sie, sobald die Geschwindigkeit eine gewisse Grenze überschreitet, eine geneigte Lage annehmen und somit dem Wind eine geringere Druckfläche darbieten. Verringert sich die Geschwindigkeit, so stellen sich die Sektoren mit Hilfe des in Fig. 4 sichtbaren Hebelmechanismus wieder in die ursprüngliche Ebene. Soll angehalten werden, so wird das Rad mittels der Zugvorrichtung in die Lage der Fig. 4 gebracht. Solche Windräder werden z.B. von der Eimsbütteler Maschinenfabrik vorm. Friedr. Fiker, G.m.b.H., in Hamburg-Eimsbüttel, mit mehreren konzentrischen Ringen der Sektoren ausgeführt. Diese Windmotore werden vollständig aus Eisen und verzinktem Eisenblech hergestellt. Die neueste Konstruktion derselben weist den Vorteil auf, daß die einzelnen Felder sich zwar um einen Punkt drehen, jedoch eine zweifache Auflage haben, wodurch die Haltbarkeit erhöht wird.

Die amerikanischen Windräder werden auch auf Wagen fahrbar angeordnet. Windturbinen, d.h. Windräder mit vertikaler Achse, nach Art der Francisturbinen (s. Tafel ›Wasserräder und Turbinen‹, S. IV), die keiner Einstellung nach dem Winde bedürfen, haben keine nennenswerte Verbreitung gefunden.

Bei der Aufstellung und Wahl der Abmessungen des Windrades ist erforderlich, die Leistungsfähigkeit und die Anzahl der Tage im Jahre zu ermitteln, an denen man eine vorteilhafte Windgeschwindigkeit (4 bis 9 m pro Sekunde) unter der Berücksichtigung der lokalen Verhältnisse (naheliegende Wälder, Seen, Gebirge oder Häuser) erwarten darf. Die Leistung des Windrades ist von dem Druck abhängig, der durch den Wind auf die Flügelfläche ausgeübt wird; um sie zu ermitteln, ist es mithin erforderlich, die Beziehungen zwischen dem Druck des Windes auf die Flügelfläche der Windräder und der Windgeschwindigkeit kennen zu lernen, die in der nachstehenden Übersicht (nach d'Aubuisson) für verschiedene Windgeschwindigkeiten dargelegt sind.

Die Anzahl der von einem Windrad geleisteten Pferdekräfte (à 75 Meterkilogr. in der Sekunde) beträgt (nach d'Aubuisson) N = k. F v³, wobei F die Fläche des Rades in Quadratmetern, v die Windgeschwindigkeit und k einen Erfahrungskoeffizienten bezeichnet, der für die neuern Windräder = 0,0005 angenommen werden kann. Für verschiedene Windgeschwindigkeiten ergeben sich hiernach folgende Leistungen:

Vgl. Perels, Die neuen amerikanischen Windräder für landwirtschaftliche Zwecke (Wien 1877); Neumann, Die Windkraftmaschinen (3. Aufl., Leipz. 1907); Hollenberg, Die neuern Windräder (das. 1885); La Cour, Die Windkraft und ihre Anwendung zum Antrieb von Elektrizitätswerken (a.d. Dän. von J. Kaufmann, das. 1905).