Richard
Juli 2014

Konstruktionsplan als PDF-Datei: PDF-Zeichnung Konstruktionsplan

Zwei Stellwände nach Zeichnung werden auf dem Boden gebunden. Es muß darauf geachtet werden, daß die Maße von beiden Teilen (Zeichnung 1) gleich ausfallen, damit später keine Überraschungen auftauchen wegen Schiefheit. Man tut gut daran, die Stangen für beide Stellwände nebeneinander zuzusägen. Die Stellwände sollen auch optisch einander entsprechen wie Zwillinge.
Ganz wesentlich bei dieser Sache sind die Knotenpunkte. Hier laufen die Kräfte über den Bund von Stange zu Stange. Siehe Auslegung Kreuzbund.
Es gibt Bünde, die sehr wichtig sind und welche, die weniger wichtig sind. Je nachdem muß jeder Bund entsprechend sorgfältig und sauber ausgeführt werden. Die Hauptknotenpunkte sollten doppelt bis dreifach ausgeführt werden; falls einer reißt, hält der zweite oder beide halten die Hälfte.
Das Einfachste ist immer, wenn möglichst viel liegend gebunden wird. Die Grenze dabei ist das Gewicht. Denn die ganze Sache muß ja schließlich auch noch aufgestellt werden.

Stellwand als PDF-Datei: PDF-Zeichnung 01

Frage: Was muß alles vor dem Aufstellen erledigt sein?

• die Erdlöcher im richtigen Abstand graben mit gleicher Tiefe. Das Gefälle muß dabei berücksichtigt werden. Die Plattformen werden horizontal ausgerichtet und nicht parallel zur Erde.
• Das Quadrat der Erdlöcher muß stimmen. Überprüfen der Diagonalen ist wichtig.
• Zugseile werden möglichst weit oben angebracht. In diesem Fall werden sie am obersten Knotenpunkt beidseitig angebracht.
  
• Sicherungsseile: sie dienen dazu den Aufstellvorgang zu stabilisieren und gegebenenfalls zu korrigieren. Wenn dann die Stellwand die gewünschte Lage erreicht hat, wird sie so zwischen Zugseil und Sicherungsseil eingespannt, daß so die endgültige Position fixiert wird, bis sie durch innere Versteifungen völlig weggelassen werden können. Aber so lange werden die Seile mit Erdnägeln oder Pflöcken gesichert.
  

Wenn schließlich beide Stellwände in den Erdlöchern an ihrem Platz stehen und maßlich ausgerichtet sind, kann mit dem Einziehen der ersten Plattform begonnen werden. Diese sollte nur so hoch sein, daß man stehend (auf Teamkisten etc.) die Bünde anbringen kann.
Meistens wird eine Höhe gefordert, die es erlaubt, mit einem Fahrzeug durchzufahren.

Seitenansicht als PDF-Datei: PDF-Zeichnung 02

Schon mit der ersten Plattform wird das Ganze steifer und stabiler. Hier kann auch noch manche Ungleichmäßigkeit ausgeglichen werden und Schwachstellen beseitigt werden.
An mehreren Baustellen kann gleichzeitig gearbeitet werden. Z.B. Stangen zusägen, Erdbohrungen zufüllen, Leitern binden, Geländer anbringen. Das Dach unten binden, Flügel vorbereiten etc.
Die zweite Plattform wird mit einer Leiter erreichbar. Spätestens hier sollte nur noch mit Sicherungsgurt gearbeitet werden. Schwindelfreiheit ist Voraussetzung.
Je nach Belastung einer Plattform, muß sie nach erforderlichen Sicherheitsaspekten gebunden werden. Stange für Stange. Der Mann auf der Plattform wird von mindestens 2 Leuten von unten mit Material und Werkzeugen bedient. Ist die Plattform sicher und entsprechend weit fortgeschritten, können bald auch zwei auf ihr arbeiten.

Das Dach ist inzwischen gebunden worden und mit 4 Vierecksplanen vollständig fertiggestellt worden. Mit 4 Mann, zwei unten und 2 oben, wird nun das Dach an einem Seil befestigt und vorsichtig nach oben auf die zweite Plattform gezogen.
Nach dem groben Ausrichten wird es an einem der vier Pfosten festgebunden. Nach und nach werden alle vier Stellen gebunden, wobei auf Horizontalität geachtet wird.

Flügelrad als PDF-Datei: PDF-Zeichnung 03

Die Flügel wurden auch in Serienfertigung zugesägt, gebohrt, geleimt und verzapft, gebunden und mit Kohtenstoff (Abfälle) festgetackert. Die Größe eines Flügels ist auch so ausgelegt, um eine Kohtenbahn doppelt auf den Flügel zu binden.

Flügel als PDF-Datei: PDF-Zeichnung 04

Dort wo der Flügel auf die Achse aufgezapft wird, sind Verstärkungsbänder erforderlich, damit bei waagrechter Stellung des Flügels die Gewichtskraft den Flügel nicht aufspaltet; ebenso bei einer Windstärke 3 (3,5 m/s).

Befestigung als PDF-Datei: PDF-Zeichnung 05

Durch das Aufzapfen der Flügel kann das Gieren (Winkeleinstellung zur Windkrafterzeugung) eingestellt werden. Dies erfolgt mit einem Hebel, der auf der Achse abgestützt wird.

Gierwinkel als PDF-Datei: PDF-Zeichnung 06

Ist der Winkel 0° , dann ist zwar der Staudruck auf die Flügelfläche am größten, aber auch direkt auf die Achse gerichtet. D.h. keine Rotation der Welle findet statt.
Ist der Winkel 90°, dann ist der Flügel total aus dem Wind genommen und erfährt auch keine Rotationskraft.

Der Winkel richtet sich nach der gewünschten Drehzahl, dem Drehmoment und der Windgeschwindigkeit. Bei professionellen Windkraftanlagen wird dieser Winkel elektrisch auf die gewünschten Parameter eingestellt.

Bei unserer Windmühle sind wir von einem Winkel von 35° ausgegangen, und es hat sich gezeigt, daß dies ein guter Ausgangswert war. Bei einer Gesamtoberfläche des Windrads von 18800 cm² erhält man eine effektive Wirkfläche von 12600 cm². Diese Wirkfläche bringt die Flügel zum Rotieren.

Das Diagramm (Zeichnung 7) zeigt die zu erwartende Leistung bei entsprechenden Windverhältnissen.
Die Leistung eines Windrads ist von der überstrichenen Fläche (Wirkfläche) und der Windgeschwindigkeit abhängig. Bei 6 m Rotor- oder Windraddurchmesser sind in etwa die oben aufgezeichneten Leistungskurven maximal zu erwarten. Nach der Theorie von Betz kann das Windrad höchstens 59,3% der im Wind enthaltenen kinetischen Energie nutzen.
Z.B. bei einer Windgeschwindigkeit von 6m/s haben wir die höchste Leistung, wenn wir die Windmühle bei 68 Umdrehungen pro Minute betreiben. (0,6 KW) siehe G-9/9.
Die Reibung des ganzen Systems wird bei ca. 15 bis 20% liegen. Dieser Leistungsverlust muß bei genauer Betrachtung abgezogen werden.

Die Welle des Windrades ist ein verschweißtes Stahlrohr St37 mit 2 mm Wandstärke (verzinkt), das aus der Verkehrsbeschilderung stammt. Die Welle stellte uns leihweise die Stuttgarter Müllabfuhr zur Verfügung.

Leistungsverlauf über der Drehzahl als PDF-Datei: PDF-Zeichnung 07

Es sind zwei Radiallager erforderlich (Zeichnung 8), wobei das linke Lager zusätzlich auch die Axialkräfte aufnehmen muß.

Die Lager werden aus je zwei 20 mm dicken Sperrholzplatten gemacht (oder auch aus zwei Halbschalen von zwei Stangen möglich). Die Lager müssen entsprechend der abzufangenden Kräfte gut befestigt werden. 2-fache Sicherheit der maximal auftretenden Kräfte.

Welle als PDF-Datei: PDF-Zeichnung 08

Die Lager sollten gefettet werden, um die Lagerreibung zu reduzieren.
Die Axialkraft, die aufgrund des Staudrucks auf den Flügel in die Welle axial eingeleitet wird, wird durch das Axiallager (links) auf die Plattform 2 übertragen.
Die Reibung wird durch Unterlagsscheiben aus Sperrholz minimiert. Dieses Lager muß sowohl Radialkräfte, wie auch Axialkräfte in beiden Richtungen übertragen können.

Bei etwa 22m/s Windgeschwindigkeit beginnt sich das Windrad selbst zu zerstören (ab Windstärke ≈ 9,5). Die Flügel verbiegen sich so arg, daß sie anfangen an der Stellwand zu streifen, und dann so nach und nach abbrechen, bis das Windrad mit den Resten zum Stillstand kommt.
Die Flügel sind deswegen mit Seilen miteinander verbunden, daß im Ernstfall kein größerer Schaden entstehen kann. Der Aufenthalt im Gefahrenbereich kann dann gefährlich sein.