MÜHLEN

Die Flügel

Die Flügel sind schräge Flächen. Weht der Wind senkrecht auf die Drehebene, weichen die Flügel zur Seite aus und die Windbewegung wird in eine Kreisbewegung umgewandelt. Die Steilheit der Flügel zum Wind ist unterschiedlich, weil die Drehgeschwindigkeit der Flügel nahe der Drehachse langsamer ist als an der Flügelspitze. Daher liegt die Flügelspitze flacher zum Wind als der Teil nahe der Drehachse.

Stellt man ein Holzkreuz, das auf einer drehbaren Achse gelagert ist, genau senkrecht in den Wind, kommt es dagegen zu keiner Drehbewegung. Erst wenn das Holzkreuz leicht schräge zum Wind steht, kommt es zu einer Drehbewegung.


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Hier sieht man die unterschiedliche Steilheit eines Flügels zum Wind:
Die Flügelspitze (rechts) liegt flacher zum Wind als der untere Teil (links)
(Windmühle Krokau)


Die Flügel bestehen aus einer Rute aus Holz oder Metall, und der Flügelfläche. Eine Rute besitzt zwei Flügelflächen. Die Flügelfläche besteht wieder aus zwei Teilen, die durch die Rute geteilt werden. Der schmalere Teil, der in die Bewegungsrichtung der Flügel zeigt, heißt Vorderzeug oder Vorderhecken. Hier sind die Wind- und Sturmbretter eingesetzt.

Der breitere Teil heißt Hinterzeug oder Hinterhecken und wird unter den Müllern auch als Heckerei bezeichnet. Er ist etwa doppelt so breit wie das Vorderzeug oder Vorderhecken.


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Aufbau eines Flügels
(Windmühle Krokau)


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Vorderhecken mit Windbretter
(Windmühle Krokau)


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Vorderhecken ohne Windbretter
(Windmühle Krokau)


Die meisten Mühlen haben zwei Ruten, also vier Flügel. Untersuchungen von Professor la Cour um 1900 haben ergeben, dass bei der normalen Mühlenform mit vier Flügeln die Leistung des Windes am besten genutzt wird. Es gibt allerdings auch Mühlen mit fünf Flügeln, was aber recht selten ist. Ihre Leistung ist geringer und dieser Typ hat sich daher auch nicht durchgesetzt. Auch gibt es bei den Mühlen mit fünf Flügeln das Problem, dass sie einen speziellen Wellenkopf benötigen, um die fünf Flügel aufnehmen zu können. Diese waren aufgrund ihrer Bauweise nicht so stabil wie die der vierflügeligen Mühlen und bei Sturm kam es oft zu Flügelbrüchen.

Früher wurden einige Mühlen nach Schäden an einem Flügel eine gewisse Zeit auch nur noch mit einer Rute, also mit zwei Flügeln betrieben, was auch funktioniert.

Die meisten Mühlenflügel drehen sich im Uhrzeigersinn (vom Innern der Mühle, also hinter dem Flügelkreuz aus gesehen) bzw. außen von vorne gesehen gegen den Uhrzeigersinn. Nur bei wenigen Mühlen drehen sich die Flügel gegen den Uhrzeigersinn (vom Innern der Mühle gesehen bzw. außen von vorne gesehen im Uhrzeigersinn).

Die optimierten Flügelformen sind aus jahrhundertelangen Erfahrungen und Beobachtungen der Müller abgeleitet worden. Daraus ist bei den Holländermühlen auch die Schrägstellung der Flügelachse von etwa 10 Grad gegen der Horizontalen entstanden. Da eine Holländermühle nach unten etwas breiter wird, würden die Flügelspitzen bei einer genau horizontal liegenden Flügelachse im Betrieb an den unteren Teil des Mühle stoßen. Turmwindmühlen haben dagegen meist horizontal liegende Flügelachsen.


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Bei Holländermühlen ist die Flügelachse ist um etwa 10 Grad gegen die Horizontale geneigt
(Windmühle Krokau)


Es wurde auch versucht, die Leistung der Windmühlen zu verbessern. Man kann die Flügel zwar größer und länger bauen, dem sind aber eindeutig Grenzen gesetzt. Versuche haben gezeigt, dass es nicht mehr funktioniert, wenn sich die Flügelspitzen bei den üblichen Windmühlen schneller drehen als die doppelte Windgeschwindigkeit. Man kann natürlich noch größere Flügel bauen, nur drehen sich diese dann langsamer. Kurt Bilau erwähnte in seinem Buch, dass es kaum noch einen Sinn hat, Flügel zu bauen die länger sind als 12 Meter, da sich solch große Mühlen zu langsam drehen. Dadurch würden die Übersetzungsverhältnisse und die nötigen Größen von Zahnrädern und Wellen zu groß. Die Maximalleistungen, die an Mühlen abgenommen werden, liegen bei etwa 30 PS.

Eine wirkliche Verbesserung der Leistung konnte mit einen in den 30er Jahren entwickelten neuen Flügeltyp, den sogenannten Bilauschen Ventikanten erzielt werden. Kurt Bilau verbesserte damit die Leistung der Mühlen bei schwachen Winden.



Segelgatterflügel

Die Segelgatterflügel bestehen aus einen Gitterkreuz aus Latten, auf das ein Segeltuch gespannt wird, welches die Flügelfläche bildet. Dazu mußte der Müller jeden Flügel einzeln besteigen und das Segeltuch mit Leinen auf diesen spannen. Besonders im Winter war das unangenehm und gefährlich, wenn die Segeltücher beim Abnehmen durchnäßt und manchmal sogar vereist waren. Das Besegeln der Flügel bezeichnet man als Vorsegeln, das Einrollen der Segel als Absegeln


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Segelgatterflügel (unbespannt)
(Windmühle Grebin)


Ein Segelgatterflügel besteht aus drei Teilen: Dem Bruststück, der Spitze oder Scherfe und dem Gitterwerk, oft auch als Heckerei bezeichnet. Die Spitzen sind mit dem Bruststück meist mit Metallbändern verbunden, sie sind angescherft. Eine Rute besteht aus einem Bruststück, zwei Scherfen und zwei Gitterwerken.


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Bruststück, Scherfe und Gitterwerk
(Windmühle Grebin)



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Hier sieht man, wie die Spitzen mit Eisenbändern an das Bruststück angescherft sind
(Windmühle Grebin)


Die Größe der Segelfläche ist abhängig von der Windstärke: Je stärker der Wind weht, desto kleiner muß sie sein. Bei schwachem Wind werden alle vier Flügel mit einem Segeltuch bespannt, bei starken Wind werden oftmals nur zwei Flügel besegelt. Bei sehr starken Wind läuft eine solche Mühle auch ohne Besegelung, wobei die Wind- oder Sturmbretter als einzige Flügelfläche für den Betrieb ausreichen.

Segelgatterflügel sind die einfachste und billigste Variante. Der Nachteil ist die aufwendigere Bedienung durch den Müller, der jeden Flügel einzeln besteigen muß um sie zu Besegeln. Verändert der Wind seine Stärke, muß die Segelfläche erweitert bzw. verkleinert werden. Dazu muß der Betrieb unterbrochen werden. Wird die Segelfläche bei zunehmenden Wind nicht rechtzeitig verkleinert, kann die Bremse heiß laufen und dadurch ein Brand ausgelöst werden.



Jalousieklappenflügel

Die Jalousieklappenflügel sind wesentlich komfortabler und wurden zuerst bei den Holländerwindmühlen und später auch bei anderen Mühlenarten eingesetzt. Die Flügelfläche wird hier durch Jalousieklappen gebildet, die durch ein Verstellmechanismus quer zum Wind gestellt werden können. Diese Jalousieklappen sind entweder aus Holz oder aus Metall. Der Vorteil ist, dass die Jalousieklappen auch während des Betriebes bei sich drehenden Flügeln verstellt werden können. Wenn der Müller seine Arbeit beendet hat, werden die Jalousieklappen wieder waagerecht gestellt. Die folgenden Bilder zeigen ein Beispiel der Windmühle Sventana.


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Jalousien quer zum Wind - Flügelfläche (links)
Jalousien senkrecht zum Wind - keine Flügelfläche (rechts)
(Windmühle Sventana bei Ascheberg)


Der Mechanismus zum Verstellen der Jalousien, der vorne aus dem Kopf der Flügelwelle herausschaut, wird auch Spinnenkopf genannt.


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Spinnenkopf
(Windmühle Krokau)



Ventikantenflügel

Kurt Bilau und Albert Betz entwickelten zwischen 1920 und 1924 einen neuen Flügeltyp, die Bilausche Ventikanten, was soviel wie Windkanten heißt. Die Flügelflächen bestehen aus zwei V-förmig zueinander liegenden Metallflächen, zwischen denen ein Spalt liegt. Die beiden Flügelflächen werden als Vorderheck und Hinterheck bezeichnet. Der dazwischen liegenden Spalt kann durch ein Verstellmechanismus geöffnet oder geschlossen werden. Dieser Verstellmechanismus schwenkt das Hinterheck um seine Längsachse. Ist der Spalt geschlossen, wirkt das Heck als Segelfläche, ist er geöffnet wirkt das Heck als Bremse. Damit gibt es neben der Bremse am Kammrad eine zusätzliche Bremse. Der Vorteil dieses Flügeltyps war der bessere Wirkungsgrad. So drehten sich die Flügel schon bei schwachem Wind und konnten die Mahlsteine antreiben. Der Nachteil war das hohe Gewicht der Flügel und der deutlich höhere Preis.


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Bilausche Ventikanten
(Windmühle Nicola bei Schleswig)


Wie funktioniert das eigentlich? Wenn der Spalt zwischen Vorderheck und Hinterheck geöffnet wird, kommt es zu einer Gegenströmung vom Sogbereich des Hinterhecks zum Druckbereich am Vorderheck. Diese Gegenströmung bremst die Flügel ab. Je weiter der Spalt geöffnet wird, desto stärker ist die Gegenströmung. Ab einem bestimmten Punkt bleiben die Flügel stehen, und das funktioniert unabhängig davon wie stark der Wind weht, also auch bei Sturm. Wird der Spalt noch weiter geöffnet, beginnen sich die Flügel sogar rückwärts zu drehen! Da dies aber nicht erwünscht wird, ist ein Anschlag eingebaut, der es erlaubt den Spalt nur soweit zu öffnen, dass die Flügel stehenbleiben.

Bei diesem Flügeltyp kann die Bremse am Kammrad entfallen. Bei Nichtbetrieb wird der Spalt einfach bis zum Anschlag geöffnet. In diesem Fall gleichen sich die Antriebskraft der Flügel und die Gegenströmung aus, so dass sich die Flügel auch bei Sturm nicht drehen. Auch das Problem, dass die Flügel bei starken Sturm trotz angezogener Bremsen doch einmal anfangen zu drehen und dadurch die Bremse heißläuft, was oft einen Mühlenbrand erzeugte, gibt es hier nicht mehr.


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Bilausche Ventikanten
(Windmühle Nicola bei Schleswig)


Dieser neue Flügeltyp war díe letzte große Neuentwicklung im Bereich der Windmühlentechnik, bevor später das Mühlensterben endgültig einsetzte. Bis zum Jahr 1950 wurde das Bilausche Flügelsystem öfter verwendet und fand bei etwa 140 Mühlen in Deutschland Anwendung, von denen heute nur noch zehn übrig geblieben sind. Die im Jahr 2015 fertig aufgebaute Mühle "Nicola" bei Schleswig ist zum Beispiel mit dem Bilauschen Flügelsystem ausgestattet.

Kurt Bilau hatte in den 30er Jahren das Buch "Windmühlenbau - einst und jetzt" geschrieben, in dem er diese Dinge genau schildert inklusive einiger Berechnungen mit Versuchen an verschiedenen Strömungen. Auch hatte er erwähnt, dass die Windmühlen der Zukunft nur noch drei aerodynamisch geformte Flügel haben werden und damit die beste Leistung erzielt werden kann. Einzelne Exemplare dieses Buches sind heute als Nachdruck teilweise noch zu bekommen.


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