DARMOWA ENERGIA - Wiatraki starego typu - skrzydła, wał, przekładnie, piorunochron

Opracowano na podstawie:
1. W. Jagodziński „Silniki wiatrowe”, PWT, Warszawa 1959.
2. „Poradnik inżyniera mechanika” tom II, WNT Warszawa 1969.
3. „Mechanik” tom IV część I, PWT Warszawa 1954.

Wiatraki wiejskie miały tę zaletę, że były proste w budowie i można było je wykonać z drewna. Jednak miały też sporo wad: małą sprawność ogólną, niekorzystny współczynnik wykorzystania energii wiatru, często wadliwe wykonanie (głównie skrzydeł). Mała sprawność powodowała konieczność budowy dla żądanych mocy wielkich i ciężkich skrzydeł zamocowanych na grubym i ciężkim wale, osadzonym w odpowiednio wytrzymałym i ciężkim budynku. W I połowie XX wieku wobec znacznej ilości pracujących wiatraków wiejskich często z budynkami murowanymi znajdującymi się w dobrym stanie starano się w różnych krajach (głównie w byłym ZSRR, Niemczech) ulepszyć je tak by uzyskać większą moc, a przez to uchronić je przed rozbiórkami. Poprzez osłonięcie tylnej strony ich ramion odpowiednio załamanymi płaszczyznami i stosując zmienny kąt zamocowania żeber (rys. 1) osiągnięto dwu-, a nawet trzykrotny wzrost mocy.

Ponadto montowano czasami w celu samoczynnego ograniczenia prędkości obrotowej odpowiednie klapy regulacyjne (rys. 2) powodujące wzrost oporów aerodynamicznych skrzydeł w miarę zwiększania prędkości obrotowej ponad nominalną. W kilku przypadkach zastosowano nawet obracanie skrzydeł wiatraka, tak jak ma to we współczesnych konstrukcjach trójłopatowych wiatraków.

Dobrze zbudowany wiatrak drewniany powinien posiadać przede wszystkim prawidłowo wykonane skrzydła, które umożliwiałyby duże wykorzystywanie energii wiatru i to przede wszystkim w zakresie małych jego szybkości. W wyniku uzyskuje się przez to możliwie małe wymiary wiatraka, zatem jego taniość oraz długotrwałe wykorzystywanie wiatraka przy słabych wiatrach. Przytoczony poniżej opis (wg J. Szowheniwa "Silniki wietrzne") dotyczy wykonania jednego z lepszych wiatraków wiejskich.

Długość poszczególnych skrzydeł tego wiatraka wynosi 5 m, zatem średnica zakreślanego przez skrzydła koła wynosi 10 m, a jego powierzchnia ok. 80 m². Moc tego wiatraka przy szybkości wiatru 6 m/sek wynosi ok. 5,5 KM.

Ramię skrzydła wykonuje się z dobrego i suchego bala sosnowego lub jodłowego długości przynajmniej 6 m. Grubość cieńszego końca ramienia powinna wynosić 15 cm, grubszego zaś w miejscu przyszłego osadzenia w wale przynajmniej 20 cm. Ramiona skrzydeł mogą być również wykonane z krótszych bali i wtedy para ramion powinna składać się z jednej części środkowej i dwu skrajnych połączonych wzajemnie strzemionami i śrubami (rys. 3).

Rys. 3. Para ramion skrzydłowych wiatraka wiejskiego wykonana z trzech części.

Kąty ustawienia w skrzydłach poszczególnych żeber muszą być odpowiednio dobrane do odległości żebra od osi obrotu, a najlepiej, aby odpowiadały wielkościom podanym w poniższej tabeli.

Kolejność żeber	Odległość żeber od osi obrotu [m]	Kąt zaklinowania a	Grubość ramienia [mm]
1	1,25	25°00'	175
2	2,00	20°54'	169
3	2,50	18°27'	165
4	3,00	16°26'	161
5	3,50	14°40'	159
6	4,00	13°28'	155
7	4,50	12°15'	151
8	5,00	11°24'	147

Otwory do osadzenia poszczególnych żeber w ramionach skrzydeł muszą być zatem wykonane ukośnie. Do prawidłowego wiercenia otworów w ramionach używa się odpowiednich wzorników z zaznaczonymi wielkościami właściwych kątów. Po wywierceniu otwory powiększa się do potrzebnych wymiarów dłutem.

Każde żebro skrzydłowe składa się z dwu części (rys. 4) grubości 18 mm wykonanych z odpowiednio obrobionych desek sosnowych lub jodłowych. Obie te części osadza się w otworze w ramieniu skrzydłowym, przy czym część 1 z jednej strony, zaś część 2 z drugiej strony ramienia i zamocowuje się je ze sobą kołkami 3 jesionowymi lub dębowymi średnicy 12 mm rozmieszczonymi w odległościach ok. 112 mm. Czoła zamocowanych w ten sposób żeber łączy się między sobą odpowiednio zaokrąglonymi listwami 4, które niekiedy obija się w następstwie blachą. Podobnie łączy się poszczególne żebra z drugiej strony ramienia listwą 5. Do tak wykonanego szkieletu skrzydła przybija się odpowiednimi gwoździami stałe poszycie skrzydła wykonane z deszczułek sosnowych lub jodłowych grubości 7 mm. Poszycie zdejmowane umieszczane w skrajnych częściach skrzydła jest wykonane z powiązanych ze sobą deszczułek, które się wsuwa między poszczególne żebra i tam się odpowiednio zabezpiecza. Podczas budowy skrzydeł należy zwracać baczną uwagę na możliwie jednakowe ich wykonanie, aby uzyskać jednakowy ciężar wszystkich skrzydeł, a przez to dobre wyrównoważenie całego koła wiatrowego. Ciężar pojedynczego skrzydła wynosi ok. 115 kg.

Wał skrzydłowy wykonuje się z drewna (może być i stalowy) i w naszym przypadku powinien mieć średnicę ok. 50 cm. Wał taki może być wykonany z pojedynczego bala albo też może być złożony z czterech cieńszych ściśle do siebie dopasowanych i ściągniętych odpowiednimi obręczami stalowymi (rys. 5 i 6).

Rys. 5. Wał skrzydłowy wiatraka wiejskiego wykonany z czterech bali (przekrój)

Obróbkę mechaniczną wału złożonego zaznacza się po jego zestawieniu, ale przeprowadza się ją w poszczególnych częściach oddzielnie. Przede wszystkim wycina się otwory l i 2 (rys. 6) do osadzenia ramion skrzydeł, obrabia się na kwadrat miejsce 3 do osadzenia koła zębatego oraz obrabia się cały wał do pożądanego kształtu. Następnie składa się go i naciąga na odpowiednie miejsca 4 rozgrzane obręcze oraz czop szyjny. W tylny koniec wału wbija się stalowy czop oporowy 5.

Czop szyjny wału podpiera się na odpowiedniej belce dwoma łożyskami wałeczkowymi (rys. 5), a trzecie łożysko umieszcza się nad nim. Czop tylny osadza się w łożysku oporowym umieszczonym na odpowiedniej belce.

Przy użyciu na wał pojedynczego bala może on być odpowiednio cieńszy. Aby tego wału nie osłabiać otworami do osadzenia ramion skrzydłowych, umocowuje się je parami na zewnątrz jego końca (rys. 7).

Duże koło zębate (rys. 8) najczęściej jest palczaste. Pierścień kołowy o średnicy 1,5 m jest wykonany dwuwarstwowo z odpowiednio zestawionych wycinków pierścieniowych z desek sosnowych grubości ok. 90 mm. Wycinków tych jest w każdej warstwie po osiem i są względem siebie tak przesunięte, aby ich końce w jednej warstwie wypadały w środkach wycinków drugiej warstwy. Połączenie poszczególnych wycinków w całość pierścienia jest dokonane przy pomocy dębowych kołków, które po wbiciu i przycięciu odpowiednio się zaklinowuje. Jednocześnie zaopatruje się pierścień w odpowiednie ramiona, umożliwiające osadzenie koła na wale skrzydłowym.

Rys. 8. Duże koło zębate (na lewo) i małe koło zębate (na prawo) przekładni wiatraka wiejskiego

Na tak wykonanym pierścieniu zaznacza się otwory do osadzenia w nim drewnianych palców, których długość przyjmuje się zwykle 1,5 raza większą od grubości. Palce te obtacza się na tokarce do kształtu pokazanego na rysunku i zaopatruje się w odpowiednie otwory, w które po osadzeniu palców w pierścieniu kołowym zabija się odpowiednie kliny. Wykonane w ten sposób koło osadza się na wale skrzydłowym i zaopatruje się w odpowiednie podpórki (1 na rys. 8).
Małe koło przekładni robi się jako klatkowe. Składa się ono z dwu kręgów (1 i 2 rys. 8) odsuniętych od siebie na tyle, aby mogły się między nimi pomieścić, wsuwające się tam, palce koła dużego. Każdy krąg jest zrobiony z dwu tarcz drewnianych zestawionych każda z dwu połówek połączonych ze sobą klejem i kołkami. Na obwodach tych kręgów wycina się otwory do osadzenia drewnianych zębów rozpórkowych, po osadzeniu których naciąga się na kręgi odpowiednio nagrzane obręcze stalowe, zabezpieczające zęby przed wypadnięciem. Następnie oba kręgi ściąga się wzajemnie odpowiednio długimi śrubami.

Pozostałe części składowe wiatraka wykonuje się zwykłymi sposobami ciesielskimi, zaś urządzenie samego młyna żarnowego wg praktyki młynarskiej. Wysokość budynku wiatraka powinna być możliwie duża, aby zapewniała dostateczny dopływ wiatru do skrzydeł.

Każdy wiatrak powinien być zabezpieczony przed uderzeniem pioruna. Zabezpieczenie to można zrobić w dwojaki sposób. Pierwszy sposób polega na zaopatrzeniu każdego skrzydła w odpowiedni zwód piorunochronowy, przyłączony do metalowego pierścienia osadzonego na wale skrzydłowym i wraz z nim się obracającego. Do tego pierścienia dotyka stała sprężysta metalowa płytka, czyli tzw. szczotka, połączona przewodem z drugą taką szczotką, ślizgającą się po pierścieniu metalowym umieszczonym na słupie kozłowym wiatraka. Ten pierścień metalowy musi być odpowiednio uziemiony. Schemat takiego urządzenia piorunochronowego przedstawiono na rys. 9.

Drugi (mniej pewny) sposób zabezpieczenia wiatraka przed piorunem jest znacznie prostszy i polega na umieszczeniu zwodu piorunochronowego na oddzielnym i odpowiednio wysokim słupie, ustawionym w pobliżu wiatraka. Przyjmuje się zwykle, że piorunochron taki zabezpiecza przed uderzeniem pioruna przestrzeń zawartą w stożku o wysokości i promieniu podstawy równym wysokości słupa.