WindGear by Joern Heinrich, mechanical selfsteering for sail yachts
WindGear by Joern Heinrich - servo pendulum selfsteer BASICS: Windsensor - die Windfahne

Die Windfahne wird so um ihre Vertikalachse gedreht und festgesetzt, dass sie im scheinbaren Wind senkrecht steht. Bei einer Kursabweichung schlägt sie infolge Seitenwind um ihre Achse aus. Das Drehmoment der Windfahne wird mechanisch auf die Servoruderanstellung übertragen.

Mit:
M = Windfahnenmoment [Nm]:
A = Windfahnenfläche [m2]
v = Windgeschwindigkeit [m/s]
a° = Windangriffswinkel°
b = Abstand des Druckpunktes von der Drehachse[m]
d = Dichte von Luft = 1.2929 [kg/m3]
ca = Auftriebsbeiwert Rechteckplatte = 2.02
Fr = Summe der Reibungsverluste zur Servoruderanstellung [N]
Ms = Rückstellendes Drehmoment aus Servoruderauftrieb bei bestimmtem Anstellwinkel [Nm]

ergibt sich nach einfacher Ruder-Liftrechnung das resultierende Windfahnenmoment (M) zu:

M = b * (sin(a°) * ca / 2 * d * A * v2 - Fr) - Ms


Entwicklungsstand
Während die ersten Servoruder-WSA eine vertikale Windfahnenachse hatten (Hasler-Anlage, alte John Adam - Windpilot) stellten sich bald die Vorteile einer "flachgelegten" heraus: Sie erzeugt bereits bei geringeren Kursabweichungen einen höheren Kurskorrekturwinkel, kann daher kleinflächiger und leichter gebaut werden, ebenso wie das Servoruder. Sie hat allerdings auch Nachteile.

Eine neue Entwicklung von Jan Alkema, NL ist die Upside-Down-Windfahne (USD), für die er 2005 von der AYRS mit einem Innovationspreis ausgezeichnet wurde. Bei der USD-Windfahne zeigt die Windfahne nach unten und das Gegengewicht nach oben. Die USD-Windfahne entwickelt höhere Steuerausschläge in gekrängtem Zustand des Bootes als im ungekrängten, und gleicht damit eine Luvgierigkeit besser aus als die von den meisten Herstellern verwendete USU-(Upside-Up)-Windfahne. Für letztere benötigt man allerdings keinen so hohen Mast, und sie weist darüberhinaus keine limitierende Grenzkrängung auf.

Windfahnenbalance
Die Windfahne und alle Übertragungsachsen müssen gewichtsmäßig ausbalanciert sein, je genauer, desto besser. Bei der Windfahne muss man berücksichtigen, dass sie nass sein kann (Spray, Regen) und daher diesem zeitweise zusätzlich vorhandenen Gewicht ggf. Rechnung tragen. Dies ist jedoch eine Gratwanderung, denn:
Ist das Gegengewicht der Windfahne größer als das Gewicht der Windfahne selber, verstärkt dies auf raumen bis achterlichen Kursen stark die Tendenz, dass das Boot sich aus einer zunächst reinen Rollbewegung heraus quer zur Welle stellt. Das liegt ganz einfach am Steuerimpuls, den die Relativbewegung der Windfahne zu ihrer Halterung (Mast) bei schräg achterlicher Welle auslöst, wenn das Schiff um seine Längsachse rollt. Genauso schädlich auf das Gierverhalten auf achterlichen/raumen Kursen wirkt sich ein großes Trägheitsmoment der Windfahne aus - also wenn sie samt Gegengewicht zu massig und schwer gebaut ist.
Hinsichtlich des Einflusses auf das Roll- und Gierverhalten auf raumem bis achterlichem Kurs benimmt sich eine USD- Windfahne genau entgegengesetzt der "normalen", nach oben zeigenden USU-Windfahne: Das Trägheitsmoment der USD-Windfahne dämpft eine Rollbewegung - im Gegensatz zu dem einer USU-Windfahne. Allerdings hat sie in achterlicher See den Nachteil, dass sie durch den notwendigerweise höheren Mast Rollbewegungen bei schwachem Wind stärker in einen oszillationsverstärkende Steuerimpuls umsetzt.
Die WindGear-Selbststeueranlage ist mit normaler oder USU-Windfahne ausrüstbar. Es ist nur der Austausch der Mastkopfeinheit notwendig - was ohne weiteres auchwährend der Fahrt auf See geschehen kann. Die WindGear-USD-Windfahne wird in der Saison 2011 einer Testreihe mit Messungen unter Seebedingungen unterzogen. Damit sollen Vergleichsdaten zu einer USU-Windfaheneinheit gleicher Drehmomenterzeugung erhalten werden.


Neigbare Windfahnenachse
Die WindGear-Anlage verfügt im Unterschied zu den meisten anderen Windselbststeueranlagen über eine neigbare Windfahnenachse, mit der die pro Kursabweichung erzeugte Kurskorrektur in weitem Bereich eingestellt werden kann. Und das bei gleichbleibender Windfahnenbalance. Damit kann man die Servoverstärkung dieser WSA an sehr unterschiedliche See- Wind- und Schiffsbedingungen anpassen. Der erste Hersteller, der eine solche neigbare Windfahnenachse seit 1979 serienmäßig und bis heute einsetzt, ist Hydrovane. Eine Veröffentlichung von JanAlkema im Practical Boat Owner 1981, No.179, February 1981 beschreibt Experimente mit einer direkten Windfahnen-zu Pinnensteuerung mit um +/-20° neigbarer H-Windfahne.

Die Steady-State-Auslenkung der Windfahne in Abhängigkeit von der Abweichung vom eingestellten Sollkurs und der Windfahnneigung läßt sich über folgende trigonometrische Beziehung ermitteln:

Windfahnenauslenkung° = arctan ( tan(Kursabweichung°) / sin(WindfahnenAchsenneigung°) ).

Über den Drehschaft der Anlage wird das Servoruder ausgelenkt. Wenn man an Drehschaft und Windfahne gleichlange Horizontalhebel verwendet - bei WindGear in gewissen Grenzen variabel einstellbar - ergibt sich die Drehschaftrotation in Abhängigkeit von der Windfahnenauslenkung zu:

Drehschaftrotationswinkel° = Windfahnenauslenkung° * cos(WindfahnenAchsenneigung°)

Der Drehschaft bewegt die Servoruderpinne, und das auspendelnde Servoruder das Hauptruder zur Kurskorrektur. Damit ergeben sich für die WindGear-Anlage die folgenden Ruderwinkel je 5° Abweichung vom Sollkurs (Drehschaftrotation - zu Ruderwinkel ist dabei über das Servoruder beispielsweise 1:2 untersetzt):

Neigung der Windfahnen-Achse gegen die Horizontale 10° 15° 20° 25° 30°
Ruderausschlag bei 5° Kursabweichung vom scheinbaren Wind 13,1° 9,0° 6,7° 5,3° 4,3°

Man sieht in der Tabelle, wie stark man das Steuerverhalten der Anlage durch die variable Windfahnenneigung den gegebenen Wind-und Seegangsbedingungen sowie der Schiffsgeschwindigkeit anpassen kann.

Die Kraftrechnung zwischen den Elementen Windfahne und Servoruder hat die Wechselwirkung der Drehmomente von Schiffsruder und Servoruder in seiner Pendelachse zu berücksichtigen, sowie die sich daraus ergebenden Anstellung des Servoruders gegenüber der Strömungsrichtung des Wassers - wenn Schiffsruder und Servoruder im Kräftegleichgewicht und damit in ruhender Position sind. Dies betrifft vor allem den Fall, wenn das Hauptruder Teil der belasteten Lateralfläche des Schiffes wird, also in gekrängtem Zustand: Beim Am- und Halbwindkurs.

Im Allgemeinen wird jedoch bei richtiger Bemaßung der Servoruderfläche und Windfahne das Verhältnis von Hauptruder-Last, Rückwirkung und leichter Anstellung des Servoruders und damit auch leichte Anstellung der Windfahne gegen die scheinbare Windrichtung bei höheren Windstärken und damit verbunden höheren Schiffsgeschwindigkeiten eher günstiger.

eine starke Luvgierigkeit in stärkeren Boen Amwind ist durch viele Windselbststeueranlagen nur unzureichend beherrschbar. Voraussetzung, dass eine normale, aufrechte (USU) H-Windfahne die starke Krängung in einer plötzlichen Boe aussteuern kann, ist ein genügender Steuerweg. Problematisch ist hierbei, dass die Anlage dann schon so aufs Ruder übersetzt sein muss, dass sie unter "Normalbedingungen" leicht übersteuert, also etwas "nervös" eingestellt ist. Grundsätzliche Abhilfe für dieses Problem scheint einzig die USD-Windfahne von Jan Alkema zu sein. Eine weitere das flachere oder steilere Anstellen der Windfahnenachse gegen die Horizontale, Einstellhinweise:

Schwachwind (1-3 m/s scheinbarer Wind)
Achterlicher bis Raumer Kurs zum Wind

Spinnaker, Glattwasser, Speed 2,5-3,5kn:
Windfahnneneigung um 15°
Auf Glattwasser bei schwachwindigen Bedingungen muss bei achterlichen Winden die Servoverstärkung hoch, jedoch noch nicht maximal eingestellt sein. Das Boot läuft unterhalb der Rumpfgeschwindigkeit, und reagiert damit recht träge aufs Ruder. Unter solchen Bedingungen ist das Ziel, das Boot möglichst schnell auf Anderungen der Windrichtung- und Geschwindigkeit reagieren zu lassen, damit der Spi nicht einfällt, daher sinnnvollerweise eine hohe Servoverstärkung.

Spinnaker, alte Dünung bis 0,5 m raumschots,
Speed 2,5-3,5kn:
Windfahnneneigung 10°-15°
Dies nutzt die Gierdämpfung des beinahe maximal verstärkenden Servo-Systems und verursacht starke momentane Kurskorrekturen, um den Spi nicht einfallen zu lassen. Wird das Heck in einer Welle seitlich bewegt, so reagiert die Windfahne darauf im schwachen Wind sofort mit einer Gegenbewegung des Ruders in Wellenlaufrichtung.

Spinnaker, alte Dünung über 0,5 m raumschots,
Speed 2,5-3,5kn:
Windfahnneneigung 15°-20°
Ist eine alte, schräg achterlich anlaufende Dünung zu hoch, so kann eine zu große Servoverstärkung das Schiff aufschaukeln und zum "Geigen" bringen- dies ist jedoch von der Periode der Wellen und der Eigenfrequenz des jeweiligen Schiffes abhängig (Periode des Mast-Kiel-"Pendels").

Speed kleiner 2,5kn:
Windfahnneneigung 10°
Ist die Wind- und Schiffsgeschwindigkeit bei raumem bis achterlichem Wind sehr gering, so kann man die maximale Servoverstärkung mit 10° Neigungswinkel ausnutzen, um die Trägheit der Reaktion des Schiffes aufs Ruder zu übersteuern. Die Grenze bei dieser Anlage ist erst dann erreicht, wenn das Schiff weniger als 1,3 kn läuft, und die Windjungfern bewegungslos nach unten hängen.
Halbwindkurs

Beim Halbwindkurs kommt es sehr auf die Seegangsbedingungen und die Segelführung (Krängung, Trimm) an, welche Windfahnenneigung optimal ist. Bei stärkerem Wind beginnt die Abdrift ebenfalls eine Rolle zu spielen, da durch sie das Servoruder tendenziell aus der Mittenstellung gedrückt wird. Ist starker seitlicher Seegang vorhanden, so addiert sich die Rollbewegung des Bootes beim Überqueren des Wellenkamms als Störfaktor.

Daher ist besonders auf Halbwindkurs ein hinsichtlich der Flächen von Vor- und Hauptsegel neutral getrimmtes Boot eine Grundvoraussetzung für eine gut funktionierende Windselbstssteuerungsanlage.

Stabile Krängung (geringer Seegang)
Hat man eine stabile Krängung (geringer Seegang), so sollte man die Windfahnenneigung minimal auf 25° minus Krängungswinkel einstellen. Allerdings laufen viele Boote bei Glattwasser und gutgetrimmten Segeln auf halbem Wind bereits mit festgelaschtem Ruder mehr oder weniger geradeaus, so dass die WSA jetzt nur für geringe Kurskorrekturen gebraucht wird. Daher kann die Wndfahnenachse auch auf einem größeren Neigungswinkel verbleiben - sie muss nicht notwendigerweise nachgestellt werden.

Instabile Krängung, Rollbewegung (hoher Seegang)
Beginnt das Schiff auf halbem Wind aufgrund der Seen zu rollen und zu gieren, so ändert sich dadurch bei jeder Passage eines Wellenkamms der Neigungswinkel der Windfahne gegen die Horizontale. Sehr negativ, weil übersteuernd wirkt sich dann aus, wenn die Windfahne auf einen zu kleinen Neigungswinkel justiert ist: Rollt der Mast in die Vertikale oder sogar etwas gegen den Wind, so hat man in jenem Moment eine viel zu große Servoverstärkung. Also sollte bei rauhen Seegangsbedingungen auf halbem Wind der Neigungswinkel eher bei höheren Werten (20-30°) liegen, auch wenn dadurch die Gierdämpfung des Systems geringer ist.

Amwindkurs

Auf einem Amwindkurs hat ein Einrumpfboot üblicherweise eine stabile, einseitige Krängung und damit entfallen die negativen Einflüsse auf die Kursstabilität durch Seegang (Rollen, gieren). Wichtig auf solch einem Kurs ist unter einer Windsteuerungsanlage, dass die Yacht nicht an der Windkante "Höhe kneifend" gesegelt wird, sondern genügend Geschwindigkeit hat.
Die Windfahne wird in ihrer Neigung so eingestellt, dass entsprechend des Seeganges die Kursänderungen des Bootes zum scheinbaren Wind gerade ausgesteuert werden.

Bei geringem Seegang und gleichmäßigem Wind kann die Neigung der Windfahnenachse groß sein (25°-30°), da die Yacht nur in geringem Maß von den entgegenlaufenden Wellen aus dem Kurs gebracht wird, und je nach Segeltrimm nur ein "Halten" des Ruders erforderlich ist. Bei böigem Wind und geringem Seegang sollte eine etwas höhere Servoverstärkung (Neigung Windfahnenachse 20°-25°) gewählt werden, um das Boot schneller die Änderung der Richtung des scheinbaren Windes in den Boen zum Gewinn von mehr Höhe ausnutzen zu lassen.

Bei stärkerem Seegang wird ggf. ein noch agileres Verhalten des Schiffes erforderlich sein und eine schnellere Kurskorrektur auf wellenbedingte Kursabweichungen notwendig.
Dann ist die Windfahnenneigung je nach mittlerer Krängung des Schiffes auf einen Bereich zwischen 10° und 20° einzustellen. Die tatsächliche Neigung der Windfahne gegen die Horizontale ist wegen der Krängung etwas höher. Damit erzielt man ein Verhalten, welches auch die kurzfristigen wellenbedingten Kursabweichungen oder in Boen wegen hoher Luvgierigkeit schnell aussteuert, ohne zu übersteuern.


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