Vliegwiel

Doel

Een vliegwiel wordt gebruikt om een machine bij het aanzetten door het eerste dode punt te halen en de machine vervolgens gelijkmatiger te laten lopen.
Andere namen voor een vliegwiel zijn ook: jachtwiel, voerwiel of drijfwiel.

Situatie

Bij de meeste machines, waarvan de kracht door een drijfwerk wordt overgebracht, is er aan de omtrek van een riemschijf, tandwiel, of bij directe aandrijving via een krukas, sprake van een weerstand, die voor het grootste deel zeer constant van aard is.

Zonder vliegwiel of drijfkracht

Om die weerstand zonder vliegwiel of enige gelijksoortige massa met bewegingsenergie te overwinnen, zou op de stoomzuiger een stoomdruk moeten werken van zeer wisselende kracht.
Natuurlijk kan men deze noodzakelijke veranderende kracht voor de verschillende zuigerposities wel berekenen. Vervolgens zou men de mechanische sturing van de machine daarop moeten inrichten, maar dat is technisch gezien zeer gecompliceerd.

Uitgangspunt

Daarom gaat men uit van de constante stoomdruk uit de ketel en die is in de voldrukmachines constant, terwijl bij stoommachines die gebruik maken van expansie de stoomdruk weer op een geheel andere wijze veranderlijk is.

Een andere factor, die bij stoommachines van invloed is, bestaat uit het feit dat aan de gezamenlijke massa's van van de zuiger, zuigerstang, kruiskop en een deel van de drijfstang, die een heen- en weergaande beweging krijgen, steeds, nadat ze op het dode punt in ruststand zijn gekomen, een zekere snelheid meegegeven moet worden, die op het midden van de daaropvolgende slag zijn maximum bereikt en vervolgens op weg naar het volgende dode punt weer tot nul moet dalen, enz.

Omdat ook de stoomdruk op de zuiger al in grootte verandert, zal de drijfstang op de kruk van de as een tangentiaaldruk, dit is druk in de richting van de draairichting, uitoefenen die sterk wisselend is. Als men deze tangentiaaldruk op de uitgeslagen krukcirkel (van 0 tot 360 gr.) uitzet (vgl. een sinusgrafiek), dan krijgt men een golvende lijn.

de golvende lijn van een ééncilindermachine

Als men de machine dus laat lopen met deze ongelijk aandrijvende kracht, dan zal de omwentelingssnelheid van de machine zeer onregelmatig worden.

Oplossing: een vliegwiel met massa

Als men de omwentelingssnelheid van de machine gelijkmatiger wil maken, dan moet de machine voorzien worden van een onderdeel dat tijdelijk het overschot van de energie (arbeidsvermogen van beweging) in zich opneemt, om dat dan later weer, op het moment dat er een energie tekort optreedt, weer af te geven als aanvulling van arbeidsvermogen.
Dit noodzakelijke onderdeel van de machine is nu het vliegwiel.

In de grafische afbeelding verdeelt de lijn van van gelijke arbeid de arbeidsenergie in twee delen, het bovenste is een arbeidsoverschot en het onderste A, gearceerd, is een arbeidstekort.
Het vliegwiel moet daarbij zo zwaar gekozen worden, dat het zo goed mogelijk het overschot en het tekort aan arbeidsvermogen met elkaar vereffent, zodat het arbeidsvermogen van beweging in de praktijk zo dicht mogelijk de lijn van gelijke arbeid nadert.

Volkomen bereikbaar is dit natuurlijk niet. De velg van het vliegwiel zal steeds een maximum snelheid V1 en een minimumsnelheid V2 bereiken, terwijl de juiste snelheid V had moeten zijn.
Voor een vliegwiel wordt daarom gerekend met een breuk:
(V1-V2):V = de graad van oneenparigheid

Hoe kleiner de waarde van deze breuk voor een bepaald vliegwiel aan een bepaalde machine is, hoe gelijkmatiger de machine door de werking van het vliegwiel zal gaan lopen.
Bij machines die een zeer regelmatige belasting aandrijven, zoals generatoren, maar ook b.v. centrifugaalpompen van een gemaal, moet de breuk van de graad van oneenparigheid zeer klein worden, meestal tussen 0,02 en 0,03.

Bij zuiger(stoom)machines die met riemen of snaren een heel drijfwerk van een fabriek in beweging brengen, kan men lichtere vliegwielen kiezen, omdat men dan eigenlijk gebruik maakt van de situatie dat het zware drijfwerk (eenmaal in beweging gebracht) zelf als een vliegwiel werkt.

Om het aantal omwentelingen van een zuiger(stoom)machine zo constant mogelijk te houden bij een voortdurende afwisseling van de belasting kan de machine het beste een regulateur krijgen, die het aantal omwentelingen regelt en zo aan de belasting aanpast. Een goed werkende regulateur zal ervoor zorgen dat de machine, met vol geopende stoomafsluiter, zonder belasting, nauwelijks meer omwentelingen maakt dan bij volle belasting.

In situatie waarbij de machine een constante belasting moet aandrijven is een regulateur minder noodzakelijk. Hier kan het gewenste aantal omwentelingen goed in de hand gehouden worden met het openen of knijpen van de stoomafsluiter. In een dergelijk geval kan de machine dan beter beveiligd worden met een overtoerenbeveiliging: als de machine door omstandigheden (verlies aan belasting) op hol zou dreigen te slaan, zorgt een beveiligingsmechaniek ervoor dat de stoomtoevoer wordt afgesloten.
Dit laatste is ook van toepassing op de machines van het ir. D.F. Woudagemaal.

Een vliegwiel geeft deze opgeslagen energie (arbeidsvermogen van beweging) weer af tussen de twee arbeidsslagen in. Vooral bij een één-cilinder stoommachine, tandem-stoommachine of verbrandingsmotor is een groot vliegwiel essentieel om de motor aan te kunnen zetten en rustig te kunnen laten lopen.