MKL1888:Wassersäulenmaschine

Wassersäulenmaschine, mechan. Vorrichtung zur Nutzbarmachung hoher Wassergefälle, gleicht in ihrer Konstruktion den Dampfmaschinen; denn sie besteht wie diese aus einem Hohlcylinder (Treibcylinder), in welchem ein Kolben durch den Druck einer hohen Wassersäule hin- und hergeschoben wird. Um dem Wasser den Ein- und Austritt aus dem Cylinder

Fig. 1. Wassersäulenmaschine mit Kolbensteuerung.

zur rechten Zeit zu gestatten, ist eine Steuerung nötig, welche jedoch im Gegensatz zu derjenigen der Dampfmaschinen so eingerichtet sein muß, daß die Ein-, bez. Austrittskanäle ganz allmählich geöffnet oder geschlossen werden. Die gebräuchlichste Steuerung für Wassersäulenmaschinen ist die Kolbensteuerung, welche bei der in Fig. 1 dargestellten W. angewendet ist, die speziell zur Wasserhebung bestimmt ist. Das Aufschlagwasser, welches unter dem Druck der wirkenden Wassersäule der Maschine durch das Rohr A zufließt, tritt zunächst in den Steuerungscylinder d, in welchem sich zwei Steuerkolben bewegen, die, wenn das Wasser aus A durch d bei e unter dem Kolben C eintritt, den Austritt des Wassers über C aus f und g gestatten. In diesem Fall wird C in die Höhe getrieben; hat der Kolben aber seinen höchsten Standpunkt erreicht, so findet das Umgekehrte statt, und das Wasser unter C entweicht durch h. Die Bewegung der beiden Kolben in d wird vermittelt durch die Schiene ii, welche auf der verlängerten Kolbenstange von d gleitet und abwechselnd an k oder l stößt. Da das Wasser vollständig unelastisch ist, so darf die Umsteuerung nicht plötzlich vor sich gehen, weil sonst durch die plötzliche Eröffnung, bez. Verschließung der Kanäle e und f gewaltige Stöße im Wasser eintreten würden, welche auch wegen der gleichmäßigen Fortpflanzung im Wasser auf die Maschinenwandungen übertragen würden und leicht die Maschine zertrümmern könnten. Aus diesem Grund können Wassersäulenmaschinen nur sehr wenig Hübe in der Minute machen. Die nach unten verlängerte Kolbenstange von C trägt den Kolben a einer doppelt wirkenden Saug- und Druckpumpe. Geht a in die Höhe, so entsteht in der Kammer b eine Verdünnung, das untere Ventil öffnet sich, und aus der Saugröhre N wird Wasser in b gehoben. Zugleich wird Wasser in die Kammer c und nach Öffnung des obern Ventils c in die Steigröhre S gepreßt. Beim Niedergang des Kolbens vertauschen die Kammern b und c ihre Rollen. Wenn der Querschnitt des Kolbens

Fig. 2. Schmidtscher Motor.

C zwei-, drei- bis viermal größer ist als der des Kolbens a, so kann man (die Reibungs- und sonstigen Widerstände ungerechnet) eine Wassersäule heben, die zwei-, drei- bis viermal so hoch ist als die Druckhöhe des Aufschlagwassers. Die Maschine gibt aber nur 70 Proz. dieses theoretischen Effekts, der Rest dient zur Überwindung der Reibungs- und sonstigen Widerstände. Während man größere Wassersäulenmaschinen fast ausschließlich zu Hebezwecken (also als Motoren für Pumpen [speziell Bergwerkspumpen], Kräne, Aufzüge etc.) verwendet, bei welchen eine rotierende Bewegung entweder ganz ausgeschlossen ist, oder nur als Hilfsmittel zum Betrieb der Steuerung Verwendung findet, werden Wassersäulenmaschinen mit Schwungradwelle zur Ausnutzung kleiner Wasserkräfte, besonders der Druckkraft in Wasserleitungen, mehrfach als Umtriebsmaschinen für den Kleinbetrieb benutzt. Der bekannteste und verbreiteste derartige Motor ist von Schmidt in Zürich konstruiert und als sogen. Schmidtscher Motor für die Kleinindustrie von einiger Bedeutung geworden. Die Fig. 2 stellt denselben im Längenschnitt dar. In dem Cylinder A bewegt sich der Kolben a dadurch hin und her, daß das Wasser aus der Wasserleitung L abwechselnd durch die Kanäle c und d gegen den Kolben tritt, während es in umgekehrter Reihenfolge durch dieselben Kanäle in den Austrittskanal K weggeführt wird. Indem die Kolbenstange b auf die mit Schwungrad S versehene Kurbel o wirkt, entsteht die Drehbewegung, welche sich zugleich dem Cylinder A mitteilt, der nun um eine horizontale Achse in Schwingungen gerät und dadurch die Umsteuerung des Wassereintritts bewirkt, weil die Kanäle c und d hierbei abwechselnd vor L und K gelangen. Der Windkessel W reguliert die Wasserspeisung. Man hat auch versucht, bei derartigen kleinen Wassersäulenmaschinen eine Art Expansion zur Wirkung zu bringen, indem man an den Enden des Cylinders Luftkissen anordnete. Die ersten Versuche, Wassersäulenmaschinen zu konstruieren, datieren von der Zeit her, als es Newcomen in England gelungen war, eine sogen. Feuermaschine in Gang zu bringen (s. Dampfmaschine, Gesch., S. 471). Es steht fest, daß die Wassersäulenmaschinen von Höll (in Ungarn), Winterschmidt (in Deutschland) und Westgarth (in England) fast gleichzeitig um die Mitte des vorigen Jahrhunderts erfunden wurden. Diese ältesten Wassersäulenmaschinen fanden hauptsächlich in Ungarn, Kärnten und später in Sachsen bei Bergwerken Verbreitung. 1808 wurden die Wassersäulenmaschinen namentlich an der Steuerung durch Reichenbach in München verbessert (Ersetzung der bis dahin gebräuchlichen Hähne durch Kolben). Weitere Verbesserungen erhielten die Wassersäulenmaschinen durch Jordan. Im Anfang der 40er Jahre führten Taylor, Darlington u. a. Ventilsteuerung bei Wassersäulenmaschinen ein. Früher hatten die Wassersäulenmaschinen nur hin- und hergehende Bewegung und wurden ausschließlich zum Betrieb von Bergwerkspumpen benutzt, erst von diesem Jahrhundert an konstruierte Armstrong Wassersäulenmaschinen mit rotierender Bewegung. Die kleinern rotierenden Wassersäulenmaschinen von Schmidt u. a. stammen aus neuerer Zeit. Vgl. Weisbach, Lehrbuch der Ingenieur- und Maschinenmechanik, Bd. 1 (5. Aufl., Braunschw. 1882); Rühlmann, Allgemeine Maschinenlehre, Bd. 1 (2. Aufl., das. 1875); v. Hauer, Die Wasserhaltungsmaschinen der Bergwerke (Leipz. 1879); Musil, Motoren für das Kleingewerbe (2. Aufl., Braunschw. 1882); Knoke, Kraftmaschinen des Kleingewerbes (Berl. 1887).

Wassersäulenmaschine. Die bisherigen größern Wassersäulenmaschinen der Bergwerke mußten sehr langsam laufen, weil sonst infolge des unelastischen Betriebsmittels (Wasser) leicht starke Stöße entstanden, welche die Maschinen zertrümmern konnten. Als eine der schnellstgehenden Wassersäulenmaschinen galt bisher die von Jordan für den Königin Marien-Schacht bei Klausthal ausgeführte, welche im Maximum 12 Doppelhübe in der Minute macht, aber um dies zu ermöglichen, mit einem Schwungrad von riesigem Gewicht ausgestattet ist. Ein neueres System von Wassersäulenmaschinen, welches von M. Ch. Roux angegeben ist, soll gestatten, ohne Anwendung eines Schwungrades, mehr als viermal soviel (50) Doppelhübe in der Minute zu machen. Die Maschine kann daher für gleiche Leistung viel kleiner gebaut werden und bedarf eines bedeutend geringern Anlagekapitals. Eine neuere Ausführung der W. von Roux findet sich in der Kohlengrube des Creusot. Hier liegt die gemeinschaftliche Sammelstelle der Grubenwässer 351,69 m unter Tage. Ein großer Teil derselben kommt aus einer 266,52 m unter Tage befindlichen Sole. Das Gefälle dieses Wassers (351,69 − 266,52 = 85,18 m) ist dazu benutzt, mittels Rouxscher W. den zehnten Teil der gesamten Grubenwässer zu Tage zu fördern, also 351,69 m hoch zu heben. Die verwendete W. hat zwei wagerecht liegende Pumpenzüge, die zu beiden Seiten eines großen Windkessels liegen und einzeln oder gleichzeitig betrieben werden können (in Fig. 1 ist einer derselben dargestellt). Jeder derselben ist hinreichend groß, um das ganze Aufschlagwasser ausnutzen zu können. Der Kraftkolben hat 352 mm Durchmesser und 255 mm Hub, die Pumpenkolben haben bei gleichem Hub 136 mm Durchmesser. Der schnelle Gang der Maschine wird,

Fig. 1. Wassersäulenmaschine von Roux.

abgesehen von einem Windkessel E, der etwanige Wasserstöße mildert, durch die besondere Art der Steuerung gewährleistet. Diese besteht aus zwei übereinander liegenden hydraulischen Kolbensteuerungen. Die erste derselben (die der Wasserzuleitung zunächst gelegene Vorsteuerung) veranlaßt die Bewegung der andern (der Hauptsteuerung), diese die Bewegung des Kraftkolbens und dieser wiederum die Bewegung der ersten Steuerung. Das Trieb- oder Aufschlagwasser fällt durch das Rohr G ein, durchstreicht das Zulaßventil V sowie den Windkessel E und wird dem Kraft- oder Treibkolben M, welcher sich auf der Kolbenstange T befindet, zugeführt. Die Kolbenstange trägt an ihren Enden die Kolben C, welche sich in den Cylindern Q hin und her bewegen. Das zu fördernde Wasser wird dem Windkessel E entnommen und durch die Rohrleitung RFO unter den Saugventilen S u. S1 zugeführt, tritt beim Zurückgehen der Kolben durch diese in die Pumpe und beim Vorgehen der Kolben durch die Druckventile J u. J1 in den großen (in der Figur nicht gezeichneten) Windkessel, von welchem es in das Steigrohr gelangt. Die Steuerung wird durch Vermittelung des Treibkolbens vom Aufschlagwasser selbst wie folgt bewirkt: Bei der in Fig. 1 gezeichneten Stellung strömt das Wasser des Windkessels E in die Kanäle p. An der rechten Seite wird es durch die Kolben a3 und a4 der Vorsteuerung und durch b3 und b4 der Hauptsteuerung an der Weiterbewegung nach h, bez. eg gehindert. An der linken Seite dagegen lassen die Kolben a1 und a2 das Wasser in den Kanal h1, dasselbe wirkt hier einseitig auf den Kolben b1, der nach rechts getrieben wird, so daß das Aufschlagwasser zwischen b1 und b2 hindurchstreichen und durch e1 und g1 hinter den Treibkolben M treten kann. Derselbe verdrängt alsdann das im Raume L befindliche, bereits ausgenutzte Aufschlagwasser und drückt gleichzeitig mittels des Kolbens C eine entsprechende Druckwassermenge zu Tage. Kurz vor dem Ende des Hubes gibt der Treibkolben M die Öffnung m frei, durch dieselbe und den Kanal ma5 gelangt das Aufschlagwasser hinter den Kolben a4 und treibt die vier Kolben der Vorsteuerung nach links. Dies wird jedoch erst dadurch ermöglicht, daß gleichzeitig der innere Teil des Kolbens M, welcher mit dem außer Druck befindlichen Abflußwasser in Verbindung steht, die Öffnung n und damit die Leitung na frei macht, so daß das vorher hinter a1 befindliche gespannte Wasser seinen Druck verliert und mit dem verbrauchten Wasser aus L durch den Kanal AB entweichen kann. Nach der Verschiebung der Vorsteuerung von rechts nach links wiederholen sich die eben für die linke Seite geschilderten Vorgänge auf der rechten und umgekehrt. Zahlreiche Versuche mit der vorstehenden von Crozet u. Komp. in Chambon ausgeführten Maschine lieferten nachstehende Ergebnisse: Bei 50minutlichen Doppelhüben sind in 24 Stunden 1783 cbm Wasser erforderlich und werden 248 cbm gehoben, so daß, um ein Raumteil Wasser 280 m hoch zu fördern, sieben Raumteile Wasser mit 70 m Gefälle erforderlich sind, entsprechend einer Nutzleistung von 55 Proz. Die Kosten der ganzen Anlage betragen: für die eigentliche Maschine von 10,200 kg Gewicht 21,805 Frank, für die Rohrleitung 22,728 Fr., für Montage und Nebeneinrichtungen 17,391, also im ganzen 61,924 Fr. Die Betriebskosten betrugen für 17 Monate rund 587 Fr. Aufsicht ist fast gar nicht erforderlich, auch hat die Maschine bei vorkommenden Reparaturen unter einem Wasserspiegel von 7–8 m Höhe mehrere Tage anstandslos gearbeitet.

In origineller Weise wird eine W. von Kley zum Betrieb von Fahrkünsten (s. d., Bd. 5) benutzt. Hierzu war es erforderlich, die W. so einzurichten, daß sie auch bei großer und schneller Veränderlichkeit in der Belastung der Gestänge sich derart selbst reguliert, daß sie stets eine bestimmte Hubzahl macht. Bei den Fahrkünsten werden nämlich schnelle Belastungsänderungen der Gestänge dadurch herbeigeführt, daß sie einmal ganz leer gehen, ein andermal mit Bergleuten, die aus- oder einfahren wollen, teilweise oder voll besetzt sind. Im erstern Falle hat die Maschine nur die Reibung des Apparats zu überwinden, im zweiten Falle (beim Ausfahren) hat sie bei jedem Hube eines Gestänges dazu noch das ganze Gewicht der aufgetretenen Mannschaft zu heben, und im dritten Falle (beim Einfahren) wird sie von dem Gewicht der niederfahrenden Bergleute getrieben und muß daher nicht nur keine Arbeit verrichten, sondern vielmehr die von dem Gewicht der niederfahrenden Bergleute verrichtete Arbeit vernichten. Dabei muß das Gestänge einen sanft, aber genau begrenzten Hub haben, damit beim Hinübertreten die Tritte in gleicher Höhe stehen. Die bisher zum Betrieb der Fahrkunst benutzten Wassersäulenmaschinen waren rotierende, bei welchen die Betriebskraft mit der Hand reguliert und die überschüssige Kraft beim Einfahren durch Bremsen des Schwungrades vernichtet wurde. Sie erforderten zu ihrer Aufstellung große Räume und zur Übertragung der Betriebskraft auf die Gestänge Zahnradübersetzungen, wodurch bei der wechselnden

Fig. 2. Kleys Wassersäulenmaschine für Fahrkünste.

Belastung oft gefährliche Unruhen und Brüche entstehen. Diese Übelstände sollen durch die direkt wirkende Kleysche W., welche eine sich selbst regulierende Steuerung besitzt, beseitigt werden. Die Maschine (deutsches Reichspatent Nr. 48,723) besteht aus zwei oben geschlossenen, stehenden Treibcylindern A und A1 (Fig. 2), welche unten durch ein U-Stück miteinander verbunden sind, und in welchen zwei Kolben B und B1 sich bewegen. Der Raum zwischen den beiden Kolben bleibt stets mit demselben Wasser gefüllt. Diese hydraulische Verbindung der beiden Kolben dient nicht bloß zur Übertragung der Betriebskraft von einem Kolben auf den andern, sondern vermittelt auch gleichzeitig die gegenseitige Ausgleichung der Gewichte der Fahrgestänge F und F1, welche mittels Traversen an die Kolbenstangen angeschlossen sind. Die Maschine hat eine Kolbensteuerung. Das Betriebswasser tritt bei G in dieselbe ein und bei H und H1 aus derselben heraus. Stehen die beiden gekuppelten Steuerkolben K u. K1 rechts, so gelangt das Betriebswasser durch den Kanal J1 J1 in den Cylinder A1 über den Kolben B1 und drückt diesen samt Kolbenstange und Gestänge abwärts, während der andre (B) nebst Zubehör durch Vermittelung der Wassersäule zwischen B1 und B aufwärts bewegt wird und das gebrauchte Wasser aus dem Cylinder A durch J und H abfließen kann. Bei der Linksstellung der Steuerkolben strömt das Betriebswasser durch J nach A, B geht abwärts, B1 aufwärts, und das Abwasser geht aus A1 durch J1 und H1 ins Freie. Die Steuerkolben K und K1 werden auf zweierlei Weise bewegt, einmal durch die Maschine selbst mittels der am Gestänge F angebrachten Zahnstange Z, der Zahnräder R und r, der Zahnstange z, der Schubstange zq und des in der Steuerkolbenstange gelagerten Hebels O, und zweitens durch die doppelt wirkende hydraulische Hilfsmaschine W mittels des Kolbens M, der Schubstange Ns und wiederum des Hebels O. Die Hilfsmaschine hat eine Kolbensteuerung, welche von der Hauptmaschine, bez. dem Fahrgestänge F aus im letzten Teile des Auf- und des Niederganges derselben mittels der Knaggen P und P1 sowie der mit dem Gewichtshebel U verbundenen Hebel Q und Q1 und T bewegt wird, wodurch die Umsteuerung erfolgt. In den zwei Kanälen p u. p1, welche das Betriebswasser in den Cylinder der Hilfsmaschine ein- und daraus abführen, befinden sich Hähne, welche fein eingestellt werden können. Durch die Regulierung dieser Hähne hat man die Geschwindigkeit der Bewegung des Kolbens M ganz in der Gewalt. Die Hähne werden so gestellt, daß die Hilfsmaschine nur so viel Hübe macht, wie die Fahrkunst machen soll. Der geometrische Zusammenhang der Hauptmaschine mit ihrer Kolbensteuerung und mit der Hilfsmaschine ist nun derart, daß die Bewegung der Hauptmaschine die Hauptsteuerkolben stets in ihre mittlere Lage bringen will, in welcher sie die Ein- und Auslaßkanäle des Betriebswassers absperren, also den Gang der Maschine unterbrechen, während die Bewegung des Hilfsmaschinenkolbens stets die Ein- und Ausströmungskanäle der Hauptmaschine nach der einen oder andern Seite zu öffnen strebt. Die Hilfsmaschine wirkt hierbei als Regulator. Ist sie mittels ihrer Regulierhähne in den Kanälen p und p1 auf die richtige Anzahl Hübe eingestellt, so kann auch die Hauptmaschine nur mit derselben Hubzahl laufen; denn würde sie etwa infolge nur geringer Belastung der Gestänge schneller laufen wollen, so würde sie veranlassen, daß das Ende q des Hebels O mehr auf Schließung der Kanäle J und J1 hinwirkt als das Ende s dieses Hebels auf Offenhaltung, es würde somit eine Verengerung des Zuganges zu jenen Kanälen eintreten, welche eine entsprechende Verlangsamung des Maschinenganges bis zur normalen Geschwindigkeit zur Folge hat. Würde im umgekehrten Falle bei starker Belastung der Gestänge eine abnorm geringe Geschwindigkeit der Maschine auftreten, so würde dieselbe durch Überwiegen der Öffnungsbewegung der Steuerkolben, welches durch die nunmehr schneller laufende Hilfsmaschine herbeigeführt wurde, bald wieder auf das richtige Maß erhöht werden. Die Kolben K und K1 sind etwas länger als die Ein- und Austrittsöffnungen der Kanäle J und J1, sie müssen daher einen kleinen Weg zurücklegen, ehe die Hauptmaschine von einem Hube zum andern übergehen kann. Es entsteht somit eine kleine Hubpause, während welcher die Bergleute Zeit haben, von einem Gestänge auf das andre überzutreten. Es ist leicht zu überschauen, daß man mit der Überdeckung der Kolben K und K1 die Länge der Hubpause bestimmen kann, daß man durch Regulierung der Hähne in den Rohren p und p1 die Geschwindigkeit des Hilfskolbens M und damit die Hubzahl der ganzen Fahrkunst in der Gewalt hat, daß das Fahrgestänge niemals eine gewisse größte Geschwindigkeit überschreiten kann, daß infolge der langsamen Bewegung der Hauptsteuerkolben die Maschine langsam aus der Ruhe in die Bewegung übergeht und infolge der allmählichen Wirkung der Knaggen P und P1 auf die Steuerkolben der Hilfsmaschine auch langsam zur Ruhe kommt, und daß endlich die Begrenzung des Hubes der Fahrkunst durch richtige Einstellung der Knaggen P und P1 ganz genau reguliert werden kann.