XXIII. Ueber die Cornwall'schen Dampfmaschinen und James Sims' Wasserhebungsmaschine.Dem „Auszug aus dem Tagebuche eines Reisenden durch Großbritannien und Belgien im J. 1841“, welcher den Verhandl. des Vereins zur Beförderung des Gewerbfleißes in Preußen, 1842 1ste Lief, beigelegt ist, entnommen.A. d. R. Mit Abbildungen auf Tab. II. Ueber die Cornwall'schen Dampfmaschinen. Die große Tiefe, bis zu 260 Fathoms oder 1500 Fuß, in der die Erze in Cornwall gewonnen werden, erfordert zur Wältigung der Wasser kräftige Dampfmaschinen, welche in der Geschichte derselben eine bedeutende Rolle spielen und unter dem Namen Cornish-Steam-Engine so vortheilhaft bekannt sind. Die besondere Art der Arbeit, welche diese Maschinen verrichten müssen, gab ihnen eine eigenthümliche Construction, und der hohe Preis der Kohlen stellte den Cornwall'schen Ingenieurs die Aufgabe, mit einer bestimmten Quantität Kohlen den möglichst großen Nuzeffect hervorzubringen. Seit einer Reihe von Jahren entstand in dieser Beziehung unter den Ingenieurs ein edler Wetteifer, dieses schöne Ziel zu erreichen. Durch die Verbesserungen in der Construction der Maschine selbst, und besonders der Kessel- und Feueranlagen, wurde der Effect derselben zu einer so fabelhaften Höhe gesteigert, daß es nicht befremden konnte, wenn viele Techniker die Wahrheit der in den monatlich darüber erscheinenden Rapports angegebenen Daten bezweifelten. Unter den Ingenieurs war es besonders der Capitän Samuel Grose in Gwinear bei Camborne, der diese Dampfmaschinen auf den Standpunkt der Vollkommenheit gebracht hat, den sie jezt einnehmen. Mit den Maschinen, welche derselbe auf Wheal Hope und später auf Wheal Towan errichtete, begann eine neue Aera für diesen Zweig der Technik. Der Ausdruk „Pferdekraft“ ist bei den Cornwall'schen Wasserhebungsmaschinen nicht gebräuchlich; es war vielmehr natürlicher, das mechanische Moment derselben durch die Zahl der Pfunde auszudrüken, welche in einer bestimmten Zeit einen Fuß gehoben werden. Der eigentliche Nuzeffect wird dagegen bestimmt durch die Zahl der Pfunde, welche mit einer gewissen Quantität Brennmaterial, z.B. mit einem Bushel (2031,63 Kubikzoll preuß.) Kohlen auf die Höhe von 1 Fuß gebracht sind. Dieß leztere gibt zur Vergleichung der vorteilhaftesten Arbeit mehrerer Maschinen den richtigen Maaßstab, wie verschieden auch ihre Kraft und die Tiefe seyn mag, aus der selbige das Wasser fördern. Da die besten Maschinen von Bolton und Watt nur etwa 19 bis 20 Millionen Pfund mit einem Pushel Kohlen einen Fuß heben, dagegen die besten Cornwall'schen das Fünf- bis Sechsfache, so erscheint es als interessant, die Constructionsabweichungen dieser Maschinen von den Bolton-Watt'schen etwas näher zu beleuchten und festzusezen. Diese bestehen nun: A. In der Verbesserung der Form der Kessel und der Feuerung überhaupt. Statt der kofferförmigen oder Watt'schen Kessel haben die Cornwall'schen Maschinen durchgängig cylindrische Kessel von ansehnlicher Länge, mit einem excentrisch darin gelagerten Feuerrohr. Der Rost liegt in der Achse des Feuerrohrs, hat also eine Breite gleich dem Durchmesser desselben, und eben so breit sind auch die Einheizthüren. Der Rost ist nach Hinten zu auf jeden Fuß Länge um 1 Zoll geneigt und niemals über 6 Fuß lang, weil bei einer größeren Länge die Bewartung des Feuers unvollkommen ist. Die Flamme und die heißen Gase gehen vom Hinteren Ende des Kessels durch den Zug unterhalb desselben nach seinem vorderen Ende, und dann durch zwei Seitenzüge, welche sich hinter dem Kessel vereinigen, in den Schornstein. Der Querschnitt der Seitenzüge ist genau so groß, wie der der Feuerröhre; in der hinteren Fuchsöffnung ist aber ein Schieber angebracht, durch den solche nach Erfordern mehr oder weniger verengt werden kann. Das Feuerrohr ist 5 bis 6 Zoll hoch mit Wasser bedekt. Die größten Dampfkessel sah ich auf einem Kupferbergwerke bei Camborne; selbige hatten einen Durchmesser von 7 Fuß, eine Länge von 38 Fuß und ein 4 1/4Fuß weites Feuerrohr. Die auf Wheal Strawberry von dem Ingenieur Sims erbaute 80zöllige Maschine hatte drei Kessel von 6 1/4 Fuß Durchmesser, 28 Fuß Länge und 4füßige Feuerröhre. Nach den Mittheilungen von Grose sind die zwekmäßigsten Dimensionen für derartige Kessel folgende: Durchmesser derselben   6 bis   6 1/2 Fuß, Länge 30 – 36        – Durchmesser des Feuerrohrs   3 3/4 –   4        – Rostlänge   6 Fuß. Die parallel mit einander eingemauerten Kessel sind zur Verhütung der Wärmeausstrahlung und Abkühlung oben 5 bis 6 Zoll hoch mit Sägespänen (Sawdust) überdekt, und darüber ist wieder eine 9 Zoll hohe Erd- und Sandlage geschüttet, aus der die Sicherheitsventile, Mannlöcher und Köpfe der Dampfableitungsröhren nur eben hervorragen. Die Feuerzüge der Kessel münden in einen gemeinschaftlichen Hauptfuchs, der zu einem 3 bis 4 Fuß im Durchmesser weiten, aber nur zwischen 50 bis 60 Fuß hohen Schornstein führt. Die Kohlen, welche, wie bereits erwähnt, aus Südwales kommen, werden dergestalt über den Rost ausgebreitet oder gespreit, daß derselbe stets mit einer regelmäßigen Schicht von 6 bis 7 Zoll Dike überdekt ist. Das eigentliche Schüren und Reinigen des Feuers geschieht selten und nur immer nach Verlauf mehrerer Stunden in folgender Art. Zuerst schließt der Heizer den Schieber in der Hinteren Fuchsöffnung, damit keine kalte Luft eindringen, die Züge abkühlen und die Dampfspannung im Kessel herabdrüken kann. Darauf bringt derselbe das Brennmaterial auf die eine Seite des Rostes, reinigt die entblößte Stelle desselben von den Zinders und Schlaken und verfährt demnächst eben so mit der anderen Hälfte. In Folge der zwekmäßigen Größe der Züge und der geringen Höhe der Schornsteine brennt das Feuer in diesen Kesseln ganz gleichmäßig und ruhig, und die Flamme hat die gehörige Zeit, ihre Wärme dem Wasser mitzutheilen, bevor sie in die Esse entweicht. Schornsteine über 60 Fuß hoch sind in ganz Cornwall nirgend, sondern nur in denjenigen Grafschaften anzutreffen, wo die Kohlen nicht im hohen Preise stehen. Nach den auf Wheal Hope angestellten Versuchen ergab sich, daß in Cornwall'schen Kesseln zur Verdampfung von 1 Kubikfuß Wasser 6 Pfd. Kohlen erforderlich waren. B. In der Anwendung von hochgespannten Dämpfen mit Expansion, und Verminderung des Wärmeverlustes. Die Anwendung der Expansion des Dampfes rührt bekanntlich von Hornblower her, der auch bereits im Jahre 1781 ein Patent darauf nahm. Derselbe schloß dabei, wie folgt: Wenn gegen die eine Seite eines Kolbens eine gewisse Quantität Dampf wirkt, während an der anderen Seite desselben ein luftverdünnter Raum erzeugt ist, so muß der Kolben in Bewegung kommen und darin so lange bleiben, bis die Expansivkraft des ausgedehnten Dampfes der Kolbenreibung und dem von dem luftverdünnten Raum herrührenden Druk gleich geworden ist. Hornblower, der hiezu zwei Cylinder benuzte, konnte aber seine Entdekung nicht zur Ausführung bringen, weil Bolton und Watt auf die verbesserte Art der Condensirung des Dampfes ein Patent hatten, und einige Jahre später noch ein anderes auf die Benuzung der Expansion des Dampfes in ein und demselben Cylinder nachsuchten und erhielten. Indessen hatten Watt und Bolton sowohl, als Hornblower, nur niedrig gespannte Dämpfe dabei im Auge, weßhalb der dabei erzielte Vortheil nur unerheblich seyn konnte. Erst gegen Ende des vorigen Jahrhunderts wurde das Expansionsprincip bei hochgespannten Dämpfen von Arthur Woolf angewendet und erst dadurch bei den in Rede stehenden Maschinen der große Effect mit erreicht. Die Dampfspannung ist in der Regel zwischen 40 und 50 Pfd. pro Quadratzoll. Die zahlreichen Versuche, welche in Bezug auf die vortheilhafteste Expansion bei diesen Maschinen angestellt sind, haben ergeben, daß der Abschluß des Dampfes auf ein Fünftel, wo derselbe also auf vier Fünftel des Hubes bloß vermöge seiner Expansivkraft wirkt, am zwekmäßigsten ist, und diese Regel wird daher auch fast bei allen Maschinen genau beobachtet. Die Cylinder dieser Maschinen haben je nach der Wassermenge, welche sie wältigen sollen, einen Durchmesser von 30 bis 100 Zoll und einen Kolbenhub von 8 3/4 bis 10 Fuß. Diese Größe hat aber, wie die Versuche dargethan haben, einen bedeutenden Einfluß auf den Effect. Es stellten sich nämlich die Effecte für verschiedene Maschinen im Jahre 1835 durchschnittlich folgendermaßen heraus: Für Cylinder von 30 Zoll war der Effect = 34 Mill. Pfd.   –        –         – 30 bis 40 Zoll   –        –          – 38   –      –   –        –         – 40  – 50   –   –        –          – 45   –      –   –        –         – 50  – 60   –   –        –          – 48   –      –   –        –         – 60  – 70   –   –        –          – 52   –      –   –        –         – 70  – 80   –   –        –          – 64   –      –   –        –         – 80  – 90   –   –        –          – 55   –      – so daß also mit der Größe der Cylinder bis 80 Zoll der Effect von derselben Quantität Brennmaterial wächst, über 80 Zoll dagegen wieder abnimmt. Jeder Cylinder hat einen damit verkitteten eisernen Mantel, und in diesen, so wie in den hohlen Boden, wird mittelst eines besonderen Rohrs Dampf aus den Kesseln eingeführt. Dasselbe ist mit der Stopfbüchse der Fall, damit die bei der aufsteigenden Bewegung abgekühlte Kolbenstange wieder gehörig erwärmt wird. In einem Abstande von 6 bis 7 Zoll von dem Cylindermantel ist ein zweiter hölzerner Mantel angebracht und der Zwischenraum mit Sägespänen ausgefüllt. Dieser Mantel ist zuweilen mit Oehlfarbe angestrichen, oft aber auch nur berohrt und mit Kalk abgepuzt. Die Dampfventilgehäuse, der Cylinderdekel und die Dampfröhren sind gleichfalls mit denselben, die Wärme schlecht leitenden Körpern eingeschlossen, so daß jede Abkühlung des Dampfes verhindert und dadurch der eigentliche Nuzeffect nochwendig gesteigert ist. In der That steigt die Temperatur in einem solchen Maschinen- und Kesselhause selten über 16 bis 17° R., obgleich die entwikelten Dämpfe eine Temperatur von durchschnittlich 110° besizen. Endlich: C. In der Anbringung eines Cataractes zur Bewirkung der Pausen am Ende eines jeden Hubes. Durch die Hervorbringung der Pausen am Ende eines jeden Kolbenhubes wird den bei dem nächst vorhergehenden Hube benuzten Dämpfen Zeit zu ihrer vollständigen Condensation gegeben. Der Raum im Condensator ist daher im Augenblike der niedergehenden Bewegung des Kolbens, wo die Maschine die ungeheure Masse des Pumpengestänges etc. aus Ruhe in Bewegung sezen muß, beinahe ganz luftleer, während in den Watt'schen Maschinen die Condensation erst dann eingetreten ist, wenn der Kolben ungefähr ein Viertel seines Hubes vollendet hat. Diese unter A, B und C angegebenen Abänderungen, resp. Verbesserungen, erklären genügend die großen Effecte der Cornwall'schen Wasserhebungsmaschinen. Die Stärke der Kesselbleche beträgt im Minimum 3/6 Zoll, geht aber nicht über 4 1/2 Achtel Zoll hinaus. Das zur Kesselspeisung benuzte Wasser ist dasjenige, welches aus den Bergwerken gehoben wird; es greift die Kessel bedeutend an. Man findet daher bei Reparatur derselben die Bleche oft ungemein dünn und schwach, und dieß mag wohl die Ursache der Explosionen seyn, die leider schon oft vorgekommen sind. So zwekmäßig diese Röhrenkessel sind, so haben sie doch wieder den Uebelstand, daß bei ihnen eher Schaden und Unglük entstehen kann, als bei den kofferförmigen, wenn der Heizer das Feuerrohr nicht stets mit Wasser bedekt erhält. Als ich z.B. eines Tages die Feuerthüren des Kessels auf der Grube Stray-Park öffnete, bemerkte ich, daß die Deke des Feuerrohrs zu beiden Seiten wie in Fig. 1 eingedrillt war. Capitän Grose, der gerade gegenwärtig war, gab mir darüber folgende Auskunft. Vor 11/2 Jahren war durch die Unachtsamkeit des Schürers der Wasserspiegel so tief gesunken, daß das Feuerrohr oberhalb des Rostes rothglühend wurde und an einer Seite der Dampf dasselbe eindrükte. Während der Schürer, die Ursache dieser Erscheinung nicht ahnend, erschroken den Ingenieur herbeirief, wurde die andere Seite des Feuerrohrs ganz symmetrisch eben so herausgedrängt. Solche Fälle kommen öfter vor, denn auf einem Nachbarwerke sah ich einen Kessel, dessen 4füßiges Feuerrohr auf diese Weise vom Dampfe ganz zusammengeklappt war. Troz der hochgespannten Dämpfe werden bloß Hanfkolben benuzt. Da jeden Sonnabend die Maschinen einige Zeit stillgesezt werden, indem an Sonntagen nicht gearbeitet wird, so ist, wenn es nöthig seyn sollte, zum Liedern derselben Zeit genug vorhanden. Besteht aber der Cylinder aus gutem und dichtem Eisen, so hält eine gut gepakte Hanfliederung oft drei Monate lang vollkommen dicht, wenn gleich alle Fasern des Hanfs ganz zerrottet und mürbe sind. Die doppelt schließenden Kapselventile, die nur auf der Projection ihrer Schlußflächen Dampfdruk erleiden, sind auch bei den in Rede stehenden Maschinen vielfach angewendet und haben sich vollkommen gut bewährt. In den besten Maschinen ist gewöhnlich: 1) der Durchmesser der Kolbenstange gleich 1/10 des Cylinderdurchmessers; 2) die Höhe des Hanfkolbens gleich 1/4, des Cylinderdurchmessers, und 3) der Hub der Luftpumpe gleich dem halben Dampfkolben. Die Hauptdimensionen von einigen der besten von Capitän Grose erbauten Maschinen sind folgende: Wheal Alfred. Wheal Towan. Wheal Hope. Durchmesser des Cylinders    60 Zoll.    80 Zoll.    60 Zoll. Kolbenhub      9 Fuß.      9 Fuß.      9 Fuß. Dampfabschluß auf        1/4.        1/5.        1/5 Zahl der Huͤbe in der Minute    12.      8 bis 10.         – Durchmesser der Luftpumpe    24 Zoll.    34 Zoll.         – Hub derselben      4 1/2 Fuß.      5 Fuß.         – Hub der Wasserpumpen      8 –      8 –      8 Fuß. Durchmesser derselben    15 Zoll.    16 Zoll.    15 Zoll. Zahl der Kesse      3.      3.      1. Durchmesser derselben      6 Fuß.      6 Fuß.      6 1/6 Fuß. Laͤnge derselben    28 –    35 –    32 – Durchmesser der Feuerroͤhren      3 3/4 –      3 3/4 –      4 – Laͤnge des Rostes      6 –      6 –      6 – Hoͤhe des Schornsteins    60 –    60 –    60 – Durchmesser desselben      3 1/2 –      4 –      3 – Die Maschinengebäude sind, wie früher bereits bemerkt, höchst einfach und nicht größer als durchaus erforderlich ist, daher Allgemeinen schmal und hoch. In Mitte derselben ist der Quere nach eine 4 Fuß starke Mauer für das Auflager des Balanciers angelegt. An dem einen Ende des Balanciers, welches außerhalb des Gebäudes hervorragt, ist unmittelbar das kolossale Pumpengestänge befestigt, welches aus starken, durch Anker und Schraubenbolzen mit einander verbundenen Balken besteht. Das ganze Pumpwerk besteht aus einzelnen, bis 50 Fathoms langen Säzen oder Lifts. Die Unterste Pumpe, welche das Wasser aus dem Sumpfe der Stollensohle hebt, ist eine gewöhnliche Saugpumpe, die darauf folgenden, von denen jede das Wasser von der nächsten tieferen erhält und dasselbe auf diese Weise successive bis zu Tage gefördert wird, sind Drukpumpen. Den Kolben der unteren Saugpumpe macht man in der Regel etwas größer als den der Drukpumpen, weil derselbe selten ganz vollkommen dicht ist; eben so wird der dazu gehörige Pumpensaz niedriger gehalten. Der Durchmesser der Kolben und der dazu gehörigen Pumpensäze variirt auf den verschiedenen Bergwerken zwischen 6 und 20 Zoll. Die Wandstärke der Röhren ist am oberen Ende kaum 1 Zoll, dagegen nach Unten zu, wegen des bedeutenden Wasserdruks, 1 1/2 bis 1 3/4 Zoll. Der eigentliche Kolben der Drukpumpen besteht (Fig. 2) aus einem hohlen, an dem einen Ende verschlossenen und auf seiner ganzen Länge abgedrehten Cylinder von Gußeisen, in dessen inneren Theil die mit dem Hauptgestänge verbolzte hölzerne Kolbenstange genau eingepaßt und befestigt ist. Die Pumpenstiefel haben eine gewöhnliche, durch Hanf gedichtete Stopfbüchse. Bei diesen einfach wirkenden Maschinen ist das Gewicht des Pumpengestänges die Kraft, welche das Wasser emportreibt und zu Tage fördert, während der Dampf das Gestänge wieder in die Höhe zieht. Da aber in der Regel die Wucht desselben zu groß ist, so ist damit ein Gegengewicht (Fig. 3) verbunden, welches also der Kraft des Dampfes zu Hülfe kommt. Das Wasser wird sehr häufig höher gehoben, als durchaus zum freien Abfluß desselben erforderlich ist, indem man dasselbe durch Gossen auf ein in der Nähe liegendes Wasserrad zum Betriebe der Stampf- oder Walzwerke leitet. Unter diesen Wasserrädern gibt es manche von sehr schöner Construction und von bedeutenden Dimensionen. Die Welle ist gewöhnlich hohl mit aufgegossenen Federn. Die beiden Wellkränze sind von Gußeisen durchbrochen gearbeitet, dagegen die Arme, Felgen und Schaufeln von Holz. Auf Wheal Fanny, zwischen Camborne und Redruth, hatte ich Gelegenheit, die dort von dem Ingenieur James Sims nach seinem Princip gebaute Wasserhebungsmaschine mit zwei über einander stehenden Cylindern in Thätigkeit zu sehen. Der obere kleinere Cylinder hat einen Durchmesser von 50 Zoll, und der darunter stehende größere von 90 Zoll. Das Verhältniß der Größe der Kolbenflächen ist also wie 1 zu 3,24. Der Kolbenhub ist 9 Fuß. Die ganze Maschine ist sehr akurat und sauber gearbeitet. Die Kolben sind, wie gewöhnlich, mit Hanf geliedert, welches bei deck Kolben des unteren größeren Cylinders durch rundum bei a in Fig. 4 angebrachte Mannlöcher bewirkt werden muß und in der That sehr mühsam ist. Diese Maschine erfordert für das Pumpengestänge ein verhältnißmäßig größeres Gegengewicht, als die auf gewöhnliche Weise construirten Wasserhebungsmaschinen, weil der Dampf auch bei der aufsteigenden Bewegung der Kolben wirksam ist. Es läßt sich also schon der größere Effect derselben a priori einsehen, was durch die Monthly Reports näher bestätigt wird. Die zu dieser Maschine gehörigen Dampfkessel sind übrigens gewöhnliche Cornwall'sche, wie sie vorhin beschrieben wurden; auch sind alle Theile der Maschine in derselben Art, wie früher bereits angegeben, durch schlechte Wärmeleiter gegen Abkühlung geschüzt. Außer den Wasserhebungsmaschinen ist fast auf jedem Bergwerke noch eine sogenannte Fördermaschine (Whim-Engine) in Thätigkeit, zum Herausschaffen der Erze aus den tiefen Schachten. Es sind in der Regel einfach wirkende, mit einem Gegengewicht und einem schweren Schwungrade versehene Rotationsmaschinen, welche ebenfalls mit hochgespannten Dämpfen arbeiten und im Allgemeinen gerade so construirt sind, wie die kleine vierpferdige Maschine, welche im Jahre 1839 in Neuhaus bei Mühlrose von mir aufgestellt und in Gang gesezt wurde. Obgleich der Effect einer Dampfmaschine wesentlich von der in einer gewissen Zeit verdampften Wassermenge abhängt, so fehlt es doch meines Wissens noch an einer Vorrichtung, um diese mit nur einigermaßen erträglicher Genauigkeit zu bestimmen. Capitän Grose hat zu diesem Zwek vor mehreren Jahren für einen Mann vom Fach einen Apparat gebaut, der sich vollkommen bewährt haben soll. Ich weiß nicht, ob das Princip desselben neu ist oder nicht; auch habe ich weder den ausgeführten Apparat, noch eine Zeichnung davon gesehen, aber so viel geht aus der in Fig. 5 nach der mündlichen Beschreibung von Grose entworfenen Skizze hervor, daß derselbe zwekmäßig und dabei für die Ausführung nicht zu complicirt ist. Die Construction ist folgende: in einem kleinen Cylinder a bewegt sich wasserdicht ein Kolben b. Bei c ist das von der Drukpumpe kommende, und bei d das nach dem Kessel führende Rohr angeschraubt, e und f sind zwei, durch eine Stange mit einander verbundene Hähne. Der Kolben b ist durch eine Kolbenstange mit einem kleinen Balancier h, und dieser hinwieder mit dem Steuerungsbaum k in Verbindung gebracht. Die beiden Knaggen desselben, l und m, wirken auf die Arme der Quadranten n und o. Der Hebel p, welcher mit dem Quadranten n in Verbindung steht, wirkt auf den Knaggen q und dreht beide Hähne gleichzeitig um einen Viertelkreis herum. Dagegen strebt der Hebel r den Quadranten o zu heben und wirkt von Unten ebenfalls auf den Knaggen q. Es sey nun ober- und unterhalb des Kolbens b der Cylinder mit Wasser angefüllt, und der erstere habe bei seiner aufsteigenden Bewegung den mittleren Stand erreicht, wie in der Skizze angenommen, so drükt die Speisepumpe der Maschine das Wasser bei c hinein, folglich den Kolben in die Höhe, und das oberhalb desselben befindliche Wasser bei d in den Kessel. Im höchsten Kolbenstande hat der Knaggen m den Quadranten o so viel herumgedreht, daß der darüber fortgleitende andere Quadrant n frei wird, so daß der damit verbundene Hebel p den Knaggen q herabdrükt und die Hähne f und e dergestalt dreht, daß nunmehr die Röhre c mit dem oberen Raume des Cylinders, dagegen die Röhre bei d mit dem unteren communicirt. Der Kolben bewegt sich also wieder abwärts. Im tiefsten Kolbenstande dreht der Knaggen l den Quadranten n wieder herum, macht dadurch den Quadranten o frei, und der Hebel r bringt dann mittelst des Knaggens q die beiden Hähne wieder in die vorige Stellung. Und so wiederholt sich stets dasselbe Spiel. Wäre z.B. der Querschnitt des Kolbens ein halber Quadratfuß und der Kolbenhub = 1 Fuß, so würde die bei jedem Wechsel dem Dampfkessel zugeführte Wassermenge genau einen halben Kubikfuß betragen. Verbindet man mit dem Balancier h noch einen Hubzähler, so gewinnt der ganze Apparat noch mehr an Zwekmäßigkeit.