XLII. Ueber doppeltwirkende Dampfmaschinen für stabile Wasserhaltung; von Julius v. Hauer, k. k. Professor. Aus der österreichischen Zeitschrift für Berg- und Hüttenwesen, 1870, Nr. 40. v. Hauer, über doppeltwirkende Dampfmaschinen für stabile Wasserhaltung. Die folgende Mittheilung über diese gegenwärtig in Preußen stark in Aufschwung kommenden Maschinen, deren einige der Verfasser zu sehen Gelegenheit hatte, dürfte für die Leser dieser Zeitschrift nicht ohne Interesse seyn. Die Wasserhebungs-Dampfmaschinen der GrubenUeber die Systeme dieser Maschinen handelt ausführlich der Aufsatz: „Die im Oberbergamts-Districte Dortmund zur Anwendung kommenden Wasserhaltungsmaschinen- und Pumpensysteme“ von Hrn. v. Detten in der preußischen Zeitschrift für Berg-, Hütten- und Salinenwesen, Bd. XVII S. 303. lassen sich mit Rücksicht auf die Anordnung in zwei Hauptarten scheiden: dieselben sind entweder mit einem Schwungrade versehen, dessen Welle mittelst Kurbel und Schubstange ihre Drehung erhält, oder die rotirenden Bestandtheile fehlen. Man kann die erstere Art Maschinen mit, die letztere Maschinen ohne Rotationsbewegung nennen. Maschinen mit Rotationsbewegung sind für kleinere Leistungen, vorzüglich beim Abteufen von Schächten im Gebrauche, wo sie zugleich zur Förderung benutzt werden können, welche eine drehende Bewegung (der Treibkörbe) erfordert. Sie werden zur Verminderung der Dimensionen und des Schwungradgewichtes bekanntlich stets doppeltwirkend ausgeführt. Für die stabile Wasserhaltung findet man gewöhnlich Maschinen ohne Rotationsbewegung. Der Hauptgrund hierfür ist, daß diese Maschinen nach den einzelnen Huben Pausen von regulirbarer Dauer zu erzielen gestatten, was bei der anderen Art wegen der continuirlichen Drehung der Schwungradwelle nicht möglich ist. Die Pausen gestatten aber, die Menge des in gegebener Zeit gehobenen Wassers dem Zuflusse entsprechend abzuändern, ohne zum Nachtheile des Effectes die Kolbengeschwindigkeit herabzusetzen; auch können sich während der Pausen die Pumpenventile gehörig verschließen. Ferner ist die Anwendung der Maschinen ohne Rotationsbewegung einfacher. Die letzteren können einfach- oder doppeltwirkend construirt werden. Bei einfachwirkender Maschine muß das Gestänggewicht so groß seyn als der Gesammtwiderstand, der dem Niedergang des Gestänges entgegenwirkt; der Niedergang erfolgt dann selbstthätig, der Aufgang durch den Dampfdruck, wie es dem Principe der einfachen Wirkung entspricht. Ist wegen genügender Festigkeit ein so großer Querschnitt des Gestänges erforderlich, daß dessen Gewicht den Widerstand beim Niedergange übersteigt, so wird durch einen Contrebalancier mit Gegengewichten der Ueberschuß ausgeglichen. Eine doppeltwirkende Maschine ohne Rotationsbewegung läßt sich auf zwei Arten anordnen: 1. Man denke sich das Gestänge wie früher ausgeführt, jedoch den vorhandenen oder einen besonders zu diesem Zwecke eingebauten Contrebalancier so weit belastet, daß der Widerstand beim Auf- und Niedergange gleich groß wird, so erfordern beide letztere Bewegungen den gleichen Dampfdruck, also eine doppeltwirkende Maschine. Diese erhält einen halb so großen Cylinderquerschnitt und auch sonst kleinere Dimensionen, dagegen erhöht der Contrebalancier die Kosten, die Steuerung wird etwas complicirter, weil an beiden Cylinderenden Ventile angebracht werden müssen und zu bewegen sind; endlich ist bei directer Aufstellung ober dem Schachte zu beachten, daß beim Niedergange der Dampfdruck den Cylinder zu heben sucht, daher für letzteren eine solidere Fundirung nothwendig werden kann. Es ist also bei dieser Anordnung gegen die einfachwirkende Maschine wenig oder nichts gewonnen. 2. Die vorige Einrichtung erzielt eine theilweise Entlastung des Gestänges – diese kann auch unmittelbar, durch Verminderung des Querschnittes, erreicht werden. Man reducirt auf diese Art das Gestänggewicht so weit, daß wieder Auf- und Niedergang die gleiche bewegende Kraft verlangen, daher eine doppeltwirkende Maschine den Verhältnissen entspricht. Eine einfache Betrachtung zeigt, daß hierdurch das erforderliche Gestänggewicht gegen den vorigen Fall auf weniger als die Hälfte herabsinkt. Gewöhnlich sind einfachwirkende Mönchkolben-Druckpumpen in Verwendung und nur der unterste Satz zur Sicherung gegen Austränkung, wenn eine solche zu besorgen steht, als Hubsatz ausgeführt. Es sey: Pn der Druck des Wassers auf die Mönchkolben beim Niedergange, Pa der aus der Saughöhe resultirende Widerstand gegen den Aufgang der Mönchkolben, A der Wasserdruck auf den Hubpumpen-Kolben beim Aufgang, a der Auftrieb des Hubpumpen-Gestänges, G das Gewicht des Hauptgestänges nebst anhängenden Theilen, g das Gewicht des Hubpumpen-Gestänges, wa und wn die Nebenwiderstände beim. Auf- und Niedergange, so ist der Gesammtwiderstand Wa beim Aufgang: Wa = Pa + A + G – g – a + wa und beim Niedergang: Wn = Pn – G – g + a + wn. Sollen beide Werthe gleich seyn, so muß Wa – Wn = 0, daher Pa– Pn + A + 2G + 2g – 2a + wa – wn = 0 seyn, und hieraus folgt: G = 1/2 (Pn – Pa – A– 2g + 2a + wn – wa). Bei der einfachwirkenden Maschine dagegen muß der Widerstand beim Niedergange gleich Null, daher, wenn man das entsprechende Gestänggewicht mit G bezeichnet und den Nebenwiderstand unverändert gleich wn annimmt, Pn –G₁ – g + a + wn = 0, G₁ = Pn – g + a + wn seyn. Es wird daher G < 1/2 G₁ wenn Pn –Pa –A – 2g + 2a + wn – wa < Pn – g + a + wn, – Pa – A – g + a – wa < 0 ist. Da die Fläche des Hauptpumpenkolbens größer ist als der Querschnitt seines Gestänges, so ist der Wasserdruck A am Kolben allein größer als der Auftrieb a des Gestänges, daher die obige Bedingung immer erfüllt, und es ergibt sich das Gewicht des Gestänges bei der doppeltwirkenden Maschine stets weniger als halb so groß, als bei der einfachwirkenden. Es wird mithin gegen Fall 1 an Material oder Belastung des Gestänges bedeutend erspart und der Contrebalancier fällt weg, daher eine weit geringere träge Masse zu bewegen kommt. Allerdings ist die Reducirung des Gestängquerschnittes durch die Rücksicht auf dessen Festigkeit begrenzt, daher die besprochene Anordnung für kleine Wassermengen und große Schachttiefen nicht vortheilhaft ist, weil erstere ein kleines Gewicht, daher einen kleinen Querschnitt des Gestänges, letztere einen großen, beim Niedergange zu übertragenden Druck erfordern, folglich das Material mehr in Anspruch genommen ist und zu viele Führungen angebracht werden müssen, um der Biegung des Gestänges zu begegnen. Gegenüber den einfachwirkenden Maschinen ergibt sich wie unter l der Vortheil geringerer Cylinder-Dimensionen. Es dürfte nicht leicht seyn, einen gewichtigen Grund gegen die Anwendung der Maschinen von der Einrichtung 2 aufzustellen. Man wirft denselben vor, daß das Gestänge dabei zu schwach ausfällt. Dieß ist eben durch die Rechnung zu prüfen; man wird dabei zur Ueberzeugung kommen, daß sich, ausgenommen in dem obigen Falle, keine zu große Zahl Führungen ergibt, besonders bei Anwendung eiserner Gestänge, welche durch entsprechende Querschnittsform gegen Biegung gut gesichert werden können. Eine andere Einwendung ist, daß das Gestänge einem wechselnden starken Druck und Zug ausgesetzt sey. Denkt man sich, um über das Verhältniß dieser Kräfte im einfachsten Falle klar zu werden, eine einzige Mönchkolben-Druckpumpe, deren Saughöhe Null sey, am unteren Ende eines Gestänges von durchaus gleichem Querschnitte angebracht und vernachlässigt das Gewicht des Mönchkolbens sowie die Nebenhindernisse, so ist bei der einfachwirkenden Maschine der Dampfdruck gleich dem Gestänggewichte G, bei der doppeltwirkenden sind beide Größen gleich 1/1 G. Es ist daher im Gestänge der doppeltwirkenden Maschine beim Aufgang der Zug oben = 1/2 G, unten = 0, „ Niedergang der Druck oben = 1/2 G unten = G. Das Gestänge der einfachwirkenden Maschine erleidet beim Aufgang oben den Zug G, unten 0 „ Niedergang „ „ Druck 0, „ G; in der Mittelhöhe dagegen ist beim Aufgang der Zug 1/2, beim Niedergang ein ebenso großer Druck, daher der gleiche Wechsel der Einwirkungen vorhanden, wie bei der doppeltwirkenden Maschine am oberen Gestäng-Ende. Der Gegensatz dieser Einwirkungen läßt sich nun allerdings bei einfachwirkenden Maschinen dadurch verringern oder ganz vermeiden, daß man dem Gestänge nur den für die absolute Festigkeit nothwendigen Querschnitt gibt und die Mönchkolben der Pumpen künstlich belastet, wobei das Gestänge vorwaltend auf Zug beansprucht wird; er ist jedoch bei allen doppeltwirkenden Dampfmaschinen vorhanden und wird keine schädlichen Folgen zeigen, wenn die demselben ausgesetzten Bestandtheile genügende Querschnitte besitzen und die Verbindungen solid ausgeführt sind. Führungen müssen zur Verhinderung des Schwankens der Gestänge auch dann in nicht zu geringer Zahl vorhanden seyn, wenn diese nur einen Zug auszuhalten haben. Endlich wird es als Nachtheil bezeichnet, daß die ohnedieß nicht einfache Kataraktsteuerung bei doppeltwirkenden Maschinen noch verwickelter wird, weil für letztere an beiden Cylinderenden Ventile nothwendig sind. In der That ist eine Steuerung complicirt zu nennen, bei welcher, wie gebräuchlich, für jedes der Ventile ein besonderer Katarakt angeordnet ist, der durch sein Spiel erst ein Fallgewicht auslöst, welches das Ventil öffnet, und wenn überdieß, was auch vorkommt, der Niedergang des Fallgewichtes wieder durch eilten Luft- oder Wasserkatarakt gebremst wird, um das heftige Aufreißen des Ventiles zu verhüten. Es ist aber diese Steuerung, wie unten gezeigt, einer bedeutenden Vereinfachung fähig, welche von keinem Nachtheil begleitet zu seyn scheint; der Zuwachs an Bestandtheilen für die doppeltwirkende Maschine reducirt sich dabei auf die Ventile sammt Gehäuse am zweiten Cylinderende nebst zugehörigen Hebeln und Zugstangen. In neuerer Zeit schwinden mehr und mehr die Bedenken gegen die doppeltwirkenden Maschinen mit Kataraktsteuerung und sind deren eine größere Zahl auf den Schächten der preußischen Gruben theils ausgeführt, theils projectirt. Auf der Scharleygrube in Oberschlesien befindet sich eine doppeltwirkende Maschine von dem oben mit 1 bezeichneten System, d.h. bei welcher das Gewicht des Gestänges (1600 Ctr.) für den selbstthätigen Niedergang groß genug ist, jedoch durch einen Contrebalancier zum Theil ausgeglichen wird. Diese Einrichtung ist, wie oben bemerkt, der gewöhnlichen mit einfachwirkender Maschine nicht vorzuziehen und wurde im vorliegenden Falle nur deßhalb gewählt, weil wegen localer Verhältnisse ein kleiner Cylinderdurchmesser besonders wünschenswerth erschien. Die Einführung des Systemes 2, bei welchem durch Verminderung des Gestängquerschnittes selbst der Widerstand beim Auf- und Niedergang die gleiche Größe erhält, ist Hrn. Ingenieur Ehrhardt in Mühlheim a. d. Ruhr zu verdanken.Man vergl. den Aufsatz des Hrn. Schlink in der Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure, 1868, B. XII S. 446, sowie den früher citirten. Eine Maschine dieser Art befindet sich u.a. am Carnallschacht bei Zabrze; sie zeigt einen vollkommen befriedigenden Gang und am Gestänge ist keine schädliche Einwirkung des wechselnden Zuges und Druckes bemerkbar. Sie hat 66'' Cylinderdurchmesser, 10' Hub, kann 6 Hube per Minute verrichten und betreibt 3 Drucksätze von 24, 30 und 15'' Plungerdurchmesser und beziehungsweise 30, 50 und 20 Lackier Satzhöhe. Die Vorrichtung zur Condensation wird gegenwärtig nicht benutzt. Die Steuerung ist sehr einfach. An jedem Cylinderende befinden sich zwei Ventile für Ein- und Austritt des Dampfes, zur Erzielung der Pausen dienen zwei Katarakte. Einer derselben öffnet das untere Ein- und obere Auslaßventil; der zweite das obere Ein- und untere Auslaßventil; zu dem Behufe sind die Kataraktstangen bis zum oberen Cylinderende verlängert und mit je zwei Schlitzen versehen, in welche die Ventilhebel eingreifen; diese werden also von den Katarakten direct, nicht erst durch Vermittelung von Fallgewichten bewegt.Eine in dieser Art gegen die frühere Einrichtung abgeänderte Steuerung ist auch bei der Maschine des Ferdinandschachtes zu Rossitz im Gang. Dadurch ist die Steuerung vereinfacht und das rasche Aufreißen der Ventile vermieden. Besorgt man eine zu sehr schleichende Oeffnung der letzteren, so vergrößere man die Hubhöhe der Katarakte und die Länge der Schlitze für die Ventilhebel; bei gleicher Dauer der Pause wird dann die Geschwindigkeit der Kataraktstangen größer, die Bewegung der Ventile eine schnellere seyn. Auch unterliegt es keinem Anstande, jedes der Austrittsventile früher öffnen zu lassen, als das Einlaßventil am anderen Cylinderende, was wenigstens bei Condensationsmaschinen vortheilhaft ist, um den Anhub durch vorhergehende Bildung des Vacuums zu erleichtern; es wird dieß durch entsprechende Höhenstellung der Schlitze oder der darin befindlichen, auf die Ventilhebel wirkenden Röllchen erzielt. An den beiden Steuerungswellen der beschriebenen Maschine sind noch zwei ineinander greifende Quadranten von bekannter Einrichtung angebracht, welche die eben geöffneten Ventile und den zugehörigen Katarakt während des Hubes in ihrer Stellung erhalten; bringt man die Quadranten außer Eingriff, so beginnt der Katarakt seine Bewegung gleichzeitig mit dem Dampfkolben und regulirt nun nicht mehr die Dauer der Pause allein, sondern die des Hubes sammt Pause, also die Anzahl der in gegebener Zeit stattfindenden Hube. Eine andere von den gewöhnlichen abweichende Einrichtung zeigt die eben im Bau befindliche Wasserhaltungsmaschine auf der Ferdinandsgrube bei Kattowitz. Dieselbe ist eine doppeltwirkende Woolf'sche Maschine mit Schwungrad, welche aus Hoppe's Fabrik in Berlin stammt, zur Hebung von 240 Kubikfuß Wasser aus 985 Fuß Tiefe bestimmt ist, also eine reine Leistung von mehr als 500 Pferdekräften entwickeln und mit Condensation arbeiten soll. Die obige Tiefe vertheilt sich auf 5 Sätze, wovon die 2 unteren Hubsätze mit je 24 1/2, die 3 oberen Drucksätze mit 24 1/4, 24 1/8 und 24'' Kolbendurchmesser sind. Das Pumpengestänge ist mit einem Balancier verbunden, an dessen zweiten Arm sich der Reihe nach, vom Drehzapfen ausgehend, zuerst die zur Bewegung der Schwungradwelle dienende Schubstange, dann die Kolbenstange des kleinen und endlich die des großen Dampfcylinders anschließen; diese Bestandtheile sind ober dem in einer Vertiefung des Fundamentes gelagerten Balancier angeordnet. Die Kurbel befindet sich an dem einen freien Ende der Welle, das Schwungrad am anderen, jedoch innerhalb des Lagers. Die Maschine soll 15 Umgänge per Minute verrichten und ist auf sechsfache Expansion eingerichtet, welche sich jedoch mittelst einer Meyer'schen Schiebersteuerung reguliren läßt. Der große Cylinder hat 6 1/2 Durchmesser und 11' Hub, der kleine 4 3/4 Durchmesser und 7 3/4 Hub, das Pumpengestänge 5' Hub. Um von den sonstigen Dimensionen dieser Maschine eine Vorstellung zu geben, sey noch bemerkt, daß das Schwungrad 670, der schmiedeeiserne Balancier 550 Ctr. wiegt, der Kurbelzapfen nach Schätzung bei 16'' Durchmesser besitzt u.s.w. Soll eine Wasserhebungs-Maschine mit starker Expansion arbeiten, so wird, wenn keine Kurbelwelle vorhanden ist, das Gestänge schwer gemacht und dessen Gewicht durch einen Contrebalancier bis auf den zum Betrieb der Pumpen nothwendigen Theil wieder ausgeglichen. Die auf diese Art geschaffene träge Masse hindert eine zu große Beschleunigung des Gestänges durch den anfänglichen vollen Dampfdruck, welcher den Widerstand bedeutend übersteigt. Die Maschine kann dabei wieder doppeltwirkend ausgeführt werden, indem man so viel vom Gestänggewicht ausgleicht, daß der erforderliche gleiche Widerstand beim Auf- und Niedergang erreicht ist; dadurch werden die Dimensionen der Maschine und die nothwendigen trägen Massen vermindert, weil der anfängliche Dampfdruck und der mittlere Widerstand auf die Hälfte reducirt sind. Ist dagegen die Expansionsmaschine, wie die zuletzt beschriebene, mit einer Kurbelwelle versehen und doppeltwirkend, so erfordert das Schwungrad schon wegen des veränderlichen Dampfdruckes große Dimensionen. Um diese nicht noch höher zu steigern, scheint es stets angezeigt, den Gestängquerschnitt, wenn die Rücksicht auf Festigkeit es zuläßt, so gering zu halten, daß Auf- und Niedergang den gleichen Druck erfordern. Die Anwendung des Woolf'schen Principes bietet, allerdings bei größeren Anlagekosten der Maschine, in beiden obigen Fällen, also bei Expansionsmaschinen überhaupt, den bekannten Vortheil, daß der wirksame Dampfdruck während eines Hubes gleichförmiger, die nothwendige träge Masse geringer wird; die Frage jedoch, ob die Anordnung mit oder ohne Schwungrad kostspieliger sey, dürfte nicht allgemein zu beantworten seyn. In dem einen Falle ist ein schweres Gestänge mit Contrebalancier und Gegengewicht, im anderen ein schweres Schwungrad mit Welle und Kurbelmechanismus herzustellen. Für den Gang der Pumpen ist die Verbindung der Maschine mit einer sich nahe gleichförmig drehenden Welle vortheilhaft, weil dabei das Wasser allmählich in Bewegung und zur Ruhe kommt, dagegen sind keine Pausen möglich und kann die Menge des gehobenen Wassers nur durch Aenderung der Kolbengeschwindigkeit regulirt werden. Bei wachsender Stärke der Wasserhebungsmaschinen nehmen zwar die Anlage- und Betriebskosten per Pferdekraft ab, dafür verursacht ein Bruch um so empfindlichere Nachtheile. Aus diesem Grunde ist es fraglich, ob nicht einer Maschine von solcher Größe, wie die zuletzt beschriebene, zwei kleinere von der gleichen Gesammtleistung vorzuziehen wären. Zum Schlusse sey noch bemerkt, daß die Rittinger'schen Pumpen ohne Gestänge (Perspectivpumpen, bei welchen die Steigröhren zugleich als Gestänge fungiren) durch Hrn. Bergrath Krenski in Kattowitz Verbreitung gesunden haben und sich ganz zur Zufriedenheit bewähren. Auf der Abend- und Morgenstern-, dann der Louisens-Glücks-Grube bei Kattowitz befinden sich acht solche Pumpen von verschiedenen Dimensionen, bis 28 Zoll Kolbendurchmesser und gegen 300 Fuß Satzhöhe. Die Steigröhren sind aus Blechtafeln wie Dampfkessel zusammengenietet, welche Construction gegenwärtig auch bei gewöhnlichen Pumpen häufig vorkommt und unter Anderem den Vortheil gewährt, daß die Anzahl der Flantschenverbindungen dabei verhältnißmäßig gering ist, indem die einzelnen Röhrenstücke eine größere Länge, z.B. bis drei Klafter erhalten können.